Sprievodca dimenzovaním hydraulickej pohonnej jednotky: kľúčové výpočty, vzorce a tipy na výber

Medzi otázkami, ktoré najčastejšie počujeme od kupujúcich hydraulických pohnaných jednotiek, vyniká jedna: "Akú veľkosť potrebujem?" Zvyčajne prichádza so zoznamom rozmerov valca, cieľovou rýchlosťou zdvíhania a zdrojom energie. Krátka odpoveď: veľkosť jednotky okolo troch čísel, ktoré riadia všetko ostatné – prietok, tlak a pracovný cyklus. Prietok určuje rýchlosť, tlak určuje silu a pracovný cyklus určuje, koľko tepla musí jednotka odovzdať. Všetky ostatné možnosti, od zdvihového objemu čerpadla po výkna motora a objem zásobníka, sú odvodené od týchto troch.

Táto príručka vás prevedie praktickou postupnosťou dimenzovania so vzorcami, vypracovanými príkladmi a výberovými kritériami, ktoré môžete použiť priamo na zdvíhacie plošiny, dokovacie zariadenia, obrábacie stroje, zdvíhacie plošiny a mnohé ďalšie aplikácie. Cieľ je jednoduchý: dať vám a správne dimenzovaná pohonná jednotka — nie taký, ktorý je prestavaný, poddimenzovaný alebo náchylný na prehrievanie.

Skôr ako začnete: Tri rozhodujúce čísla

Každé cvičenie dimenzovania hydraulickej pohonnej jednotky sa zníži na tri riadiace čísla. Prietok, vyjadrený v litroch za minútu, riadi, ako rýchlo sa valec vysúva alebo ako sa otáča hydromotor. Tlak, vyjadrený v baroch, riadi, akú silu môže pohon dodať. Pracovný cyklus, vyjadrený v percentách, riadi tepelné zaťaženie, ktoré musí zásobník, chladič a komponenty absorbovať. Akonáhle sú tieto tri pevné, objem čerpadla, výkon motora, veľkosť ventilu a objem zásobníka sa stanú aritmetickými.

Predstavte si zdvíhací stôl, ktorý vyžaduje zdvih 500 mm, čas zdvihu päť sekúnd a silu pri plnom zaťažení 20 kN. Typický inštinkt hovorí „kúpte si väčší motor, aby ste boli v bezpečí“. Výpočty ukazujú iný príbeh: prietok dosahuje približne 18,7 l/min, tlak približne 64 barov a správny výkon motora približne 2,2–3 kW. Výber motora s výkonom 4 kW alebo 5,5 kW zvyšuje náklady o 30 – 50 %, zvyšuje spotrebu energie pri nečinnosti a často produkuje viac tepla, než systém skutočne generuje pri bežnom cyklovaní. Počnúc tromi riadiacimi číslami eliminuje tento druh plytvania skôr, ako k nemu dôjde.

Kľúčové parametre veľkosti v skratke

Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje primárne parametre používané pri dimenzovaní hydraulickej pohonnej jednotky. Tieto hodnoty platia pre typické priemyselné a mobilné jednotky v rozsahu 0,5 – 40 l/min., ktorý pokrýva väčšinu zdvíhacích plošín, nákladných výťahov, zadných plošín, vyrovnávacích mostíkov, obrábacích strojov a zátarasových systémov.

V praxi nemusíte pri prvom prechode dokonale špecifikovať každý parameter. Tok dimenzovania nižšie sa pohybuje od valca k čerpadlu k motoru, takže každá hodnota podporuje nasledujúcu.

Postup určovania veľkosti krok za krokom

Správna postupnosť dimenzovania vždy začína pohonom a pohybovým profilom. Nedá sa vypočítať žiadna spoľahlivá hodnota prietoku čerpadla alebo výkonu motora, kým nie je známe vŕtanie valca, zdvih, čas cyklu a zaťaženie. Nasledujúce kroky sa riadia týmto poradím.

Krok 1 – Stanovte požiadavky na valec a pohyb

Zapíšte si nasledujúce hodnoty pre každý pohon v systéme:

• Priemer vŕtania valca (mm) a priemer tyče (mm)
• Dĺžka zdvihu (mm)
• Požadovaný čas predĺženia (s) a času stiahnutia (s)
• Zaťaženie, ktoré sa má pohybovať (N alebo kg), vrátane strát trením alebo náklonom

Pre nožnicové zdvíhacie plošiny alebo sklápacie mechanizmy nie je potrebná sila valca jednoducho vydelená užitočnou hmotnosťou a plochou piestu. Mechanické prepojenie znásobuje silu podľa uhla plošiny, takže použite tabuľku zaťaženia výrobcu alebo výpočet voľného telesa, aby ste našli najhorší prípad zaťaženia valca v blízkosti spodnej polohy.

Krok 2 – Vypočítajte požadovaný prietok čerpadla

Použite plochu prierezu valca a zdvih na získanie vytlačeného objemu oleja, potom ho vydeľte požadovaným časom pohybu:

A = π × D² / 4
V = A × zdvih
Q = V x 60/t

Kde A je plocha piesta v cm², D je vŕtanie valca v cm, zdvih je v cm, V je vytlačený objem v mililitroch (cm³), t je čas predĺženia v sekundách a Q je prietok v L/min.

Spracovaný príklad: Valec s priemerom 63 mm a zdvihom 500 mm sa musí vysunúť za 5 sekúnd. A = π × 6,3² / 4 = 31,17 cm². V = 31,17 x 50 = 1558 ml. Q = 1558 x 60/5 = 18,7 l/min. Pridajte 10–15 % rezervu pre vnútorný únik a opotrebovanie: návrhový prietok ≈ 21 l/min.

Krok 3 – Stanovte prevádzkový tlak

Tlak je sila delená plochou, vyjadrená v baroch. Zahrňte pokles tlaku cez smerový ventil, spätné ventily a potrubie, ktoré zvyčajne pridáva 5–10 barov v kompaktnej pohonnej jednotke.

p (stĺpec) = F (N) / A (cm²) / 10

Pri použití rovnakého valca: p = 20 000 N / 31,17 cm² / 10 = 64,2 bar. Pri stratách ventilov sa návrhový tlak stáva približne 70 barov. Nastavte poistný ventil na 80 bar, čo je približne 15–20 % nad pracovným tlakom.

Krok 4 – Vyberte objem čerpadla a výkon motora

Pri danej rýchlosti motora sa zdvih zubového čerpadla vypočíta takto:

Vg (cm³/ot.) = Q (l/min.) × 1 000 / (n (ot./min.) × η _v )

Za predpokladu 1450 ot./min striedavého motora a objemovej účinnosti 0,92 pre typický zubové čerpadlo : Vg = 21 × 1 000 / (1 450 × 0,92) = 15,7 cm³/ot. Vyberte si ďalšiu štandardnú veľkosť, 16 cm³/ot, ktorá dodáva približne 21,3 l/min.

Výkon motora vyplýva z prietoku a tlaku:

P (kW) = p (bar) × Q (l/min) / (600 × η _t )

Pri celkovej účinnosti (motor čerpadla) približne 0,85: P = 70 × 21,3 / (600 × 0,85) = 2,92 kW. Vyberte a AC motor s výkonom 3 kW , ďalšia štandardná veľkosť nad 2,2 kW.

V tabuľke nižšie sú uvedené štyri príklady spracované pomocou tejto presnej metódy. Všetky hodnoty predpokladajú 1450 ot./min striedavého motora a zahŕňajú 12% rezervu prietoku.

Mnoho kupujúcich sa obráti priamo na vyhradenú pohonnú jednotku zdvíhacej plošiny, aby získalo hotové riešenie v tomto výkonovom rozsahu. Tieto jednotky integrujú čerpadlo, skupinu ventilov, nádrž a motor do jednej zostavy, čím sa eliminuje riziko nesúladu komponentov.

Integrovaná pohonná jednotka zdvíhacej plošiny s kompenzáciou tlaku Táto jednotka kombinuje čerpadlo, motor, ventilový blok a nádrž pre zdvíhacie plošiny. Jeho tlakový kompenzačný ventil udržuje stabilnú rýchlosť zostupu pri premenlivom zaťažení a možnosti motora a nádrže vyhovujú rôznym pracovným cyklom. Zobraziť produkt →

Krok 5 – Veľkosť nádrže

Všeobecné pravidlo: pre prerušovanú priemyselnú prevádzku by nádrž mala držať 2-3 násobok prietoku čerpadla za minútu; pre nepretržitú prevádzku použite 3-5 krát. V pracovnom príklade čerpadlo s výkonom 21 l/min potrebuje 40–60 l nádrž na nepretržitú prácu alebo 20 l nádrž na mobilné aplikácie s krátkym cyklom. Nádrž slúži ako odlučovač vzduchu aj ako chladič, takže poddimenzovanie spôsobí penenie a rýchlu degradáciu oleja.

Krok 6 – Vyberte ventily a rozdeľovač

• Pretlakový ventil: nastavený na pracovný tlak plus 15–20 %, nikdy nie na maximálny výkon motora.
• Smerový ventil: nominálny výkon sa musí rovnať alebo prevyšovať prietok čerpadla; skontrolujte krivku poklesu tlaku.
• Pilotom ovládaný spätný ventil: dôrazne sa odporúča pre zdvíhacie okruhy, aby sa zabránilo unášaniu valca.
• Usporiadanie ventilového bloku: udržiavajte vyvŕtané priechody krátke a rovné; ostré ohyby vytvárajú zbytočné straty tlaku a tepla.

Ak dimenzujete jednotku pre jednosmerný alebo kompaktný stroj, platia rovnaké vzorce, ale rýchlosť motora sa líši (zvyčajne 2800–4000 ot./min pre jednosmerné motory). Zdvihový objem čerpadla sa pri vyšších rýchlostiach zmenšuje a prúd motora sa musí porovnať s kapacitou batérie alebo alternátora. The Základný princíp činnosti hydraulického systému zostáva rovnaký bez ohľadu na zdroj energie.

Pracovný cyklus, teplota oleja a účinnosť

Pracovný cyklus je percento času, počas ktorého čerpadlo skutočne dodáva olej pod tlakom počas jedného pracovného obdobia. Stroj, ktorý beží 30 sekúnd a potom je 30 sekúnd nečinný, má pracovný cyklus 50 %. Nakladací mostík, ktorý sa zdvíha trikrát za hodinu, má pracovný cyklus takmer 2 %. Vzťah je:

Pracovný cyklus (%) = t _on / (t _on t _vypnuté ) × 100

Účinnosť pohonnej jednotky so zubovým čerpadlom je zvyčajne 80–90 %. Zvyšná energia sa premení na teplo. Pre jednotku produkujúcu 2,68 kW hydraulického výkonu pri 85 % účinnosti je potrebné zamietnuť približne 0,4 kW. V 40 l nádrži s prirodzenou konvekciou to udržuje teplotu oleja pod cca 70°C v okolitých podmienkach až do 40°C. Ak pracovný cyklus presiahne 50 %, pridajte chladič oleja alebo zväčšite objem zásobníka o ďalších 20–30 %.

Stroje s nepretržitou prevádzkou, ako sú hydraulické nákladné výťahy, parkovacie výťahy a zdvíhacie stĺpy s dlhým zdvihom, často využívajú výhody pohonná jednotka ponorená do oleja , kde motor a čerpadlo bežia ponorené v nádrži. Tento dizajn beží ticho, odvádza teplo priamo do oleja a zaberá menej miesta ako samostatná nádrž a rám.

Akumulátorová energeticky úsporná hydraulická elektráreň Táto stanica, navrhnutá pre aplikácie s dlhodobým udržiavaním tlaku, ako sú obrábacie centrá, využíva akumulátor na zastavenie motora počas nečinnosti, znižuje spotrebu energie, hluk a teplo a zároveň predlžuje životnosť zariadenia. Zobraziť produkt →

AC, DC alebo olejové: rozdiely vo veľkosti

Vzorec prietoku a tlaku v jadre je rovnaký pre všetky typy pohonných jednotiek. Rozdiely sa prejavujú v otáčkach motora, odbere prúdu a tepelnom hospodárení.

Napájacie jednotky striedavého prúdu

AC jednotky bežia pri 1450 ot./min (4-pól, 50 Hz) alebo 1740 ot./min (4-pól, 60 Hz). Sú predvolenou voľbou pre priemyselné zariadenia, ktoré majú stabilné napájanie zo siete – zdvíhacie plošiny, obrábacie stroje, dopravníky a dokovacie zariadenia. Tabuľka veľkostí v predchádzajúcej časti platí priamo pre AC jednotky.

Jednosmerné napájacie jednotky

Jednosmerné jednotky pracujú z 12 V, 24 V alebo 48 V batérií a používajú sa v zadných plošinách, paletových vozíkoch, mobilných zdvíhacích plošinách a samovyklápacích prívesoch. Jednosmerné motory sa otáčajú rýchlosťou 2 800 – 4 000 ot./min., takže výtlak čerpadla pre daný prietok je zhruba polovičný v porovnaní so striedavým zubovým čerpadlom. Prúd motora je kritickou kontrolou:

I (A) = P (W) / (U (V) x η _motor )

Motor s výkonom 1,5 kW na 24 V systéme odoberá približne 74 A – prierez kábla batérie, hodnota poistky a veľkosť stýkača musia zodpovedať tomuto prúdu. Ak je aplikácia veľmi prerušovaná a priestor je tesný, kompaktná čerpacia stanica s jednosmerným motorom je často najčistejším riešením balenia.

Kompaktná DC mikro napájacia jednotka pre dvojčinné valce Táto jednosmerná jednotka, skonštruovaná do stiesnených priestorov, poháňa dvojčinné hydraulické valce prostredníctvom kazetového solenoidového ventilu. S možnosťami 12–48 V a kompaktným balením sa hodí pre občasné úlohy v námorných, automobilových a logistických zariadeniach. Zobraziť produkt →

Pohonné jednotky ponorené do oleja

Jednotky ponorené do oleja umiestňujú čerpadlo, motor a ventily priamo do zásobníka. Sú tichšie a kompaktnejšie ako bežné jednotky, čo z nich robí osvedčenú voľbu pre hydraulické zdvíhacie stĺpy, protiteroristické stĺpiky, výťahy do parkovacích garáží a hydraulické nákladné výťahy. Pretože motor je v oleji, teplo sa prenáša priamo do kvapaliny, čo zlepšuje chladenie počas nepretržitého cyklovania. Veľkosť zásobníka v týchto jednotkách môže byť menšia, než by naznačovalo pravidlo 3–5, pretože teplo motora sa vkladá priamo do oleja a nie vyžaruje do skrine.

Bežné chyby veľkosti a ako sa im vyhnúť

Podľa našich skúseností s podporou kupujúcich hydrauliky sa šesť chýb objavuje častejšie ako ktorékoľvek iné. Každý z nich má predvídateľný príznak a priamu prevenciu.

Často kladené otázky

Aký je najdôležitejší parameter pri dimenzovaní hydraulického agregátu?

Tri najdôležitejšie parametre sú prietok, tlak a pracovný cyklus – ale prietok je zvyčajne ten, ktorý sa vypočíta ako prvý. Ak je prietok nesprávny, rýchlosť pohonu je nesprávna a žiadne nastavenie tlaku to nedokáže opraviť. Najprv skontrolujte prietok, potom potvrďte tlak a pracovný cyklus pred presunom k ​​motoru a nádrži.

Akú maržu mám pridať k vypočítanému prietoku?

Pre nový systém zubového čerpadla je primeraná rezerva 10–15 %. Pridajte viac, ak sú tesnenia valca staré, potrubia sú dlhé alebo čerpadlo má viac ako 10 000 hodín prevádzky. Neprekračujte 20 %, pokiaľ neplánujete budúcu kapacitu, pretože dodatočný prietok zvyšuje výkon motora a náklady.

Môžem použiť rovnakú pohonnú jednotku pre dva rôzne stroje?

Iba ak oba stroje vyžadujú rovnaký prietok, tlak a pracovný cyklus. Je nepravdepodobné, že by jednotka dimenzovaná na pomalý lis s vysokou silou uspokojila rýchly zdvíhací stôl s nízkou silou. Používanie jednej jednotky na dve úlohy vás núti robiť kompromisy v rýchlosti alebo sile a zvyčajne vedie k tomu, že jeden stroj nefunguje správne.

Čo sa stane, ak je motor mierne poddimenzovaný?

Motor odoberie nadprúd, zahreje sa a vypne svoju tepelnú ochranu proti preťaženiu. Pri nepretržitej prevádzke teplota vinutia motora stúpne nad menovitú triedu, čo skracuje životnosť izolácie. V ťažkom prípade motor úplne vyhorí a môže dôjsť aj k poškodeniu čerpadla následkom vibrácií a kavitácie.

Mám si pre pohonnú jednotku vybrať zubové alebo piestové čerpadlo?

Zubové čerpadlá sú štandardnou voľbou pre aplikácie s tlakom 50–200 barov a prietokom približne do 40 l/min. Sú jednoduché, nákladovo efektívne a tolerujú miernu kontamináciu. Piestové čerpadlá sa oplatí nad 200 barov, alebo keď sa vyžaduje proporcionálna regulácia prietoku a variabilný objem. Pre väčšinu zdvíhacích a upínacích aplikácií predstavuje zubové čerpadlo správnu rovnováhu medzi cenou a spoľahlivosťou.

Prečo mojej pohonnej jednotke trvá dlho, kým si vytvorí tlak v chladnom počasí?

Studený olej má oveľa vyššiu viskozitu, niekedy nad 400 cSt pri -20 °C. Čerpadlo má problémy s nasávaním oleja zo zásobníka, čo vedie ku kavitácii a pomalému zvyšovaniu tlaku. Bežné sú dve opravy: prechod na stupeň viskozity 32 cSt pre chladné podnebie alebo pridanie elektrického ponorného ohrievača do nádrže, ktorý zohrieva olej pred spustením.

Konečný kontrolný zoznam predobjednávky

Pred odoslaním špecifikácie výrobcovi hydraulickej pohonnej jednotky si prečítajte tento kontrolný zoznam:

• Sila valca overená v najhoršom prevádzkovom bode, vrátane strát v spojení
• Skontrolovaný čas celého cyklu (vysunutie, zasunutie a zotrvanie)
• Prietok čerpadla po objemovej účinnosti je väčší ako požadovaný prietok
• Výkon motora zvolený pomocou celkovej účinnosti systému, nielen hydraulického výkonu
• Objem zásobníka zodpovedá pracovnému cyklu a teplote okolia
• Nastavenie poistného ventilu je 15–20 % nad pracovným tlakom
• Úroveň filtrácie (10–25 µm) je vhodná pre daný typ čerpadla
• Odber jednosmerného prúdu skontrolovaný podľa hodnoty batérie a poistky
• Chladenie alebo olejový ohrievač plánované pre extrémne podmienky okolia

Správne dimenzovaná hydraulická pohonná jednotka dodáva zamýšľanú rýchlosť a silu, beží pri stabilnej teplote oleja a neplytvá energiou. Niekoľko minút strávených týmito výpočtami zvyčajne šetrí týždne riešenia problémov neskôr. Ak potrebujete pomoc s prispôsobením pohonnej jednotky vašim špecifickým požiadavkám valca a cyklu, náš technický tím môže skontrolovať vaše údaje a odporučiť vhodnú jednotku zo série AC, DC alebo olejom ponorenej.