Инновационная гидравлика

Насосы и гидродвигатели: новые решения

Start Stop от Linde Hydraulik: экономия топлива до 6%

Традиционный ежегодный аналитический обзор подготовлен по материалам авторитетного немецкого журнала «Olhydraulik und Pneumatik», любезно предоставленных компанией «MaWi-group». Это издание полно отражает ключевые направления развития промышленной и мобильной гидравлики. И главное из них — энергоэффективность. Без вариантов.

Основой автоматизированной системы Start Stop фирмы Linde Hydraulik стал насос MPR 50 среднего давления с электроуправлением (рис. 1). Здесь он выполняет совершенно новую функцию, работая в паре с аккумулятором и гидроаппаратурой.

Как это работает? При работе дизеля насос заряжает компактный аккумулятор. После завершения рабочего цикла дизель останавливается, а аккумулятор остается заряженным. В начале следующего цикла система управления подключает аккумулятор к насосу, который, работая в режиме гидромотора, выполняет функцию стартера. Разгон дизеля до требуемой частоты вращения происходит в 4 раза быстрее, чем при использовании электрического стартера.

Результат впечатляет:

• ✓ Снижение уровня шума
• ✓ Экономия топлива от 2 до 6%
• ✓ Снижение выбросов СО2

Hawe V40M: компактность и мощность

Аксиально-поршневой насос мод. V40M фирмы Hawe (рис. 2) для открытых систем мобильных машин имеет рабочий объем V0 = 45 см³. Способен работать в режиме самовсасывания при частоте вращения до 2900 мин⁻¹.

Технические характеристики:

Насос может комплектоваться компенсатором давления или механизмом пропорционального электроуправления. Компактность конструкции (длина всего 208,5 мм) облегчает встройку в гидрофицированные машины. Это важно.

Bosch Rexroth A24VG: энергоэффективность экскаваторов

Фирма Bosch Rexroth освоила выпуск сдвоенных регулируемых насосов мод. A24VG высокого давления для экскаваторов (рис. 3). Система управления изменяет углы наклона дисков в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания.

Что это даёт:

1. → Возможность менять передачи на ходу
2. → Повышение энергоэффективности тягового привода минимум на 10%
3. → Сокращение расхода топлива
4. → Снижение выбросов парниковых газов
5. → Повышение комфорта оператора

Насосы могут применяться как для открытых, так и для закрытых гидросистем. Универсально.

Concentric FERRA-12: снижение шума на 10 дБА

На выставке мобильной техники Bauma фирма Concentric продемонстрировала новые шестеренные гидромашины FERRA-12 с оптимизированным профилем зубчатого зацепления.

Результаты:

• ★ Снижение пульсаций и шума в среднем на 10 дБА
• ★ Повышение эффективного КПД
• ★ Корпус из стального литья
• ★ V0 = 16…41 см³
• ★ Давление до 276 бар

Bosch Rexroth A1VO: для малых тракторов

Фирма Bosch Rexroth начала поставлять на рынок регулируемые аксиально-поршневые насосы мод. A1VO с V0 = 18 см³ (рис. 4), предназначенные для гидросистем малых тракторов мощностью до 50 л. с.

Встроенный регулятор LS (чувствительности к нагрузке) сокращает расход топлива и снижает выхлопы СО2. Поскольку регулятор расположен внутри корпуса, насосы имеют оригинальный дизайн, характерный для нерегулируемых гидромашин.

Наличие сквозного вала и заднего монтажного фланца (адаптера) позволяет создавать многопоточные связки. Удобно.

A41CTU: два в одном

Компактная гидростатическая машина мод. A41CTU той же фирмы (рис. 5) для тракторов мощностью 80…140 л. с. объединяет в едином корпусе две аксиально-поршневые машины:

Агрегат, установленный непосредственно на дизеле, увеличивает комфортность езды, повышает эффективность запуска и нижний пусковой момент.

Bucher QXM: 4-квадрантный режим

Шестеренная гидромашина внутреннего зацепления QXM фирмы Bucher Hydraulics способна работать в 4-квадрантном режиме (как реверсивный насос и мотор).

Обеспечиваются:

• ✔ Повышенная энергоэффективность
• ✔ Увеличенный крутящий момент
• ✔ Давление до 320 бар
• ✔ Частота вращения до 13000 мин⁻¹

Dusterloh: крутящий момент до 54000 Н·м

Радиально-поршневые гидромоторы фирмы Dusterloh Fluidtechnik (рис. 6) со встроенным 3-ступенчатым планетарным редуктором позволяют в исключительно компактном дизайне получать крутящие моменты до 54000 Н·м.

Впечатляет, правда?

Pressotechnik TOX®: пневмогидравлические цилиндры

Фирма Pressotechnik рекламирует энергоэффективные пневмогидравлические цилиндры TOX® (рис. 7), сочетающие преимущества пневматической и гидравлической технологий.

Принцип работы:

1. → Цилиндры подключаются только к пневмосети
2. → Обеспечивают быстрый пневматический подвод/отвод
3. → Короткий силовой ход
4. → Давление масла в правой торцовой камере штока повышается встроенным пневмогидравлическим мультипликатором с возвратной пружиной

Применение цилиндров особенно эффективно в вырубных или гибочных прессах.

Hanchen: цанговые зажимные блоки

Представляют интерес цанговые зажимные блоки фирмы Hanchen (рис. 8), в которых зажим штока обеспечивается пакетом тарельчатых пружин, а разжим — гидравлическим поршнем.

Гидроаппаратура: миниатюризация и интеграция

Компактная гидравлика: тренд отрасли

Одним из основных направлений развития современной гидроаппаратуры является её миниатюризация, увеличение удельного веса в общей программе выпуска компактных аппаратов ввертного монтажа.

Практически все мировые лидеры имеют развитые гаммы этих аппаратов, получивших название «компактной гидравлики». Почему? Они позволяют создавать гидравлические управляющие механизмы с минимальными размерами, недостижимыми для других монтажных систем.

На базе ввертной аппаратуры чаще всего создаются так называемые интегральные схемы — специальные гидроблоки для реализации типовых схемных решений:

• ✓ Подъем и опускание груза
• ✓ Переключение систем с различными давлениями
• ✓ Работа фиксирующих и зажимных механизмов

Всё это — в серийно выпускаемых машинах и оборудовании.

SUN Hydraulik: оригинальные решения

Монтажные гнезда аппаратов ввертного монтажа стандартизованы (ISO 7789), однако крупные производители, например SUN Hydraulik (рис. 9), используют оригинальные гнезда.

Основное отличие состоит в том, что крепежная резьба располагается не в верхней, а в средней части патрона. Что это даёт:

1. → Уменьшение деформаций деталей при затяжке
2. → Возможность создания уникальных конструкций

Например, 4/2 распределители с гидроуправлением (р = 35 МПа, Q = 320 л/мин), имеющие 6 присоединительных линий — 4 основных и 2 управления.

В «кратком» каталоге 999–901–244 (Россия) фирмы приведены описания 523 моделей ввертных аппаратов самого разнообразного назначения, рассчитанных на расходы до 760 л/мин.

Поскольку большой технической проблемой для потребителей ввертной аппаратуры является высокоточная обработка монтажных гнезд в специальном гидроблоке (чаще всего из алюминиевого сплава), фирмы-изготовители поставляют наборы специальных инструментов.

Lee и Burkert: миниатюризация

Отдельная статья в журнале «О+Р» посвящена мини-аппаратуре фирмы Lee, продолжающей разрабатывать инновационные изделия, в том числе для авиации.

Интересной новинкой фирмы Burkert является миниатюрный привод (рис. 10) для электроуправляемых аппаратов. Установка двух приводных катушек позволяет обеспечить исключительную компактность узла (ширина 10 или 16 мм).

Электрогидравлическая автоматика: частотное регулирование

Sytronix: экономия электроэнергии до 80%

Частотное регулирование насосов широко применяется в практике эксплуатации мобильных машин: дал газу двигателю — повысилась частота вращения и, соответственно, подача насоса.

Вместе с тем, в промышленной гидравлике этот принцип регулирования до последнего времени использовался недостаточно, хотя и является весьма эффективным. Поскольку позволяет из нерегулируемых насосов делать регулируемые, а в регулируемых машинах, в том числе с p/Q-регулированием, добавляет еще одну возможность оптимизации гидропривода с помощью «интеллектуальных» систем электронного управления.

Sytronix — новая энергосберегающая система Bosch Rexroth, построенная на базе серводвигателя с частотным преобразователем, вращающего насос с заданной скоростью (рис. 11).

Такая система, например в прессостроении, позволяет регулировать подачу насоса и давление в функции усилия прессования или положения ползуна. Причём это регулирование реализуется на чисто объемном принципе.

Результаты:

• ★ Экономия электроэнергии от 30 до 80%
• ★ Существенное уменьшение тепловыделения
• ★ Снижение шума в среднем на 20 дБА

Parker Drive Controlled Pump: оптимизация подачи

Аналогичная система Drive Controlled Pump фирмы Parker (рис. 12) «сохраняет энергию и деньги» путем оптимизации подачи и давления.

Гамма устройств содержит:

Moog ModuMan 100: для опасных зон

Фирма Moog в 2013 г. разработала 6-осевой гидравлический манипулятор ModuMan 100 (рис. 13) для утилизации ядерных объектов, проведения работ с радиоактивными или биологически опасными материалами, в том числе в недоступных зонах.

Характеристики:

• ✔ Выполнен в виде руки человека
• ✔ Грузоподъемность до 100 кг
• ✔ Достижимость 2,3 м
• ✔ Варианты управления: ручной, с запоминанием траектории, предотвращением столкновений

В состав манипулятора входят приводы, сервоклапаны, датчики, сервоконтроллеры и программно-математическое обеспечение. Все элементы управления расположены вне опасной зоны. Это важно.

Bosch Rexroth Autarkic axis: децентрализованный привод

Станкостроение является отраслью, чрезвычайно чувствительной к рыночным ценам. Помимо первоначальных затрат здесь большое значение имеют простота установки и ввода в эксплуатацию, а также энергоэффективность.

Новая приводная концепция «Autarkic axis» фирмы Bosch Rexroth (рис. 14) отвечает всем этим требованиям.

Преимущества:

1. → Снижение энергопотребления за счет гидроаппаратов с малыми потерями давления
2. → Удобство обслуживания благодаря интегрированному зарядному устройству для аккумулятора
3. → Снижение веса
4. → Полностью децентрализованный гидравлический контур
5. → Отсутствие необходимости прокладки трубопроводов к центральной насосной установке

Поскольку алюминиевый блок управления минимизирует массу, при расположении модуля на подвижных осях снижается энергопотребление.

Блок управления содержит свободно конфигурируемую ввертную гидроаппаратуру, причем легко обеспечивается наращивание функций по модульному принципу.

Voith Turbo CLDP: автономный сервопривод

Сообщается о дальнейшем совершенствовании автономного сервопривода CLDP фирмы Voith Turbo (рис. 15), который подключается к системам питания и управления только электрическими проводами.

Предусмотрена возможность контроля сил и положения.

К основным достоинствам сервопривода разработчики относят:

• ✓ Высокую надежность
• ✓ Защиту от перегрузки
• ✓ Отличные динамические характеристики
• ✓ Повторяемость

Направление и скорость движения штока гидроцилиндра определяются работой серводвигателя. В новой версии:

Электрогидростатический линейный привод той же фирмы, применяемый в регулирующих вентилях точных и динамичных турбин, является самодостаточным, т. е. не требует подключения к гидроагрегату.

В целях безопасности предусмотрен пружинный блок, обеспечивающий аварийное запирание вентиля за время не более 200 мс. Принцип Plug&Play позволяет при необходимости быстро заменять узел на новых турбинах и при модернизации старых.

Bosch Rexroth: автономный электрогидростатический привод

В новейшем автономном электрогидростатическом приводе фирмы Bosch Rexroth (рис. 16) гидравлическая энергия обеспечивается насосом с частотным регулированием| встроенные цифровые гидроаппараты минимизируют потери.

Кроме того:

• ★ Неиспользованная энергия сохраняется в аккумуляторе
• ★ Электродвигатель может работать в рекуперативном режиме
• ★ Дифференциальный цилиндр переключается в силовой или скоростной режим

В зависимости от типоразмера:

Контроллер модуля для параметризации предлагает мультимедийный интерфейс с Ethernet. На базе аналогичных решений фирма Weber предлагает электрогидравлические усилители руля мощностью 2 кВт.

DANA и Bosch Rexroth: рекуперация энергии

Фирмы DANA и Bosch Rexroth рекомендуют электрогидравлические механизмы рекуперации энергии с гидроаккумуляторами для грузового автотранспорта.

Цифровая гидравлика: будущее отрасли

Одно из новейших направлений развития гидрооборудования — цифровая гидравлика (рис. 17).

Основой системы являются элементарные ячейки — ввертные седельные распределители 2/2 мод. KSDER1 с электроуправлением, имеющие два состояния:

1. → Включено «0» (проход герметически заперт)
2. → Выключено «1» (проход свободен)

В быстродействующем клапане-распределителе, применяемом взамен четырехкромочных золотниковых аппаратов, параллельно установлены ячейки, обеспечивающие 5-битное разрешение в линиях соединения рабочих камер гидроцилиндра с напорной (Р) и сливной (Т) линиями гидросистемы.

Путем переключения отдельных ячеек за время 5…10 мс реализуется высокоточное цифровое управление движением рабочего органа. Причём для повышения плавности движения используется специальная (баллистическая) широтно-импульсная модуляция.

Появляется возможность раздельного регулирования гидравлических сопротивлений всех каналов связи гидроцилиндра с линиями Р и Т (как бы раздельного регулирования открытия рабочих кромок).

По мнению разработчиков система позволяет:

• ✔ Сократить энергетические потери
• ✔ Повысить надежность
• ✔ Упростить элементную базу

Раздельное регулирование рабочих кромок: перспективное направление

Остановимся подробнее на идее раздельного регулирования открытия рабочих кромок четырехкромочных золотниковых распределителей, которая в последние годы начинает все шире обсуждаться разработчиками инновационного гидрооборудования.

Электрогидравлические приводы с четырехкромочными дросселирующими гидрораспределителями (ДГР) обладают превосходным комплексом статических и динамических характеристик, однако их существенным недостатком является пониженная энергоэффективность.

Поскольку для таких систем максимум отдаваемой мощности достигается при потере 1/3 подводимого давления на рабочих кромках золотника, их КПД не может быть выше 0,66.

При работе приводов требуемое рабочее давление:

р = Δрвх + Δрнагр + Δрвых

где:

• Δрвх и Δрвых — перепады давлений на входной и выходной кромках золотника
• Δрнагр — перепад давлений на нагрузке

Известны различные способы понижения и стабилизации Δрвх, например, трехлинейные компенсаторы давления или LS-регуляторы насосов, в которых Δрвх = 8…12 бар.

Если для симметричного гидроцилиндра и обычного ДГР:

р = Δрнагр + 24 бар

(учитывая, что Δрвх = Δрвых = 12 бар), то в случае гидроцилиндра с соотношением площадей 1:2 при втягивании штока Δрвых возрастает в 4 раза.

Кроме того, это противодавление действует на большую площадь (поверхность поршня) и в результате требуемое давление р резко возрастает:

р = 9·Δрвх + F/A

где F — рабочая нагрузка, действующая при втягивании штока, кгс| А — площадь штоковой камеры, см².

Поскольку повышенный подпор на сливе особенно при движении на большой скорости приводит к чрезмерно высоким потерям мощности, разработчики гидроприводов ищут методы уменьшения Δрвых.

Основные методы:

В свете впечатляющего развития систем электронного управления последний вариант представляется наиболее перспективным.

Кондиционирование рабочей жидкости и приборы контроля

Helios: разновысокие гофры

Практически во всех фильтрующих устройствах применяются гофрированные фильтроэлементы, но и здесь имеется место для весьма неожиданных инноваций.

Фирма Helios предлагает выполнять гофры разновысокими (рис. 18), что позволяет существенно увеличить площадь фильтрующей поверхности.

Buhler Technologies: мощность охлаждения 64 кВт

Новое устройство кондиционирования рабочей жидкости фирмы Buhler Technologies (рис. 19) для гидравлических и смазочных систем может использоваться в загазованных и запыленных средах (соответствие ATEX).

Характеристики:

• ✓ Мощность охлаждения до 64 кВт
• ✓ Расход 300 л/мин

Argo Hytos FNK: мощность 137 кВт

Гамму оригинальных комплектных агрегатов FNK — сливных фильтров, совмещенных с водяным маслоохладителем, — предлагает фирма Argo Hytos.

Достигаемая мощность охлаждения составляет 137 кВт при потоке охлаждаемой среды 175 л/мин.

Stauff SMWV: удаление воды и загрязнений

Устройство Mini Water Vac мод. SMWV фирмы Stauff (рис. 20) предназначено для удаления воды, газов и частиц загрязнений из гидравлических жидкостей.

Принцип работы:

1. → Для удаления воды используется процесс вакуумного испарения
2. → Для удаления твердых частиц — микрофильтр с тонкостью очистки 1 мкм (β₁≥200)
3. → Встроен воздушный теплообменник с термостатом
4. → Процессы обезвоживания и фильтрации полностью автоматизированы от ПЛК
5. → Ручное действие — только опорожнение емкостей сбора конденсата и загрязнений по сигналам поплавковых выключателей

Рециркулирующий поток рабочей жидкости — 1,5 л/мин| размеры — 450×740×1200 мм.

Аналогичные кондиционеры предлагает фирма Hawe.

Stauff OLS: чистота жидкости по ISO 4406

Применение небольшого рециркуляционного контура с фильтром тонкой очистки, постоянно работающего в герметичной гидросистеме, позволяет обеспечить высококачественную фильтрацию рабочей жидкости.

Эта идея реализована в автономном фильтроагрегате фирмы Stauff.

Фильтр OLS в комплекте с насосным агрегатом на базе шестеренного насоса (Q = 2 л/мин) имеет специальный фильтроэлемент из целлюлозы, способный удалять частицы размером менее 1 мкм.

При использовании агрегата в гидросистемах литьевых машин для пластмассы за 6 недель эксплуатации чистота рабочей жидкости была повышена с 22/18/15 до 14/18/15 по ISO 4406:1999, т. е. количество частиц размером свыше 4 мкм уменьшилось в 125 раз.

Имеется исполнение OLSW со сменным картриджем, способным поглощать воду (0,65 л).

Stauff SDMKR: механический гидротестер

Механический гидротестер SDMKR фирмы Stauff (рис. 21) предназначен для быстрого и точно