Wodne ukÅady hydrauliki siÅowej - PAR
Wodne ukÅady hydrauliki siÅowej - PAR
Wodne ukÅady hydrauliki siÅowej - PAR
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Pomiary Automatyka Robotyka 4/2005<br />
<strong>Wodne</strong> układy <strong>hydrauliki</strong> siłowej<br />
Zenon Jędrzykiewicz<br />
Jerzy Stojek *<br />
Wzrastające zaostrzanie przepisów sanitarnych będzie działać na korzyść rozwoju<br />
układów ekologicznych, należy wobec tego spodziewać się jeszcze szerszego zainteresowania<br />
układami o napędzie wodnym.<br />
R<br />
osnąca świadomość szkodliwego oddziaływania<br />
przemysłu na środowisko naturalne człowieka<br />
sprawia, że coraz częściej są poszukiwane<br />
czyste źródła wytwarzania i transmisji energii.<br />
Idea zastosowania wody jako ciśnieniowego źródła<br />
zasilania nie jest nowa. Pierwszą znaczącą aplikacją<br />
było użycie wody w układzie napędowym prasy hydraulicznej,<br />
co zostało opatentowane w 1795 roku w Anglii<br />
przez Bramaha. Późniejszy rozkwit zastosowania wody<br />
jako źródła przekazywania energii użytecznej nastąpił<br />
na początku 1850 roku – był związany z okresem rewolucji<br />
przemysłowej. Zahamowanie stosowania wody<br />
jako głównego źródła transmisji mocy nastąpiło na początku<br />
XX wieku, kiedy to Willians i Janney zaproponowali<br />
zastąpienie wody olejem mineralnym [1]. Postęp<br />
w sterowaniu elektrohydraulicznym wraz z wynalezieniem<br />
serwozaworu sprawił, że układy hydrauliczne wykorzystujące<br />
wodę jako czynnik roboczy straciły swoją<br />
konkurencyjność na rzecz olejowych układów hydraulicznych,<br />
które dominują w obecnych układach napędu<br />
i sterowania maszyn i urządzeń. Punktem zwrotnym<br />
w rozwoju układów hydraulicznych zasilanych wodą<br />
była połowa lat 90. ubiegłego stulecia, kiedy to nastąpił<br />
powtórny wzrost zainteresowania wodą jako czynnikiem<br />
roboczym w układach <strong>hydrauliki</strong> siłowej, głównie<br />
na skutek wdrożenia nowych materiałów konstrukcyjnych.<br />
Zastosowanie wody jako czynnika roboczego może<br />
znacznie rozszerzyć zakres stosowania maszyn i urządzeń,<br />
zwłaszcza tam gdzie nie jest dopuszczalne stosowanie<br />
klasycznych napędów olejowych, których nieszczelności<br />
mogą spowodować skażenie środowiska.<br />
Woda jako czynnik roboczy<br />
Właściwości fizyczne wody od dawna stanowią zainteresowanie<br />
szerokiej grupy osób poszukujących możliwości<br />
wykorzystania jej jako czynnika roboczego.<br />
* prof. dr hab. inż. Zenon Jędrzykiewicz,<br />
dr inż. Jerzy Stojek – Akademia Górniczo-<br />
-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej<br />
i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów<br />
Niepalność, całkowita obojętność dla środowiska naturalnego<br />
oraz powszechna dostępność czyni układy nią<br />
zasilane nowatorskimi. Ze względu na duży współczynnik<br />
przewodności cieplnej wody (4–5 razy większy od<br />
oleju mineralnego) tego typu układy wykazywać będą<br />
mniejsze zapotrzebowanie mocy chłodzących niż analogiczne<br />
układy pracujące na oleju. Dodatkowo woda magazynuje<br />
o wiele mniej rozpuszczonego powietrza, co<br />
sprawia, że w połączeniu z jej niską ściśliwością (moduł<br />
ściśliwości wody jest dwukrotnie większy od modułu<br />
oleju mineralnego) eksploatowany układ hydrauliczny<br />
staje się sztywniejszy.<br />
Niewielka lepkość wody to zarówno jej zaleta, jak<br />
i poważna wada, gdy stosujemy ją w układach napędu<br />
i sterowania. Mała lepkość wody powoduje występowanie<br />
niewielkich strat ciśnienia w liniach zasilających.<br />
To z kolei prowadzi do uzyskania bardziej wydajnego<br />
(o większej sprawności ogólnej) układu hydraulicznego<br />
wymagającego mniejszego zapotrzebowania<br />
mocy wejściowej (mniejsze moce silników napędzających<br />
pompy). Ważną zaletą małej lepkości wody jest<br />
jej niewielka zależność od zmian temperatury w porównaniu<br />
do zmian, jakie wykazuje lepkość typowych<br />
olejów mineralnych. Sprawia to, że układy hydrauliczne<br />
zasilane wodą pracują bardziej stabilnie w założonym<br />
zakresie temperatury eksploatacji niż podobne układy<br />
olejowe. Niska lepkość wody to również niedogodności<br />
w jej stosowaniu, które spowodowane są głównie<br />
dużymi przeciekami wewnętrznymi, co sprawia, że<br />
konstrukcje elementów muszą być wykonywane z bardzo<br />
ciasnymi tolerancjami, osiąganymi na obrabiarkach<br />
o zwiększonej precyzji. Ciasne tolerancje części ruchomych<br />
elementów mogą prowadzić do występowania<br />
tarcia kulombowskiego i ich szybszego zużycia. Dużym<br />
wyzwaniem dla rozwoju elementów <strong>hydrauliki</strong> wodnej<br />
była konieczność ograniczenia zjawiska kawitacji<br />
mogącej powstawać już przy stosunkowo niedużych<br />
ciśnieniach na skutek dość dużej prężności par wody<br />
(przeszło siedmiokrotnie większej niż par oleju). Odpowiednie<br />
ukształtowanie wewnętrznej konstrukcji<br />
elementów pozwoliło na ograniczenie tego niekorzystnego<br />
zjawiska. Inną cechą wody, mającą duży wpływ<br />
na konstrukcję elementów, są jej właściwości korozyjne<br />
połączone z brakiem smarowania. Powoduje to<br />
konieczność stosowania specjalnych materiałów konstrukcyjnych,<br />
takich jak: stale nierdzewne, specjalne<br />
brązy, anodyzowane aluminium, specjalne polimery<br />
oraz materiały ceramiczne.<br />
18
Pomiary Automatyka Robotyka 4/2005<br />
Tabela 1<br />
Pompy<br />
Ciśnienie nominalne<br />
14 MPa<br />
Wydajność nominalna<br />
1,6 – 105 l/min<br />
Silniki<br />
Ciśnienie nominalne<br />
Moment nominalny<br />
Prędkość obrotowa<br />
5 – 14 MPa<br />
8 – 25 i 200 Nm<br />
300 – 4000 obr/min<br />
15 – 200 obr/min<br />
Siłowniki<br />
Ciśnienie nominalne<br />
14 MPa<br />
Skok nominalny<br />
wg wymagań<br />
Rozdzielacze 2/2, 3/2 oraz 4/3<br />
Strumień objętości<br />
0 – 120 l/min<br />
Ciśnienie nominalne<br />
14 MPa<br />
Proporcjonalne zawory przepływowe<br />
Strumień objętości<br />
0 – 30 l/min<br />
Ciśnienie nominalne<br />
14 MPa<br />
Zawory dławiące, regulatory przepływu<br />
Strumień objętości<br />
0 – 30 l/min<br />
Ciśnienie nominalne<br />
14 MPa<br />
Zawory maksymalne<br />
Strumień objętości<br />
0 – 120 l/min<br />
Ciśnienie nominalne<br />
14 MPa<br />
19
Pomiary Automatyka Robotyka 4/2005<br />
Innym bardzo poważnym problemem, z którym musimy<br />
się zmierzyć podczas eksploatacji układów zasilanych<br />
wodą jest rozwój flory bakteryjnej. Naświetlanie<br />
wody lampami ultrafioletowymi, jej pasteryzacja oraz<br />
odpowiednie dodatki bakteriobójcze, czy wreszcie zapewnienie<br />
odpowiedniego poziomu filtracji pozwalają<br />
wyeliminować tę niedogodność. Przedstawione powyżej<br />
właściwości wody sprawiają, że standardowe elementy<br />
<strong>hydrauliki</strong> olejowej nie mogą być zastosowane<br />
w układach wodnych.<br />
Woda stosowana w układach hydraulicznych powinna<br />
spełniać następujące parametry:<br />
twardość w zakresie: 5 – 10° dH<br />
pH kwaśne o zakresie: 6 – 7<br />
zakres temperatur pracy: 5 – 50 °C<br />
poziom filtracji: 1 – 10 mm.<br />
Dostępne elementy<br />
W pracach nad konstruowaniem elementów na potrzeby<br />
układów zasilanych wodą uczestniczy wiele<br />
firm i ośrodków naukowych. Czołowe miejsca zajmują<br />
kraje skandynawskie (Dania, Finlandia, Szwecja), a niewątpliwym<br />
liderem jest tutaj firma Danfoss z wdrożonym<br />
programem Nessie [2], obejmującym opracowanie<br />
zarówno konstrukcji poszczególnych elementów,<br />
jak i gotowych agregatów hydraulicznych. Sprzedaż<br />
elementów hydraulicznych tej firmy w ciągu ostatniej<br />
dekady stale rośnie, osiągając w roku ubiegłym dziesięciokrotny<br />
wzrost w stosunku do 1994 roku.<br />
Przegląd dostępnych elementów wraz z ich podstawowymi<br />
parametrami eksploatacyjnymi przedstawiono<br />
w tabeli 1 [2].<br />
Tabela 2 [4]<br />
Pompy<br />
Ciśnienie nominalne<br />
35 – 80 MPa<br />
Wydajność nominalna<br />
163 – 725 l/min<br />
Rozdzielacze 2/2, 3/2 oraz 4/3<br />
Strumień objętości<br />
8 – 60 l/min<br />
Ciśnienie nominalne<br />
32 MPa<br />
Zawory maksymalne<br />
Ciśnienie nominalne<br />
20 – 32 MPa<br />
Strumień objętości<br />
8 – 60 l/mim<br />
Zawory redukcyjne<br />
Ciśnienie nominalne<br />
32 MPa<br />
Strumień objętości<br />
60 – 200 l/min<br />
Zawory dławiące<br />
Ciśnienie nominalne<br />
32 MPa<br />
Strumień objętości<br />
15 – 90 l/min<br />
Proporcjonalne zawory przepływowe<br />
Ciśnienie nominalne<br />
32 MPa<br />
Strumień objętości<br />
8 – 60 l/min<br />
20
Pomiary Automatyka Robotyka 4/2005<br />
Do eksploatacji w zakresie<br />
wysokich ciśnień (do 40 MPa,<br />
a pomp – nawet do 80 MPa)<br />
firma Hauhinco Water Hydraulics<br />
(Wielka Brytania) wprowadziła<br />
na rynek elementy wymienione<br />
w tabeli 2.<br />
Jak podaje firma Hauhinco,<br />
elementy te mogą być zasilane<br />
nie tylko czystą wodą czy emulsjami<br />
grupy HFA, ale także każdą<br />
nieagresywną cieczą o lepkości<br />
kinematycznej z przedziału 0,5<br />
– 4 cSt.<br />
Z przedstawionego przeglądu<br />
dostępnych elementów <strong>hydrauliki</strong><br />
wodnej wynika, że w porównaniu<br />
do rynku elementów <strong>hydrauliki</strong><br />
olejowej dysponujemy<br />
jedynie podstawowymi elementami,<br />
które pozwalają na budowę<br />
podstawowych układów.<br />
Kierunki badań<br />
Prace badawcze prowadzone<br />
nad coraz szerszym zastosowaniem<br />
układów zasilanych wodą<br />
zmierzają do stworzenia układów<br />
konkurencyjnych do obecnie<br />
stosowanych napędów elektrycznych,<br />
pneumatycznych czy<br />
olejowych. Stosowanie wody jako czynnika roboczego<br />
daje dużo korzyści (ogólna dostępność, biodegradowalność,<br />
niski koszt), ale również przysparza wielu problemów<br />
(korozja, kawitacja, straty wolumetryczne).<br />
Prowadzone badania dążą do jeszcze pełniejszego wykorzystania<br />
zalet wody przy jednoczesnym ograniczeniu<br />
zjawisk niekorzystnych powstających przy jej stosowaniu<br />
(rys. 1).<br />
Pierwsza grupa prowadzonych prac dotyczy badań<br />
nad utrzymaniem odpowiedniego poziomu czystości<br />
wody. Obejmuje ona badania nad ograniczeniem rozwoju<br />
flory bakteryjnej poprzez opracowanie specjalnych<br />
dodatków bakteriobójczych oraz badania nowych<br />
materiałów filtracyjnych powstrzymujących wzrost zanieczyszczeń<br />
w układzie przy jednoczesnym uzyskaniu<br />
jak najmniejszych strat ciśnienia na przegrodach<br />
filtracyjnych.<br />
Następna grupa badań jest skoncentrowana nad opracowaniem<br />
nowych elementów oraz ulepszeniem już<br />
istniejących poprzez wykorzystanie nowo powstałych<br />
Rys. 1. Główne kierunki badań nad zastosowaniem wody jako czynnika roboczego<br />
materiałów konstrukcyjnych, przy czym główny nacisk<br />
kładzie się na opracowanie konstrukcji niezawodnych<br />
w działaniu i tanich (rys. 2).<br />
Ostatnia grupa prac obejmuje badania nad eksploatacją<br />
oraz symulacją układów hydraulicznych (rys. 3)<br />
używanych w układach kontroli przemieszczenia, prędkości,<br />
siły lub momentu.<br />
Rys. 3. Przykładowy układ hydrauliczny: a) zasilacz, b) serwozawór,<br />
c) zawór proporcjonalny, d) silnik hydrauliczny,<br />
e) siłownik hydrauliczny, f) sterownik [3]<br />
Rys. 2. Model siłownika hydraulicznego zasilanego wodą<br />
Prowadzone są również badania nad stworzeniem<br />
układów niskociśnieniowych (10 – 50 bar), które stanowiłyby<br />
konkurencję dla stosowanych układów pneumatycznych.<br />
21
Pomiary Automatyka Robotyka 4/2005<br />
Wybrane aplikacje<br />
wodnych układów<br />
hydraulicznych<br />
<strong>Wodne</strong> układy <strong>hydrauliki</strong> siłowej mogą<br />
znajdować szerokie zastosowanie między<br />
innymi w przemyśle spożywczym,<br />
półprzewodnikowym, papierniczym,<br />
tekstylnym i farmaceutycznym. Na<br />
przykład proces wytwarzania filetów<br />
drobiowych wymaga utrzymania wysokiej<br />
higieny, co pociąga za sobą dodatkową<br />
konieczność częstego mycia<br />
elementów składowych urządzenia<br />
przy równoczesnym utrzymaniu ich<br />
bezawaryjnej pracy. Zadania te doskonale<br />
spełnia urządzenie firmy MAY-<br />
EKAWA MFG. CO., w którym zastosowano<br />
napęd wodny (rys. 4).<br />
Przykładem wykorzystywania<br />
wodnej <strong>hydrauliki</strong> siłowej w przemyśle<br />
elektronicznym jest urządzenie<br />
umożliwiające pokrycie układów<br />
półprzewodnikowych plastikowymi<br />
powłokami, w celu ich izolacji i ochrony<br />
(rys. 5).<br />
Zastosowanie układów chłodzenia<br />
pił tarczowych w przemyśle drzewnym<br />
spowodowało oprócz wydatnego<br />
zmniejszenia zużycia energii (w wyniku<br />
zmniejszenia tarcia pomiędzy<br />
ostrzem piły a ciętym materiałem),<br />
zmniejszenie zapylenia oraz prawie<br />
trzykrotne wydłużenie czasu eksploatacji<br />
pił (rys. 6).<br />
Kolejnym przykładem zastosowania<br />
wodnej <strong>hydrauliki</strong> siłowej są układy<br />
hamulcowe pełniące rolę hydraulicznych<br />
blokad wagonów kolejowych<br />
(rys. 7) podczas ich wyładunku. Za<br />
zastosowaniem tego rozwiązania<br />
przemawia całkowity brak skażenia<br />
podłoża mogącymi pojawić się wyciekami<br />
oraz niższe koszty ogólne<br />
w porównaniu z układami olejowymi.<br />
Układy te podobnie jak poprzednia<br />
aplikacja zostały opracowane przez<br />
firmę Danfoss dla niemieckich kolei<br />
państwowych. Około 250 blokad hydraulicznych<br />
pracuje na stacji w Erfurcie<br />
i Senftenbergu.<br />
Przykładem zastosowania układów<br />
<strong>hydrauliki</strong> wodnej w układach mobilnych<br />
jest prototyp kosiarki do trawy<br />
(rys. 8), opracowany na uniwesytecie<br />
Purdue (USA), w którym napęd hydrauliczny<br />
zastosowano w układach:<br />
sterowania, napędowym, hamowania<br />
oraz regulacji wysokości podwozia.<br />
Rys. 4. Urządzenie do filetowania<br />
drobiu [3]<br />
Rys. 5. Urządzenie do izolowania<br />
półprzewodników<br />
[3]<br />
Rys. 6. Układ chłodzenia pił<br />
tarczowych [2]<br />
Rys. 7. <strong>Wodne</strong> układy<br />
hamulcowe [2]<br />
Rys. 8. Kosiarka do trawy z napędem<br />
wodnym [6]<br />
Rys. 9. Nożyce hydrauliczne<br />
o napędzie wodnym [5]<br />
Obecnie trwają prace nad zastosowaniem<br />
układów zasilanych wodą<br />
w kosiarce GREENS KING VI firmy<br />
Textron Inc. Pierwsze testy przeprowadzone<br />
przy pracy kosiarki z prędkością<br />
5 km/h potwierdzają jej funkcjonalność.<br />
Ponadto układy wodne znajdują<br />
zastosowanie w rolnictwie, gdzie są<br />
używane zwłaszcza do nawilżania<br />
powietrza w dużych szklarniach.<br />
Znajdują także zastosowanie w mobilnych<br />
urządzeniach czyszczących<br />
(tzw. stacjach czyszczących), które<br />
strumieniem wody pod dużym ciśnieniem<br />
usuwają zanieczyszczenia<br />
z powierzchni. Prowadzone są też<br />
badania nad zastosowaniem napędu<br />
wodnego w niskociśnieniowych (1<br />
– 5 MPa) układach napędowych różnych<br />
narzędzi np. w hydraulicznym<br />
napędzie nożyc do cięcia żywopłotu<br />
(rys. 9).<br />
Podsumowanie<br />
Z przedstawionego opisu stanu badań<br />
i zastosowań hydraulicznych układów<br />
zasilanych wodą można wnioskować,<br />
że po opracowaniu szerszego zestawu<br />
elementów, jedyną przeszkodą w stosowaniu<br />
tego typu układów będzie<br />
ich koszt budowy, który w porównaniu<br />
do kosztu budowy identycznych<br />
układów o napędzie olejowym jest<br />
2,5 do 5 razy wyższy. Jednakże koszty<br />
te mogą znacząco zmaleć w przypadku<br />
rozpoczęcia wytwarzania maszyn<br />
i urządzeń zaopatrzonych w te układy<br />
na skalę wielkoseryjną. Dolna granica<br />
temperatury eksploatacji układów<br />
wodnych nie stanowi znacznego problemu,<br />
gdyż po dodaniu do wody glikolu<br />
o odpowiednim stężeniu otrzymany<br />
roztwór niezamarzający.<br />
Bibliografia<br />
1. Water Hydraulics The Natural<br />
Choice. 4th Bergen International<br />
Workshop on Advances in Technology.<br />
13 May 2004.<br />
2. www.danfoss.com<br />
3. www.er.ebara.com<br />
4. www.hauhinco.co.uk<br />
5. www.iha.tut.fi<br />
6. www.purdue.edu<br />
22
Change language