Инновации в гидравлике

Интеллектуализация гидравлических систем

2014 год стал переломным для развития гидроприводов. Интеллектуальный уровень систем вырос скачкообразно. Достижения в области энергосбережения впечатляют. Без вопросов.

Bosch Rexroth — компания с полным спектром приводных технологий — отмечает интересный факт. Последние 30 лет многие предрекали смерть гидравлике. Но этого не случилось. Напротив!

Возьмём машины для литья пластмасс, прессы и штамповочное оборудование. Здесь использование гидравлики растёт. Энергоэффективность повышается. Шум снижается. Логично.

Ключевую роль играют частотно-регулируемые приводы. Их интегрируют в системы автоматизации на уровне всего предприятия. Это меняет правила игры.

Рис. 1. Система Sytronix Bosch Rexroth с интегрированным управлением

Замена дроссельного регулирования объёмным даёт феноменальные результаты. Простейшие дешёвые нерегулируемые насосы творят чудеса. Потери мощности сокращаются радикально. Вместимость баков уменьшается. Срок службы масла растёт. Расходы на охлаждение исчезают. Система окупается быстро. Это факт.

Электрогидростатические приводы нового поколения

Уровень шума насосов зависит от двух параметров. Частота вращения и давление. Всё просто.

Снизьте частоту с 1800 до 200 мин⁻¹. Уровень шума упадёт на 15-20 дБА. Раньше гидравлики мирились с шумом. Считали это платой за высокую плотность мощности. Но когда потребители услышали тихие частотно-регулируемые приводы — глаза открылись.

Интересный момент. Во многих случаях качественное регулирование возможно только через изменение частоты вращения насоса. Это упрощает гидросистему кардинально. Мобильные машины используют этот подход массово.

Развивается перспективное направление — электрогидростатические приводы (EHA). В отличие от электромеханических аналогов здесь нет сложных дорогих механизмов. Редукторы, шариковинтовые передачи отсутствуют. Вместо них — гидроцилиндр, насос с реверсом по потоку, простейшие предохранительные клапаны.

В гидросистеме нет дросселирующих и направляющих гидроаппаратов. Пуск, останов, изменение направления и скорости — всё обеспечивает электрический серводвигатель. При наличии датчика обратной связи возможно точное позиционирование рабочего органа.

В режиме остановки серводвигатель вращается с минимальной частотой (100-200 мин⁻¹). Этого достаточно для поддержания рабочего давления. Потери мощности пренебрежимо малы. Получаем автономный узел, соединяемый с системами питания и управления только электропроводами. Техобслуживание практически не нужно.

Рис. 2. Электрогидростатический EHA-привод — автономный узел

Концепцию EHA предложила фирма Moog более 20 лет назад. Применяли для авиационных рулевых механизмов. Отлично зарекомендовала себя. Впрочем, есть сведения о параллельных работах отечественных специалистов — Ермакова С.А. и других.

Последние годы EHA-приводы для общемашиностроительного применения освоили мировые лидеры: Moog, Voith Turbo, Bosch Rexroth, Parker, Liebherr. Список растёт.

Автономный электрогидравлический инструмент

Следующий шаг автономии — отказ от кабеля электропитания. Полностью автономный электрогидравлический инструмент фирмы Edilgrappa — яркий пример.

Инструмент предназначен для холодной прошивки отверстий. В том числе квадратных или овальных. Работает со стальным листом и профилем.

Рис. 3. Электрогидравлический инструмент фирмы Edilgrappa с аккумуляторным питанием

Электродвигатель привода насоса высокого давления получает питание от литий-ионного аккумулятора. Он встроен в рукоятку. Параметры: 18 В, 2 А·ч. Периодически подзаряжается от сети 220 В.

Характеристики впечатляют:

• ★ усилие до 210 кН;
• ★ собственная масса 14,7 кг;
• ★ диаметр отверстий до 30 мм;
• ★ толщина листа до 12 мм;
• ★ гидравлический возврат поршня исключает заклинивание пуансона.

Удобно. Мобильно. Эффективно.

Насосы внутреннего зацепления

Для комплектации электрогидростатических приводов нужны «плотные» насосы. Они должны поддерживать полное рабочее давление при минимальной частоте вращения. Реверс по потоку обязателен.

Новые шестеренные насосы внутреннего зацепления мод. QX фирмы Bucher Hydraulics подходят идеально. Рабочие объёмы V₀ = 10-160 см³.

Рис. 4. Насос внутреннего зацепления фирмы Bucher Hydraulics

Отличительные особенности:

1. → большой скоростной диапазон;
2. → долговечность;
3. → способность выдерживать максимальные ускорения;
4. → работа на различных рабочих жидкостях;
5. → хорошие антикавитационные характеристики.

Ведущая шестерня с 10 зубьями. Оптимизированная геометрия маслоподводящих каналов. Результат — сниженный уровень шума и пульсация выходного потока.

Конструкция предельно упрощена. Компенсаторы исключены. Механическое трение снижено. Разогретое масло из трущихся пар отводится в дренажную линию.

Регулируемые гидромоторы и умные цилиндры

Firma Hydro Leduc дополнила серию нерегулируемых гидромашин. Разработаны регулируемые гидромоторы с V₀ = 5-180 см³. Давление — 45 МПа.

Рис. 5. Регулируемый гидромотор фирмы Hydro Leduc

Применение:

• ✔️ приводы вибраторов;
• ✔️ газонокосилки;
• ✔️ комбайны;
• ✔️ коробки передач мобильных машин.

Intellinder — новый термин фирмы Parker. Обозначает мощный гидроцилиндр с оригинальной встроенной системой абсолютного позиционного контроля. Построена на оптико-электронных технологиях.

Ключевые преимущества — повышенное быстродействие и безопасность. Не зависит от колебаний напряжения питания и скорости изменения позиции.

Рис. 6. Гидроцилиндр Intellinder фирмы Parker с встроенным датчиком

Встройка в единую систему IQAN пропорционального управления даёт результаты:

1. ➤ полная автоматизация управления и контроля;
2. ➤ совмещение с шиной CAN-BUS;
3. ➤ исключение потерь времени на поиск исходной точки.

Миллионы циклов испытаний в лабораторных и полевых условиях подтвердили:

Устойчивость к боковым нагрузкам. Хорошая защита от внешних загрязнений. Простота установки и техобслуживания. Датчик можно демонтировать без нарушения работоспособности узла.

Высокая надёжность позволяет использовать цилиндры в ответственных случаях. Например, в рулевом управлении. При необходимости возможно многократное резервирование — установка нескольких датчиков вокруг штока.

Серьёзные преимущества по сравнению с традиционными датчиками (например, Balluff):

• ✓ возможность использования для двухштоковой версии;
• ✓ отсутствие необходимости в полом штоке;
• ✓ минимальное увеличение осевого габарита.

Основные параметры:

Использование в мобильных машинах обеспечивает:

Электрическую амортизацию. Контроль нагрузки. Выравнивание рабочих органов. Точный возврат в исходное положение.

Функциональный аналог — система CIAMS фирмы Bosch Rexroth. Основана на магниторезистивном датчике. Взаимодействует со штоком, на котором под слоем керамического покрытия нанесены волнообразные риски.

Цифровые системы управления гидроаппаратурой

Современные гидроприводы расширяют использование интеллектуальных компонентов. Электрогидравлическая автоматика на основе дросселирующих гидрораспределителей (ДГР) или пропорциональных гидроаппаратов (ПГА) с цифровыми системами управления.

Проблема в том, что в ПГА традиционно используют пропорциональные электромагниты или линейные двигатели. Это аналоговые устройства. Им присущи недостатки:

• ✖️ необходимость позиционного датчика обратной связи с драйвером;
• ✖️ ограничения диапазона регулирования из-за помех;
• ✖️ затруднения с обеспечением безопасности (нужны два магнита или золотники с 4-й безопасной позицией);
• ✖️ скромное динамическое качество.

Цель — устранить недостатки. Решение — новая гамма электрогидравлических приводов и гидроаппаратов с управлением от шаговых электродвигателей (ШД). Это чисто цифровые электрические машины.

Современные ШД с блоками управления отличаются:

1. → синхронизирующий момент 1,26 или 1,89 Н·м;
2. → число импульсов на оборот 400-26500;
3. → частота до 50 Гц при угле ±10°;
4. → масса 0,7 или 1 кг;
5. → регулирование тока в широких пределах;
6. → низкая стоимость.

Рис. 7. Цифровой управляющий гидрораспределитель (Патент РФ № 2505716)

Цифровой управляющий гидрораспределитель (Патент РФ № 2505716) содержит:

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 оси золотника 3. На валу — манжета 12 и эксцентрик 13. Через шарикоподшипник 14 взаимодействует с торцовыми поверхностями поперечного паза на золотнике. Угол поворота эксцентрика ограничен фиксатором 16.

Для повышения жесткости эксцентрик центрируется подшипником 18 относительно фланца 15.

Дополнительно: 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) ШД отключается. Крутящий момент падает. Пружина 7 устанавливает золотник 3 в нейтральную (безопасную) позицию.

Гидрораспределитель имеет монтажные размеры Dᵤ=10 мм по ISO 4401. Масса — 4,5 кг. Успешно завершены испытания опытного образца в составе линейного электрогидравлического привода Л-100.

Инновации для мобильной техники

Классические четырёхкромочные ДГР и ПГА дают высочайшие статические и динамические характеристики. Но есть существенный недостаток — пониженная энергоэффективность. Особенно в системах с дифференциальными гидроцилиндрами.

При вдвижении штока цилиндра с соотношением площадей 1:2 требуемое давление достигает p = 9·Δpвх + F/A (где F — преодолеваемая нагрузка, A — площадь штоковой камеры, Δpвх — перепад давлений на входной кромке золотника).

При движении в противоположном направлении торможение инерционной нагрузки затрудняется. Причина — высокое давление в поршневой камере.

Решение — раздельное регулирование открытия рабочих кромок. В ЭНИМСе разработан конструктивный вариант, где каждая из линий A и B подключения гидродвигателя соединяется с линиями подвода (P) или слива (T) через отдельно управляемый трёхлинейный золотник.

Рис. 8. ПГА с раздельным регулированием открытия рабочих кромок

Обеспечивается любое заранее заданное программой соотношение открытий. Возможности:

• ☑️ одновременное соединение линий A и B с линией P (дифференциальное включение);
• ☑️ соединение с линией T (наладочное перемещение);
• ☑️ поддержание давления в камерах цилиндра на заданном уровне (при наличии датчиков).

Гидросистема вилочного погрузчика Tompkins Industries Inc. приводится в движение от дизеля мощностью 46 л.с., 2700 мин⁻¹.

Гидравлическая трансмиссия включает:

1. → аксиально-поршневой насос (V₀ = 46 см³, p = 35 МПа);
2. → тандемный шестеренный насос;
3. → два аксиально-поршневых нерегулируемых гидромотора (V₀ = 35 см³).

Обеспечивает управление рулём, мачтой и стабилизаторами.

Рис. 9. Погрузчик Tompkins Industries Inc. с механизмом выдвижения груза

Инновации повышают производительность:

• ★ механизм выдвижения груза;
• ★ система контроля тяги (защита от пробуксовки);
• ★ модернизированная тормозная система;
• ★ стояночный тормоз (зажим — пружины, разжим — гидравлика).

Устойчивость крана контролируется датчиками. Распределение усилий на четырёх аутригерах измерялось косвенно и неточно.

Firma Weber-Hydraulik разработала гидроцилиндры аутригера со встроенными датчиками силы SFS. Сигнал передаётся непосредственно через цилиндр. Кабели исключены.

Рис. 10. Гидроцилиндр аутригера фирмы Weber-Hydraulik со встроенной системой силоизмерения

Беспрецедентная функция повышает работоспособность, безопасность и комфортность крана. Встроенный модуль силоизмерения можно использовать для других задач, где нужен точный прямой контроль сил.

Известно много цилиндров с позиционными датчиками. Встройка датчика силы — принципиально новое решение с большими перспективами.

Новый самоконтрящийся портативный подъёмник Pow'R-LOCK™ фирмы Enerpac:

Рис. 11. Портативный подъемник Pow'R-LOCK™ фирмы Enerpac

Во время подъёма, опускания и удержания груза обеспечивается механическая блокировка. Специальные действия оператора не требуются.

Холостые перемещения (подвод или отвод) реализуются электроприводом и мощным винтом. Подъём — плунжерным гидроцилиндром.

Преимущества:

1. → Простота управления от двух кнопок на расстоянии до 6 м.
2. → Поворотные колёса для лёгкого позиционирования эргономичной рукояткой.
3. → Удобство транспортирования благодаря колёсам с надувными шинами.
4. → Шарнирная опора улучшает контакт с нагрузкой.
5. → Хорошая защита механизмов от загрязнений.
6. → Эксклюзивный замок-разъём предохраняет груз от повреждений.
7. → Специальные покрытия обеспечивают коррозионную защиту.
8. → Уникальный компактный цилиндр двойного действия расширяет сферу использования.
9. → Большая опорная плита уменьшает нагрузку на грунт.

Уникальные проекты и подводная гидравлика

Сотрудники Hedweld Engineering Pty Ltd. (Австралия) создали машину TH 15000 для обработки шин уникальных транспортных средств. Используются в горнодобывающей промышленности.

Система управления включает:

• ✔️ ввертную гидроаппаратуру;
• ✔️ монтажные блоки;
• ✔️ контроллеры;
• ✔️ сенсорные экраны;
• ✔️ двустороннюю радиосвязь дистанционного управления.

Построена на базе изделий SUN Hydraulics.

Лёгкие, компактные и простые в обслуживании машины проводят точную обработку гигантских шин в условиях стандартной мастерской.

Каждая машина содержит:

1. ➤ четыре основных гидроблока;
2. ➤ 36 пропорциональных аппаратов;
3. ➤ множество обратных и уравновешивающих клапанов (установлены на гидроцилиндрах и мотор-колёсах).

Полное управление от шести основных модулей HCT BMS710. Связаны цифровым стандартом SAE J1939. Минимизация трассировки цепей управления. Повышение надёжности.

Рис. 12. Машина TH 15000 для обработки шин фирмы Hedweld Engineering Pty Ltd.

Первый проект успешно реализован. Ожидается изготовление нескольких машин в год.

SUN впервые предлагает ввертные фильтры. Высокое разрушающее давление. Пригодны для эксплуатации в линиях с давлением до 35 МПа.

Рис. 13. Ввертные фильтры фирмы SUN

Фильтры пропускают расходы 40, 80, 160 или 320 л/мин. Перепад давлений весьма ограничен.

Тонкость фильтрации:

• ★ поверхностные фильтры (сетка из коррозионно-стойкой стали) — 40 мкм;
• ★ глубинные (пористые) — 3, 10 или 25 мкм.

Основное назначение: защита серво- и пропорциональных гидроаппаратов, регулируемых моторов и насосов, гидроприводов машин в условиях повышенной загрязнённости.

Firma Scott Industrial Systems завершила работу над новым гидравлическим испытательным стендом мощностью 150 кВт.

Рис. 14. Гидравлический испытательный стенд фирмы Scott Industrial Systems

Стенд с частотно-регулируемым приводом применяется для ресурсных испытаний.

Основные параметры:

Система управления с цифровым дисплеем хранит большое количество экспериментальных данных.

Firma — авторизированный сервисный центр Eaton, Vickers Continental, Oilgear и Moog. После испытаний стандартная гарантия на 1 год. С одобрения заводов-изготовителей срок может увеличиваться.

2/3 земной поверхности покрыты водой. Многие потенциальные ресурсы этой зоны ждут разведки и разработки.

В подводных автономных транспортных средствах широко используется гидравлика. Отличается высокой плотностью энергии и надёжностью.

Рис. 15. Автономное подводное транспортное средство

Преимущества гидроприводов здесь проявляются ярко:

• ☑️ мощность;
• ☑️ компактность;
• ☑️ точность;
• ☑️ интеллект;
• ☑️ возможность резервирования функций.

Сложные электрогидравлические системы позволяют дистанционно контролировать устья нефтяных скважин или кабели связи.

При погружении на каждые 10 м давление возрастает на 1 бар. На глубинах более 300 м гидростатическое давление становится серьёзной проблемой.

Система компенсации наружного давления воды обеспечивает разделение сред с помощью специальной мембраны.

При создании оборудования большое внимание уделяют:

1. → вопросам экологии;
2. → коррозионной стойкости в солёной морской воде.

Для защиты штоков гидроцилиндров применяют газотермическое напыление. Специальное покрытие Ultraplate фирмы Hunger Hydraulik основано на методе сварки дуговой плазмой.

В. К. Свешников, к. т.н., ЭНИМС

Литература

1. Иванов Г. М., Свешников В. К., Сазанов И. И. Цифровой линейный электрогидравлический привод // Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 1. С. 42, 43.
2. Иванов Г. М., Свешников В. К., Сазанов И. И. Цифровой распределитель для электрогидравлических приводов // Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 5. С. 30-33.
3. Граф Франц. Раздельные управляющие кромки дают много преимуществ // Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 2. С. 41.