Rosnące koszty energii elektrycznej i paliw sprawiają, że coraz więcej firm zaczyna przyglądać się nie tylko wydajności maszyn, ale również kosztom ich codziennej eksploatacji. W praktyce oznacza to jedno – dobrze zaprojektowany układ hydrauliczny może dziś decydować nie tylko o sprawności procesu, ale także o jego opłacalności.

Dlatego podczas projektowania hydraulicznych układów napędowych – szczególnie układów otwartych stacjonarnych, jak i mobilnych – warto się przyjrzeć przyszłym wartościom zużycia energii elektrycznej lub paliwa do napędu maszyny. Właściwie zaprojektowany napęd może w znaczący sposób zmniejszyć koszty eksploatacji. Podstawą analizy jest zależność pomiędzy wydajnością przepływu i ciśnieniem roboczym. Użyteczna moc hydrauliczna opisana jest wzorem: P[kW] = Q[l/min] * p[MPa] / 60. Jeśli będziemy dążyć do redukcji jednego z powyższych czynników – wydajności (Q) lub ciśnienia roboczego (p), to możemy zredukować moc potrzebną do działania napędu.

Najmniej efektywnym rozwiązaniem jest układ hydrauliczny, w którym mamy do czynienia z maksymalnym przepływem i ciśnieniem ustawionym na zaworze przelewowym (czyli tzw. układ stałociśnieniowy).

Wpływ rodzaju pompy i regulacji na efektywność układu

Stałą wydajność zapewnia m.in. pompa zębata, która w układzie pracuje w sposób ciągły. W celu ograniczenia ilości oleju podawanego do układu stosuje się pompy o zmiennej wydajności, w których możliwe jest zredukowanie wydajności nawet do zera – w takim przypadku pompa generuje jedynie opory mechaniczne.

W przypadku takich pomp możliwe jest zastosowanie różnego rodzaju regulatorów wydajności, dostosowanych do charakterystyki pracy układu:

• PC (pressure cut-off) – pompa utrzymuje stałe ciśnienie przy zerowej wydajności,
• LS (load sensing) – pompa na biegu jałowym ma jedynie niskie ciśnienie kompensatora i zerową wydajność. Jest sterowana sygnałem ciśnieniowym, np. z rozdzielacza,
• proporcjonalny regulator wydajności – elektrozawór na pompie sterowany z zewnątrz,
• regulator stałej mocy – pompa nigdy nie przekracza nastawionej mocy np. silnika elektrycznego. Przy małym obciążeniu pracuje z maksymalną wydajnością, a przy dużym redukuje wydajność.

Warto przy tym pamiętać, że ciśnienie w układzie jest generowane przez odbiornik (urządzenie wykonawcze), czyli siłownik lub silnik hydrauliczny. Ograniczenie pracy układu wyłącznie do momentów, w których rzeczywiście wymagane jest zasilanie (ruch roboczy), pozwala uniknąć strat związanych z pracą jałową urządzenia.

Przykłady redukcji zużycia energii w praktyce

Poniżej przedstawiono przykłady redukcji zużycia energii w rzeczywistych układach napędowych maszyn. Pokazują one, jak dobór odpowiednich komponentów i sposób sterowania przekładają się na realne oszczędności w codziennej eksploatacji.

Redukcja strat energii w zasilaczu hydraulicznym

Klient posiadał zasilacz z pompą zębatą, wykorzystywany do zasilania szeregu maszyn w zakładzie przemysłowym. Pompa pracowała w sposób ciągły, z ciśnieniem ustawionym na zaworze przelewowym. Ciśnienie robocze wynosiło 60 bar, a wydajność pompy 180 l/min. W momencie, gdy żaden z odbiorników nie pracował, pompa generowała stratę mocy na poziomie: P = (6 * 180) / 60 = 18 kW. Zmierzono średnie dobowe zużycie energii elektrycznej i wyniosło ono 19,75 kWh.

Po zastosowaniu pompy zmiennej wydajności Kawasaki K3VL140 z regulatorem PC, strata mocy na biegu jałowym spadła do około 1,5 kW. Zmierzono również średnie dobowe zużycie energii dla pompy tłoczkowej, które wyniosło 8 kWh. Różnica w zużyciu energii wyniosła więc: 19,75 kWh - 8 kWh = 11,75 kWh. W skali roku oznacza to oszczędność energii na poziomie: 11,75 kWh x 24 h x 240 dni = 67,68 MWh! W przeliczeniu daje to oszczędności roczne rzędu: 67680 kWh x 1,3 PLN = 87 984 PLN! I to tylko na jednej pompie.

Optymalizacja napędu prasy kamieniarskiej

Klient projektował prasę kamieniarską z napędem hydraulicznym. Istotą pracy tego typu maszyny jest szybki dosuw głowicy tnącej do obrabianego materiału oraz krótkotrwały wzrost obciążenia w trakcie łupania kamienia. Oznacza to, że w cyklu pracy urządzenia wymagana jest wysoka wydajność przy niskim ciśnieniu, a następnie wysokie ciśnienie przy minimalnej wydajności. Założenia projektowe obejmowały maksymalną wydajność 120 l/min oraz maksymalne ciśnienie 350 bar. W przypadku zastosowania pompy zębatej chwilowe zapotrzebowanie na moc napędu mogłoby sięgać nawet 70 kW. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie pompy tłoczkowej zmiennej wydajności, np. Kawasaki K3VL112, wyposażonej w regulator stałej mocy. W takim układzie klient mógł zastosować silnik elektryczny o mocy 7,5 kW, czyli blisko dziesięciokrotnie mniejszej.

Projekt napędu jazdy i hydrauliki roboczej w samojezdnej wiertnicy do gruntu

Ostatnia z omawianych realizacji dotyczyła projektowanego przez klienta gąsienicowego napędu jazdy oraz napędu wiercenia, posuwu, ustawiania masztu, podpór i innych funkcji roboczych. Najbardziej obciążonymi układami są napędy jazdy i wiercenia, dlatego to one stanowią kluczowy punkt odniesienia przy doborze parametrów pracy. Celem było ograniczenie mocy silnika spalinowego (tzw. downsizing), a tym samym redukcja zużycia paliwa. W tym celu zastosowano pompę tłoczkową Kawasaki K3VLS65 z regulatorem LS/PC oraz regulatorem stałej mocy. Obciążenie maszyny wynika z warunków zewnętrznych, takich jak opory wiercenia czy opory ruchu podczas jazdy, natomiast wymagane prędkości uzyskiwane są dzięki wydajności pompy.

Wydajność regulowana jest za pomocą rozdzielacza proporcjonalnego, który steruje pompą za pomocą sygnału LS, a maksymalne obciążenie ograniczane jest przez regulator PC, który w razie potrzeby zeruje pompę. Oczywiście w praktyce możliwe jest chwilowe przekroczenie maksymalnej mocy silnika, jednak zastosowany regulator stałej mocy pełni funkcję nadrzędną wobec pozostałych regulatorów i odpowiednio redukuje parametry pracy maszyny. Pełne parametry pracy podczas wiercenia wymagają mocy na poziomie 26 kW, a dla całej maszyny 46 kW. Zastosowano jednak silnik spalinowy o mocy 18,5 kW, dla którego pompa przy redukcji obrotów, np. podczas wiercenia, pozwala na utrzymanie maksymalnego momentu i zachowanie wymaganej funkcjonalności układu.

Klient zaakceptował taką charakterystykę pracy maszyny. Co więcej, pompa z regulatorem stałej mocy dostosowuje się do charakterystyki silnika spalinowego w całym zakresie jego prędkości obrotowej. Podczas testów nie odnotowano ani jednej sytuacji przeciążenia ani zadławienia silnika.

Parametry pracy wiertnicy w analizowanym układzie były następujące:
• obroty wiertnicy max - 25 obr/min,
• moment obrotowy max - 10000 Nm,
• moc silnika spalinowego - 18,5 kW,
• wymagana moc w przypadku pompy zębatej - 26 kW (46 kW dla całej maszyny).

Co decyduje o efektywności układu?

Na etapie projektowania każdego napędu należy szczególnie przyjrzeć się charakterystyce pracy układu, takiej jak cykle pracy, maksymalne obciążenie czy czas ich występowania, oraz określić, jakie działania pozwolą na maksymalną optymalizację układu napędowego. Wskazane przykłady pokazują, że początkowa inwestycja w droższą pompę zmiennego wydatku pozwala na znaczącą redukcję zużycia energii. W praktyce oznacza to, że uzyskane oszczędności mogą w stosunkowo krótkim czasie zrekompensować zainwestowane środki.

AUTOR: Maciej Łabik

Specjalista ds. Technicznych w firmie BIBUS MENOS Sp. z o.o., z którą związany jest od 2013 roku. Ekspert w zakresie hydrauliki siłowej, na co dzień odpowiada za doradztwo techniczne oraz bieżący kontakt z klientami na wszystkich etapach współpracy od zapytania po wsparcie posprzedażowe.

źródło: BIBUS MENOS