Электрификация цилиндров

Фото: Industrial Devices

Для линейного привода различных механизмов, где требуются большие механические усилия, на производстве традиционно используются гидравлические цилиндры. Они успешно работают в прессах, кранах, подъёмниках, погрузчиках, тормозных системах, в запорной аппаратуре. На гидроэлектростанциях они управляют затворами водоприёмников, лопатками поворотно-лопастной турбины и направляющего аппарата. Долговечная и отработанная в технологическом плане гидравлика – рекордсмен по соотношению создаваемого механического усилия и цены.

Сегодня на смену старым добрым гидроцилиндрам предлагаются электрические линейные актуаторы, или электроцилиндры. Это устройства, более гибкие в применении, более точные и надёжные. Что касается создаваемого усилия, то оно с каждым годом возрастает. Понимая достоинства и недостатки гидро- и электроцилиндров, легче сделать правильный выбор.

Гидроцилиндры

Опытные машинисты знают, как поддерживать гидравлические системы в рабочем состоянии. Без регулярного технического обслуживания не обойтись, иначе гидросистема в какой-то момент непременно сломается или даст течь. Сбор разлитой гидравлической жидкости – дело весьма хлопотное, особенно если при этом произошло загрязнение почвы. Также под рукой нужно иметь запасные части. А ещё гидравлика требует немало места для размещения насоса, бывает шумной при работе и капризной по отношению к температуре окружающей среды.

В открытых гидравлических системах (с разомкнутой схемой циркуляции) точное позиционирование штока может быть обеспечено в одной точке, но не по всему диапазону движения, поскольку в схеме управления нет контура с обратной связью.

Замкнутые системы циркуляции позволяют точно контролировать позицию штока по всему диапазону положений, его скорость и усилие. Это достигается за счёт существенного усложнения схемы, в которой должны присутствовать сервоконтроллер, электрогидравлический распределитель и линейный датчик для снятия информации о положении штока, например гидроакустический преобразователь (рис. 1). Все эти элементы занимают место и увеличивают стоимость системы, не говоря уж о необходимости тонкой настройки.

Электроцилиндры

Главный довод в пользу электрического цилиндра – гибкость. Он позволяет одновременно управлять положением, скоростью, ускорением штока, точно задавая величину толкающего или втягивающего усилия (рис. 2). Промышленность выпускает множество разнообразных электрических цилиндров, которые обеспечивают ход штока от 50 до 500 мм и максимальное усилие от 30 до 1200 кгс и даже выше. Скорость движения штока без нагрузки в зависимости от параметров электродвигателя и редуктора может разниться от нескольких единиц до десятков миллиметров в секунду.

Второй важный довод в пользу новинки – энергосбережение. Электрический привод имеет гораздо больший КПД, чем гидравлический, поскольку исключает постоянную работу насоса. (Теоретически насос можно останавливать, но тогда моментальное действие будет невозможно – придётся дожидаться, пока в гидросистеме накопится давление.) Фиксация штока электроцилиндра в нужном положении обеспечивается тормозом, который установлен до понижающего редуктора, а потому не требует больших энергозатрат. Кроме того, управляющий контроллер регулирует мощность, подаваемую на двигатель.

Третий довод – экологичность. И хотя в электродвигателе могут использоваться редкоземельные элементы, которые добываются с большим ущербом для природы, электрические актуаторы менее материалоёмки, чем гидравлические, и исключают применение рабочей жидкости.

Четвёртый аргумент – минимальные требования к техническому обслуживанию.

Пятый – снижение шумности. Для работы гидравлической системы нужно всё время поддерживать высокое давление, иначе невозможно быстро подавать жидкость. Когда скорости не хватает, возникает кавитация, то есть пузыри, которые впоследствии схлопываются с громкими щелчками. Подобные звуки – однозначное указание на необходимость технического обслуживания гидросистемы. Дело в том, что в момент образования кавитационных пузырей жидкость испаряется, а когда они схлопываются, её пары разлагаются из-за резкого повышения температуры. Результат – загрязнение рабочей жидкости и разрушение герметизирующих прокладок. Электрические цилиндры подобными проблемами не страдают.

Переоборудование

Отмеченные эффекты приводят к тому, что гидравлические системы зачастую строятся с двух-трёхкратным запасом мощности. (Это допускается потому, что доля гидроцилиндра в стоимости всей системы невелика.) Чтобы оценить, какая мощность реально необходима при замене гидравлики электроприводом, можно понижать давление в гидросистеме до тех пор, пока весь механизм не перестанет работать. Потребляемая насосом в этот момент мощность – хороший начальный ориентир для выбора электроцилиндра.

Для более точной оценки необходимых параметров электроцилиндра стоит рассчитать величину работы, которую производит заменяемая гидросистема. Номинальное давление рабочей жидкости здесь не очень хороший ориентир, поскольку, как мы уже отметили, на практике гидравлические цилиндры бывают выбраны с большим запасом мощности. То есть после умножения номинального давления на площадь поршня вы получите завышенное значение требуемой силы.

На рис. 3 показана схема гидросистемы, на которой отмечены три места, где можно проводить измерения.

Далее при выборе электроцилиндра важно учесть мощность и обороты его серводвигателя, транслируемые в скорость перемещения штока, и максимальное усилие при толкании и втягивании. Учтите, что при нынешнем уровне технологий электроцилиндр скорее всего будет в несколько раз толще заменяемого им гидравлического цилиндра. Кстати, поставщики электроцилиндров обычно предоставляют программные пакеты, позволяющие рассчитать необходимые характеристики.

* * *

В заключение ещё раз отметим важность точного вычисления требуемой мощности. Из-за высокой стоимости мощных электрических актуаторов ошибки в расчётах могут привести к ситуации, когда переход на прогрессивную технологию покажется экономически неоправданным.