Podczas dokonywania specyfikacji komponentów systemów hydraulicznych, pracy z tymi systemami w przemyśle albo ich modernizacji, należy uwzględniać wiele kwestii związanych z bezpieczeństwem, kosztami oraz sprawnością. Obejmują one m.in. wymagany moment obrotowy silników hydraulicznych, wybór pomiędzy sterowaniem ręcznym a elektronicznym układów hydrauliki siłowej oraz dobór zaworów bezpieczeństwa w systemach hydraulicznych.
Instalacje i systemy hydrauliczne są głównym komponentem w wielu zakładach przemysłowych. Współczesny użytkownik tego typu systemów ma wiele opcji do przeanalizowania, które determinują w znaczącym stopniu efektywność całego systemu, jego elastyczność w zakresie doboru sprzętu i konkretnych rozwiązań aplikacyjnych.
Przykład. Użytkownik może zadecydować, czy wziąć pod uwagę moment obrotowy roboczy, czy rozruchowy silnika hydraulicznego, jaki rodzaj zaworu nadmiarowego zastosować albo czy zastosować sterowanie elektroniczne, czy ręczne w urządzeniach hydrauliki siłowej.
Ważne jest też, aby mieć świadomość zagrożeń oraz konsekwencji złego doboru komponentów. Rozważania te wykraczają poza kwestie omówione w artykule, jednak zapoznanie się z tymi powszechnie napotykanymi w fabrykach problemami wpłynie pozytywnie na podjęcie decyzji przez użytkowników, integratorów systemów oraz producentów maszyn i sprzętu.
Dobór silnika hydraulicznego pod względem momentu obrotowego lub rozruchowego
Produkowane są i dostępne na rynku różne rodzaje silników hydraulicznych. Każdy typ silnika hydraulicznego (zębaty, łopatkowy, typu geroler czy tłokowy) ma inny moment obrotowy oraz sprawność. Podczas doboru takiego urządzenia często popełnianym i kosztownym błędem jest jednakowe traktowanie jego momentu rozruchowego (starting torque, określającego zdolność silnika do rozpoczęcia pracy pod obciążeniem) oraz momentu roboczego (running torque, określającego zdolność silnika do utrzymania prędkości obrotowej pod obciążeniem).
Producent każdego silnika podaje jego znamionowy maksymalny moment obrotowy. Wartość ta jest często wykorzystywana przez wspomnianych użytkowników, integratorów systemów oraz producentów maszyn i sprzętu do określenia, czy silnik nadaje się do danej aplikacji. Znajomość momentu obrotowego wymaganego do napędzania obciążenia w systemie hydraulicznym jest konieczna, jednak nie należy dokonywać doboru silnika tylko na podstawie jego znamionowego momentu maksymalnego.
Ponadto producent każdego silnika powinien podawać charakterystykę momentu obrotowego lub wykres zależności momentu od przepływu i ciśnienia. Niektóre systemy mogą zawierać silnik, który pracuje prawidłowo tylko w jednym środowisku. Jednak gdy coś tak prostego, jak kąt przechyłu maszyny zmienia się, silnik ten potrafi utknąć. Jest to spowodowane tym, że moment oporowy działający na silnik zmienia wartość jego momentu rozruchowego. Tak więc konieczna jest znajomość systemu oraz parametrów operacyjnych.
Moment rozruchowy aplikacji wpływa na sprawność silnika
Przykład. Silnik łopatkowy ma bardzo wysoką sprawność podczas pracy z pełną prędkością obrotową, jednak sprawność ta zmienia się przy niższych prędkościach. A zatem moment rozruchowy jest znacznie mniejszy od roboczego. Prędkość robocza systemu jest także bardzo istotną kwestią do rozważenia. Użytkownicy powinni znać wartość momentu obrotowego i sprawności pracującego silnika. Silniki zębate, łopatkowe oraz typu geroler często mają najgorszy moment rozruchowy, co jest spowodowane małą sprawnością przy niskich prędkościach obrotowych. Silnik tłokowy ma dużą sprawność w aplikacjach wolnoobrotowych oraz szybkoobrotowych i często najlepszy moment rozruchowy.
Sprawność silników przez dłuższy czas
Kolejną kluczową kwestią do rozważenia przy doborze silnika do aplikacji jest utrzymywanie się wymaganej sprawności silnika w miarę upływu czasu. Każdy typ silnika hydraulicznego posiada różne właściwości funkcjonalne, które mogą wpływać zarówno pozytywnie, jak i negatywnie na jego sprawność objętościową (wolumetryczną). Na przykład, nawet gdy silnik zębatkowy zostanie prawidłowo dobrany do systemu pod względem momentu rozruchowego i obrotowego, to jego sprawność będzie stopniowo spadać. Praca takiego silnika wymaga oddziaływania na siebie kół zębatych, co powoduje ich zużywanie się na skutek tarcia. W wyniku tego powstają coraz większe nieszczelności wewnętrzne i silnik będzie miał coraz mniejszą sprawność, zaś wartości momentu rozruchowego i obrotowego będą spadać. Nawet gdy dany silnik po zainstalowaniu na początku prawidłowo napędza system, to po roku jego działanie może być niewystarczające ze względu na spadek sprawności.
Natomiast silnik łopatkowy utrzymuje swoją sprawność w całym okresie eksploatacji, chyba że nastąpi jakaś katastrofalna awaria. Wynika to z zasady działania tego typu silnika hydraulicznego. Podczas obrotu każda łopatka wysuwa się z rowka w wirniku i wsuwa z powrotem, jednak konstrukcja urządzenia kompensuje zużycie łopatek. W miarę eksploatacji każda łopatka może ulegać zużyciu, jednak nadal utrzymywana jest sprawność silnika, ponieważ łopatki są cały czas wysuwane z rowków (za pomocą siły odśrodkowej lub sprężyn) i dociskane do bieżni, co kompensuje ich skracanie się. Zmniejsza to ryzyko powstania nieszczelności.
Silniki o większej sprawności są znacznie droższe. Dlatego też zrozumienie wymagań dotyczących momentu rozruchowego i roboczego dla konkretnej aplikacji jest kluczem do ekonomicznie uzasadnionego doboru silnika dopasowanego do tej aplikacji.
Wybór pomiędzy sterowaniem elektronicznym a ręcznym napędów hydrostatycznych
Dokładniejsze sterowanie, obejmujące zintegrowanie elektronicznych układów sterujących z systemami hydraulicznymi, pomaga w spełnianiu wymagań normy Tier 4, wydanej przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA), dotyczącej emisji związków toksycznych. Norma Tier 4 zachęca do dodatkowego stosowania elektroniki, oprzewodowania i wyświetlaczy.
Wynikiem tego było niezdecydowanie producentów w sprawie konstruowania maszyn z większymi silnikami wysokoprężnymi, spełniających wymagania normy Tier 4. Jednocześnie producenci poczuli się zmuszeni do wyposażania w układy elektroniczne tych maszyn, które zawsze były obsługiwane ręcznie. Jednak napędy hydrostatyczne mogą uzyskać korzyści z dodania do nich elektroniki. Napęd hydrostatyczny ze sterowaniem elektronicznym może być łatwiejszy i mniej pracochłonny w instalowaniu i uruchamianiu, mieć mniej punktów nieszczelności oraz cechować się ogólnie znacznie lepszą dynamiką w reakcjach na zmiany obciążenia i prędkości, być bardziej żywo reagujący.
Zalety i wady napędów hydrostatycznych ze sterowaniem ręcznym
Napęd hydrostatyczny ze sterowaniem ręcznym jest przyjazny dla użytkownika, gdyż niejako „wyczuwa” reakcję pompy na wychylenie manipulatora. Operatorzy sterują maszyną, poruszając za pomocą dźwigni tarczą wychylną, znajdującą się wewnątrz pompy. Powoduje to zwiększanie lub zmniejszanie ciśnienia medium roboczego, co przekłada się na zmiany prędkości obrotowej silnika hydraulicznego.
Idea, aby użytkownicy nie mieli takiej samej kontroli nad napędem hydrostatycznym lub możliwości modulacji ciśnienia (feathering), przy wykorzystaniu elektronicznych układów sterujących, jest zła. Napęd hydrostatyczny z regulatorem proporcjonalnym może być lepiej kontrolowany, ponieważ użytkownicy mogą wyeliminować każde opóźnienie reakcji lub luz mechaniczny, często występujące w systemach ze sterowaniem ręcznym. Taka elastyczność może być także dopasowana do użytkownika i danej aplikacji, tak aby korelowała z prędkością obrotową silnika spalinowego napędzającego pompę, w efekcie użytkownicy mają więcej elastyczności przy niskich prędkościach obrotowych w celu dokonania dokładnej modulacji, a następnie ograniczoną elastyczność w płynniejszej regulacji przy wyższych prędkościach obrotowych.
Elektroniczne sterowanie napędem hydrostatycznym zwiększa jego cenę. Użytkownicy muszą też zakupić sterownik i elektroniczny joystick lub pedał do wysyłania sygnałów sterujących oraz kabel połączeniowy. Nieprzyjemna niespodzianka w postaci kosztów tych komponentów, znacznie wyższych niż w przypadku urządzeń ze sterowaniem ręcznym, może odstraszyć klientów. Użytkownicy, integratorzy systemów oraz producenci maszyn muszą rozumieć, że nie jest to porównanie typu jabłko do jabłka.
Aby lepiej zrozumieć to porównanie, należy wykonać pełną analizę kosztów systemu ze sterowaniem ręcznym, obejmującą przewody (węże), armaturę oraz koszty robocizny, związane z instalowaniem. Aby zrekompensować albo uzasadnić wyższe koszty systemu ze sterowaniem elektronicznym, należy przeanalizować korzyści z zastosowania elektroniki w danym systemie.
Cechy sterowania elektronicznego oraz korzyści z jego zastosowania
Elektroniczny układ sterujący umożliwia diagnozowanie systemu, gdy nie działa on tak, jak powinien. Na małym wyświetlaczu, który komunikuje się ze sterownikiem, mogą być wyświetlane błędy systemu. Taki moduł monitorujący z wyświetlaczem może być także połączony z silnikiem spalinowym, co umożliwia użytkownikom odczytywanie kodów błędów
tego silnika.
Jeśli wyświetlacz jest już częścią systemu, to można wyeliminować wiele lampek kontrolnych i ostrzegawczych. Daje to użytkownikom bardziej przejrzysty obraz systemu i często eliminuje niektóre jego koszty. A przynajmniej koszt końcowy powinien być niższy.
Inną zaletą sterowania elektronicznego jest duże odciążenie użytkownika, co zmniejsza ryzyko związane z jego zmęczeniem. Ręczne poruszanie elementem sterującym wymaga często dużego wysiłku ze strony operatora. Jednak w przypadku napędu ze sterowaniem elektronicznym nie jest to żadnym problemem. Siła oporu sprężyny powrotnej w joysticku czy pedale jest wyczuwana przez operatora, tak więc może on dokładnie sterować tarczą wychylną pompy. W odróżnieniu od systemu ze sterowaniem ręcznym siła ta się nie zmienia, gdy ciśnienie w systemie rośnie lub spada.
Montowanie elektronicznych układów sterujących w systemach hydraulicznych jest drogą ku przyszłości i dlatego nie powinno być postrzegane jako zbyt przytłaczające albo jak negatywna zmiana dla maszyny. Korzyści uzyskane z systemu ze sterowaniem elektronicznym powinny szybko przeważyć wszelkie dodatkowe koszty początkowe.
Korzyści z dwóch zaworów bezpieczeństwa w systemie hydraulicznym
Olej hydrauliczny może bardzo wydajnie wykonać wiele pracy. Jednak bez nadmiarowych zaworów bezpieczeństwa może także spowodować bardzo duże uszkodzenia elementów systemów hydraulicznych: pomp, silników, przewodów i armatury. Każdy system powinien mieć przynajmniej jeden taki zawór albo lepiej dwa. Jeden z nich funkcjonuje jako główny (podstawowy), a drugi jako rezerwowy. Główny zawór nadmiarowy zapewnia, że system nie pracuje pod ciśnieniem powyżej pewnej granicy. Natomiast zawór rezerwowy zaczyna działać w przypadku awarii zaworu głównego.
Zagrożenie w przypadku awarii zaworu nadmiarowego
W systemie mobilnym zawory sterujące mają zawory nadmiarowe, wbudowane albo w stacje końcowe, albo w każdą stację roboczą. Pozwala to projektantowi maszyny dostosować jej działanie do funkcji, zamiast ustawiania jednej wartości ciśnienia dla wszystkich funkcji.
Przykład. Koparka gąsienicowa może mieć łącznie 10 zaworów w rozdzielaczu hydraulicznym. Zawory te obsługują siłowniki oraz silniki hydrauliczne. Pompa systemowa może dostarczać ciśnienie do 5000 psi (344,7 bara), jednak zawór nadmiarowy ogranicza je do 3500 psi (241,3 bara).
Siłowniki hydrauliczne napędzają ramiona wysięgnika koparki, natomiast silniki spalinowe obrotnicę – w celu ustawienia łyżki we właściwym położeniu – oraz gąsienice pojazdu. Jeśli uszczelniacz w jednym z siłowników ulegnie rozdarciu, to jego kawałki mogą dostać się do zaworu nadmiarowego. To spowoduje zapchanie wewnętrznego kanału zaworu i w konsekwencji zawór ten nie zadziała w razie potrzeby.
Jeśli zawór bezpieczeństwa systemu się nie otwiera, to pompa zwiększy ciśnienie w systemie do swojego maksymalnego i przewody hydrauliczne, których ciśnienie znamionowe wynosi 4000 psi (275,8 bara), popękają. Płyn hydrauliczny zacznie się rozpryskiwać dookoła maszyny i może wyrządzić poważne szkody ludziom znajdującym się w bezpośredniej bliskości.
Koszty uszkodzenia i przestoju
W opisywanym przypadku usunięcie rozlanego dookoła maszyny płynu hydraulicznego oraz wymiana uszkodzonych przewodów na nowe zajmie kilka godzin. Jednak ludziom, którzy ucierpieli na skutek tego wypadku, dojście do zdrowia zajmie znacznie więcej czasu. Tak więc kierownictwo firmy, która wykorzystuje takie koparki, powinno odpowiedzieć sobie na następujące pytania:
→ Ile czasu zajmie technikom wykrycie przyczyny awarii?
→ Czy zawór nadmiarowy lub uszczelka siłownika będą wymienione?
→ Czy istnieje ryzyko, że nowe przewody mogą znowu pęknąć?
→ Jakie są koszty przestoju wynikającego z awarii?
→ Jakie są koszty oleju, przewodów i wszystkich innych części zamiennych użytych do naprawy?
Tego typu awarie mogą spowodować, że firma nie będzie mogła kontynuować prac w terenie.
Zapobieganie najczęściej występującym awariom zaworów nadmiarowych
Rezerwowy nadmiarowy zawór bezpieczeństwa w systemie hydraulicznym, współpracujący z czujnikiem ciśnienia albo sygnalizatorem zbyt wysokiego ciśnienia, zwiększy ogólne bezpieczeństwo tego systemu. Gdy podstawowy zawór nadmiarowy ulegnie uszkodzeniu, to zawór rezerwowy pozwoli na to, aby ciśnienie w systemie mogło tylko lekko wzrosnąć ponad ciśnienie robocze i nie mogło osiągnąć takiej wartości, aby zostały uszkodzone komponenty systemu. Zamiast uzyskania wartości aż 5000 psi, ciśnienie w systemie wzrośnie tylko do 3700 lub 3800 psi (255,1 lub 262,0 bary).
Przykład. W takiej sytuacji operator prawdopodobnie zauważy zmianę w funkcjonowaniu sprzętu i poinformuje swojego kierownika lub kolegę z działu technicznego. Pracownik ten sprawdzi maszynę i w konsekwencji rozwiąże problem, zanim wystąpi poważna awaria, skutkująca kosztownym uszkodzeniem sprzętu, rozlaniem oleju i zranieniem ludzi.
W większości systemów hydraulicznych, aby zainstalować rezerwowy zawór bezpieczeństwa, wystarczy tylko zamontować trójnik hydrauliczny w przewodzie z zaworem podstawowym i zainstalować przewód łączący zawór podstawowy z rezerwowym. Dodanie manometru może być pomocne, ale nie jest konieczne. Zamontowanie w systemie kilku dodatkowych węży i złączy może się przyczynić do oszczędności rzędu setek lub nawet tysięcy dolarów.
Przepływ płynu przez zawór nadmiarowy powoduje dodatkowe nagrzewanie się systemu hydraulicznego. Zawór nadmiarowy powinien mieć wystarczającą średnicę przelotu, aby mógł obsługiwać pełny strumień przepływu pompy (pomp) systemowej. Zawór rezerwowy może być mniejszy, ponieważ będzie używany sporadycznie w sytuacji awaryjnej. Jednak musi mieć możliwość redukcji ciśnienia przy całkowitym strumieniu przepływu pompy.
Prawidłowy dobór zaworu nadmiarowego
Zawory nadmiarowe są produkowane w wielu wymiarach i kształtach. Wiele tych konstrukcji wykorzystuje kulkę zakrywającą otwór, są to tzw. sprężynowe zawory bezpieczeństwa. Kulka jest utrzymywana na swoim miejscu za pomocą sprężyny dociskającej. Wartość ciśnienia, przy którym zawór się otworzy, jest określona siłą tej sprężyny.
Niektóre zawory to zawory bezpośredniego działania, co oznacza, że ciśnienie medium hydraulicznego działa w nich bezpośrednio na kulkę czy szpulę. Istnieją też pilotowe zawory bezpieczeństwa, które mają duży zawór główny i mały zawór pomocniczy, zwany pilotem, sterujący pracą głównego. Ten mały zawór wykorzystuje znacznie mniejszą powierzchnię czynną suwaka oraz sprężynę do otwierania i zamykania kanału przepływowego, który steruje mechanizmem przepływu w kanale głównym.
Przepływ przez kanał główny może być bardzo duży lub wymagać precyzyjnej obsługi. Zawory bezpośredniego działania mogą być wrażliwe na gwałtowne zmiany ciśnienia w systemie, ponieważ znajdują się w ścieżce przepływu. Kulka zaworu może się unosić i opadać na swoje gniazdo podczas zmian ciśnienia w cyklu. Zawory pilotowe kompensują te zmiany.
Produkowane są także zawory nadmiarowe sterowane elektrycznie. Są to zawory elektromagnetyczne dwustanowe lub proporcjonalne albo mogące współpracować ze sterownikami PLC.
Zek Grantham – opiekun klienta (Account Manager) w firmie Cross Co.
Paul Badowski – opiekun klienta OEM w firmie Cross Co.
