Энергосбережение в современных гидроприводах

Дроссельные потери мощности: расчет и влияние на КПД

КПД гидроприводов напрямую зависит от уровня дроссельных потерь мощности Рпот в компонентах, через которые проходит поток рабочих жидкостей (РЖ) Q, л/мин, при перепаде давлений Δp, МПа:

Рпот = Δp·Q/60, кВт

Цифры говорят сами за себя. Потери давления, равные 1 МПа, вызывают разогрев потока РЖ на 0,6°С. Представьте, что происходит при больших перепадах! Масло греется, вязкость падает, износ ускоряется.

Это серьезная проблема. Особенно в системах с дроссельным регулированием, где потери могут достигать 30-40% от подводимой мощности.

Способы регулирования гидроприводов

В современных гидроприводах применяется дроссельное, объемное или объемно-дроссельное регулирование. В первом случае изменение скорости движения гидродвигателей (цилиндров или гидромоторов) реализуется путем дросселирования поступающего к ним потока РЖ, во втором — за счет изменения рабочих объемов насосов и/или гидромоторов, в третьем — регулируемый насос работает совместно с дроссельным регулятором потока.

С точки зрения энергосбережения дроссельное регулирование наименее приемлемо. Однако его конструктивная простота и высокое быстродействие в приводах сравнительно небольшой мощности (обычно до 3...5 кВт) во многих случаях являются решающими.

Компромисс? Безусловно. Но иногда оправданный.

Трехлинейные компенсаторы давления

Типичный пример дроссельного способа регулирования — приводы с четырехкромочным дросселирующим гидрораспределителем (ДГР) и питанием от нерегулируемого насоса. Поскольку для таких систем максимум отдаваемой мощности достигается при потере 1/3 подводимого давления на рабочих кромках золотника ДГР, их КПД не может быть выше 66%.

Негусто, правда?

Существенно уменьшить дроссельные потери мощности удается при установке трехлинейного компенсатора давления — аппарата, поддерживающего постоянный перепад давлений на рабочих кромках ДГР (0,3...1 МПа) путем изменения давления на выходе из насоса в функции полезной нагрузки, действующей на гидродвигатель.

Рис. 1 Гидропривод с четырехкромочным ДГР

Рис. 2 Трехлинейный компенсатор давления

При использовании гидропривода, например, в испытательных стендах с гармоническими колебаниями исполнительного гидроцилиндра, подача питающего насоса может быть снижена на 30% путем установки в напорной линии пневмогидравлического аккумулятора соответствующей вместимости.

В ряде систем дроссельного регулирования сокращение энергетических потерь достигается за счет замены двухлинейных регуляторов расхода трехлинейными, поскольку последние изменяют давление на выходе из насоса в зависимости от действующей нагрузки.

Но есть нюанс. Трехлинейные регуляторы могут устанавливаться только на входе в гидродвигатель, питаемый индивидуальным насосом.

Разгрузка многопоточных насосов

В системах дроссельного регулирования широко применяются различные способы разгрузки, в том числе с помощью распределителей 14-го или 64-го исполнений по гидросхемам или предохранительных клапанов с электроразгрузкой.

В гидрораспределителях мобильных машин напорная и сливная линии могут соединяться через соответствующие проточки золотников секций, находящихся в нейтральных позициях. При переключении одной из секций это соединение разрывается.

Эффективным способом энергосбережения является установка многопоточных насосов, в которых возможна индивидуальная разгрузка отдельных секций в паузах между функционированием различных исполнительных гидродвигателей.

С помощью разгрузочных клапанов обеспечивается разгрузка отдельных секций многопоточного насоса при увеличении давления в напорной линии. Так, например, при давлении 5 МПа разгружается одна секция, при давлении 10 МПа — дополнительно другая, а третья может работать при давлении до 15 МПа.

При этом потребляемая электродвигателем мощность остается примерно постоянной. Логично?

Рис. 3 Разгрузка секций многопоточного насоса

Пропорциональное электроуправление

Пропорциональное электроуправление гидроаппаратами существенно расширяет возможности энергосбережения. Распределители, дроссели и клапаны позволяют плавно и точно регулировать рабочие параметры гидроприводов в соответствии с сигналами, поступающими от системы управления в тот или иной момент цикла работы оборудования.

При этом обеспечивается оптимальное соотношение между перемещением, скоростью, давлением, расходом и другими параметрами с целью минимизации энергетических потерь.

Следует по возможности исключать аппараты, в которых имеются значительные дроссельные потери мощности (переливные и редукционные клапаны, трехлинейные клапаны давления).

Если редукционный клапан работает в зажимном механизме и большую часть времени через него проходит лишь минимальный поток (линия управления), это вполне допустимо. Но при наличии больших расходов и перепадов давлений резко возрастают потери мощности.

Частотное регулирование насосных установок

Резервы снижения энергетических потерь имеются даже в казалось бы давно отработанных аппаратах. В обратных клапанах типа Г51-3 конструкции ЭНИМС рабочая жидкость в надклапанную полость подводится через наклонные отверстия, расположенные вблизи от рабочей кромки.

Таким образом, при увеличении потока возрастает скоростной напор и, следовательно, уменьшается гидростатическое давление в надклапанной полости, что позволяет снизить потери давления Δp в аппарате.

При снижении Δp на 0,15 МПа и Q = 100 л/мин потери мощности сокращаются на 0,25 кВт. Впечатляет, не правда ли?

Рис. 4 Обратный клапан типа Г51-3

Новая система частотного регулирования насосов фирмы Yuken с компенсатором давления обеспечивает экономию энергии за счет добавления к асинхронному электродвигателю датчика давления и частотного преобразователя.

Путем снижения частоты вращения насоса при нулевой подаче с 1800 до 300 мин⁻¹ потери мощности при давлении 15 МПа уменьшаются с 1,5 до 0,5 кВт.

Система может применяться для модернизации существующих насосных установок с аксиально-поршневыми или пластинчатыми насосами. В используемых ранее системах частотного регулирования насос нестабильно работал при минимальных частотах вращения, близких к нулевой. Введение минимального порога (300 мин⁻¹) позволило фирме успешно решить эту задачу.

Рис. 5 Частотное регулирование фирмы Yuken

LS-регуляторы и компенсаторы с разгрузкой

Как уже отмечалось, в гидроприводах объемного и объемно-дроссельного регулирования широко используются регулируемые гидромашины. Современные аксиально-поршневые насосы имеют до 30 различных механизмов управления, обеспечивающих оптимизацию их работы главным образом с целью энергосбережения.

Наиболее распространенные компенсаторы стабилизируют давление в напорной линии во всем диапазоне подач от нуля до максимальной. Вместе с тем, поддержание номинального давления при нулевой подаче сопряжено с энергопотреблением до нескольких кВт.

Поэтому фирма Duplomatic предусматривает новый механизм управления с электроразгрузкой в этом режиме.

Рис. 6 Компенсатор давления с разгрузкой фирмы Duplomatic

Главным образом в мобильной технике опережающее развитие получают энергосберегающие насосы с регуляторами мощности и LS-регуляторами (Load Sensing — чувствительность к нагрузке).

Последние позволяют поддерживать постоянство перепада давлений Δp = 0,4...1,2 МПа на дросселе (возможно с пропорциональным электроуправлением), установленном в напорной линии.

Таким образом, в рабочем диапазоне подача насоса стабилизируется на заданном уровне независимо от нагрузки, действующей на рабочие органы машины, а давление на выходе из насоса равно давлению в рабочей камере гидродвигателя плюс Δp.

Наибольшим «интеллектом» обладают так называемые р/Q-регуляторы, содержащие пропорциональные или сервоаппараты управления давлением и подачей, соответствующие датчики обратной связи и, возможно, встроенные электронные блоки.

Все это позволяет реализовать практически любые алгоритмы управления, в том числе от ПК.

Насосно-аккумуляторные гидроприводы

В большинстве зажимных устройств требуется длительное поддержание давления в полостях неподвижных гидродвигателей с возможностью периодического быстрого подвода-отвода.

Для этих целей наиболее приспособлены насосно-аккумуляторные гидроприводы, в которых практически полностью отсутствуют дроссельные потери мощности.

Разработанный в ЭНИМСе гидропривод восьми спаренных прижимных устройств бумагоделательной машины содержит бак (25 л), насосный агрегат с электродвигателем М (1,5 кВт) и насосом Н (15 л/мин), оригинальный разгрузочный клапан КПР, аккумулятор А (6,3 л) и аппаратуру управления с пропорциональными редукционными клапанами КР и датчиками давления ДД.

В процессе работы гидропривода насос периодически подзаряжает аккумулятор, а в паузах между подзарядками разгружается через фильтр Ф (10 мкм) и клапан КПР.

Утечки в гидросистеме возможны только через клапаны КР, однако в аппаратах прямого действия они незначительны. Гидропривод обеспечивает минимальное энергопотребление и нормальный тепловой режим при круглосуточной эксплуатации.

Рис. 8 Насосно-аккумуляторный привод ЭНИМС

В гамме насосов PVQ фирмы Eaton Vickers предусмотрен специальный регулятор UV для комплектации насосно-аккумуляторных приводов.

Рис. 9 Регулируемый насос фирмы Eaton Vickers

В ряде случаев для аналогичных целей находят применение пневмогидравлические насосы («холодная гидравлика»).

При наличии в гидросистеме кратковременно работающих с большой скоростью механизмов (например, выталкивателей) хорошие результаты энергосбережения обеспечивают пневмогидравлические аккумуляторы, позволяющие значительно уменьшить требуемую подачу насоса.

Децентрализация: мини-агрегаты на рабочих органах

Остаются по-прежнему актуальными известные методы энергосбережения за счет:

• повышения КПД гидромашин|
• сокращения внутренних утечек РЖ, например, с помощью герметичных седельных гидрораспределителей и современных уплотнений, повышения точности изготовления, улучшения фильтрации и уменьшения зазоров в подвижных соединениях, использования новых материалов и принципов компенсации износа трущихся пар, применения минеральных масел с высоким значением индекса вязкости (ИВ)|
• оптимизации проходных сечений компонентов гидропривода (например, для гидрораспределителей с условным проходом 6 мм уже допускаются потоки РЖ до 80...100 л/мин)|
• сокращения потерь давления в соединительных трубопроводах.

Остановимся подробнее на последнем. В современных авиалайнерах расстояние от насоса до гидродвигателя может превышать 50 м. При этом масса соединительных гидролиний достигает 75% от общей массы гидросистемы, что делает гидроприводы неконкурентоспособными с электроприводами по критерию отношения мощности к массе.

Фактически теряется одно из основных преимуществ гидравлики. Это серьезно.

Для решения этой проблемы компания Messier-Bugatti (Франция) разработала малогабаритный поршневой мини-насос «egide» объемом не более 0,5 дм³. Новый насос может приводиться напрямую от электродвигателя с частотой вращения 20 тыс. мин⁻¹ и располагаться рядом с приводами.

Причем контроль подачи и давления в напорной линии позволяет исключить сервоклапаны в исполнительных механизмах. В настоящее время проводятся испытания насоса на аэробусе А330.

Рис. 10 Установка мини-агрегата на цилиндре

Подобная децентрализация успешно используется и в крупных обрабатывающих центрах, в которых гидравлические мини-агрегаты располагаются непосредственно на рабочих органах (в том числе подвижных), позволяя улучшить компоновку, резко сократить длину гидролиний, исключить шланги, снизить энергетические потери и шум гидропривода.

Следующим шагом является компоновка насосных мини-агрегатов непосредственно на гидроцилиндрах, что уже демонстрировалось на Ганноверской ярмарке 2011 г.

Рекуперация энергии в гидравлических системах

Гидравлика открывает широкие возможности рекуперации энергии. Разработчики гидроприводов уже давно ищут варианты рекуперации (например, при опускании грузов, торможении транспортных средств и др.) и достигли в последние годы определенных успехов.

Простейшим примером является система уравновешивания вертикально расположенных рабочих органов с помощью гидроцилиндра, подключенного к аккумулятору (возможно с дополнительным газовым баллоном).

При движении рабочего органа вверх аккумулятор частично разряжается, а при опускании — подзаряжается вновь. Поскольку такое решение достаточно громоздко, трудно поддается регулировке и усложняет техническое обслуживание, в системах большой мощности находят применение обратимые регулируемые гидромашины, работающие в режиме насоса или гидромотора с рекуперацией электроэнергии.

Возможность пропорционального регулирования давления уравновешивания позволяет минимизировать мощность приводного электродвигателя.

Рис. 7 Регулируемый радиально-поршневой гидромотор фирмы Parker

Рис. 13 Система уравновешивания с насосом

Электрогидравлический симбиоз на базе новейшей комплектации, например, фирмы Parker Hannifin, позволяет повысить энергоэффективность за счет действия силы гравитации.

«Изюминкой» системы является обратимый двигатель переменного тока с компьютерным управлением и постоянными магнитами, связанный муфтами с дизелем и шестеренным насосом гидропривода вертикального перемещения, причем через специальный преобразователь двигатель соединен с аккумулятором.

Таким образом, при подъеме нагрузки двигатель работает в моторном режиме, а при опускании — в генераторном, обеспечивая рекуперацию энергии, а дизель, работающий в режиме максимального КПД, включается лишь при первоначальном запуске и периодической подзарядке аккумулятора.

Сообщается, что новая система проходит испытания на мобильных машинах, обеспечивая энергосбережение в диапазоне 5...40% (в зависимости от конкретного применения).

Интересно подчеркнуть, что разработчики считают оправданным столь серьезное усложнение привода даже при 5-процентном энергосбережении.

Рис. 14 Энергосберегающая система фирмы Parker Hannifin

В одном из самых «зеленых» городов США — Денвере — применяются мусоровозы с шасси, оснащенным гидросистемой рекуперативного торможения, принцип работы которой основан на сохранении кинетической энергии торможения в гидроаккумуляторе с последующим использованием ее при разгоне.

После 15 тыс. км пробега в режиме постоянных разгонов-торможений было установлено, что расход топлива снижается в среднем на 25%, а число техобслуживаний тормозной системы — в 3...4 раза.

Это факт.

Гидравлический автомобиль: технологии будущего

Наконец, гидравлический автомобиль изобретателя Инго Валентина (США). В этом пионерском решении используется вспомогательный компактный турбодизель (ТД), пневмогидроаккумулятор и гидравлические мотор-колеса.

При работе ТД закачивает рабочую жидкость из бака в аккумулятор, обеспечивающий питание мотор-колес. После полной зарядки аккумулятора ТД отключается, а при необходимости подзарядки автоматически запускается вновь.

В тормозном режиме поток РЖ направляется в аккумулятор, обеспечивая рекуперацию энергии. Для городских условий полной зарядки аккумулятора хватает в среднем на 8 км пробега, после чего включается ТД и в течение 1 мин полностью заряжает аккумулятор, одновременно обеспечивая вращение колес.

Далее цикл повторяется. Расход топлива — 2 л на 100 км.

Это ли не мечта московских автомобилистов, постоянно дергающихся в пробках между разгоном и торможением?!

К сожалению, гидравлический автомобиль — пока еще проект на уровне патентов с экспериментальной проверкой отдельных фрагментов (ТД, мотор-колеса), но сколько блестящих инноваций начиналось с «сумасшедших» проектов!

Рис. 15. Проект гидравлического автомобиля Инго Валентина

В.К. Свешников, к.т.н., ЭНИМС