Изследванията са подкрепени по договор № BG051PO001-3.3.04/28, „Подкрепа за развитие на научните кадри в областта на инженерните научни изследвания и иновациите”. Проектът се осъществява с финансовата подкрепа на Оперативна програма „Развитие на човешките ресурси” 2007-2013, съфинансирана от Европейския социален фонд на Европейския съюз“.
гр. Габрово, ул. Хаджи Димитър № 4
Въведение
В съвременните хидравлични задвижващи системи се използват основно два метода за регулиране скоростта на изпълнителния механизам – дроселно регулиране и обемно регулиране. Устройствата създаващи обемен дебит, като вентилатори, помпи и компресори се прилагат често без регулиране на оборотите на въртене. Вместо това, дебитът се контролира с помощта на дросели, вентили или клапи.
Системите с регулиране на хидравличните помпи са предпочитани хидравлични задвижващи системи за големи мощности. Изпълнителния механизъм (мотор или цилиндър) в система с регулиране на помпата се контролира чрез регулиране на работния обем на помпата, която се задвижва от източник на постоянна скорост на въртене. Предимството на този вид системи е високата ефективност поради липса на загуби в системата (от дроселиране). Като недостатък на системата е, че помпата може да управлява по един товар, въпреки че помпата може да захранва много механизми.
Фиг. 1. Помпа контролирана от цилиндър [Rahmfeld, 2001]
Системата може да се реализира в две форми, отворена верига и затворена верига (обикновено се определя като хидростатична система, в която връщането на работната течност е директно към входа на помпата, а не в резервоара). Предимството на отворената верига е лесното конфигуриране а от друга страна, затворената система за управление на помпата се характеризира с намален размер на системата и обема на маслото.
В Rahmfeld [Rahmfeld, 2000 г.; Rahmfeld и Ivantysynova, 2001] е използван диференциален цилиндър в затворена хидравлична система. Разликата в обема от ниското налягане се балансира чрез натоварване на помпата с акумулатор (фиг.1).
В проучването на Caterpillar 330B hydraulic excavator, Wendel [2000, 2002] е разработена система за съхранение на енергията състояща се от един акумулатор и помпа/мотор за съхраняване на възстановената енергия която да се конвертира към задвижващия вал. Регенеративната система елиминира загубите от дроселиране като възстановява енергията вместо да я разсейва при намаляване или забавяне на натоварването [Wendel, 2002] което може да намали консумацията на енергия до 46 %.
Друг подход е вторичния контрол (secondary control) на системата. Налягането в системата със вторичен контрол се поддържа постоянно с помоща на компенсаторна помпа.
За да се приложи вторичен контрол, за цилиндри, без да доведе до допълнителни дроселни загуби на налягане в системата, се нуждаем от хидравличен "Трансформатор". Този конвенционален трансформатор, разработен от Rexroth [Vael ea al., 2000] е схематично показан на фиг.2 .
Фиг. 2 Приложение на конвенционалния трансформатор Rexroth [Vael et al., 2000].
Той се състои от регулируема аксиално-бутална помпа (фиг.2 А) и фиксирана аксиално-бутална помпа (фиг.2 В). Двете помпи са съединени механично. Използването на трансформатора елиминира загубите от дроселиране.
С цел да се подобри компонентната ефективност е разработен нов трансформатор от Innas [Vael et al., 2000]. Главната разлика между него и конвенционалния трансформатор се състои в това, че двете аксиални помпи са заменени от една с три порта. Единият порт е свързан със системното налягане, вторият с товара и третият с резервоара. Предавателното съотношение (P system / P load), както и потока на изхода на трансформатора може да се променя чрез промяна на контролиращият ъгъл .
Повече детайли може да бъдат намерени в [Vael et al., 2000; Malsen et al., 2002].
Най-често използвания метод за промяна на работния обем на помпата е чрез хидравличен клапан (или компенсатор) за да се контролира хидравличната сила действуваща върху управляемият диск. Позицията на управляемият диск се контролира от цилиндър и балансираща пружина. В изследването на [Tonglin Shang -April 2004] се използва друг подход за промяна на ъгъла на наклона на управляемия диск.
Фиг. 3 Директен контрол на апарата наклонител [Tonglin Shang, 2004]
Към помпата е директно свързан DC двигател (както е показано на фиг. 3) с цел повишаване на динамичната реакция на апарата наклонител.
Вместо промяна работния обем на помпата Nakano I Tanaka предлагат използуването на инвертор за промяна честотата на въртене на ел.двигател[Nakano and Tanaka, 1988; Tanaka et al., 1989]. В тази система скороста на потока е почти пропорционална на честотния преобразувател. Тъй като инерцията на асинхронния двигател е голяма, заради което не може да реагира бързо на входните изисквания, помпата не може да предостави искания дебит по време на преходния процес. За да се реши този проблем се използува акумулатор за да се осигури допълнително налягане в системата по време на преходното състояние.
Формулиране на проблема
Хидравлични схеми с динамично натоварване често се характеризират с ниска енергийна ефективност, от друга страна, енергийно ефективните схеми при определени обстоятелства са с малко бързодиъстие. Непрекъснато нарастващите разходи за енергия съчетано с висока производителност, налага хидравличните системи да бъдат все по-ефективни и с добри динамични характеристики и точност в установен режим.
При производството на пласмасови опаковки се използват щприц автомати, изпозлващи хидравлично задвижване. Най общо шприц автомата се състои от: затварящ агрегат, пластициращо-шприцоващ агрегат, хидрозадвижване и охладителна система. Затварящият агрегат се състои от четириколонен затварящ механизъм хидравличен тип осигуряващ усилие на заключване 200 kN. Налягането се на маслото се подсигурява от хидравличен мултипликатор с възможност за регулиране от 5 до 20 MPa. В затварящият механизъм е вграден хидравличен избиващ цилиндър позволяващ отнемането на изделието от подвижната полуформа. Пластициращият агрегат е едностадиен тип състоящ се от шнек и шприцоващ цилиндър. Шприцоването се осъществява от два хидравлични цилиндри. Агрегата се транспортира и притиска от още два хидравлични цилиндри. Хидравличната система на машината е централизирана. Помпения агрегат, охладителят и всмукателния филтър са потопени в резервоара намиращ се в тялото на машината под шприцоващият агрегат. Хидравличните елементи са разположени върху блок монтиран върху резервоара. Охладителната система се състои от колекторни блокове, съединителни тръбопроводи и уредба за регулиране на дебита на охлаждащата вода. Охлаждането на маслото в резервоара се осъществява от воден охладител свързан директно с колекторния блок.
Всички видове шприц автомати изпълняват някои основни функции: (1) Пластифициране: загряване и разтопяване на материала, (2) шприцване: шприцване от пластициращо-шприцоващият агрегат под налягане на контролиран обем разтопен материал в затворената матрица, (3) задържане на инжектирания материал под налягане за определено време с цел да се предотврати обратен поток от разтопения материал и да се компенсира намаляването на обема по време на изстиването, (4) охлаждане на изделието в матрицата докато стане достатъчно твърдо за да се извади, (5) освобождаване на оформеното изделие: отваряне на матрицата, изваждане на оформеното изделие и затваряне на матрицата така, че да е готова да започне следващият цикъл .
Дебита на помпата може да се променя по няколко начина: чрез дроселиращи клапи, байпаси или други подобни. Това означава значителна загуба на енергия.
Регулирането на дебита на помпи и вентилатори чрез трифазни асинхронни мотори и честотни преабразуватели е алтернативното решение. Това решение икономисва енергия, съответно-пари.
При намаляване на дебита чрез редуциране на оборотите се пести енергия.
Затваряне на матрицата
|
Шприцване
|
Втвърдяване в матрицата
|
Отваряне на матрицата
|
Изваждане
|
Изстрелване
|
Задържане
|
2 s
|
5 s
|
17 s
|
47 s
|
2 s
|
2 s
|
Табл.1 Разпределение на времената в един примерен цикъл.
Честотният преобразувател изменя не само честотата, но и приложеното към мотора напрежение. Чрез това се осигурява необходимият момент на вала на двигателя без да се стига до прегряване. Изходната честота не зависи от честотата на мрежата и може да бъде както по-голяма, така и по-малка от нея т. е. скоростта на двигателя може да се регулира както под синхронната, така и над синхронната. Честотата и напрежението не са ограничени и асинхронния мотор може да се пуска и ускорява от неподвижно състояние.
Основни предимства на това регулиране са: значителни възможности за енергоспестяване; удължен живот на механичното оборудване; намаляване на пусковия ток; по-висок пусков момент; възможността за регулиране скоростта на двигателя под и над синхронната стойност. Повечето от съществуващите помпени системи (от порядъка на 70%) са преоразмерени от проектантите поне с 20%. Това разкрива отлични възможности за модернизация с честотни инвертори, за да се изравни възможно най-точно дебитът на помпите с действителните нужди в системата. В такива случаи е много важно да се съгласуват електрическите характеристики на двигателя и инвертора.
В един от често използваните шприц автомати хидравличното задвижване се осигурява от 7,5kW асинхронен двигател и хидравлична зъбна помпа тип А54Х с работен обем 24,5.
От табл. 1 е видно, че почти през половината производствен процес помпата работи на максимални обороти връщайки маслото в резервоара. Използувайки подходящ инвертор (примерно ELM2000-G ) можем да регулираме скороста на въртене на двигателя(съответно на помпата). Използвайки външните аналогови управляващи входове на инвертора чрез крайни изключватели бихме могли да се възползваме от времето за втвърдяване на изделието за да намалим оборотите съответно работния обем на помпата.
Дебитът на помпата по спецификация е
= 35 [ l/min], при 1500 [] оборота на двигателя. Ако намалим оборотите на двигателя на 750 [], дебитът ще падне до 16,5 [ l /min] което е достатъчно да осигури номиналното работно налягане в системата докато изделието се втвърдява в матрицата и същевременно пестим електроенергия
Едно наполовина намаляване на оборотите очакваме намаление на консумираната мощност около 20 -25 % .
Фиг. 4. Схема на задвижваща система на шприц автомат.
Изводи
Предложената схема на регулиране на шприц автомати е енергоефективна и води да намаляне на разходите за електроенергие при производството.
Реализирането на системата не изисква големи инвестиции, като се използват серийно произвеждани честотни регулатори.
Благодарности
Изследванията отразени в настоящата статия са подпомогнати от Оперативна програма „Развитие на човешките ресурси” 2007-2013, съфинансирана от Европейския социален фонд на Европейския съюз“.
Литература
Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И, Саковцева М.Б., Оборудование для Литья Пластмасс под Давлением-Расчет и Конструирование, Москва “Машиностроение”, 1985
Dominick V. Rosato, P.E., Donald V. Rosato, PH.D., Marlene G. Rosato, P. E., Injection Molding Handbook III edition, Kluwer Academic Publishers Boston/Dordrecht/London, 2000
F.Johannaber, Injection Molding Machine, third edition, 1994
Greg long and Lumkes Jr., Comparative study of position control with 2-way and 3-way on/off electrohydraulic valves, Purdue University – Greg long and Lumkes Jr.- International Journal of fluid power 11(2010) No.1pp.21-32
John Jansen, Randall Lind, Lonnie Love, Peter Lloyd, John Rowe and Frangois G. Pin, Design and Control of a Ship Motion Simulation Platform From an Energy Efficiency Perspective, International Journal of Fluid Power 10(2009) No. 2 pp 19-28
Mark Karpenko and Nariman Sepehri, Equivalent Time-Invariant modeling of Electrohydraulic Actuators with Application to robust control synthesis, International Journal of Fluid Power 9(2008) No.3 pp.7-18
Tonglin Shang, Improving Performance of an Energy Efficient Hydraulic Circuit , Master of Science, Department of Mechanical Engineering, University of Saskatchewan, April 2004, pp 1-175.