R osnąca świadomość szkodliwego oddziaływania

Transkrypt

1 Wodne układy hydrauliki siłowej Zenon Jędrzykiewicz Jerzy Stojek * Wzrastające zaostrzanie przepisów sanitarnych będzie działać na korzyść rozwoju układów ekologicznych, należy wobec tego spodziewać się jeszcze szerszego zainteresowania układami o napędzie wodnym. R osnąca świadomość szkodliwego oddziaływania przemysłu na środowisko naturalne człowieka sprawia, że coraz częściej są poszukiwane czyste źródła wytwarzania i transmisji energii. Idea zastosowania wody jako ciśnieniowego źródła zasilania nie jest nowa. Pierwszą znaczącą aplikacją było użycie wody w układzie napędowym prasy hydraulicznej, co zostało opatentowane w 1795 roku w Anglii przez Bramaha. Późniejszy rozkwit zastosowania wody jako źródła przekazywania energii użytecznej nastąpił na początku 1850 roku był związany z okresem rewolucji przemysłowej. Zahamowanie stosowania wody jako głównego źródła transmisji mocy nastąpiło na początku XX wieku, kiedy to Willians i Janney zaproponowali zastąpienie wody olejem mineralnym [1]. Postęp w sterowaniu elektrohydraulicznym wraz z wynalezieniem serwozaworu sprawił, że układy hydrauliczne wykorzystujące wodę jako czynnik roboczy straciły swoją konkurencyjność na rzecz olejowych układów hydraulicznych, które dominują w obecnych układach napędu i sterowania maszyn i urządzeń. Punktem zwrotnym w rozwoju układów hydraulicznych zasilanych wodą była połowa lat 90. ubiegłego stulecia, kiedy to nastąpił powtórny wzrost zainteresowania wodą jako czynnikiem roboczym w układach hydrauliki siłowej, głównie na skutek wdrożenia nowych materiałów konstrukcyjnych. Zastosowanie wody jako czynnika roboczego może znacznie rozszerzyć zakres stosowania maszyn i urządzeń, zwłaszcza tam gdzie nie jest dopuszczalne stosowanie klasycznych napędów olejowych, których nieszczelności mogą spowodować skażenie środowiska. Woda jako czynnik roboczy Właściwości fizyczne wody od dawna stanowią zainteresowanie szerokiej grupy osób poszukujących możliwości wykorzystania jej jako czynnika roboczego. * prof. dr hab. inż. Zenon Jędrzykiewicz, dr inż. Jerzy Stojek Akademia Górniczo- -Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów Niepalność, całkowita obojętność dla środowiska naturalnego oraz powszechna dostępność czyni układy nią zasilane nowatorskimi. Ze względu na duży współczynnik przewodności cieplnej wody (4 5 razy większy od oleju mineralnego) tego typu układy wykazywać będą mniejsze zapotrzebowanie mocy chłodzących niż analogiczne układy pracujące na oleju. Dodatkowo woda magazynuje o wiele mniej rozpuszczonego powietrza, co sprawia, że w połączeniu z jej niską ściśliwością (moduł ściśliwości wody jest dwukrotnie większy od modułu oleju mineralnego) eksploatowany układ hydrauliczny staje się sztywniejszy. Niewielka lepkość wody to zarówno jej zaleta, jak i poważna wada, gdy stosujemy ją w układach napędu i sterowania. Mała lepkość wody powoduje występowanie niewielkich strat ciśnienia w liniach zasilających. To z kolei prowadzi do uzyskania bardziej wydajnego (o większej sprawności ogólnej) układu hydraulicznego wymagającego mniejszego zapotrzebowania mocy wejściowej (mniejsze moce silników napędzających pompy). Ważną zaletą małej lepkości wody jest jej niewielka zależność od zmian temperatury w porównaniu do zmian, jakie wykazuje lepkość typowych olejów mineralnych. Sprawia to, że układy hydrauliczne zasilane wodą pracują bardziej stabilnie w założonym zakresie temperatury eksploatacji niż podobne układy olejowe. Niska lepkość wody to również niedogodności w jej stosowaniu, które spowodowane są głównie dużymi przeciekami wewnętrznymi, co sprawia, że konstrukcje elementów muszą być wykonywane z bardzo ciasnymi tolerancjami, osiąganymi na obrabiarkach o zwiększonej precyzji. Ciasne tolerancje części ruchomych elementów mogą prowadzić do występowania tarcia kulombowskiego i ich szybszego zużycia. Dużym wyzwaniem dla rozwoju elementów hydrauliki wodnej była konieczność ograniczenia zjawiska kawitacji mogącej powstawać już przy stosunkowo niedużych ciśnieniach na skutek dość dużej prężności par wody (przeszło siedmiokrotnie większej niż par oleju). Odpowiednie ukształtowanie wewnętrznej konstrukcji elementów pozwoliło na ograniczenie tego niekorzystnego zjawiska. Inną cechą wody, mającą duży wpływ na konstrukcję elementów, są jej właściwości korozyjne połączone z brakiem smarowania. Powoduje to konieczność stosowania specjalnych materiałów konstrukcyjnych, takich jak: stale nierdzewne, specjalne brązy, anodyzowane aluminium, specjalne polimery oraz materiały ceramiczne. 18

2 Tabela 1 Pompy Wydajność nominalna 1,6 105 l/min Silniki Moment nominalny Prędkość obrotowa i 200 Nm obr/min obr/min Siłowniki Skok nominalny wg wymagań Rozdzielacze 2/2, 3/2 oraz 4/ l/min Proporcjonalne zawory przepływowe 0 30 l/min Zawory dławiące, regulatory przepływu 0 30 l/min Zawory maksymalne l/min 19

3 Innym bardzo poważnym problemem, z którym musimy się zmierzyć podczas eksploatacji układów zasilanych wodą jest rozwój flory bakteryjnej. Naświetlanie wody lampami ultrafioletowymi, jej pasteryzacja oraz odpowiednie dodatki bakteriobójcze, czy wreszcie zapewnienie odpowiedniego poziomu filtracji pozwalają wyeliminować tę niedogodność. Przedstawione powyżej właściwości wody sprawiają, że standardowe elementy hydrauliki olejowej nie mogą być zastosowane w układach wodnych. Woda stosowana w układach hydraulicznych powinna spełniać następujące parametry: twardość w zakresie: 5 10 dh ph kwaśne o zakresie: 6 7 zakres temperatur pracy: 5 50 C poziom filtracji: 1 10 mm. Dostępne elementy W pracach nad konstruowaniem elementów na potrzeby układów zasilanych wodą uczestniczy wiele firm i ośrodków naukowych. Czołowe miejsca zajmują kraje skandynawskie (Dania, Finlandia, Szwecja), a niewątpliwym liderem jest tutaj firma Danfoss z wdrożonym programem Nessie [2], obejmującym opracowanie zarówno konstrukcji poszczególnych elementów, jak i gotowych agregatów hydraulicznych. Sprzedaż elementów hydraulicznych tej firmy w ciągu ostatniej dekady stale rośnie, osiągając w roku ubiegłym dziesięciokrotny wzrost w stosunku do 1994 roku. Przegląd dostępnych elementów wraz z ich podstawowymi parametrami eksploatacyjnymi przedstawiono w tabeli 1 [2]. Tabela 2 [4] Pompy MPa Wydajność nominalna l/min Rozdzielacze 2/2, 3/2 oraz 4/ l/min Zawory maksymalne l/mim Zawory redukcyjne l/min Zawory dławiące l/min Proporcjonalne zawory przepływowe 8 60 l/min 20

4 Do eksploatacji w zakresie wysokich ciśnień (do 40 MPa, a pomp nawet do 80 MPa) firma Hauhinco Water Hydraulics (Wielka Brytania) wprowadziła na rynek elementy wymienione w tabeli 2. Jak podaje firma Hauhinco, elementy te mogą być zasilane nie tylko czystą wodą czy emulsjami grupy HFA, ale także każdą nieagresywną cieczą o lepkości kinematycznej z przedziału 0,5 4 cst. Z przedstawionego przeglądu dostępnych elementów hydrauliki wodnej wynika, że w porównaniu do rynku elementów hydrauliki olejowej dysponujemy jedynie podstawowymi elementami, które pozwalają na budowę podstawowych układów. Kierunki badań Prace badawcze prowadzone nad coraz szerszym zastosowaniem układów zasilanych wodą zmierzają do stworzenia układów konkurencyjnych do obecnie stosowanych napędów elektrycznych, pneumatycznych czy olejowych. Stosowanie wody jako czynnika roboczego daje dużo korzyści (ogólna dostępność, biodegradowalność, niski koszt), ale również przysparza wielu problemów (korozja, kawitacja, straty wolumetryczne). Prowadzone badania dążą do jeszcze pełniejszego wykorzystania zalet wody przy jednoczesnym ograniczeniu zjawisk niekorzystnych powstających przy jej stosowaniu (rys. 1). Pierwsza grupa prowadzonych prac dotyczy badań nad utrzymaniem odpowiedniego poziomu czystości wody. Obejmuje ona badania nad ograniczeniem rozwoju flory bakteryjnej poprzez opracowanie specjalnych dodatków bakteriobójczych oraz badania nowych materiałów filtracyjnych powstrzymujących wzrost zanieczyszczeń w układzie przy jednoczesnym uzyskaniu jak najmniejszych strat ciśnienia na przegrodach filtracyjnych. Następna grupa badań jest skoncentrowana nad opracowaniem nowych elementów oraz ulepszeniem już istniejących poprzez wykorzystanie nowo powstałych Rys. 1. Główne kierunki badań nad zastosowaniem wody jako czynnika roboczego materiałów konstrukcyjnych, przy czym główny nacisk kładzie się na opracowanie konstrukcji niezawodnych w działaniu i tanich (rys. 2). Ostatnia grupa prac obejmuje badania nad eksploatacją oraz symulacją układów hydraulicznych (rys. 3) używanych w układach kontroli przemieszczenia, prędkości, siły lub momentu. Rys. 3. Przykładowy układ hydrauliczny: a) zasilacz, b) serwozawór, c) zawór proporcjonalny, d) silnik hydrauliczny, e) siłownik hydrauliczny, f) sterownik [3] Rys. 2. Model siłownika hydraulicznego zasilanego wodą Prowadzone są również badania nad stworzeniem układów niskociśnieniowych (10 50 bar), które stanowiłyby konkurencję dla stosowanych układów pneumatycznych. 21

5 Wybrane aplikacje wodnych układów hydraulicznych Wodne układy hydrauliki siłowej mogą znajdować szerokie zastosowanie między innymi w przemyśle spożywczym, półprzewodnikowym, papierniczym, tekstylnym i farmaceutycznym. Na przykład proces wytwarzania filetów drobiowych wymaga utrzymania wysokiej higieny, co pociąga za sobą dodatkową konieczność częstego mycia elementów składowych urządzenia przy równoczesnym utrzymaniu ich bezawaryjnej pracy. Zadania te doskonale spełnia urządzenie firmy MAY- EKAWA MFG. CO., w którym zastosowano napęd wodny (rys. 4). Przykładem wykorzystywania wodnej hydrauliki siłowej w przemyśle elektronicznym jest urządzenie umożliwiające pokrycie układów półprzewodnikowych plastikowymi powłokami, w celu ich izolacji i ochrony (rys. 5). Zastosowanie układów chłodzenia pił tarczowych w przemyśle drzewnym spowodowało oprócz wydatnego zmniejszenia zużycia energii (w wyniku zmniejszenia tarcia pomiędzy ostrzem piły a ciętym materiałem), zmniejszenie zapylenia oraz prawie trzykrotne wydłużenie czasu eksploatacji pił (rys. 6). Kolejnym przykładem zastosowania wodnej hydrauliki siłowej są układy hamulcowe pełniące rolę hydraulicznych blokad wagonów kolejowych (rys. 7) podczas ich wyładunku. Za zastosowaniem tego rozwiązania przemawia całkowity brak skażenia podłoża mogącymi pojawić się wyciekami oraz niższe koszty ogólne w porównaniu z układami olejowymi. Układy te podobnie jak poprzednia aplikacja zostały opracowane przez firmę Danfoss dla niemieckich kolei państwowych. Około 250 blokad hydraulicznych pracuje na stacji w Erfurcie i Senftenbergu. Przykładem zastosowania układów hydrauliki wodnej w układach mobilnych jest prototyp kosiarki do trawy (rys. 8), opracowany na uniwesytecie Purdue (USA), w którym napęd hydrauliczny zastosowano w układach: sterowania, napędowym, hamowania oraz regulacji wysokości podwozia. Rys. 4. Urządzenie do filetowania drobiu [3] Rys. 5. Urządzenie do izolowania półprzewodników [3] Rys. 6. Układ chłodzenia pił tarczowych [2] Rys. 7. Wodne układy hamulcowe [2] Rys. 8. Kosiarka do trawy z napędem wodnym [6] Rys. 9. Nożyce hydrauliczne o napędzie wodnym [5] Obecnie trwają prace nad zastosowaniem układów zasilanych wodą w kosiarce GREENS KING VI firmy Textron Inc. Pierwsze testy przeprowadzone przy pracy kosiarki z prędkością 5 km/h potwierdzają jej funkcjonalność. Ponadto układy wodne znajdują zastosowanie w rolnictwie, gdzie są używane zwłaszcza do nawilżania powietrza w dużych szklarniach. Znajdują także zastosowanie w mobilnych urządzeniach czyszczących (tzw. stacjach czyszczących), które strumieniem wody pod dużym ciśnieniem usuwają zanieczyszczenia z powierzchni. Prowadzone są też badania nad zastosowaniem napędu wodnego w niskociśnieniowych (1 5 MPa) układach napędowych różnych narzędzi np. w hydraulicznym napędzie nożyc do cięcia żywopłotu (rys. 9). Podsumowanie Z przedstawionego opisu stanu badań i zastosowań hydraulicznych układów zasilanych wodą można wnioskować, że po opracowaniu szerszego zestawu elementów, jedyną przeszkodą w stosowaniu tego typu układów będzie ich koszt budowy, który w porównaniu do kosztu budowy identycznych układów o napędzie olejowym jest 2,5 do 5 razy wyższy. Jednakże koszty te mogą znacząco zmaleć w przypadku rozpoczęcia wytwarzania maszyn i urządzeń zaopatrzonych w te układy na skalę wielkoseryjną. Dolna granica temperatury eksploatacji układów wodnych nie stanowi znacznego problemu, gdyż po dodaniu do wody glikolu o odpowiednim stężeniu otrzymany roztwór niezamarzający. Bibliografia 1. Water Hydraulics The Natural Choice. 4th Bergen International Workshop on Advances in Technology. 13 May