TENDENCJE ROZWOJOWE W DZIEDZINIE ELEMENTÓW I SYSTEMÓW NAPĘDU HYDRAULICZNEGO

Transkrypt

1 Rozdział 1 TENDENCJE ROZWOJOWE W DZIEDZINIE ELEMENTÓW I SYSTEMÓW NAPĘDU HYDRAULICZNEGO 1.1. Uwagi ogólne W ostatnich latach zaznaczył się szybki rozwój i szeroki obszar zastosowań napędów hydraulicznych. Wyróżnia się już dziś cztery obszary o określonych własnościach stosowanej hydrauliki, a to : hydraulika stacjonarna - ogólnego przeznaczenia, hydraulika mobilna w tym maszyny robocze, hydraulika okrętowa, hydraulika lotnicza. Każda z tych dziedzin wymusza odpowiedni rozwój elementów jak i specjalistycznych układów. Rozwój zależny jest od wykonywanych funkcji, bezpieczeństwa, wymogów ekologicznych i ekonomicznych. Zalety napędów hydraulicznych spowodowały, że nastąpiło wypieranie napędów mechanicznych i elektrycznych z wielu zastosowań. W przemyśle maszynowym stale wzrasta ilość produkowanych elementów hydraulicznych i pneumatycznych. Tak np. w Niemczech produkcja hydraulicznych i pneumatycznych elementów w roku 1990 w stosunku do roku 1980 wzrosła ponad dwukrotnie, przy 50% wzroście produkcji globalnej w przemyśle maszynowym (rys. 1.1) [1]. Ciekawe jest porównanie jaka ilość hydrauliki stosowana jest w specjalistycznych maszynach roboczych i maszynach stacjonarnych (rys. 1.2). Do najważniejszych odbiorców hydrauliki należą maszyny budowlane, maszyny drogowe, maszyny wydobywcze, maszyny rolnicze. Jak wynika z rys.1.2 w Niemczech aż 38% produkcji elementów

2 14 hydraulicznych znajduje zastosowanie w mobilnej hydraulice maszyn roboczych, a 62 % w hydraulice stacjonarnej. Zastosowanie napędów i sterowań hydraulicznych w lotnictwie znajdowało i znajduje swoje podstawowe generujące postęp miejsce. W latach od 1940 do 1980 lotnictwo wymusiło znaczną miniaturyzację i minimalizację masy przy znacznych przenoszonych mocach (rys. 1.3). Rys Rozwój produkcji i przerób w przemyśle maszynowym w hydraulice i pneumatyce w latach w Niemczech Rys Zastosowanie hydrauliki w budowie maszyn w Niemczech (1990 r.) wg. VDMA

3 15 Jak wynika z rys. 1.3 wskaźnik mocy do masy elementów (pomp) stosowanych w lotnictwie zwiększył się z około 0,1 do 0,5 kw/n. Równocześnie zainstalowana moc przenoszona przez układy hydrauliczne w tych latach wzrosła od 20 kw w roku 1940 do 1000 kw w roku 1980, co przedstawiono na rys. 1.4 (stosowane jednostki to pompy z regulowaną wydajnością jak w DC8 czy Boenigu 747). Rys Moc do masy pompy stosowanych w lotnictwie wg. Vickersa Rys Maksymalna zainstalowana moc w układach hydraulicznych nowoczesnych samolotów

4 Rozwój elementów hydraulicznych Tendencje rozwojowe elementów hydraulicznych można zobrazować zestawieniem pokazanym na rys Jak wynika z rys. 1.5 można ten trend sformułować w trzech głównych grupach, a to: elementy lekkie i przenoszące znaczne moce (duży współczynnik mocy do masy) a więc minimalizacja masy i zwiększenie mocy, likwidacja (minimalizacja) strat energii i ochrona środowiska, to poprawa wykorzystania przenoszonej mocy i zmniejszenie obciążenia środowiska, poprawa sterowania, regulacji i obsługi maszyn z napędem hydraulicznym przez zwiększenie komfortu obsługi i uproszczenie czynności obsługowych [2]. Rys Tendencje rozwojowe w hydraulice mobilnej Elementy hydrauliczne można podzielić na dwie podstawowe grupy, a to zawory i jednostki wyporowe służące do przekształcenia energii. Nowoczesny zawór, jak przedstawia to schemat rys. 1.6 to główna część - stopień hydrauliczny, a następnie elektromechaniczny przetwornik, system pomiaru przemieszczeń i regulator. Rozwój elementów idzie więc w dwóch kierunkach z jednej strony wzrost statycznych i dynamicznych możliwości przenoszenia mocy, a z drugiej integracja coraz większej ilości funkcji realizowanej w konstrukcji zaworu [3]. Oznacza to, że stopień (część) hydrauliczny musi być optymalizowany pod kątem kształtowania kanałów przepływowych i redukcji sił hydrodynamicznych. Wzrost możliwości przenoszenia mocy przez elektromechaniczny przetwornik musi oddziaływać na poprawę właściwości statycznych i dynamicznych zaworu. Standardowe wykonania zaworów sterowanych elektromagnetycznie posiadają dziś głównie magnesy proporcjonalne.

5 17 Rys Bezpośrednio sterowany rozdzielacz 4/3 Aktualne rozwiązania sterowań proporcjonalnych są tym lepsze im bardziej zbliżają się do liniowego przebiegu siły w funkcji drogi. Silniki liniowe są głównie stosowane do sterowań zaworami w hydraulice lotniczej, ponieważ zbyt wysoka dziś cena nie pozwala na szerokie wdrożenie w hydraulice przemysłowej i mobilnej. Zaletą tych rozwiązań jest jednak pewność działania, duże skoki i stosunkowo duże przenoszone siły przy małych gabarytach sterownika. Nowszym rozwiązaniem sterowników, jeszcze szeroko nieproponowanym przez producentów, jest przetwornik piezoelektryczny. Jego zalety to znakomita dynamika, pewność działania i stosunkowo wysokie siły przenoszenia. Wadami są małe skoki (przemieszczenia) i zapotrzebowanie na stosunkowo wysokie napięcia robocze. Aby zrealizować przemieszczenia rzędu 10-1 mm jest konieczne tworzenie stosów piezoelektrycznych. Schemat funkcjonowania i charakterystyki bezpośrednio sterowanego zaworu z piezoelektrycznym przetwornikiem przedstawia rys Jak widać z rys. 1.7 poprzez zastosowanie multiplikatora hydraulicznego wyeliminowano wadę, jaką posiada ten rodzaj sterowania, tj. małe przemieszczenia. Problem szerokiego zastosowania tego rodzaju sterownika zależeć będzie od kosztów produkcji i elementów elektroniki pracującej na stosunkowo wysokie napięcia, jakie niezbędne są do zasilania piezoelektrycznych sterowników. Dobór sterowników i ich rozwiązań technicznych zależy w dużej mierze od obciążeń występujących na suwakach, tłoczkach itp. a więc elementach sterowniczych w zaworach. Obciążenia te oraz ich redukcja zależy znacznie od występujących sił hydrodynamicznych. Warto tu podkreślić, że w zaworach o znacznych przenoszonych mocach problem ograniczania sił hydrodynamicznych nabiera zasadniczego znaczenia.

6 18 Rys Schemat funkcjonalny i charakterystyki rozdzielacza sterowanego piezoelektrycznie Na rys. 1.8 przedstawiono schematycznie rozdzielacz, w którym zilustrowano możliwość takiego ukształtowania krawędzi sterujących aby ograniczyć wartości sił hydrodynamicznych. Ograniczenia te mogą dotyczyć zarówno strony zasilającej jak i strony wypływu czynnika z zaworu. Jak wynika z rys. 1.8 redukcja sił hydrodynamicznych może być znaczna przy dużym natężeniu przepływu. Najnowsze rozwiązania rozdzielaczy z kompensacją sił hydrodynamicznych realizowane są według zasady niezależnych kompensacji stron zasilania i wypływu czynnika. Podsumowując rozwój i tendencje konstrukcji zaworów i ich sterowań można przewidzieć, że rozwój będzie wyrażony przez dalszą integrację elektroniki sterującej i regulującej w budowie zaworów oraz, że w najbliższej przyszłości wystąpi coraz szersze przejście na cyfrową elektronikę w układach regulacji. Integracja elektroniki w zaworach oznaczać musi także odporność elementów tych na szoki temperaturowe, jak również odporność na oddziaływanie zmiennych i niekorzystnych warunków zewnętrznych. W przyszłości należy tu oczekiwać również inteligentnych, samo dopasowujących się układów regulacji do parametrów elektrycznych, mechanicznych czy hydraulicznych.

7 19 Rys Kompensowanie sił hydrodynamicznych w rozdzielaczu suwakowym Jednostki wyporowe to zarówno pompy i silniki hydrauliczne służące do przetwarzania energii mechanicznej na energię ciśnienia cieczy bądź na odwrót. W budowie maszyn roboczych znajdują zastosowanie jednostki o stałej jak i zmiennej wydajności. Jednak coraz bardziej w nowoczesnych układach hydraulicznych, pracujących według optymalnych parametrów, zainteresowanie konstruktorów zwraca się w kierunku maszyn o zmiennej wydajności czy chłonności. Jeżeli do tego dochodzi konieczność zwiększania ciśnień to zainteresowanie musi się koncentrować na jednostkach wielotłoczkowych promieniowych i osiowych. Zaletą jednostek wielotłoczkowych osiowych jest możliwość pracy jako pompa czy silnik, które w dużym zakresie regulacji mają dobrą sprawność całkowitą. Rozwój tych jednostek w ostatnich latach pokazuje zestawienie parametrów i wskaźników przedstawione na rys Jak z niego wynika, wartość wskaźnika mocy do masy wzrasta stale od 2 do 10 przy równoczesnym spadku wskaźnika masy do wydajności właściwej, dla ciśnienia pracy w zakresie 20 do 40 MPa ( bar). Warto tu zauważyć, że utrzymanie tych granic ciśnień wynikać może z problemów z jakimi borykają się producenci i eksploatatorzy hydrauliki tj. z drganiami i hałasem tych jednostek oraz filtracją, dodać tu należy że sprawności tych jednostek są wysokie, sięgają wartości 0,9. Dalszy rozwój tych konstrukcji upatruje się w optymalizacji geometrii węzłów konstrukcyjnych,

8 20 pod kątem właściwości trybologicznych i sprawnościowych. Przyszłościowe dalsze działania w tym zakresie to rozwój uszczelnień, nowych pokryć powierzchni, jak również zastosowanie nowych cieczy roboczych [3]. Rys Rozwój pomp wielotłoczkowych osiowych W grupie elementów, które mogą w przyszłości dominować w budowie układów napędowych i sterujących to tzw. dwudrogowe zawory, noszące nazwę elementów logicznych lub Cartridge [4]. Choć nie są to najnowsze rozwiązania, ale aktualnie znajdują się one w obszarze zainteresowań konstruktorów ze względu na rozwój dynamiczny sterowań elektromagnetycznych i zastosowań elektroniki. Schemat konstrukcyjny takiego zaworu zilustrowano na rys

9 21 Symbol graficzny pokazano na rys Jako główne zalety tych zaworów uważa się: duży zakres przenoszonych natężeń przepływu, małe wymiary i objętości, realizacja funkcji zaworów ciśnieniowych, regulatorów przepływu, zaworów sterujących kierunkiem przepływu oraz możliwości połączenia tych funkcji w jednym zaworze. Do innych zalet należą: duża szczelność zaworu, krótkie czasy przesterowań, łagodne przełączanie, małe uderzenia ciśnieniowe, małe zużycie - wysoka trwałość, pewne działanie, praktycznie nieograniczona moc przenoszenia, wysokie ciśnienia pracy, znormalizowane wymiary [4]. Rys Schemat konstrukcyjny zaworu Cartridge Rys Symbol graficzny zaworu Cartridge

10 Rozwój hydraulicznych układów napędowych Wadą dotychczasowych konwencjonalnych rozwiązań było nieoptymalne wykorzystywanie mocy silnika napędowego, a zatem występowanie znacznych strat mocy w układzie. W ostatnich latach rozwinęły się dwa systemy a to tzw. systemy Load-sensing oraz adaptacyjne sterowanie wtórne silnika hydraulicznego. Na rys pokazano uproszczony schemat układu równoległego zasilania dwóch odbiorników niezależnie od ich obciążenia. Rys Hydrauliczno - mechaniczny Load-sensing Jak to wynika z rysunku największe ciśnienie obciążenia przekazywane jest przez obwód LS do zaworów sterowania pompą o regulowanej wydajności. Przez pompę regulowaną zapewnia się takie ciśnienie, żeby jego wartość była większa o p niż największe ciśnienie obciążenia. W tym przypadku odbiorniki sterowane są przez zawory proporcjonalne z włączonymi zaworami dwudrogowymi (wagi ciśnieniowe). Wagi ciśnieniowe mają zadanie utrzymywać stałą różnicę ciśnień na zaworach proporcjonalnych, tak więc natężenie przepływu przez zawory te zależy od otwarcia szczelin sterujących, a nie od ciśnienia obciążenia. Na rys pokazano również diagram ciśnień, z którego wynika, że wymagana różnica ciśnienia p wynika ze spadków ciśnień na zaworze proporcjonalnym i 2-drogowej wadze ciśnienia [2]. Zadaniem systemów LS jest oszczędność energii przez dopasowywanie natężenia przepływu z pompy do potrzeb odbiornika, przy utrzymaniu ciśnienie

11 23 na takim poziomie aby najbardziej obciążony odbiornik był sterowalny. Rys.1.13 ilustruje różne systemy LS różniące się sposobem uzyskiwania wymaganej różnicy ciśnień p LS. Rys Różne systemy Load-sensing Przy konwencjonalnym sterowaniu (krzywa I) różnica ciśnień uzyskiwana jest poprzez działanie sprężyny (F F ) i pozostaje stała dla całego obszaru ciśnień obciążenia. Sprawność tego systemu bez uwzględniania sprawności pompy jest tutaj równa: 1 η LSI = 1 + pls, (1) p L a więc znacznie obniża się przy małych obciążeniach układu p L (krzywa I, rys.1.13). Jeżeli uzyskuje się różnice ciśnień p LS według sterowania zaworu II, gdzie stosunek powierzchni sterujących wynosi k = A 2 / A 1 > 1 to sprawność systemu pozostaje stała niezależnie od obciążenia układu. Sprawność w tym układzie wyniesie:

12 24 1 A 1 η LSII = =. (2) k A2 To rozwiązanie ma jednak wadę, bowiem różnica ciśnień p LS jest proporcjonalna, a więc zależna od ciśnienia obciążenia według relacji: A 2 A2 A1 plsii = pl ( k 1) = pl 1 = pl A. (3) 1 A1 To może prowadzić do wystąpienia problemów przy małych obciążeniach, ponieważ zawory regulujące jak i sterujące muszą pracować przy małych różnicach ciśnień. Te małe różnice ciśnień mogą okazać się za małe do pokonania sił tarcia w LS regulacji, a więc prowadzić mogą w konsekwencji do błędów w regulacji. Rozwiązanie III zaworu LS przedstawia pewny kompromis, w którym sprężyna zapewnia minimalną różnicę ciśnień p min, a stosunek powierzchni sterujących k dodatkową różnicę ciśnień zależną od ciśnienia obciążenia : A2 A1 plsiii = pl ( k 1) + pmin = pl + pmin (4) A1 Również w tym przypadku korzystniejszy jest przebieg sprawności aniżeli w rozwiązaniu konwencjonalnym I (krzywa III rys. 1.13). Sprawność dla tego przypadku można określić według relacji: 1 η LSIII =, (5) pmin k + p L Kolejnym problemem systemów LS jest zachowanie się napędu przy różnych zapotrzebowaniach odbiorników na natężenia przepływu, a to głównie wtedy gdy przekraczana jest maksymalna wydajność pompy. Problem jaki należy tu postawić to w jakim kierunku może pójść dalszy rozwój systemów Load-sensing. Na rys porównano oba systemy Loadsensing tj. hydromechaniczny oraz elektrohydrauliczny. Funkcje podstawowe pozostają zachowane ale komputerowe sterowanie może przejąć jeszcze inne dodatkowe funkcje jak: kontrola pozycji suwaka i warunku obciążeń, proporcjonalne zmniejszanie natężenia przepływu do silnika, gdy zbliża się do maksymalnej wydajności pompy, dopasowywanie p LS, aby zredukować maksymalne straty.

13 25 Rys Porównanie hydromechanicznego i elektrohydraulicznego Load-sensing Dalszą zaletą jest rezygnacja z długich przewodów do przekazywania ciśnień sterujących, które to mają wpływ na stabilną pracę układu hydrauliczno - mechanicznego. Rys przedstawia koncepcję przyszłościową przewidywaną dla układów Load-sensing. Na tym rysunku podzielono układy na dwie części hydromechaniczną i elektrohydrauliczną. Straty mocy w układach wynikają dziś z konieczności występowania niezbędnej różnicy ciśnień p LS. Ta różnica ciśnień porównywana jest z siłą sprężyny zaworu regulującego wydajność pompy. Jak wynika z rys możliwość dalszego rozwoju systemów to powiązanie różnicy ciśnień p LS z ciśnieniem obciążenia. W układach elektrohydraulicznych można to uzyskać stosunkowo prosto uzyskać poprzez zastosowanie sensorów ciśnienia lub kombinację sensorów prędkości obrotowych lub liniowych i przemieszczeń suwaka zaworu. Jest więc możliwe utrzymywanie stałej wartości p LS lub zredukowanie jej do zera. Przyszłość pokaże, który z systemów najbardziej będzie odpowiadał wymaganiom klientów i eksploatatorów. Rys Rozwój układów Load-sensing

14 26 Oryginalnym rozwiązaniem proponowanym głownie dla mechanizmów roboczych jest system adaptacyjnej regulacji wtórnej. Układy te znajdują się w obszarze określonych zainteresowań i badań. Układy hydrauliczne ze sterowaniem wtórnym znane są jako sprzężone objętościowo (rys. 1.16). Teoretycznie prędkość obrotową silnika hydraulicznego określa się z zależności: α1 qg1 α1max n 2 = n1, (6) q α g 2 2 α 2 max oraz różnica ciśnienia występująca w układzie zależnie od momentu obciążenia wyniesie: 2π M p = α 2 qg 2 α d 2. (7) 2 max Z zależności (7) wynika, że zmiana obciążenia przekładni prowadzić będzie do zmiany różnicy ciśnień w układzie. Rys Zasada budowy konwencjonalnego napędu hydrostatycznego

15 27 System adaptacyjnego sterowania wtórnego składa się z trzech podstawowych elementów, a mianowicie pompy q g1, akumulatora hydraulicznego i jednostki wtórnej (rys. 1.17) [5]. Ta przekładnia różni się od konwencjonalnej (rys. 1.16) tym, że ciśnienie w układzie zależy od stanu naładowania akumulatora hydraulicznego, a nie od wartości momentu obciążającego silnik hydrauliczny M d2. Natężenie przepływu Q jednostki wtórnej jest wprost proporcjonalne do kąta wychylenia α 2, przy stałej różnicy ciśnień p i stałej prędkości obrotowej n. A więc jest proporcjonalne do momentu obrotowego M d2 według zależności: M p q α g 2 2 d 2 =. (8) 2π α 2 max Rys Przekładnia hydrostatyczna z systemem quasi - stałociśnieniowym Przy stałym, bądź quasi stałym ciśnieniu w instalacji, zmiana momentu obrotowego oddziaływuje na zmianę zapotrzebowania w natężeniu przepływu przez jednostkę wtórną. Na rys przedstawiono system regulacji wtórnej z zaworem proporcjonalnym i hydraulicznym pomiarem prędkości obrotowej. Zawór ten zapewnia wybór kierunku obrotów oraz definiuje natężenie przepływu do układu sterującego. W położeniu środkowym rozdzielacza obroty jednostki wtórnej są równe zero, bowiem różnica ciśnień na cylindrze sterującym p s i na hydraulicznym mierniku obrotów jest równa zero przy równoczesnym zapewnieniu równowagi między momentem hydraulicznym i mechanicznym. Jeśli przez rozdzielacz poda się natężenie przepływu do układu sterowania, równowaga ciśnień na cylindrze sterującym zostaje zakłócana.

16 28 Rys Regulacja wtórna quasi - stałociśnieniowa z hydraulicznym pomiarem obrotów Rys Regulacja wtórna quasi - stałociśnieniowa z elektrycznym pomiarem obrotów

17 29 Przez to zmienia się pozycja cylindra sterującego i zmienia się moment hydrauliczny prowadzący do ruchu wirnika jednostki hydraulicznej, a więc ruchu silnika - pompy hydraulicznej. Proporcjonalnie do obrotów wzrasta zapotrzebowanie na natężenie przepływu w hydraulicznym mierniku obrotów, co powoduje spadek ciśnienia na cylindrze sterującym. Przez rozdzielacz przekazuje się natężenie przepływu do hydraulicznego nośnika obrotów jako sygnał nastawialnych obrotów. Ta zasada jest podstawą działania układów z adaptacyjnym sterowaniem wtórnym. Przy tej regulacji wtórnej chodzi więc o regulację prędkości obrotowej z wielkością dostosowującą się kątem wychylenia α 2 lub momentem M d2. Wielkości te samoczynnie dostosowują się zależnie od istniejącego ciśnienia w układzie (zależy od stanu naładowania akumulatora hydraulicznego) przy zachowaniu żądanych obrotów n 2. W większości przypadków zastosowań tych systemów odchodzi się od sterowań hydraulicznych, a przechodzi się na układy z elektrycznymi regulatorami prędkości obrotowej (rys. 1.19) Uwagi końcowe Podsumowując należy podkreślić, że niezależnie od omawianych tu problemów związanych z rozwojem elementów i układów hydraulicznych, dodatkowych rozwinięć studialnych wymagają takie zagadnienia jak redukcja hałas oraz wprowadzenie nowych ekologicznych cieczy roboczych, w tym wody. Ponadto zwrócić uwagę należy na rozwój specjalizowanej elektroniki i oprogramowania, a więc tzw. hydrotroniki opartej na sterowaniu cyfrowym i zastosowaniu procesorów i komputerów pokładowych.

18 30 Literatura 1. Kollek W., Zarzycki M.: Tendencje rozwojowe hydraulicznych układów napędowych maszyn roboczych. XI Konferencja Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, Zakopane Backe W.: Entwicklung der Hydraulik für mobile Anwendungen. 12 AFK Aachen, 1996, str Murrenhoff H.: Entwicklungstrends in der Fluidtechnik. Konstruktion 1996, nr 48, str Technik der 2-Wege-Einbauventile. Der Hydraulik Trainer, Band 4, Mannesmann Rexroth Hydrostatische Antriebe mit Sekundärregelung. Der Hydraulik Trainer, Band 6, Mannesmann Rexroth 1989.