Энергосберегающие системы
Развитие гидроприводов в 2014 году характеризуется, прежде всего, повышением интеллектуального уровня и серьезными достижениями в области энергосбережения.
Фирма Bosch Rexroth, обладающая всеми типами приводных технологий, отмечает, что за последние 30 лет многие предсказывали кончину гидравлики, однако этого не произошло. В качестве примеров приводятся машины для литья пластмасс, прессы и штамповка, где использование гидравлики растет и позволяет повысить энергоэффективность, а также снизить шум. Большое значение здесь имеет внедрение частотно-регулируемых приводов, интегрированных в системы автоматизации на уровне предприятия (рис. 1).
Рис. 1. Система Sytronix Bosch Rexroth.
Замена дроссельного регулирования объемным с использованием простейших дешевых и высоконадежных нерегулируемых насосов позволяет существенно сократить потери мощности, уменьшить вместимость баков, повысить срок службы масла и исключить расходы на устройства охлаждения, поэтому система быстро окупается.
Основными параметрами, определяющими уровень шума насосов, являются частота вращения и давление. Например, при снижении частоты вращения с 1800 до 200 мин-1 уровень шума уменьшается на 15…20 дБА. Раньше гидравлики принимали повышенный шум как должное — результат высокой плотности мощности, однако когда потребители оценили шум частотно-регулируемых приводов, это просто открыло им глаза.
Рис. 2. Электрогидростатический EHA-привод.
Интересно отметить, что во многих случаях применения приемлемое качество регулирования гидроприводов можно обеспечить только за счет изменения частоты вращения насоса, что существенно упрощает гидросистему в целом и используется во многих мобильных машинах.
Продолжает развиваться перспективное направление создания так называемых электрогидростатических приводов (ЕНА). В отличие от электромеханических аналогов взамен сложных, дорогих и сравнительно малонадежных исполнительных механизмов, связывающих электрический серводвигатель с нагрузкой (редукторов, шариковинтовых передач и др.), здесь установлены гидроцилиндр, насос с реверсом по потоку и простейшие предохранительные клапаны. В гидросистеме отсутствуют дросселирующие и направляющие гидроаппараты; пуск, останов, изменение направления и скорости движения обеспечиваются электрическим серводвигателем, который способен также точно позиционировать рабочий орган при наличии датчика обратной связи. В режиме остановки серводвигатель вращается с минимальной частотой (~ 100…200 мин-1), достаточной для того чтобы насос поддерживал рабочее давление в гидросистеме, причем потери мощности при этом пренебрежимо малы. В результате получаем автономный узел (рис. 2), соединяемый с системами питания и управления только электропроводами и практически не нуждающийся в техобслуживании в процессе длительной эксплуатации. Концепция ЕНА была впервые предложена более 20-ти лет тому назад фирмой Moog для авиационных рулевых механизмов и отлично себя зарекомендовала (впрочем, имеются сведения о параллельных работах отечественных специалистов — Ермакова С.А и др.). В последние годы ЕНА-приводы для общемашиностроительного применения освоили мировые лидеры гидравлики (Moog, Voith Turbo, Bosch Rexroth, Parker, Liebherr и др.).
Рис. 3. Электрогидравлический инструмент фирмы Edilgrappa.
Следующим шагом автономии является отказ и от кабеля электропитания, например, в полностью автономном электро-
гидравлическом инструменте фирмы Edilgrappa (рис. 3) для холодной прошивки отверстий (в том числе квадратных или овальных) в стальном листе и профиле. Электродвигатель привода насоса высокого давления получает питание от встроенного в рукоятку литий-ионного аккумулятора (18 В; 2 А•ч), который может периодически подзаряжаться от сети ~220 В. Инструмент развивает усилие до 210 кН и при собственной массе 14,7 кг и способен пробивать отверстия диаметром до 30 мм при толщине листа 12 мм, причем гидравлический возврат поршня исключает опасность заклинивания пуансона.
Для комплектации электрогидростатических приводов требуются «плотные» насосы с реверсом по потоку, способные поддерживать в гидросистеме полное рабочее давление при минимально возможной частоте вращения. Для этой цели хорошо подходят новые шестеренные насосы внутреннего зацепления мод. QX фирмы Bucher Hydraulics с рабочими объемами V0 = 10…160 см3 (рис. 4).
Рис. 4. Насос внутреннего зацепления фирмы Bucher Hydraulics.
Отличительными особенностями насосов являются: большой скоростной диапазон, долговечность, способность выдерживать максимальные ускорения, а также возможность работы на различных рабочих жидкостях с хорошими антикавитационными характеристиками. Применение ведущей шестерни с 10 зубьями и оптимизация геометрии маслоподводящих каналов способствуют снижению уровня шума и пульсации выходного потока. Конструкция насосов предельно упрощена. В частности исключены компенсаторы и снижено механическое трение, а разогретое масло из трущихся пар отводится в дренажную линию. Основные параметры насосов: давление рабочее/пиковое 25/28 МПа, частота вращения n = 4600…2300 мин-1, уровень шума 57…67 дБА (при давлении р = 20 МПа и n = 1500 мин-1).
Гидродвигатели
Фирма Hydro Leduc в дополнение к своей серии нерегулируемых гидромашин разработала регулируемые гидромоторы с V0 = 5…180 см3 и давлением 45 МПа (рис. 5). Новые гидромоторы используются в приводах вибраторов, газонокосилок, комбайнов, а также в коробках передач мобильных машин.
Рис. 5. Регулируемый гидромотор фирмы Hydro Leduc.
Рис. 6. Гидроцилиндр Intellinder фирмы Parker.
Intellinder — новый термин фирмы Parker для обозначения мощного гидроцилиндра с оригинальной встроенной системой абсолютного позиционного контроля, построенной на оптико-электронных технологиях и отличающейся, прежде всего, повышенным быстродействием и безопасностью (не зависит от колебаний напряжения питания и скорости изменения позиции) (рис. 6). При встройке в единую систему IQAN пропорционального управления мобильными машинами достигаются полная автоматизация управления и контроля, совмещение с шиной CAN-BUS и исключаются потери времени на поиск исходной точки измерения. Миллионы циклов испытаний в лабораторных и полевых условиях показали, что цилиндры отличаются устойчивостью к боковым нагрузкам, хорошей защитой от внешних загрязнений, простотой установки и техобслуживания, причем датчик может быть демонтирован без нарушения работоспособности узла. Высокая надежность позволяет использовать цилиндры в ответственных случаях применения (например, в рулевом управлении); при необходимости возможно многократное резервирование путем установки нескольких датчиков вокруг штока. Имеются серьезные преимущества по сравнению с традиционными датчиками (например, Balluff) для встройки в гидроцилиндры: возможность использования для двухштоковой версии, отсутствие необходимости в применении полого штока, минимальное увеличение осевого габарита цилиндра). Основные параметры: диаметр штока 25…127 мм; давление аналогично цилиндрам стандартного ряда; разрешение 0,03 мм; гистерезис 0,1 мм; повторяемость 0,04 мм; механические вибрации до 12g, удары — до 100g; температура от –40 до +105°С; быстродействие 10…1000 мс. Использование гидроцилиндров в мобильных машинах позволяет обеспечить электрическую амортизацию, контроль нагрузки, выравнивание рабочих органов, точный возврат в исходное положение. Функциональным аналогом устройства позиционного контроля является система CIAMS фирмы Bosch Rexroth, основанная на использовании магниторезистивного датчика, взаимодействующего со штоком, на котором под слоем керамического покрытия нанесены волнообразные риски.
Гидроаппаратура
В современных гидроприводах постоянно расширяется использование интеллектуальных компонентов электрогидравлической автоматики на основе дросселирующих гидрораспределителей (ДГР) или пропорциональных гидроаппаратов (ПГА) с цифровыми системами управления. Вместе с тем, в ПГА традиционно используются пропорциональные электромагниты или линейные двигатели, являющиеся по-существу аналоговыми устройствами, которым присущи определенные недостатки: необходимость применения позиционного датчика обратной связи с соответствующим драйвером; ограничения диапазона регулирования из-за наличия помех; затруднения с обеспечением условий безопасности (требуется применение двух магнитов или золотников с 4-й безопасной позицией); весьма скромное динамическое качество.
С целью устранения указанных недостатков разработана [1; 2] новая гамма электрогидравлических приводов и гидроаппаратов (ПГА, предохранительных и редукционных клапанов, дросселей, регуляторов расхода, механизмов регулирования насосов) с управлением от задающих шаговых электродвигателей (ШД), являющихся чисто цифровыми электрическими машинами. Современные ШД с комплектующими блоками управления отличаются высокими техническими характеристиками (синхронизирующий момент 1,26 или 1,89 Н•м, число импульсов на один оборот вала 400…26500; частота до 50 Гц при угле поворота ±10°; масса 0,7 или 1 кг), возможностью регулирования тока в широких пределах и низкой стоимостью.
Рис. 7. Цифровой управляющий гидрораспределитель.
На рис. 7 показан цифровой управляющий гидрораспределитель (Патент РФ № 2505716), содержащий корпус 1, гильзу 2, золотник 3, переднюю 4 и заднюю 5 крышки, задающий ШД 6, предварительно сжатую центрирующую пружину 7 с двумя шайбами 8 и 9, тянущим винтом 10 и стопорным кольцом 11.
ШД 6 расположен в передней крышке 4 перпендикулярно к оси золотника 3 и имеет на своем валу манжету 12 и эксцентрик 13, который через шарикоподшипник 14 взаимодействует с торцовыми поверхностями поперечного паза, выполненного на золотнике, а угол поворота эксцентрика ограничен фиксатором 16. Для повышения жесткости эксцентрика он центрируется подшипником 18 относительно фланца 15. На рисунке также обозначены: 17 — винт регулирования нулевого положения; 19 — шпонка; 20 — компенсатор; 21 — пробка; 22 — стопор; 23 — маховичок; 24 — фиксатор; 25 — пробка сливной линии. В аварийной ситуации (или при штатной остановке гидропривода) отключается ШД, развиваемый им крутящий момент падает, и пружина 7 устанавливает золотник 3 в нейтральную (безопасную) позицию. Гидрораспределитель имеет монтажные размеры Dу=10 мм по ISO 4401 и массу 4,5 кг. Успешно завершены испытания опытного образца в составе линейного электрогидравлического привода Л-100.
При использовании классических четырехкромочных ДГР и ПГА достигаются высочайшие статические и динамические характеристики, однако их существенным недостатком является пониженная энергоэффективность особенно в системах с дифференциальными гидроцилиндрами. Так при вдвижении штока цилиндра с соотношением площадей 1:2 требуемое давление достигает р = 9?рвх + F/А (где: F — преодолеваемая нагрузка; А — площадь штоковой камеры; ?рвх — перепад давлений на входной кромке золотника). При движении в противоположном направлении торможение инерционной нагрузки затрудняется из-за наличия высокого давления в поршневой камере. Для решения подобных задач в последние годы разработчиками инновационного гидрооборудования начинает все шире обсуждаться идея раздельного регулирования открытия рабочих кромок [3]. В ЭНИМСе разработан возможный вариант конструктивного оформления (рис. 8), в котором каждая из линий А и В подключения гидродвигателя соединяется с линиями подвода (Р) или слива (Т) через отдельно управляемый трехлинейный золотник.
Таким образом обеспечивается любое заранее заданное программой соотношение открытий, а также возможность одновременного соединения линий А и В с линией Р (дифференциальное включение цилиндра) или с линией Т (возможность наладочного перемещения). При наличии соответствующих датчиков давление в камерах цилиндра может поддерживаться на заданном уровне.
Рис. 8. Конструктивный вариант ПГА с раздельным регулированием открытия рабочих кромок
Мобильные машины
Гидросистема вилочного погрузчика, разработанная фирмой Tompkins Industries inc., приводится в движение от дизеля мощностью 46 л., 2700 мин-1. Гидравлическая трансмиссия с аксиально-поршневым (V0 = 46 см3; р = 35 МПа) и тандемным шестеренным насосом, а также двумя аксиально-поршневыми нерегулируемыми гидромоторами (V0 = 35 см3) обеспечивает управление рулем, мачтой и стабилизаторами. Предусмотрено много инноваций, дающих повышение производительности, в том числе механизм выдвижения груза (рис. 9), система контроля тяги (защита от пробуксовки колес), модернизированная тормозная система и стояночный тормоз (зажим — пружины, разжим — гидравлика).
Рис. 9. Погрузчик Tompkins Industries inc. с механизмом выдвижения груза.
Рис. 10. Гидроцилиндр аутригера фирмы Weber-Hydraulik со встроеннной системой силоизмерения.
Устойчивость крана транспортных средств контролируется и вычисляется с помощью датчиков, установленных в различных местах. Таким образом, распределение усилий на четырех аутригерах измерялось только косвенно и неточно. Фирмой Weber-Hydraulik разработаны гидроцилиндры аутригера (рис. 10) со встроенными датчиками силы SFS, сигнал от которых передается непосредственно через цилиндр, что позволяет исключить малонадежные кабели. Эта беспрецедентная функция существенно повышает работоспособность, безопасность и комфортность крана. Встроенный модуль силоизмерения может быть также использован для решения других задач, где требуется точный и прямой контроль сил. В настоящее время известно много конструкций цилиндров, укомплектованных встроенными позиционными датчиками; встройка датчика силы, по нашему мнению, является принципиально новым решением, имеющим большие перспективы.
Новый самоконтрящийся портативный подъемник Pow'R-LOCK™ фирмы Enerpac способен развивать усилие до 2000 кН (при р = 69 МПа) и рассчитан на величину хода 356 или 622 мм (рис. 11).
Рис. 11. Портативный подъемник Pow'R-LOCK™ фирмы Enerpac.
Во время подъема, опускания и удержания груза обеспечивается механическая блокировка, поэтому не требуются специальные действия оператора. Холостые перемещения (подвод или отвод от нагрузки) реализуются электроприводом и мощным винтом, а подъем — плунжерным гидроцилиндром. Подъемник соответствует критериям сертификации ANSI B30/1–2009. Разработчики отмечают следующие основные преимущества:
1. Простота управления от двух кнопок на безопасном расстоянии до 6 м.
2. Поворотные колеса обеспечивают возможность легкого позиционирования под нагрузкой с помощью эргономичной рукоятки.
3. Удобство транспортирования благодаря колесам с надувными шинами.
4. Шарнирная опора улучшает контакт с нагрузкой.
5. Хорошая защита механизмов от загрязнений.
6. Эксклюзивный замок-разъем предохраняет от повреждений поднимаемый груз.
7. Специальные покрытия, обеспечивающие коррозионную защиту основных деталей.
8. Уникальный компактный цилиндр двойного действия позволяет расширить cферу использования.
9. Большая опорная плита уменьшает нагрузку на грунт и повышает устойчивость.
Уникальные проекты
Сотрудники фирмы Hedweld Engineering Pty Ltd. (Австралия) создали новую машину ТН 15000 (рис. 12) для обработки шин уникальных транспортных средств, используемых в горнодобывающей промышленности. Система управления, включающая ввертную гидроаппаратуру, монтажные блоки, контроллеры, сенсорные экраны и двустороннюю радиосвязь дистанционного управления, построена на базе изделий фирмы SUN Hydraulics. Легкие, компактные и простые в обслуживании машины позволяют проводить точную обработку гигантских шин в условиях стандартной мастерской. Каждая машина содержит по четыре основных гидроблока с 36-ю пропорциональными аппаратами и множество обратных и уравновешивающих клапанов, установленных в целях безопасности непосредственно на гидроцилиндрах и мотор-колесах. Машина полностью управляется от шести основных модулей HCT ВМС710, связанных цифровым стандартом SAE J1939 для минимизации трассировки цепей управления и повышения надежности. Первый проект успешно реализован; в дальнейшем ожидается изготовление нескольких машин в год.
Рис. 12. Машина ТН 15000 для обработки шин фирмы Hedweld Engineering Pty Ltd.
Рис. 13. Ввертные фильтры фирмы SUN.
Фирма SUN впервые предлагает ввертные фильтры (рис. 13), имеющие высокое разрушающее давление и пригодные для эксплуатации в линиях с давлением до 35 МПа.
Фильтры способны пропускать расходы рабочей жидкости 40, 80, 160 или 320 л/мин при весьма ограниченном перепаде давлений. Тонкость фильтрации поверхностных фильтров (сетка из коррозионно-стойкой стали) — 40 мкм, глубинных (пористых) — 3; 10 или 25 мкм. Основное назначение: защита серво- и пропорциональных гидроаппаратов, регулируемых моторов и насосов, а также гидроприводов машин, работающих в условиях повышенной загрязненности окружающей среды.
Сообщается, что фирма Scott Industrial Systems недавно завершила работу над новым гидравлическим испытательным стендом мощностью 150 кВт (рис. 14). Стенд с частотно-регулируемым приводом может применяться, в том числе для ресурсных испытаний. Основные параметры: рmax = 35 МПа, Qmax = 600 л/мин. Система управления с цифровым дисплеем позволяет хранить большое количество экспериментальных данных. Фирма является авторизированным сервисным центром Eaton, Vickers Continental, Oilgear и Moog. После испытаний предлагаются стандартные гарантии на 1 год, однако с одобрения заводов-изготовителей этот срок может увеличиваться.
Рис. 14. Гидравлический испытательный стенд фирмы Scott Industrial Systems.
Рис. 15. Автономное подводное транспортное средство.
Известно, что 2/3 земной поверхности покрыты водой, и многие потенциальные ресурсы этой зоны еще ждут разведки и разработки. В подводных автономных транспортных средствах (рис. 15) широко используется гидравлика, отличающаяся, прежде всего, высокими плотностью энергии и надежностью. Здесь особенно ярко проявляются также и другие преимущества гидроприводов: мощность, компактность, точность, интеллект и возможность резервирования функций. Сложные электрогидравлические системы позволяют дистанционно контролировать, например, устья нефтяных скважин или кабели связи. Учитывая, что при погружении на каждые 10 м давление возрастает на 1 бар, на глубинах более 300 м гидростатическое давление становится серьезной проблемой. Показанная на схеме система компенсации наружного давления воды обеспечивает разделение сред с помощью специальной мембраны. При создании оборудования большое внимание должно уделяться также вопросам экологии и коррозионной стойкости в соленой морской воде. В частности для защиты штоков гидроцилиндров применяется газотермическое напыление. Специальное покрытие Ultraplate фирмы Hunger Hydraulik основано на методе сварки дуговой плазмой.
В. К. Свешников, к. т.н., ЭНИМС
Литература
- Иванов Г. М., Свешников В. К., Сазанов И. И. Цифровой линейный электрогидравлический привод//Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 1. С. 42, 43.
- Иванов Г. М., Свешников В. К., Сазанов И. И. Цифровой распределитель для электрогидравлических приводов//Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 5. С. 30–33.
- Граф Франц. Раздельные управляющие кромки дают много преимуществ//Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 2. С. 41.