Высокоинтеллектуальная электрогидравлика

Радиально-поршневые насосы RKP: цифровое управление

Производство радиально-поршневых насосов RKP сравнительно недавно было приобретено у фирмы Bosch.

Модернизированный вариант RKP-D со встроенной цифровой электроникой на основе интеллектуального дросселирующего гидрораспределителя имеет исполнения с рабочими объемами:

Рис. 1. Радиально-поршневой насос RKP-D

Конструктивные особенности

Использование «скользящего» статора позволило существенно увеличить срок службы насоса, а оптимизация геометрии каналов и расположения 9-ти поршней — снизить шум.

Рабочие жидкости:

• ✓ Минеральные масла
• ✓ Эмульсии HFC и HFD
• ✓ Другие рабочие жидкости

Тандемные связки

Насосы могут иметь тандемные связки из нескольких машин с монтажными поверхностями:

• SAE-A
• SAE-B
• SAE-C

Электронное управление

Наличие датчиков:

• ✦ Эксцентриситета статора (расхода Q)
• ✦ Давления (p)

позволяет встроенной системе электронного управления выполнять функции:

1. Регуляторов давления
2. Регуляторов подачи
3. Регуляторов мощности

Преимущества:

• ★ Высокая гибкость управления
• ★ Удобный пользовательский интерфейс
• ★ Дистанционное управление на основе интернет-технологий
• ★ Аналоговое управление от стандартных промышленных сетей
• ★ Plug&Play-принцип — замена насоса без специальной настройки ПО

Гидроаппаратура: сервозолотники D636-D675

Новейшей разработкой является обширная гамма сервозолотников (в российской терминологии — дросселирующих гидрораспределителей — ДГР) со встроенными цифровой электроникой и интерфейсом.

Аппараты D636/D638 прямого управления

Типичные представители — аппараты D636/D638 прямого управления, оснащенные линейными силовыми двигателями.

Рис. 2. Сервозолотник D636/D638

Режимы управления

Наличие встроенных датчиков перемещения золотника и давления (только для D638) дает возможность:

Интерфейс и параметры

Встроенный интерфейс на базе полевых шин:

• CANopen
• Profibus DP V1
• EtherCAT

А также по два аналоговых входа и выхода, причем параметры регулирования можно изменять в режиме on-line.

В аварийной ситуации или при остановке рабочего органа плоская пружина линейного двигателя возвращает золотник в безопасную позицию.

Характеристики D636/D638

D637 и многокаскадные ДГР

ДГР прямого управления типа D637 с D_у = 10 мм:

Аналогичные принципы регулирования заложены в многокаскадных ДГР, в которых в качестве задающих устройств применяется:

1. Аппарат прямого действия с линейным двигателем
2. Управляющая ступень «струйная трубка» (малочувствительна к засорению)

Многокаскадные ДГР D671-D675

Для модификаций:

• D671 (Q_ном = 180 л/мин)
• D672 (Q_ном = 240 л/мин)

предусмотрена возможность получения индивидуальных расходных характеристик по заказу путем соответствующего профилирования дросселирующих прорезей в гильзе.

Рис. 3. Многокаскадные ДГР D671-D675

Гамма D671-D675

Интересная особенность — наличие клапана безопасности, который при отключении электромагнита объединяет торцовые камеры основного золотника, позволяя пружинам устанавливать его в нейтральную (безопасную) позицию.

Сервис и диагностика

Специальный сервисный разъем позволяет подключать ДГР к ПК или ноутбуку с целью:

• ✦ Изменения параметров
• ✦ Диагностики
• ✦ Возможного устранения отказов

С помощью встроенного архиватора можно:

• ✦ Просматривать и анализировать данные об изменении параметров в процессе длительной работы
• ✦ Сохранять их или копировать

Контроллер и ПО

«Гидравлические» фирмы поставляют оригинальную комплектующую электронику и специальное программное обеспечение, адаптированное под специфику гидроприводов, а также предлагают услуги по поставке своих изделий «под ключ».

В качестве примера показан цифровой контроллер MSC с программным обеспечением MACS.

Рис. 4. Контроллер MSC с ПО MACS

Энергосбережение: система SCP

Новейшая система частотного регулирования насосов SCP System для машин литья под давлением включает в себя:

1. Радиально-поршневой насос RKP
2. Высокодинамичный бесколлекторный электрический сервомотор
3. Модульный многоосевой программируемый сервопривод Motion Control (MSD)

Результаты производственных испытаний

Конструкция системы

Компактная система с модульной интегрированной конструкцией:

• ✓ Легко вписывается в оборудование
• ✓ Снижает уровень шума на 9 дБА в условиях частичной нагрузки

«Умный» сервопривод MSD с уникальными алгоритмами управления:

• ✦ Оптимизирует значения частоты вращения насоса и крутящего момента в различных переходах цикла работы литьевой машины
• ✦ Способен взаимодействовать с внешними системами по шине

Сдвоенный насос

При необходимости может устанавливаться сдвоенный насос, секции которого переключаются с целью повышения эффективности работы двигателя и энергосбережения.

В этом случае в периоде цикла с высоким давлением и малым расходом экономия энергии может достигать 90%.

Погружной агрегат

Разработаны опции с погружным насосным агрегатом, расположенным под уровнем РЖ в баке, что позволяет:

• ✦ Улучшить теплорассеяние
• ✦ Уменьшить размеры электродвигателя

По мнению специалистов система SCP имеет существенные преимущества по сравнению как с гидравлическими, так и с чисто электрическими системами управления движением, в том числе с точки зрения сокращения затрат на техобслуживание.

Электрогидростатические приводы (EHA)

В настоящее время ведутся работы над внедрением в общее машиностроение комплектных электрогидростатических приводов (или автономных приводов с объемным регулированием — ЕНА), разработанных ранее для авиации.

Рис. 5. Электрогидростатический привод EHA

Концепция EHA

Приводные механизмы концепции EHA соединяются с энергетической установкой и системой управления только электрическими проводами.

Это обеспечивается путем замены:

• ✖️ Редукторов
• ✖️ Шариковинтовых передач

на:

• ✓ Гидроцилиндры
• ✓ Насосы
• ✓ Компактные масляные баки (часто оформляются в виде аккумуляторов)

Преимущества EHA

Промышленная версия

На выставке в Нюрнберге (ноябрь 2011 г.) впервые демонстрировался прототип общепромышленной версии привода, содержащий объединенные в едином агрегате:

1. Сервоцилиндр
2. Насос
3. Гидроблок с аппаратурой
4. Аккумулятор
5. Контроллер
6. Программное обеспечение

Рис. 6. Промышленная версия привода EHA

Принцип работы

ЕНА получает электроэнергию по проводам и преобразует входной сигнал в движение, причем приводной электродвигатель вращается в том или ином направлении только в процессе выполнения заданной команды и через гидравлическую трансмиссию перемещает шток цилиндра в требуемую сторону.

Результаты внедрения

Регулирование движения

Это перспективное направление поддерживается уже многими мировыми лидерами гидравлики, причем существуют варианты со встроенными:

• ✦ Позиционными датчиками
• ✦ ДГР, осуществляющими реверс движения гидроцилиндра и его высокоточное и жесткое позиционирование

В целях сокращения потерь мощности в процессе движения на повышенных скоростях:

1. Золотник ДГР открывает достаточно большие проходные сечения
2. Скорость гидроцилиндра регулируется путем изменения частоты вращения приводного электродвигателя (частотное регулирование)

Таким образом обеспечивается плавный переход от дроссельного метода регулирования к объемному, т. е. достигается высокая точность позиционирования при минимуме энергетических потерь.

Промышленное применение: от турбин до гексаподов

Электростанции

На электростанциях с паровыми турбинами мощностью до 1500 МВт, использующих ископаемое топливо, геотермальное тепло или атомную энергию, остро стоит проблема высокоточной стабилизации частоты вращения генератора, вырабатывающего переменный ток 50 или 60 Гц в условиях суточного колебания энергопотребления.

Кроме того, от систем, регулирующих подачу пара в турбину, требуется высочайшая надежность, поскольку при появлении неисправности турбина может пойти в разнос.

Традиционная система

Современные гидросистемы привода клапана подачи пара содержат:

• ✦ Подпружиненный цилиндр с позиционной обратной связью
• ✦ Пропорциональный гидрораспределитель с внешней аналоговой электроникой

В случае аварийной ситуации пружина способна закрыть клапан.

Недостатки:

• ✖️ Затрудняет ввод в эксплуатацию (необходима тщательная настройка 6–7 датчиков)
• ✖️ Плохо контролируется
• ✖️ Требует участия при пусконаладке опытного персонала

Модернизированная система

В модернизированной системе для турбины фирмы Alstom взамен старого ДГР типа D072 использован ДГР типа Axis Control Valve (ACV) с интегрированной цифровой электроникой и двумя контурами управления: внутренним и внешним для управления всем приводом.

Рис. 7. Модернизированная система с ACV

Преимущества ACV

Вновь разработанные системы уже успешно эксплуатируются на электростанциях в Германии, Дании, Испании, Австралии и Швейцарии.

Ветрогенераторы

Электрогидравлические приводы применяются для разворота лопастей ветрогенераторов, в подшипниках скольжения и в ряде случаев — для гидростатических передач.

В результате эксплуатации более 30 тыс. ветроустановок во всем мире накоплен богатейший опыт в области управления ветроэнергетическими системами.

Платформы-гексаподы

Высокодинамичные электрогидравлические платформы-гексаподы грузоподъемностью до 680 кг способны отрабатывать частоту управляющего воздействия до 100 Гц.

Рис. 8. Платформа-гексапод

Применение гексаподов

Рис. 9. Гексапод для испытаний кузова автомобиля

Стабилизатор Ampelmann

Весьма оригинальный пример применения электрогидравлического гексапода — стабилизатор положения платформы компании Ampelmann, выполняющей шельфовые работы по обслуживанию ветряных двигателей.

Здесь для компенсации волнения моря до ±3 м на палубе обслуживающего судна установлена платформа-гексапод, управляемая в режиме on-line от гироскопического датчика, контролирующего перемещения по трем осям и через систему управления воздействующего на силовые гидроцилиндры таким образом, чтобы верхняя часть платформы сохраняла стационарное положение независимо от перемещений палубы.

Рис. 10. Стабилизатор Ampelmann

(Кстати, — идеальное решение для людей, страдающих морской болезнью).

Установленная на верхней части платформы телескопическая направляющая может поворачиваться и раздвигаться на достаточную длину для выполнения ремонтно-профилактических работ.

Другие применения

Возможно применение аналогичных технологий, например, для:

• ✦ Повышения сейсмоустойчивости зданий и сооружений
• ✦ Снижения вибраций станков и механизмов

Заключение: инновации в гидроприводе

В заключение можно отметить, что благодаря подобной инновационной деятельности высокоинтеллектуальная электрогидравлическая техника продолжает интенсивно развиваться.

Ключевые достижения

В. К. Свешников, к. т.н., ЭНИМС,
Потапов С. Н., инж. Нижегородского филиала фирмы Moog

Литература

1. Свешников В. К. Гидроприводы — итоги 2012 года//РИТМ. 2013. № 4. С. 156–164.