Автор: 
В. К. Свешников, к. т.н., ЭНИМС

За последние полвека гидроприводы получили серьезное развитие в области энергоэффективности, однако многие гидросистемы все еще являются устаревшими. Это объясняется двумя основными факторами — повышенной стоимостью и недостаточной приспособленностью к конкретным условиям работы. Институт IFAS в Аахене стремится изменить эту тенденцию, чтобы обеспечить перспективы использования жидкостной энергии в промышленности [1]. При этом делается ставка не только на создание новых экономичных архитектур, но и оказание помощи инженерам в проектировании эффективных гидросистем. Еще одна стратегия — введение новых областей применения, например, трансмиссий для ветровой и морской энергетики.

Введение

Необходимо иметь в виду, что ключом к существенному повышению энергоэффективности является не столько совершенствование компонентов, сколько оптимизация системы в целом. К сожалению, этих примеров еще много в промышленности. Если эффективность дизельного двигателя мобильной машины составляет около 80%, то эффективность машины в целом составляет чаще всего лишь 10%, а следовательно, только 10% химической энергии топлива преобразуется в полезную механическую мощность. Это частично связано с неэффективной рабочей точкой двигателя внутреннего сгорания (средняя эффективность 25%), потерями в насосе и пропорциональных гидроаппаратах (~40%). Решением проблемы может быть не только использование простых гидравлических компонентов, но также миграция системной информации от гидрооборудования к программному обеспечению системы (электрогидравлическая архитектура). Таким образом достигается гибкость и появляются широкие возможности создания прототипов интеллектуальных гидросистем и методологии проектирования, в том числе в новых областях, таких как возобновляемые источники энергии. Далее приняты следующие аббревиатуры: гидростатическая трансмиссия (HST), двигатель внутреннего сгорания (ICE), КПД (η).

Классификация и проектирование системы

Для разработки новых и усовершенствованных гидравлических архитектур сначала необходимо понять существующие в настоящее время системы и возможности их классификации. Еще в семидесятые годы Backé в IFAS представил известный квадрант работы в зависимости от подачи (потока или давления) и концепций управления (дросселирующий гидрораспределитель или изменение рабочего объема насоса). В те годы инженеры уже широко использовали группы I–III (рис. 1); группа IV была исследована авторами позже (в 80‑х годах).

рис.1

За последние 20 лет был завершен ряд новых гидравлических компонентов, получивших широкое распространение. К ним относятся гидравлические мультипликаторы давления, цифровые вытеснители, конвертеры и многошаговые цилиндры. Поскольку использование этих новых возможностей в группе IV оказалось весьма сложным, в 2014 году IFAS представил новую классификационную схему, реализующую специальный штрих-код. Он предназначен в первую очередь для характеристик стандартных гидросистем, позволяет классифицировать и проектировать системы с использованием как цифрового, так и аналогового принципов управления, а также идентифицировать системы, способные восстанавливать энергию путем рекуперации или регенерации. Это поможет инженерам улучшить уже существующие схемы и открыть новые возможности.

Эффективность гидросистем мобильных машин

Благодаря отличной плотности мощности, экономичной реализации линейного движения с использованием дифференциальных цилиндров и прочности гидросистемы широко используются в мобильных машинах. Дальнейшее развитие должно быть направлено на повышение эффективности гидросистем и оптимизацию рабочей точки двигателя внутреннего сгорания. Это означает, что необходим комплексный подход к проектированию. Кроме того, способность восстанавливать потенциал и кинетическую энергию становится все более важной. Это связано с тем, что в соответствии с кинематикой рабочего цикла некоторые мобильные машины, например экскаваторы, выполняют частые циклические движения исполнительных механизмов. Поскольку движение стрелы реализует качающийся привод, направление ускорения меняет знак. В результате такие машины имеют большой потенциал, когда дело доходит до восстановления энергии. IFAS столкнулся с этой проблемой при создании мобильной гидравлической системы STEAM, которая, в отличие от других конструкций, основана на комплексном подходе к проектированию, совместно рассматривающем гидравлический контур и ICE. Основные преимущества STEAM заключаются в том, что используются простые готовые компоненты, а системный интеллект находится, скорее, в программном обеспечении (рис. 2).

рис. 2
Систему можно рассматривать как гидравлический гибрид, в котором ICE и насосы используются для подачи среднего энергопотребления, тогда как гидравлические аккумуляторы — для создания максимальной требуемой мощности. В условиях работы насоса с постоянным рабочим объемом и постоянным давлением двигатель всегда работает в комфортной зоне, а в добавление к системе высокого давления (НР), поставляемого насосом, вводится линия среднего давления (МР) с целью минимизации дроссельных потерь в гидроаппаратах (TP — линия слива). Для демонстрации потенциальных преимуществ системы привод был установлен на 18‑тонном колесном экскаваторе (рис. 3).

рис. 3.

Приводы для возобновляемых источников энергии

Более низкая жесткость гидравлических систем по сравнению с электромеханическими всегда считалась недостатком гидравлики, приводящим к снижению точности управления. В результате большинство приводов современных станков не являются гидравлическими. В области ветровой энергии, наоборот, снижение жесткости фактически желательно. Это позволяет трансмиссии поглощать энергию, генерируемую мощными порывами ветра или внезапными нагрузками от электрической сети, что в противном случае могло бы привести к механическому повреждению компонентов редуктора. Базовая компоновка гидростатической трансмиссии (HST) показана на рис. 4, она идеально подходит для систем ветрогенерации без требования преобразования частоты.

рис. 4.
В принципе, HST передает мощность ротора генератору с помощью насосов и регулируемых гидромоторов. При низких скоростях ветра гидромоторы устанавливаются в положение малых рабочих объемов, при увеличении скорости рабочие объемы соответственно увеличиваются. Таким образом, эффективность системы изменяется в зависимости от скорости ветра.
Для обеспечения хорошей эффективности во всем диапазоне скоростей ветра в IFAS была разработана гидростатическая трансмиссия для турбины мощностью 1 МВт, в которой отдельные насосы и гидромоторы могут включаться и выключаться в зависимости от текущей рабочей точки. При этом два нерегулируемых насоса преобразуют энергию ветра в гидравлическую мощность, используемую в приводах двух генераторов. Каждый из компонентов, за исключением самого маленького насоса, может быть переключен в режим ожидания, что позволяет оптимизировать комбинацию гидромашин.
На рис. 5 показана стендовая установка, используемая для проверки системы в IFAS, которая разделена на две части: испытываемую (справа) и дополнительную. Чтобы исключить необходимость подключения к силовой электросети, мощность, вырабатываемая правой частью, подавалась в левую, а два дополнительных электродвигателя снабжали систему дополнительной мощностью, достаточной лишь для компенсации потерь.

рис. 5.

Заключение и перспективы

Необходимо развивать новые архитектуры гидросистем, которые позволяют компонентам работать в регионах с высокой эффективностью. Чтобы помочь процессу проектирования, IFAS разработал системный классификационный штрих-код, который включает как стандартные аналоговые, так и новые цифровые гидравлические компоненты. Кроме того, это следующее поколение гидроприводов позволяет существенно улучшить энергетические системы. Примером может служить мобильная гидравлическая система для экскаваторов, называемая STEAM, которая основана на целостном подходе к проектированию. Переключаемая гидростатическая трансмиссия для ветрогенератора является впечатляющим примером нового поля приложения, где конкретное системное свойство, в данном случае пониженная жесткость гидроприводов, ранее считаемая как недостаток, уже считается преимуществом.

Сокращенный перевод с английского
 

Литература
1. Milos Vukovic, Hubertus Murrenhoff. The next generation of fluid power systems//Institute for Fluid Power Drives and Controls, RWTH Aachen University Steinbachstraße 53, Aachen 52074 Germany.

Реклама наших партнеров