Typická hydraulická pohonná jednotka (HPU) pracuje s celkovou účinnosťou 60 % až 85 % v závislosti od konštrukcie systému, kvality komponentov, prevádzkových podmienok a stavu údržby. Vysokovýkonné alebo účelovo skonštruované hydraulické pohonné jednotky s čerpadlami s premenlivým objemom a optimalizovaným ovládaním môžu dosiahnuť účinnosť do 90 % alebo mierne nad v ideálnych podmienkach. Avšak, mnoho skutočných priemyselných HPU prevádzkujúcich čerpadlá s pevným objemom pri čiastočnom zaťažení pravidelne spadá do 60 % až 75 % dosah v dôsledku strát škrtením, tvorby tepla a úniku.
Celková účinnosť hydraulickej hnacej jednotky nie je jediné pevné číslo – je výsledkom viacerých čiastkových efektívností naprieč čerpadlom, motorom, ventilmi, ovládačmi, potrubím a stavom tekutín. Pochopenie prínosu každého komponentu pomáha inžinierom a tímom údržby identifikovať, kde sa stráca energia a kde budú mať zlepšenia najväčší vplyv.
Ako je definovaná účinnosť v hydraulickej pohonnej jednotke
Účinnosť v hydraulickej pohonnej jednotke je vyjadrená ako pomer užitočného hydraulického výstupného výkonu k celkovému elektrickému vstupnému výkonu spotrebovanému systémom. Vzorec je jednoduchý:
Celková účinnosť (η) = Hydraulický výstupný výkon/Elektrický vstupný výkon × 100 %
Hydraulický výstupný výkon sa vypočíta ako prietok vynásobený tlakom (Q × P). Elektrický príkon je nameraný príkon odoberaný motorom z napájacieho zdroja. Rozdiel medzi nimi predstavuje straty vo forme tepla, hluku a mechanického trenia rozloženého naprieč každým komponentom v systéme.
Účinnosť je tiež rozdelená do troch hlavných podkategórií, ktoré sa vzťahujú na jednotlivé komponenty, najmä hydraulické čerpadlo:
- Objemová účinnosť: Pomer skutočného dodaného prietoku k teoretickému prietoku. Vnútorná netesnosť v čerpadle znižuje toto číslo. Typické hodnoty pre zubové čerpadlá sú 90–95 % a pre piestové čerpadlá 95–99 %.
- Mechanická účinnosť: Zohľadňuje straty trením v ložiskách, tesneniach a rotujúcich častiach. Typicky sa pohybuje od 90 % do 97 % pre dobre udržiavané čerpadlá.
- Celková účinnosť čerpadla: Produkt objemovej a mechanickej účinnosti. Pre kvalitné axiálne piestové čerpadlo je to zvyčajne medzi 87 % a 95 %.
Okrem čerpadla má elektromotor poháňajúci hydraulickú pohonnú jednotku svoju vlastnú účinnosť, zvyčajne medzi 88 % a 96 % pre moderné indukčné motory. Vynásobením účinnosti čerpadla účinnosťou motora sa získa účinnosť premeny energie pred započítaním akýchkoľvek strát ventilov alebo okruhu.
Rozsahy účinnosti podľa typu hydraulického čerpadla
Typ čerpadla použitého v hydraulickej pohonnej jednotke má najväčší vplyv na účinnosť systému. Každá konštrukcia čerpadla má charakteristickú krivku účinnosti, ktorá sa mení s nastavením rýchlosti, tlaku a výtlaku.
| Typ čerpadla | Objemová účinnosť | Celková účinnosť čerpadla | Typický rozsah tlaku |
| Vonkajšie zubové čerpadlo | 88 – 93 % | 80 – 90 % | Až 250 barov |
| Vnútorné zubové čerpadlo | 90 – 95 % | 82 – 92 % | Až 200 barov |
| Lopatkové čerpadlo | 90 – 95 % | 83 – 92 % | Až 175 barov |
| Radiálne piestové čerpadlo | 95 – 98 % | 88 – 94 % | Až 700 barov |
| Axiálne piestové čerpadlo (pevné) | 95 – 99 % | 88 – 95 % | Až 400 barov |
| Axiálne piestové čerpadlo (variabilné) | 95 – 99 % | 87 – 94 % | Až 400 barov |
Tabuľka 1: Porovnanie účinnosti bežných typov hydraulických čerpadiel používaných v hydraulických agregátoch
Zubové čerpadlá sú cenovo najdostupnejšie a široko používané v nízko- až strednotlakových HPU, ale ich nižšia objemová účinnosť pri vyšších tlakoch z nich robí zlú voľbu pre energeticky citlivé aplikácie. Axiálne piestové čerpadlá, hoci sú drahšie, neustále poskytujú najlepšiu účinnosť a sú preferovanou voľbou v priemyselných hydraulických agregátoch, kde sú náklady na energiu značné.
Hlavné zdroje strát energie v hydraulickej pohonnej jednotke
Pochopenie toho, kde dochádza k stratám, je nevyhnutné na zlepšenie účinnosti akejkoľvek hydraulickej pohonnej jednotky. Straty sú rozdelené do viacerých bodov a niektoré sú oveľa väčšími prispievateľmi ako iné.
Škrtenie a pokles tlaku na regulačných ventiloch
Smerové riadiace ventily, tlakové poistné ventily a ventily na reguláciu prietoku spôsobujú poklesy tlaku, keď cez ne preteká olej. V dávkovacom alebo dávkovacom okruhu sa tlakový rozdiel na regulačnom ventile premieňa priamo na teplo. V mnohých priemyselných systémoch zodpovedá táto strata súvisiaca s ventilom samotná 15 % až 30 % celkovej vstupnej energie . Systém bežiaci pri 200 baroch s regulačným ventilom, ktorý spôsobuje pokles o 30 barov, stráca 15 % tlakovej energie v tomto bode ešte predtým, než sa kvapalina dostane k pohonu.
Čerpadlo s pevným objemom beží na plný výkon pri čiastočnom zaťažení
Jednou z najväčších neefektívnosti tradičnej konštrukcie hydraulickej pohonnej jednotky je použitie čerpadla s pevným objemom, ktoré vždy poskytuje maximálny prietok, aj keď systém potrebuje iba zlomok tohto prietoku. Prebytočný prietok sa obchádza späť do zásobníka cez tlakový poistný ventil pri tlaku v systéme – situácia sa nazýva „prefúknutie“. To neustále plytvá energiou a vytvára značné teplo. Štúdie ukázali, že HPU s pevným čerpadlom, ktoré pracuje na 30 % svojho menovitého zaťaženia, môže plytvať 40 % alebo viac vstupného výkonu len pri obtokových stratách.
Vnútorný únik
K vnútornému úniku dochádza v čerpadlách, motoroch, valcoch a ventiloch, keď vysokotlaková kvapalina obchádza tesnenia a medzery na nízkotlakovej strane. Zatiaľ čo určitá vnútorná netesnosť je normálna a potrebná na mazanie, nadmerná netesnosť v dôsledku opotrebovania alebo príliš veľkých vôlí znižuje objemovú účinnosť. Čerpadlo s 5 % vnútorným únikom musí generovať o 5 % väčší prietok, ako systém potrebuje, pričom spotrebúva dodatočnú energiu len na kompenzáciu. V opotrebovaných komponentoch môže tento únik vzrásť na 10 – 15 %, čo výrazne znižuje výkon systému.
Straty trením potrubia a hadice
Keď hydraulická kvapalina preteká potrubím, hadicami a armatúrami, trenie vytvára pokles tlaku úmerný druhej mocnine rýchlosti prúdenia. Poddimenzované potrubie si vynucuje vyššie rýchlosti, čím sa dramaticky zvyšujú straty. Odporúčaná maximálna rýchlosť prúdenia v tlakových potrubiach je zvyčajne 2–4 m/s a na oplátku 1–2 m/s . Systémy s príliš dlhými potrubiami, ostrými ohybmi alebo viacerými armatúrami môžu stratiť 5 – 10 % dostupného tlaku predtým, ako sa kvapalina dostane k ovládaču.
Generovanie tepla a zaťaženie chladenia
Všetky vyššie uvedené straty sa v konečnom dôsledku prejavia ako teplo v hydraulickej kvapaline. Teplota kvapaliny sa musí udržiavať vo vhodnom rozsahu – zvyčajne 40 °C až 60 °C pre väčšinu minerálnych olejov – na zachovanie viskozity a zabránenie degradácii. Keď je kvapalina príliš horúca, viskozita klesá, zvyšuje sa únik a účinnosť čerpadla ďalej klesá, čím sa vytvára negatívny cyklus. Energia spotrebovaná olejovými chladičmi (a ich ventilátormi alebo vodnými okruhmi) prispieva k celkovej spotrebe energie systému a ďalej znižuje čistú účinnosť z pohľadu operátora.
Ako pohony s premenlivou rýchlosťou dramaticky zlepšujú účinnosť hydraulickej pohonnej jednotky
Jedinou najvplyvnejšou modernizáciou, ktorá je k dispozícii pre existujúcu hydraulickú pohonnú jednotku, je pridanie pohonu s premenlivou rýchlosťou (VSD), nazývaného tiež pohon s premenlivou frekvenciou (VFD), na elektromotor. Namiesto neustáleho chodu motora na plné otáčky a obchádzania nadmerného prietoku upravuje VSD otáčky motora v reálnom čase tak, aby presne zodpovedali prietoku a tlaku, ktorý systém vyžaduje.
Úspory energie z tohto prístupu sú založené na zákonoch afinity pre čerpadlá, ktoré to uvádzajú spotreba energie sa mení s kockou otáčok čerpadla . Zníženie otáčok čerpadla na 80 % menovitých otáčok znižuje spotrebu energie na približne 51 % spotreba pri plnej rýchlosti. Zníženie rýchlosti na 60 % zníži spotrebu energie na približne 22 % plného zaťaženia. Toto sú teoretické čísla, ale skutočné inštalácie neustále preukazujú úspory energie 30 % až 60 % v porovnaní s pevnými jednotkami HPU s rovnakým pracovným cyklom.
Prípadová štúdia zo zariadenia na vstrekovanie plastov, ktoré nahrádzajú jednotky HPU s pevným čerpadlom jednotkami poháňanými VSD na 15 strojoch, uvádza priemernú ročnú úsporu elektrickej energie vo výške 42 % na stroj, s dobou návratnosti kratšou ako 18 mesiacov pri miestnych sadzbách za elektrinu. Zníženie tvorby tepla tiež skrátilo dobu chodu chladiča oleja a predĺžili servisné intervaly oleja.
Hydraulické jednotky na báze VSD sú teraz štandardom v mnohých priemyselných aplikáciách s vysokým zaťažením, vrátane:
- Vstrekovacie a vyfukovacie stroje
- Lisy na lisovanie a tvarovanie kovov
- Stroje na tlakové liatie
- Hydraulické upínacie systémy CNC obrábacích strojov
- Vybavenie námornej paluby a pobrežné hydraulické systémy
Úloha hydraulickej kvapaliny v účinnosti systému
Výber a stav hydraulickej kvapaliny majú priamy a merateľný vplyv na účinnosť hydraulickej pohonnej jednotky. Viskozita kvapaliny je kritickým parametrom. Ak je viskozita príliš vysoká, zvyšuje sa odpor pri čerpaní a trenie kvapaliny, čo zvyšuje mechanické straty. Ak je viskozita príliš nízka, zvyšuje sa vnútorný únik, čím sa znižuje objemová účinnosť a môže to spôsobiť kontakt kov na kov v čerpadlách a motoroch.
Väčšina hydraulických systémov je navrhnutá na báze minerálneho oleja ISO VG 46 alebo ISO VG 68 s optimálnou prevádzkovou viskozitou zvyčajne medzi 25 a 54 cSt pri prevádzkovej teplote. Beh mimo tohto okna – buď preto, že je systém príliš studený alebo príliš horúci, alebo preto, že bola použitá nesprávna trieda – môže znížiť účinnosť čerpadla 3 % až 8 % .
Syntetické hydraulické kvapaliny, najmä oleje na báze polyalfaolefínov (PAO), môžu ponúknuť mierne zlepšenie účinnosti 1 % až 3 % oproti konvenčným minerálnym olejom vďaka lepším viskozitno-teplotným charakteristikám a nižšiemu vnútornému treniu. Tieto zisky sú konzistentné vo viacerých nezávislých štúdiách a testovacích údajoch výrobcu pumpy. Zatiaľ čo 1 – 3 % znie skromne, vo veľkom priemyselnom HPU s nepretržitou spotrebou 100 kW to predstavuje 1 000 – 3 000 wattov ušetrenej energie – zmysluplné množstvo počas ročného prevádzkového cyklu.
Rovnako dôležitá je aj kontaminácia tekutín. Častice v hydraulickej kvapaline urýchľujú opotrebovanie komponentov, zvyšujú vnútorné netesnosti a upchávajú otvory ventilov. Udržiavanie čistoty tekutín podľa kódu čistoty ISO 4406 17/15/12 alebo lepšie pre väčšinu priemyselných HPU sa považuje za najlepšiu prax. Systémy s degradovanou kvapalinou často vykazujú merateľné poklesy objemovej účinnosti s postupujúcim opotrebovaním čerpadla a ventilu.
Porovnanie efektivity HPU s pevným a variabilným objemom
Mnoho malých a stredných hydraulických agregátov používa ozubené alebo lamelové čerpadlá s pevným objemom, pretože sú lacné, kompaktné a jednoducho sa udržiavajú. Piestové čerpadlá s premenlivým objemom stoja podstatne viac, ale výkon zodpovedajú dopytu, čím sa znižujú straty pri obtoke. Rozdiel v účinnosti medzi týmito dvoma prístupmi je najvýraznejší počas prevádzky s čiastočným zaťažením.
| Prevádzkový stav | Účinnosť HPU s pevným objemom | Účinnosť HPU s premenlivým objemom | Účinnosť HPU s variabilným čerpadlom VSD |
| 100% zaťaženie | 78 – 84 % | 82 – 88 % | 85 – 90 % |
| 75% zaťaženie | 62 – 70 % | 78 – 86 % | 84 – 90 % |
| 50% zaťaženie | 48 – 58 % | 72 – 82 % | 80 – 88 % |
| 25% zaťaženie | 30 – 42 % | 60 – 72 % | 72 – 84 % |
Tabuľka 2: Približné porovnanie celkovej účinnosti naprieč úrovňami zaťaženia pre rôzne konfigurácie hydraulickej pohonnej jednotky
Vyššie uvedená tabuľka ilustruje, prečo sú HPU s pevným čerpadlom obzvlášť nevhodné pre aplikácie s premenlivými cyklami odberu. Pri zaťažení 25 % môže jednotka s pevným objemom míňať viac ako dve tretiny svojej vstupnej energie, zatiaľ čo ekvivalentná jednotka s variabilným objemom vybavená VSD si zachováva podstatne vyššiu užitočnú výstupnú časť.
Praktické kroky na zlepšenie účinnosti vašej hydraulickej pohonnej jednotky
Zlepšenie účinnosti existujúcej hydraulickej pohonnej jednotky si nie vždy vyžaduje kompletnú výmenu. Mnohé vylepšenia možno aplikovať postupne s merateľnými návratnosťami investícií.
Audit aktuálnej spotreby energie
Pred vykonaním akýchkoľvek zmien nainštalujte merač výkonu na napájanie motora a zaznamenávajte spotrebu počas celého cyklu stroja. Porovnajte nameranú výkonovú krivku s teoretickým minimom požadovaným profilom zaťaženia. Rozdiel medzi skutočnou spotrebou a teoretickým minimom predstavuje vymožiteľné straty. V mnohých starších HPU s pevným čerpadlom je táto medzera 25 % až 45 % celkovej spotreby.
Správna veľkosť čerpadla a motora
Nadrozmerné čerpadlá a motory sú v priemyselnej hydraulike bežné, pretože inžinieri uplatňujú veľkorysé bezpečnostné faktory alebo opätovne používajú existujúce komponenty. Čerpadlo bežiace na 40 % svojho menovitého zdvihového objemu pracuje ďaleko od bodu maximálnej účinnosti. Prispôsobenie výtlaku čerpadla aktuálnej požiadavke systému – ideálne prevádzka pri 70–90 % menovitej kapacity pri špičkovom zaťažení – udržuje čerpadlo v jeho najefektívnejšom rozsahu.
Nainštalujte disk s premenlivou rýchlosťou
Ako je uvedené vyššie, montáž frekvenčného meniča na existujúci motor je zvyčajne jednoduchšou inováciou s najvyššou návratnosťou investícií pre akúkoľvek hydraulickú hnaciu jednotku používanú v aplikáciách s premenlivým zaťažením. Moderné frekvenčné meniče tiež ponúkajú možnosť mäkkého štartu, čím sa znižuje nábehový prúd motora a mechanické otrasy pri štarte, čo predlžuje životnosť čerpadla a motora.
Inovujte na Load-Sensing Control
Hydraulické obvody snímania zaťaženia (LS) používajú pilotný signál z ovládača na nepretržité nastavenie výstupného tlaku a prietoku čerpadla tesne nad to, čo vyžaduje zaťaženie – zvyčajne 15–25 bar nad zaťažovacím tlakom . Tým sa eliminujú veľké tlakové rezervy a straty pri škrtení, ktoré sa vyskytujú v obvodoch s otvoreným stredom. Systémy snímania zaťaženia sú zložitejšie a nákladnejšie na implementáciu, ale môžu znížiť spotrebu energie systému 20 % až 40 % v mobilných a priemyselných aplikáciách s premenlivým zaťažením.
Znížte systémový tlak na potrebné minimum
Mnoho hydraulických systémov je nastavených na vyššie tlaky, než aplikácia skutočne vyžaduje, či už z dôvodu pôvodného nadmerného inžinierstva alebo preto, že bol zvýšený prevádzkový tlak, aby sa kompenzovali opotrebované komponenty. Každých zbytočných 10 barov tlaku systému predstavuje plytvanie energiou v okruhu pevného čerpadla. Systematická kontrola nastavení tlaku a ich znižovanie na minimum, čím sa spoľahlivo dosiahne požadovaná sila pohonu, predstavuje beznákladové alebo nízkonákladové zlepšenie účinnosti, ktoré často prináša 5 % až 15 % úspory energie.
Údržba hydraulického a filtračného systému
Pravidelné vzorkovanie a analýza oleja v kombinácii s včasnou výmenou filtra udržiava hydraulickú kvapalinu v optimálnom rozsahu viskozity a zabraňuje abrazívnemu opotrebovaniu komponentov čerpadla a ventilov. Mnohé zariadenia na programy prediktívnej údržby, ktoré podrobne sledujú stav tekutín, hlásia O 10–20 % dlhšia životnosť komponentov a merateľne stabilnejšia efektivita systému v priebehu času v porovnaní s harmonogramom výmeny oleja podľa kalendára.
Izolujte a spravujte teplotu kvapaliny
V chladnom prostredí trvá hydraulickým systémom dlhšie, kým dosiahnu prevádzkovú teplotu, pričom počas tohto obdobia kvapalina s vysokou viskozitou zvyšuje straty trením. Izolácia stien nádrže alebo použitie termostaticky riadených predhrievačov znižuje čas zahrievania as tým spojené straty účinnosti. V horúcom prostredí zabezpečenie správnej veľkosti a údržby výmenníka tepla zabraňuje tomu, aby systém fungoval nad optimálnym teplotným pásmom, čo by inak urýchlilo únik a rýchlejšie degradovalo kvapalinu.
Ako účinnosť hydraulickej pohonnej jednotky ovplyvňuje prevádzkové náklady
Efektívnosť má priamy a zložený finančný dopad počas životnosti hydraulickej pohonnej jednotky. 50 kW HPU s celkovou účinnosťou 65 % potrebuje približne 76,9 kW elektrického príkonu dodať 50 kW užitočnej hydraulickej práce. Rovnaký HPU upgradovaný na 82% účinnosť by potreboval iba príkon 61 kW — rozdiel takmer 16 kW.
Pri sadzbe za elektrinu 0,12 USD/kWh a 5 000 prevádzkových hodín ročne tento rozdiel 16 kW stojí 9 600 dolárov ročne . Počas 10-ročnej životnosti zariadenia to predstavuje 96 000 USD v nákladoch na elektrinu, ktorým sa dá vyhnúť z jedného HPU. Zariadenia s viacerými hydraulickými pohonnými jednotkami, aké sa nachádzajú v automobilových montážnych závodoch, zlievarniach a ťažkých výrobných linkách, toto číslo zodpovedajúcim spôsobom znásobujú.
Okrem elektriny znamená nižšia účinnosť viac tepla, čo zvyšuje náklady na chladenie, urýchľuje degradáciu oleja, skracuje životnosť tesnenia a čerpadla a zvyšuje frekvenciu údržby. Celkové náklady na vlastníctvo nízkoúčinného HPU sú podstatne vyššie, ako naznačuje jeho obstarávacia cena.
Kľúčové faktory, ktoré určujú účinnosť akejkoľvek danej hydraulickej pohonnej jednotky
Aby sme zhrnuli premenné, ktoré určujú, kde konkrétna hydraulická pohonná jednotka spadá do spektra účinnosti:
- Typ a stav čerpadla: Axiálne piestové čerpadlá v dobrom stave neustále prekonávajú zubové a lamelové čerpadlá, najmä pri vyšších tlakoch.
- Systém pohonu: Motory vybavené VSD poskytujú najlepšiu účinnosť pri čiastočnom zaťažení a sú teraz považované za štandard v energeticky náročných inštaláciách.
- Architektúra ovládania: Systémy snímania zaťaženia a tlakovej kompenzácie minimalizujú straty pri škrtení v porovnaní s okruhmi s otvoreným stredom s pevným tlakom.
- Nastavenie tlaku v systéme: Nižšie tlaky znižujú straty obtokom a tvorbu tepla v systémoch s pevným čerpadlom.
- Typ a stav kvapaliny: Čistá kvapalina správnej triedy v dobrom stave udržuje straty netesnosťou a trením na minimálnych hodnotách.
- Dizajn potrubia: Správne dimenzované, krátke vedenia s nízkym odporom minimalizujú poklesy tlaku spôsobeného trením.
- Prevádzková teplota: Udržiavanie kvapaliny v optimálnom rozsahu viskozity (zvyčajne 40–60 °C) zachováva objemovú aj mechanickú účinnosť.
- Stav opotrebovania komponentov: Opotrebované čerpadlá, valce a ventily zvyšujú vnútorný únik, čím sa časom znižuje objemová účinnosť.
Systematické riešenie všetkých týchto faktorov – prostredníctvom inteligentného počiatočného návrhu a dôslednej údržby – je to, čo oddeľuje hydraulickú hnaciu jednotku s účinnosťou 85 % od jednej, ktorá sa snaží dosiahnuť 65 %.
