Энергосбережение в современных гидроприводах

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 ?р, МПа: Рпот = ?р·Q/60, кВт.

При этом потери давления, равные 1 МПа, вызывают разогрев потока РЖ на 0,6оС.

В современных гидроприводах применяется дроссельное, объемное или объемно­дроссельное регулирование. В первом 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 и 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.

Типичный пример дроссельного способа регулирования — приводы с четырехкромочным дросселирующим гидрораспределителем (ДГР) и питанием от нерегулируемого насоса (рис. 1). 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%. 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. 2).

Рис. 1 Гидропривод с четерехкромочным ДГР

Рис. 2 Трехлинейный компенсатор давления

При использовании гидропривода (см. рис. 1), например, в испытательных стендах с гармоническими колебаниями исполнительного гидроцилиндра подача питающего насоса, определяемая как произведение максимальной мгновенной скорости движения на площадь поршня, 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. Вместе с тем, трехлинейные регуляторы могут устанавливаться только на входе в гидродвигатель, питаемый индивидуальным насосом.

В системах дроссельного регулирования широко применяются различные способы разгрузки, в том числе с помощью распределителей 14­го или 64­го 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, причем при переключении одной из секций это соединение разрывается. Аналогичное решение может применяться и для линии управления разгрузкой предохранительного клапана.

Эффективным способом энергосбережения является установка многопоточных насосов, в которых возможна индивидуальная разгрузка отдельных секций в паузах между функционированием различных исполнительных гидродвигателей. В схеме рис. 3 с помощью разгрузочных клапанов 2 и 3 обеспечивается разгрузка отдельных секций многопоточного насоса при увеличении давления в напорной линии. Так, например, при давлении 5 МПа разгружается секция 4, при давлении 10 МПа — дополнительно секция 6, а секция 5 может работать при давлении до 15 МПа, определяемом настройкой предохранительного клапана 1. При этом потребляемая электродвигателем мощность остается примерно постоянной.

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.

Рис. 3 Разгрузка секций многопоточного насоса

Рис. 4 Обратный клапан типа Г51-3

 

Следует по возможности исключать аппараты, в которых имеются значительные дроссельные потери мощности (переливные и редукционные клапаны, трехлинейные клапаны давления и т.п.). Если редукционный клапан работает в зажимном механизме и большую часть времени через него проходит лишь минимальный поток (линия управления), это вполне допустимо; при наличии больших расходов и перепадов давлений резко возрастают потери мощности.

Резервы снижения энергетических потерь имеются даже в казалось бы давно отработанных аппаратах. В обратных клапанах типа Г51­3 конструкции ЭНИМС (рис. 4) РЖ 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 ??р в аппарате. При снижении ?р на 0,15 МПа и Q = 100 л/мин потери мощности сокращаются на 0,25 кВт, что весьма существенно.

Новая система частотного регулирования насосов фирмы Yuken с компенсатором давления (рис. 5) 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 мин­1 потери мощности при давлении 15 МПа уменьшаются с 1,5 до 0,5 кВт. Система может применяться для модернизации существующих насосных установок с аксиально­поршневыми или пластинчатыми насосами. В используемых ранее системах частотного регулирования насос нестабильно работал при минимальных частотах вращения, близких к нулевой; введение минимального порога (300 мин­1) позволило фирме успешно решить эту задачу.

Рис. 5 Частотное регулирование фирмы Yuken

Как уже отмечалось, в гидроприводах объемного и объемно­дроссельного регулирования широко используются регулируемые гидромашины. Современные аксиально­поршневые насосы имеют до 30­ти 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).

Рис. 6 Компенсатор давления с разгрузкой фирмы Duplomatic

Главным образом в мобильной технике опережающее развитие получают энергосберегающие насосы с регуляторами мощности и LS­регуляторами (Load Sensing — чувствительность к нагрузке). Последние позволяют поддерживать постоянство перепада давлений Dр = 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 Dр. Наибольшим «интеллектом» обладают так называемые р/Q­регуляторы, 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. Например, в гидросистеме (см. рис.1) применение подобного насоса позволяет снизить дроссельные потери мощности путем специального программного обеспечения, ограничивающего перепад давлений на рабочих кромках ДГР.

Рис. 7 Регулируемый радиально-поршневой гидромотор фирмы Parker

Одной из технических новинок последних лет являются энергосберегающие регулируемые радиально­поршневые гидромоторы Parker (рис. 7), внутри вращающегося вала которых расположены цилиндры управления 1, изменяющие величину эксцентриситета. Наличие гидрозамков 2 позволяет это делать ступенчато в зависимости от времени и числа включений управляющего гид­рораспределителя.

В большинстве зажимных устройств требуется длительное поддержание давления в полостях неподвижных гидродвигателей с возможнос­тью периодического быстрого подвода­отвода. Для этих целей наиболее приспособлены насосно­аккумуляторные гидроприводы, в которых практически полностью отсутствуют дроссельные потери мощности. Разработанный в ЭНИМСе гидропривод восьми спаренных прижимных устройств бумагоделательной машины (рис. 8) 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 (А1, В1 и А2, В2 – линии подключения гидроцилиндров). 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. В гамме насосов PVQ фирмы Eaton Vickers преду­смотрен специальный регулятор UV (рис. 9) для комплектации насосно­аккумуляторных приводов.

Рис. 8 Насосно-аккумуляторный привод ЭНИМС

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.

Остаются по­прежнему 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, т.е. фактически теряется одно из основных преимуществ гидравлики. Для решения этой проблемы компания Messier­bugatti (Франция) разработала малогабаритный поршневой мини­насос «egide» объемом не более 0,5 дм3. Новый насос может приводиться напрямую от электродвигателя с частотой вращения 20 тыс. мин­1 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 миниагрегата на цилиндре

Подобная децентрализация успешно используется и в крупных обрабатывающих центрах, в которых гидравлические мини­агрегаты 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 мини­агрегатов непосредственно на гидроцилиндрах, что уже демонстрировалось на Ганноверской ярмарке 2011 г. (рис. 10).

ДГР идеально приспособлены для генерирования гармонических колебаний на испытательных стендах, однако в случае ресурсных испытаний предпочитают применять объемные методы на основе плунжеров­гидровытеснителей, соединенных через эксцентриковые или кулисные механизмы с частотно­регулируемыми электродвигателями (рис. 11). Несмотря на существенное усложнение конструкции, такое решение имеет более высокий КПД и предпочтительно с позиций энергосбережения.

Рис. 11 Объемный метод генерации колебаний

Яркий пример энергосбережения являет стенд Valve Expert фирмы Dietz automation (рис. 12) для испытаний сервоклапанов с расходом до 60 л/мин и давлением до 21 МПа. Если в классических стендах для этого требуется привод­ная мощность 35 кВт, то здесь ее удалось сократить до 7,1 кВт, а накопление энергии для испытаний обеспечивается аккумулятором вместимостью 4 л. Секрет успеха состоит в том, что мощные скоростные компьютеры и развитое программное обеспечение позволяют проводить испытания и выводить на распечатку все статические и динамические характеристики аппаратов за 40 с, что является мировым рекордом!

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 1 (рис. 13), работающие в режиме насоса или гидромотора с рекуперацией электроэнергии. Возможность пропорционального регулирования давления уравновешивания позволяет минимизировать мощность приводного электродвигателя 2.

Рис. 12 Стенд Valve Expert фирмы Dietz automation

Рис. 13 Система уравнове­шивания с насосом

 

Электрогидравлический симбиоз на базе новейшей комплектации, например, фирмы Parker Hannifin, позволяет повысить энергоэффективность за счет действия силы гравитации. «Изюминой» системы (рис. 14) 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). Здесь интересно подчеркнуть, что разработчики считают оправданным столь серьезное усложнение привода даже при 5­процентном энергосбережении.

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 разгонов­торможений было установлено, что расход топлива снижается в среднем на 25%, а число техобслуживаний тормозной системы — в 3...4 раза.

Рис. 14 Энергосберегающая система фирмы Parker Hannifin

Рис. 15. Проект гидравлического автомобиля Инго Валентина

 

Наконец, гидравлический автомобиль изобретателя Инго Валентина (США). В этом пионерском решении используется вспомогательный компактный турбодизель (ТД), пневмогидроаккумулятор и гидравлические мотор­­колеса (рис. 15). При работе ТД закачивает рабочую жидкость из бака в аккумулятор, обеспечивающий питание мотор­колес. 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, мотор­колеса), но сколько блестящих инноваций начиналось с «сумасшедших» проектов!

В.К. Свешников, к.т.н., ЭНИМС

<"