Гидравлика и энергоэффективность: Способы повышения энергоэффективности гидравлических систем в специальной технике.

В современном мире энергоэффективность становится все более актуальной проблемой. Это касается всех сфер жизни, включая промышленность и специальную технику. Гидравлические системы занимают важное место в структуре этих отраслей, и их энергоэффективность напрямую влияет на эффективность работы всей техники.

Гидравлика и энергоэффективность – две взаимосвязанные области, которые играют ключевую роль в развитии современной техники. Гидравлические системы, являющиеся основой многих специальных машин и оборудования, обеспечивают выполнение разнообразных задач в различных отраслях промышленности, строительства, сельского хозяйства и других сферах деятельности. Однако, с точки зрения энергоэффективности, гидравлические системы могут быть не столь эффективными, как хотелось бы. В этой статье рассмотрены основные способы повышения энергоэффективности гидравлических систем.

Оптимизация гидравлической схемы

В гидроприводе происходит преобразование механической энергии в гидравлическую, передача её на расстояние (в процессе чего она подвергается управляющим воздействиям) и обратное преобразование из гидравлической энергии в механическую. Эффективность работы гидравлической системы определяется объемным КПД и подачей насосов, потерями энергии на трение в гидрооборудовании и потерями давления в гидросистеме, интенсивностью изнашивания деталей и связанную с ней долговечностью гидрооборудования, сроком службы рабочей жидкости.

 При работе гидроситемы происходят потери энергии, которые принято оценивать с помощью общего коэффициента полезного действия (КПД) гидросистемы. КПД рассчитывается как отношение выходной и входной мощностей. С целью увеличения КПД рекомендуется провести следующие мероприятия по оптимизации гидравлической системы:

Первым и самым важным шагом в повышении энергоэффективности гидравлической системы является оптимизация ее схемы. Это включает минимизацию количества гидравлических компонентов и трубопроводов, а также обеспечение оптимального распределения потока между насосами и моторами. Необходимо избегать избыточного давления и расхода, а также выбирать компоненты с оптимальными диаметрами условных проходов, что минимизирует потери на трение в трубопроводах и при этом не приводит к чрезмерному увеличению размеров гидросистемы.

Первоначально необходимо определить оптимальные диаметры трубопроводов, а для этого необходимо произвести расчёт скорости потока рабочей жидкости в трубопроводе:

v=21,28*Qd2

Где Q – расход жидкости через трубопровод [л/мин], d – внутренний диаметр трубопровода [мм]. 

Рекомендованы следующие скорости потока жидкости:

• всасывающий трубопровод от 1 до.2 м/с;

• сливной трубопровод от 1,5 до.2 м/с;

• напорный трубопровод от 4 до.10 м/с.

Более точные скорости потока для напорного трубопровода подбираются по значению рабочего давления гидросистемы:

• до 5 МПа 4 м/с;

• до 10 МПа 5 м/с;

• до 15 МПа 6 м/с;

• до 20 МПа 7 м/с;

• до 30 МПа 10 м/с.

Исходя из назначения трубопровода выбирается оптимальная скорость потока жидкости в трубопроводе и определяется оптимальный диаметр трубопровода по вышеуказанной формуле. 

Слишком высокая скорость приводит к большим потерям давления и перегреву системы. При чрезмерно низкой скорости диаметр трубопроводов будет большим, что ведёт к увеличению массы и стоимости и, как следствие, ухудшает технико-экономические показатели оборудования и оно становится неконкурентоспособным. 

Вторым шагом является выбор оптимальной длины трубопроводов и схемы их прокладки по оборудованию. Длина трубопровода напрямую влияет на потери давления, чем больше длина трубопровода, тем выше потери давления на трение. Так же это позволяет сократить расход труб и РВД, снизить массу машины, улучшить динамические характеристики и упростить технологию производства и обслуживания гидропривода.

 При прокладке оборудования необходимо избегать перегибов и пережатий, особенно при прокладке по подвижным частям техники, так как это приводит к возникновению местных сопротивлений и, соответственно, к потерям давления, перегреву рабочей жидкости. 

Третьим является требование к гладкости внутренних поверхностей трубопровода. Большая шероховатость приводит к высоким потерям на трение.

В оптимально спроектированной гидросистеме потери давления в трубопроводах не должны превышать 6 % от номинального давления в системе.  

Четвёртым шагом можно назвать необходимость разгружать насос от давления в режиме холостого хода и при запуске. Одним из способов реализации этого требования является использование распределителей с открытым центром. Общепринято делить их на два типа (по конструктивному исполнению): моноблочные и секционные. Разгрузка гидросистемы от давления реализована с помощью дополнительного канала Р-С (Рисунок 1), который перекрывается при смещении любого из золотников.

Рисунок 1

Пятый шаг необходимо выполнять при использовании исполнительных гидроцилиндров с длительной выдержкой под нагрузкой. Он связан с установкой гидропневмоаккумуляторов. Гидропневмоаккумулятор подключается к гидросистеме через специальный блок клапанов, содержащий в себе обратный, разгрузочный и редукционный клапана (Рисунок 2). 

Рисунок 2

В режиме выдержки насос должен быть выключен. Включение насоса в работу и подача рабочей жидкости в систему происходит только при понижении давления удержания, ниже настроенного на редукционном клапане. Это отслеживается системой управления оборудования с помощью датчика давления. При заполнении и опорожнении жидкостной полости аккумулятора происходит изменение давление жидкости в гидросистеме. Чтобы уменьшить частоту включения электродвигателя рекомендуется устанавливать давление открытия на предохранительном клапане больше необходимого для удержания нагрузки (давления настройки редукционного клапана) не менее чем на 15-20 бар. 

Гидропневмоаккумулятор компенсирует утечки в гидросистеме (через зазоры золотника, уплотнения гидроцилиндра и возможное уменьшение размеров сжимаемых (удерживаемых) объектов).

Шестой шаг часто применяют для оптимизации гидравлической схемы в прессовом оборудовании – циклические операции с быстрым холостым ходом (подводом к заготовке) и медленным сжатием (прессование). При данном алгоритме работы рационально использовать клапан двухнасосной схемы, который разгружает насос большей производительности при достижении определённого давления, что позволяет существенно снизить потребляемую мощность гидросистемы в момент прессования. 

Рисунок 3

Гидравлическая схема двухскоростной системы с клапаном разгрузки по давлению представлена на рис.3. Насос Н1.2 имеет существенно больший рабочий объём, чем насос Н1.1. Если давление в гидросистеме ниже настройки клапана ВР, то рабочая жидкость подаётся в систему от обоих насосов. После появления нагрузки на исполнительных механизмах и, соответственно, повышения давления в системе выше значения настройки клапана ВР насос Н1.2 разгружается в бак за счёт давления в линии подачи насоса Н1.1. Подача рабочей жидкости при этом осуществляется только насосом Н1.1, разгрузку которого в бак предотвращает обратный клапан, установленный в БК1.

Все вышеперечисленные шаги применимы для насосов постоянного рабочего объёма и дроссельного регулирования скорости движения исполнительных механизмов. Данные способы оптимизации оказывают существенное влияние на энергоэффективность системы, но не такое как использование управляемых гидронасосов, которые рассмотрены в статье ниже.

Использование управляемых насосов

В гидравлических системах используются различные типы насосов, включая шестерённые, пластинчатые, поршневые и другие. Однако, далеко не все насосы одинаково эффективны. При выборе насоса для гидравлической системы следует обращать внимание на его энергоэффективность и КПД. В последнее время все больше производителей предлагают энергосберегающие решения, такие как насосы с регулируемым рабочим объёмом, которые позволяют экономить энергию за счет оптимального подбора производительности насоса.

Наиболее простым вариантом является насос с ручным приводом механизма регулирования рабочего объёма. Он применяется довольно редко из-за широкого распространения автоматизации производства и из-за высоких требований к квалификации эксплуатирующего персонала. 

Широкое распространение получили насосы с регулятором с ограничением максимального давления, после достижения которого рабочий объём насоса уменьшается до минимального, ограниченного специальным регулировочным винтом. Настройка регулятора производится один раз при пуско-наладочных работах и при эксплуатации машины не меняется.  

Гидравлическая схема насоса серии PV со стандартным регулятором давления приведена на рисунке Рисунок 4. Давление задаётся на предохранительном клапане и регулируется бесступенчато. 

Рисунок 4

При достижении системой давления, настроенного на регуляторе, происходит перемещение управляющего золотника. В результате этого рабочая жидкость подаётся в гидроцилиндр, управляющий положением наклонного диска в насосе. Происходит уменьшение рабочего насоса до минимально возможного значения, ограниченного специальным стопорным винтом. Давление в системе при этом будет максимальным, но происходит снижение подачи рабочей жидкости до минимума, что снижает нагрев и повышает энергоэффективность системы. Регулирование скорости движения исполнительных органов возможно только при помощи дроссельного регулирования. Характеристика насоса представлена на графике рисунка 5. 

Рисунок 5

Основное преимущество системы с насосом с регулятором давления проявляется в гидравлических прессах, где рабочий цикл включает в себя длительную выдержку под нагрузкой. 

Изменение рабочего объёма возможно в пластинчатых, аксиально- и радиально-поршневых насосах однократного действия. 

Система с негативным управлением

Следующим шагом в развитии систем управления рабочим объёмом управляемых насосов являются системы с негативным управлением, то есть рабочий объём насоса увеличивается при уменьшении сигнала управления. Реализация представлена на гидросхеме:

Рисунок 6

Система с негативным контролем позволяет использовать объёмное регулирование подачи рабочей жидкости при помощи распределителя с открытым центром и является прародителем сложных систем с LS-регулированием. Слив с канала свободной проливки распределителя Р1 зажимается дросселем Др1, соответственно, при протекании через него рабочей жидкости образуется перепад давления. По линии управления этот сигнал приходит в регулятор насоса, что приводит к уменьшению рабочего объёма насоса до минимума.

При смещении золотника распределителя из центрального положения происходит перекрытие канала свободной проливки, приводящее к сокращению расхода, идущего к дросселю. Уменьшается давление управления на регуляторе насоса, что ведёт к увеличению рабочего объёма насоса до восстановления перепада на дросселе. Таким образом происходит регулирование скорости движения исполнительных механизмов путём изменения объемной подачи насоса. 

При полном перекрытии канала свободной проливки насос выходит на свой максимальный рабочий объём. Подача насоса не зависит от нагрузки на исполнительных механизмах. Максимальное давление в системе ограничивается клапаном КП1 распределителя Р1.  

Система с позитивным управлением

Ещё одной вариацией системы, комбинирующей управляемый насос и распределитель с открытым центром является система с гидравлическим позитивным управлением. Реализация представлена на гидросхеме:

Рисунок 7

Применение системы с позитивным управлением возможно только при использовании распределителя с внешним гидравлическим управлением. Регулятор насоса так же подключается к этим линиям через клапан «или», с помощью которого происходит сравнение сигналов от пилотного распределителя и выбор наибольшего. При отсутствии сигнала управления рабочий объём насоса минимален. 

Использование LS-системы регулирования

Следующим шагом в управлении рабочим объёмом гидронасоса является создание систем с LS-регулированием, так же называемым управлением по разности давлений. Это шаг - переход от дроссельного способа к полноценному объемному регулированию подачи рабочей жидкости, поступающей в гидросистему.

Система с LS-регулированием (Load Sensing – чувствительный к нагрузке) путём изменения рабочего объёма насоса и, соответственно, расхода, подаваемого в систему, поддерживает постоянным перепад на «дросселе». Значение перепада настраивается регуляторе насоса специальным регулировочным винтом с контргайкой и составляет от 10 до 25 бар.

 Гидравлическая схема насоса с LS-регулятором представлена на рисунке 8.  

Рисунок 8

Характеристика насоса представлена на графике с рисунка 9.

Рисунок 9

Использование дросселя не удобно для применения в спецтехнике, поэтому вслед за насосами с регуляторами специальной конструкции пришли и распределители, оснащенные каналами, идущими от каждой линии рабочих операций и клапанами «ИЛИ».  

Гидравлическая схема распределителя с LS-каналами представлена на рисунке 10.

Рисунок 10

Использование распределителей с LS-регулированием возможно с нерегулируемыми насосами. Согласно некоторым исследованиям, энергетическая эффективность данного применения оправдана, когда в среднем за цикл суммарный настроенный на исполнительных органах расход изменялся на величину менее:

• 15% при давлениях до 12МПа;

• 10% при давлениях от 12 до 20 МПа;

• 5-7% при давлениях свыше 20 МПа.

Поэтому главные преимущества комбинации LS-распределителя и нерегулируемого насоса:

• пропорциональность управления расходом;

• широкий диапазон вариантов управления положением золотника;

• сравнительно низкая стоимость неуправляемого насоса (особенно при использовании шестерённых насосов с внешним зацеплением). 

У системы с LS-регулированием тоже есть ограничения. Она работает ровно до тех пор, пока не включаются одновременно несколько потребителей, чей суммарный расход превышает максимальную подачу насоса. В этом случае компенсаторы рабочих секций не могут обеспечить управляющий перепад и переходят в полностью открытое положение. Расход уже не делится пропорционально, а направляется к потребителям с наименьшим давлением нагрузки. 

Flow sharing (LUDV) система управления потоком

Данная система называется в русскоязычной литературе, как «система независимого от нагрузки распределения потоков жидкости при совмещении операций», но наиболее часто используются английское «Flow sharing» или немецкое «LUDV» названия этой системы. Она является следующей ступенью в развитии LS-систем. 

Смещение компенсаторов давления в положение после золотника распределителя позволяет не просто поддерживать постоянным перепад давления на дросселирующей щели золотника, но подать одинаковое управляющее давление на все компенсаторы секций распределителя. Это обеспечивает соотношение расходов между секциями, соответствующее смещению золотников (открытию дросселирующих щелей). Более того соотношение сохраняется в условиях, когда подаваемого насосом расхода недостаточно для создания заданного перепада на дросселирующих щелях (то есть, когда поток, который необходимо направить к потребителям, больше создаваемого насосом потока).

Гидравлическая схема распределителя Flow sharing представлена на рисунке 11.

Рисунок 11

Рабочая жидкость, проходя напорную секцию, подаётся в рабочие, где подводится напрямую к каждому золотнику. Смещение золотника открывает дросселирующую щель, через которую жидкость попадает в компенсатор давления, который «догружает» протекающий через него поток исходя из давления в наиболее нагруженной линии подачи рабочей жидкости в распределителе. Далее рабочая жидкость снова подаётся к золотнику, который направляет её в соответствующий рабочий порт (А или В). 

Насос для систем Flow shаring аналогичен насосу для LS-регулируемых систем.

Рисунок 12

При работе одного потребителя регулятор насоса отстраивает рабочий объём насоса под этот потребный расход Q1т. При появлении второго потребителя с необходимым расходом Q2т рабочий объём насоса будет увеличиваться до своего максимального значения, если оно обеспечивает меньший необходимого потребителям расход, то здесь определяющую роль будут играть компенсаторы давления, которые распределят расход в следующих соотношениях:  

Q1=Q1тQн(Q1т+Q2т);

Q2=Q2тQн(Q1т+Q2т),

где Q1т и Q2т – теоретические потребные расходы каждого потребителя при соответствующем смещении золотника; Q1 и Q2 – фактически поступающие расходы. Графическая иллюстрация представлена на рисунке 12 . 

Flow sharing система управления потоком позволяет использовать насос меньшего рабочего объёма и соответственно для его привода требуется двигатель меньшей мощности. Именно в этом и заключается энергоэффективность системы Flow sharing, и она обычно применяется на машинах мощностью свыше 180 л.с., а для экскаваторов является едва ли не отраслевым стандартом.

ГСТ (Гидростатическая трансмиссия)

Гидростатическая трансмиссия – объёмная гидропередача вращательного движения, состоящая из насоса, гидромотора и гидроаппаратуры управления. В спецтехнике наиболее распространённым вариантом является раздельное исполнение в виде отдельно расположенных насоса и гидромотора. Регулирование частоты вращения выходного вала гидромотора обычно осуществляется путём изменения рабочего объёма гидронасоса. Гидромотор же выбирается с постоянным рабочим объёмом.

При таком типе регулирования при постоянном перепаде давления мощность на выходном валу является переменной, а крутящий момент - постоянным.

Потери мощности в ГСТ равны сумме объёмных и механических потерь, в том числе потери мощности в трубопроводах и на местных сопротивлениях.

Схема наиболее употребимой гидростатической трансмиссии с регулируемым насосом и гидромотором постоянного рабочего объёма: 

Рисунок 13

Основные порты гидромотора ГМ2 соединены с соответствующими портами гидронасоса Н1.1. Направление потока рабочей жидкости и то, какая из линий находится под давлением, определяется позицией наклонной шайбы насоса Н1.1. В заднюю крышку насоса Н1.1 встроен насос подпитки Н1.2. Он выполняет следующие функции:

• восполнение утечек в основном контуре ГСТ;

• создание давления в линии управления;

• создание подпора на всасывании основного насоса.

Насос также оснащён подпиточным, обратно-предохранительными клапанами и клапаном отсечки. 

Клапан отсечки предотвращает срабатывание предохранительных клапанов, что позволяет избежать перегрева гидросистемы. Рост давления в одной из линий нагнетания приводит к перемещению запорного элемента клапана, что приводит к соединению линии управления положением наклонного диска насоса с дренажём. Рабочий объём насоса уменьшается.  

Гидростатическая трансмиссия позволяет осуществлять точное и плавное регулирование движением машины и рабочих органов в широком диапазоне скоростей без потери крутящего момента при изменении скорости движения. 

Применение рекуперативных систем

Рекуперативные системы позволяют использовать энергию, которая обычно теряется при торможении исполнительных механизмов. Они включают в себя гидравлические аккумуляторы и гидромоторы. Эти устройства накапливают энергию в процессе торможения, опускания стрелы и возвращают ее в систему при разгоне, подъёме. Таким образом, рекуперативные системы помогают снизить нагрузку на насосы и моторы, что в свою очередь повышает энергоэффективность гидравлической системы.

Одним из примеров такой системы является концепция экскаватора фирмы Caterpillar, в котором используется энергия торможения поворотной платформы и опускания основной стрелы и рукояти, которая накапливается в аккумуляторе высокого давления. Утверждается, расход топлива у гибридной модели может быть на 25% меньше. 

Использование тепловых аккумуляторов

Спецтехнике часто требуется работать в условиях высоких географических широт, которые характерны низкой температурой окружающей среды. Эксплуатация гидравлического привода в условиях низких температур сопровождается рядом нежелательных явлений, таких как: повышенная вязкость рабочей жидкости; снижение эластичности материалов уплотнений и рукавов высокого давления; увеличение интенсивности износа гидрооборудования; снижение объемного КПД насосов и т.д. Это приводит к снижению производительности спецтехники в 1,5 - 2 раза. 

Низкие температуры окружающей среды наибольшее нежелательное влияние оказывают на спецтехнику в период пуска после длительной остановки (более 8 часов) из-за остывания рабочей жидкости до температуры окружающей среды. Период разогрева рабочей жидкости характеризуется минимальной эффективностью гидропривода. Традиционно этот период сокращают предпусковым подогревом с помощью дросселирования рабочей жидкости, разогрева отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания, электроразогрева рабочей жидкости и маневрирования вместимостью гидробака.  

Одним из нетрадиционных способов повышения энергоэффективности системы является использование тепловых аккумуляторов. Тепловые аккумуляторы позволяют накапливать тепловую энергию, выделяемую в процессе работы гидравлической системы, и использовать ее для подогрева рабочей жидкости в период длительных остановок (см. рис. 9). 

Рисунок 14

Тепловая энергия может резервироваться за счет теплоемкости аккумулирующего вещества и за счет его фазовых и химических преобразований. Веществами, реализующими последние эффекты с высокой плотностью энергии, на порядок большей, чем позволяет обеспечить теплоемкость вещества, являются кристаллогидраты, органические вещества, эвтектики и некоторые металлы.

Использование аккумуляторов тепла позволяет увеличить время остывания жидкости до 14-16 часов по сравнению с 2-6 часами для гидросистем без оных. Это помогает снизить энергопотребление насосов, особенно в условиях низких температур окружающей среды.

Применение интеллектуальных систем управления

Современные интеллектуальные системы управления позволяют оптимизировать работу гидравлической системы в режиме реального времени, учитывая различные параметры, такие как нагрузка, температура, давление и т.д. Это позволяет автоматически подбирать оптимальные режимы работы насосов и моторов, что существенно повышает энергоэффективность системы.

Применение интеллектуальных систем управления позволяет:

• оптимизировать работу гидравлических систем, повышая их эффективность и снижая энергопотребление;

• предотвращать возможные аварии и отказы, обеспечивая надёжность и безопасность работы оборудования;

• проводить диагностику состояния компонентов гидравлической системы, прогнозировать их износ и планировать техническое обслуживание.

Вывод

Повышение энергоэффективности гидравлических систем является актуальной задачей, требующей комплексного подхода:

1. Современные гидравлические насосы и моторы обладают улучшенными характеристиками КПД. Например, использование аксиально-поршневых насосов с переменной производительностью позволяет значительно сократить потери энергии за счет оптимизации подачи жидкости в зависимости от текущих потребностей системы.

2. Системы управления с обратной связью позволяют постоянно мониторить и регулировать параметры гидравлической системы, такие как давление и расход жидкости. Это позволяет поддерживать оптимальные условия работы и минимизировать потери энергии.

3. Разработка более компактных и эффективных гидравлических схем позволяет уменьшить длину трубопроводов и количество соединений, что снижает потери на трение и утечки жидкости.

4. Применение энергосберегающих насосов и распределителей с пропорциональными и сервоклапанами, позволяет более точно и эффективно управлять потоком жидкости, уменьшая потери энергии.

5. Правильный расчёт, подбор компонентов, регулярное обслуживание и мониторинг состояния гидравлических систем позволяют оптимизировать трубопроводы, своевременно выявлять и устранять неисправности, такие как утечки или износ компонентов, что предотвращает потери энергии.

6. Внедрение различных рекуперативных систем и тепловых аккумуляторов, улучшает потребительские свойства системы и уменьшает время её готовности к работе.

 Важно учитывать все аспекты работы системы, от выбора компонентов до оптимизации управления. Только комплексным подходом можно достичь максимальной эффективности и экономии энергии.

Внимание! Данная статья авторская. При копировании ее с сайта обязательно указывать источник!

С Уважением,

Ярошук И.В.

Конструктор

Тел.: 8(800) 550-42-20 доб. 205

E-mail: ivy@rg-gr.ru