Aký je účel hydraulickej pohonnej jednotky?

Základný účel hydraulickej pohonnej jednotky

A hydraulická pohonná jednotka (HPU) existuje na jeden základný účel: na premenu elektrickej alebo mechanickej energie na riadenú hydraulickú energiu - stlačená kvapalina - ktorá môže byť prenášaná, smerovaná a používaná na vykonávanie užitočnej mechanickej práce na diaľku. Je to centrálny zdroj energie akéhokoľvek hydraulického systému, ktorý generuje prietok a tlak, ktoré ovládače, motory a valce potrebujú na pohyb bremien, držanie pozícií alebo pôsobenie síl, ktoré by boli nepraktické alebo nemožné s čisto mechanickými alebo elektrickými prostriedkami.

Prakticky povedané, hydraulická hnacia jednotka odoberá elektrickú energiu z motora, používa čerpadlo na natlakovanie hydraulickej kvapaliny a dodáva túto kvapalinu cez riadiace ventily všade tam, kde je potrebné vykonať prácu – či už je to zdvíhanie 500-tonového lisu, riadenie stavebného rýpadla, upnutie opracovaného dielu alebo vysunutie podvozku komerčného lietadla. HPU nevykonáva prácu sám; poskytuje napájaciu a riadiacu infraštruktúru, ktorá umožňuje prácu.

Bez hydraulickej pohonnej jednotky by pohony, valce a hydraulické motory v systéme nemali zdroj energie. HPU je pre hydraulický okruh tým, čím je napájací zdroj pre elektronický systém – definuje dostupnú výkonovú obálku, nastavuje rozsah prevádzkového tlaku a určuje, ako rýchlo a presne môže systém reagovať.

Čo v skutočnosti robí hydraulická hnacia jednotka: Funkčná porucha

Účel hydraulickej pohonnej jednotky možno rozdeliť do niekoľkých odlišných funkčných úloh, ktoré vykonáva súčasne v akomkoľvek hydraulickom systéme.

Konverzia energie

Hlavnou úlohou HPU je premena energie. Elektrický motor – zvyčajne hodnotený odkiaľkoľvek 0,5 kW pre malé stolové jednotky až nad 1 000 kW pre veľké priemyselné systémy — poháňa hydraulické čerpadlo. Čerpadlo premieňa rotačnú mechanickú energiu motora na hydraulickú energiu vo forme prietoku pod tlakom. Táto energia môže byť potom prepravovaná hadicami a potrubiami na značné vzdialenosti a premenená späť na mechanickú prácu, kedykoľvek je to potrebné.

Skladovanie a úprava tekutín

Zásobník integrovaný do hydraulickej pohonnej jednotky uchováva pracovnú kvapalinu – zvyčajne medzi 10 a 2 000 litrov v závislosti od veľkosti systému – a umožňuje mu vychladnúť, odvzdušniť a usadiť sa pred opätovným vstupom do čerpadla. HPU tiež obsahuje filtračný systém, ktorý udržuje kvapalinu čistú, a často aj výmenník tepla na udržanie optimálnej teploty kvapaliny. Táto úloha úpravy je kritická: čistota kvapaliny a teplota priamo ovplyvňujú životnosť každého ďalšieho komponentu.

Regulácia tlaku a bezpečnosť

HPU obsahuje poistný ventil, ktorý obmedzuje maximálny tlak v systéme, čím zabraňuje poškodeniu čerpadla, ventilov, pohonov a potrubia preťažením. Vo väčšine priemyselných hydraulických systémov je tento maximálny tlak nastavený medzi 150 a 350 barov , hoci vysokotlakové systémy v letectve, testovaní a špeciálnych aplikáciách môžu prekročiť 700 bar . Funkcia regulácie tlaku zaisťuje, že systém nemôže prekročiť svoje konštrukčné limity bez ohľadu na to, čo si okruh vyžaduje.

Riadenie toku a distribúcia

Moderné hydraulické pohonné jednotky obsahujú smerové riadiace ventily, proporcionálne ventily alebo servoventily, ktoré distribuujú stlačenú kvapalinu do špecifických akčných členov v špecifických sekvenciách a pri kontrolovaných prietokoch. Táto riadiaca funkcia určuje rýchlosť, silu a smer každého pohybu v systéme. Jeden HPU môže súčasne napájať viacero okruhov, každý s nezávislými požiadavkami na tlak a prietok, pomocou blokov rozdeľovača a ventilových zostáv namontovaných priamo na jednotke.

Prečo sa namiesto iných energetických technológií používajú hydraulické agregáty

Účel hydraulickej pohonnej jednotky bude jasnejší, keď pochopíte, prečo sa pre špecifické aplikácie uprednostňuje hydraulika pred elektrickými pohonmi, pneumatikami alebo čisto mechanickými pohonmi. Každá technológia má svoju doménu a hydraulika – konkrétne systém poháňaný HPU – dominuje všade tam, kde sa súčasne vyžaduje vysoká hustota sily, presné ovládanie a spoľahlivosť pri veľkom zaťažení.

Sila a hustota výkonu

Hydraulické systémy vytvárajú sily, ktoré je ťažké alebo nepraktické zladiť s elektromotormi porovnateľnej veľkosti a hmotnosti. Hydraulický valec s a 100 mm vŕtanie pracujúce pri 250 baroch produkuje približne 196 kN (asi 20 ton) sily zo súčiastky s hmotnosťou niekoľkých kilogramov. Elektrický lineárny pohon vytvárajúci rovnakú silu by bol podstatne ťažší a väčší. Táto hustota sily je dôvodom, prečo sú hydraulické jednotky štandardom v aplikáciách, ako sú lisy na kov, vstrekovacie stroje a ťažké stavebné stroje.

Udržiavanie záťaže bez trvalej spotreby energie

Hydraulický valec s zablokovaným portom udrží svoju záťaž neobmedzene dlho bez spotreby energie, pretože nestlačiteľná kvapalina nemôže unikať cez uzavretý ventil. Táto schopnosť je nevyhnutná v aplikáciách, ako sú upínacie prípravky, zdvíhacie plošiny a hydraulické zdviháky, ktoré musia držať náklad po dlhšiu dobu. Elektrický servomotor s rovnakým zaťažením by vyžadoval nepretržitý prúd – generujúci teplo a spotrebúvajúci energiu, aj keď stojí.

Ochrana proti preťaženiu

Pretlakový ventil v hydraulickej pohonnej jednotke poskytuje ochranu proti preťaženiu. Ak systém narazí na záťaž, ktorá prekračuje nastavený tlak, poistný ventil sa otvorí a pohon sa jednoducho zastaví – žiadny komponent nie je poškodený. Elektromotory a mechanické pohony zvyčajne vyžadujú zložitejšie schémy ochrany na dosiahnutie rovnakej úrovne odolnosti voči poruchám.

Vzdialený prenos energie

Jeden HPU môže napájať aktuátory umiestnené mnoho metrov cez flexibilné hadice, čo umožňuje umiestniť zdroj energie na pohodlné, chránené miesto, zatiaľ čo pohony pracujú v drsnom, neprístupnom prostredí alebo v prostredí s rizikom výbuchu. Napríklad v pobrežných vrtných súpravách môže jediná hydraulická hnacia jednotka na hlavnej palube ovládať ventily a pohony na morskom dne. stovky metrov pod povrchom cez dlhé pupočné hadice.

Odvetvia a aplikácie, kde hydraulické agregáty slúžia kritickému účelu

Hydraulická hnacia jednotka je jedným z najuniverzálnejšie používaných častí priemyselných zariadení prakticky v každom sektore, ktorý zahŕňa ťažké stroje, presný pohyb alebo generovanie veľkej sily. Pochopenie toho, kde sú HPU nasadené, objasňuje, prečo je ich účel tak široko relevantný.

Účel každého hlavného komponentu vo vnútri hydraulickej pohonnej jednotky

Hydraulická pohonná jednotka dosahuje svoj účel prostredníctvom starostlivo integrovanej sady komponentov. Každý z nich má špecifickú úlohu a ich pochopenie pomáha objasniť, prečo je HPU navrhnutý tak, ako je.

Elektromotor

Motor poskytuje energiu primárneho pohonu. Väčšina priemyselných HPU používa trojfázové AC indukčné motory pre ich spoľahlivosť, jednoduchosť a dostupnosť v širokom výkonovom rozsahu. Výstupný hriadeľ motora je spojený priamo s čerpadlom. Veľkosť motora určuje maximálny hydraulický výkon, ktorý môže jednotka dodať. V energeticky účinných moderných konštrukciách riadi pohon s premenlivou rýchlosťou motor tak, aby prispôsobil výkon požiadavkám v reálnom čase, čím sa výrazne znižuje plytvanie energiou pri čiastočnom zaťažení.

Hydraulické čerpadlo

Čerpadlo je srdcom hydraulického agregátu. Nasáva kvapalinu zo zásobníka a pod tlakom ju tlačí do okruhu systému. Zubové čerpadlá sa používajú v nízkotlakových a cenovo citlivých aplikáciách. Lopatkové čerpadlá poskytujú tichšiu prevádzku. Piestové čerpadlá – axiálne aj radiálne typy – sa používajú vo vysokotlakových, vysoko účinných aplikáciách alebo aplikáciách s premenlivým objemom. Zdvihový objem čerpadla sa udáva v kubických centimetroch na otáčku (cc/ot) a pri danej rýchlosti hriadeľa to priamo určuje prietok, ktorý môže HPU dodať.

Priehrada

Zásobník uchováva hydraulickú kvapalinu a slúži viacerým sekundárnym účelom: umožňuje unikanie vzduchových bublín, poskytuje tepelný nárazník na absorbovanie tepla zo systému a poskytuje čas kontaminácii časticami, aby sa usadila pred recirkuláciou kvapaliny. Štandardným pravidlom je veľkosť nádrže 3 až 5-násobok prietoku čerpadla za minútu , aj keď aplikácie s vysokou teplotou môžu vyžadovať väčšie nádrže alebo dodatočné chladenie.

Pretlakový ventil

Tento ventil je hlavným bezpečnostným zariadením systému. Automaticky sa otvorí, keď tlak prekročí prednastavený limit, čím sa prebytočný prietok odvedie späť do zásobníka. Bez nej by zablokovaný ovládač alebo zaseknutý valec spôsobili stúpanie tlaku, až kým potrubie, hadica alebo komponent nezlyhá. Poistný ventil nie je ovládací prvok – je to ochranné zariadenie – a správne navrhnutý HPU by ho mal len zriedkavo aktivovať počas normálnej prevádzky.

Zostava filtra

Čistota hydraulickej kvapaliny je jedným z najdôležitejších faktorov životnosti systému. Filtre v HPU – zvyčajne na spätnom potrubí, tlakovom potrubí alebo oboch – odstraňujú kontamináciu časticami skôr, ako môžu poškodiť vnútorné časti čerpadla, cievky ventilov a tesnenia valca. Väčšina priemyselných HPU sa zameriava na úroveň čistoty tekutín ISO 4406 trieda 16/14/11 až 18/16/13 pomocou filtrov s absolútnou veľkosťou 3–10 mikrónov.

Výmenník tepla

Straty energie v hydraulickom systéme sa prejavujú ako teplo v kvapaline. Bez výmenníka tepla by teplota kvapaliny neustále stúpala, kým by sa tesnenia nezhoršili, viskozita neklesla a opotrebovanie komponentov by sa urýchlilo. Vzduchom alebo vodou chladené výmenníky tepla sú dimenzované tak, aby rozptyľovali očakávané tepelné zaťaženie – zvyčajne 25 % až 40 % vstupného výkonu v bežnom okruhu s pevným čerpadlom – a udržiavať teplotu kvapaliny medzi 40 °C a 60 °C.

Riadiace ventily a rozdeľovací blok

Smerové regulačné ventily, proporcionálne ventily, tlakové redukčné ventily a prietokové regulačné ventily sú často namontované na rozdeľovacom bloku integrovanom do HPU. Tieto komponenty smerujú stlačenú kvapalinu do správneho ovládača pri správnom tlaku a prietoku na príkaz z PLC, manuálneho ovládania alebo automatického sekvenčného ovládača. Prístup namontovaný na potrubí redukuje potrubné spojenia, minimalizuje miesta úniku a udržuje systém kompaktný.

Ako hydraulická hnacia jednotka slúži na účely presnosti a automatizácie

Okrem použitia hrubej sily slúži hydraulická hnacia jednotka na presné účely v automatizovanej výrobe a riadení procesov. Pomocou technológie proporcionálnych alebo servoventilov môžu systémy poháňané HPU ovládať polohu pohonu v rámci ±0,01 mm a silou do vnútra 1 % nastavenej hodnoty — úrovne výkonu, vďaka ktorým je hydraulika konkurencieschopná s elektrickými servopohonmi v mnohých aplikáciách náročných na silu.

V modernom servohydraulickom systéme regulátor s uzavretou slučkou nepretržite porovnáva aktuálnu polohu pohonu (meranú lineárnym prevodníkom) s prikázanou polohou a podľa toho upravuje otvorenie servoventilu, čím koriguje poruchy zaťaženia a zmeny prietoku v reálnom čase. Táto schopnosť uzavretej slučky sa používa v:

• Stroje na testovanie materiálov, ktoré musia na testovacie vzorky aplikovať presné silové profily
• Letecké simulátory, ktoré replikujú pohybové podnety pre výcvik pilotov
• Seizmické testovacie zariadenia, ktoré otriasajú konštrukčnými komponentmi na simuláciu zaťaženia zemetrasením
• Automobilové stojany na testovanie únavy, ktoré aplikujú spektrá cestného zaťaženia na komponenty vozidla
• Priemyselné kovacie lisy s programovateľnou polohou a silovými profilmi barana

V každej z týchto aplikácií je hydraulická pohonná jednotka tým, čo umožňuje silu a pohyb. Servoventil a ovládač určujú presnosť; HPU určuje výkonovú kapacitu.

Centralizované vs. decentralizované hydraulické energetické jednotky: rôzne účely pre rôzne architektúry

Spôsob, akým je hydraulická hnacia jednotka rozmiestnená v rámci zariadenia alebo stroja, závisí od konkrétneho účelu, ktorému musí slúžiť. Existujú dva základné architektonické prístupy, z ktorých každý vyhovuje iným požiadavkám.

Centrálne hydraulické agregáty

Jeden veľký HPU obsluhuje viacero strojov alebo pracovných staníc prostredníctvom kruhového hlavného alebo rozvetveného distribučného systému. Tento prístup sa používa vo veľkých výrobných závodoch, kde mnoho strojov potrebuje súčasne hydraulickú energiu. Výhodou je, že jedna jednotka, jedna súprava ovládacích prvkov a jedno miesto údržby obsluhuje celé zariadenie. Centralizovaný HPU pre karosáreň môže byť hodnotený na 500 kW alebo viac , dodáva desiatky zváracích a upínacích staníc. Kompromisom je, že porucha postihuje súčasne všetky nadväzujúce stroje a dlhé potrubia spôsobujú straty tlaku.

Decentralizované (strojovo namontované) hydraulické pohonné jednotky

Každý stroj alebo procesná bunka má svoj vlastný HPU, dimenzovaný špeciálne pre požiadavky daného stroja. Toto je bežnejšie usporiadanie v modernej výrobe, pretože poskytuje nezávislosť – porucha HPU jedného stroja neovplyvňuje ostatné – a umožňuje každej jednotke optimalizovať jej špecifický pracovný cyklus a tlakové požiadavky. Kompaktné HPU v tejto kategórii siahajú od Stolové jednotky s výkonom 0,5 kW pre malé testovacie prípravky do jednotky s výkonom 200 kW pre veľké vstrekovacie alebo tlakové odlievacie stroje.

Prenosné a požičovne hydraulických agregátov

Prenosné HPU slúžia na špecifický účel pri údržbe, konštrukcii a núdzovej reakcii: poskytujú hydraulickú energiu na požiadanie tam, kde neexistuje žiadna pevná inštalácia. Hydraulické záchranné nástroje ("čeľuste života") sú poháňané prenosnými HPU. Pracovníci na stavbe potrubí používajú prenosné jednotky na pohon hydraulických ohýbačiek rúr a zvlňovacích zariadení. Tímy údržby ich používajú na ovládanie hydraulických momentových kľúčov na veľkých prírubových spojoch, kde nie je k dispozícii napájanie. Tieto jednotky sú zvyčajne poháňané naftovým alebo benzínovým motorom a nie elektrickým, čo umožňuje prevádzku na vzdialených miestach alebo miestach mimo siete.

Účel hydraulickej pohonnej jednotky v systémoch kritických z hľadiska bezpečnosti

V aplikáciách kritických z hľadiska bezpečnosti slúži hydraulická hnacia jednotka účelu, ktorý presahuje rámec jednoduchého hnacieho pohybu – musí poskytovať zaručenú a bezpečnú prevádzku v poruchových podmienkach. Je to dôležité najmä v troch oblastiach.

Systémy núdzového vypínania v oblasti ropy a zemného plynu

Hydraulické pohonné jednotky v ropných a plynárenských zariadeniach poháňajú núdzové vypínacie (ESD) ventily a systémy zabraňujúce vyfúknutiu (BOP). Tieto HPU musia byť schopné rýchlo a spoľahlivo ovládať veľké ventily v poruchových podmienkach – vrátane výpadkov napájania. Akumulátorové banky nabité HPU uchovávajú dostatok hydraulickej energie na viacnásobné ovládanie všetkých núdzových ventilov, aj keď dôjde k strate primárneho zdroja energie. V offshore inštaláciách sú HPU na riadenie BOP navrhnuté tak, aby API 16D alebo ekvivalentné štandardy s úplnou redundanciou.

Hydraulické systémy lietadiel

Komerčné lietadlá nesú viacero nezávislých hydraulických pohonných jednotiek – zvyčajne dva alebo tri systémy, každý s vlastným čerpadlom (poháňaným motorom, elektrinou alebo vzduchom), zásobníkom a okruhom – takže porucha v jednom systéme neohrozuje riadenie letu. Napríklad Boeing 737 má dva nezávislé hydraulické systémy, z ktorých každý je schopný ovládať primárne riadenie letu nezávisle. Účelom každého HPU je v tomto kontexte rovnako redundancia a tolerancia zlyhania ako aj výroba energie.

Priemyselné ohraňovacie brzdy a gilotíny

Hydraulické ohraňovacie lisy a strihacie stroje používajú HPU na pohon baranov silami, ktoré by v prípade nekontrolovania mohli spôsobiť vážne zranenie. HPU v týchto strojoch obsahuje vyvažovacie ventily, dvojkanálové systémy bezpečnostných ventilov a monitorovanie polohy, aby sa zaistilo, že baranidlo sa môže pohybovať iba kontrolovanými rýchlosťami a nemôže voľne spadnúť v prípade zlyhania hadice alebo poruchy ventilu. Funkcia bezpečnostného riadenia HPU je rovnako dôležitá ako funkcia dodávky energie.

Čo určuje veľkosť a špecifikáciu hydraulickej pohonnej jednotky

Výber hydraulickej pohonnej jednotky pre daný účel vyžaduje prispôsobenie špecifikácií jednotky požiadavkám aplikácie. Kľúčové parametre, ktoré definujú, čo musí HPU dodať, sú:

• Prevádzkový tlak: Maximálny systémový tlak požadovaný najnáročnejším pohonom plus 10–15 % rezerva. Väčšina priemyselných systémov sa pohybuje medzi 150 a 350 barmi.
• Prietok: Celková požiadavka na súčasný prietok všetkých aktívnych pohonov. Ak sa valec s otvorom 100 mm musí vysunúť rýchlosťou 100 mm/s, vyžaduje to prietok približne 47 l/min.
• Pracovný cyklus: Ako často a ako dlho je systém pod plnou záťažou. HPU na nepretržitú prevádzku je dimenzovaný a chladený inak ako ten, ktorý sa používa v krátkych dávkach s dlhými obdobiami nečinnosti.
• Počet okruhov: Koľko nezávislých pohonov alebo funkcií musí HPU obsluhovať súčasne a či majú rozdielne požiadavky na tlak alebo prietok.
• Prostredie: Rozsah prevádzkových teplôt, vystavenie vode, prachu alebo korozívnej atmosfére a či musí jednotka spĺňať klasifikáciu ATEX alebo inú klasifikáciu nebezpečných oblastí.
• Požiadavky na kontrolu: Či už HPU potrebuje jednoduché ovládanie zapnutia/vypnutia, proporcionálne riadenie tlaku a prietoku alebo úplné servo riadenie s uzavretou slučkou so spätnou väzbou polohy a sily.

Správna špecifikácia je základom pre to, aby HPU spoľahlivo plnila svoj účel. Poddimenzovaná jednotka sa prehreje a predčasne zlyhá. Nadrozmerná jednotka plytvá energiou a kapitálom. Správna konštrukcia špecifikácie HPU je základom úspešného hydraulického systému.

Vyvíjajúci sa účel hydraulických pohonných jednotiek v modernom priemysle

Účel hydraulickej pohonnej jednotky zostal konštantný – premieňať a dodávať riadenú hydraulickú energiu – ale spôsob, akým sa tento účel plní, sa výrazne vyvinul s pokrokom v elektronike, materiáloch a technológii tekutín.

Moderné HPU čoraz viac obsahujú senzory s podporou internetu vecí, ktoré nepretržite monitorujú teplotu kvapaliny, tlak, výstupný prietok čerpadla, rozdielový tlak filtra a odber prúdu motora. Tieto údaje sa vkladajú do algoritmov prediktívnej údržby, ktoré dokážu odhaliť vznikajúce opotrebovanie čerpadla, upchatie filtra alebo kontamináciu tekutín týždne predtým, ako spôsobia poruchu. Závod s 50 HPU prepojenými na centrálny monitorovací systém môže dosiahnuť 40–60 % zníženie neplánovaných prestojov v porovnaní s časovými plánmi údržby.

Elektrohydraulické pohony (EHA) – samostatné jednotky spájajúce malý elektromotor, čerpadlo a pohon v jednom balení – začínajú v niektorých aplikáciách nahrádzať konvenčné obvody napájané HPU, najmä v leteckom a kozmickom priemysle a mobilných strojoch, kde je hmotnosť a inštalačný priestor na prvom mieste. Avšak pre priemyselné aplikácie s vysokým výkonom, s viacerými pohonmi alebo s nepretržitou prevádzkou zostáva centralizovaná hydraulická pohonná jednotka najpraktickejším a nákladovo najefektívnejším riešením a očakáva sa, že to tak zostane aj v dohľadnej budúcnosti.

Zavedenie hydraulických kvapalín na báze vody a glykolu, syntetických esterov a ohňovzdorných hydraulických kvapalín tiež rozšírilo prostredia, v ktorých môžu HPU bezpečne pracovať – najmä v zlievarňach, zariadeniach na tlakové liatie a podzemnej ťažbe, kde riziko požiaru robí minerálny olej nevhodným. V týchto nastaveniach slúži HPU na rovnaký základný účel, ale so špecifikáciou kvapaliny zvolenou tak, aby spĺňala bezpečnostné predpisy bez obetovania výkonu.