Ogólna wydajność

W hydraulice sprawność całkowita określa stosunek mocy użytecznej oddanej do mocy dostarczonej do elementu hydraulicznego lub całego układu. Uwzględnia ona wszystkie straty energii i wskazuje, jak wydajnie pracuje pompa hydrauliczna, silnik hydrauliczny lub instalacja. Wysoka sprawność całkowita oznacza mniejsze straty mocy i niższe zużycie energii.

Skład całkowitej sprawności

Całkowita sprawność maszyny hydraulicznej wynika z iloczynu sprawności objętościowej i sprawności hydromechanicznej. Obie te sprawności uwzględniają różne mechanizmy strat, które występują w każdej maszynie wyporowej. Tylko wtedy, gdy obie częściowe sprawności są na wysokim poziomie, sprawność całkowita osiąga zadowalające wartości.

Wydajność objętościowa

Wydajność objętościowa opisuje stosunek rzeczywistego przepływu objętościowego do teoretycznie możliwego przepływu objętościowego. Różnica wynika z wewnętrznych przepływów wyciekowych, które przepływają z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia lub na zewnątrz. Głównymi ścieżkami wycieku są szczeliny w tłokach, tarczach sterujących i powierzchniach uszczelniających. Sprawność objętościowa na poziomie 90 procent oznacza, że 10 procent teoretycznego przepływu objętościowego jest tracone w wyniku wycieku.

Straty spowodowane wyciekami zależą w dużym stopniu od lepkości oleju hydraulicznego. Przy niskiej lepkości, spowodowanej na przykład wysokimi temperaturami roboczymi, przepływy szczelinowe wzrastają, a sprawność objętościowa spada. Z drugiej strony wyższa lepkość zmniejsza wycieki, ale jednocześnie zwiększa straty na tarcie, co negatywnie wpływa na sprawność hydromechaniczną. Ten konflikt celów sprawia, że wybór odpowiedniego oleju i temperatury roboczej staje się kluczowym aspektem optymalizacji wydajności.

Wydajność hydromechaniczna

Sprawność hydromechaniczna obejmuje wszystkie straty powstające w wyniku tarcia wewnątrz maszyny. Należą do nich tarcie ciał stałych o łożyska i uszczelnienia, tarcie cieczy w szczelinach oraz straty przepływowe na przejściach i rowkach sterujących. Do strat hydromechanicznych zalicza się również tzw. moc przy zerowym skoku, którą pompa musi wytworzyć już podczas pracy bezciśnieniowej.

Wraz ze wzrostem ciśnienia sprawność hydromechaniczna początkowo rośnie, ponieważ moc użytkowa wzrasta w stosunku do strat spowodowanych tarciem. Przy bardzo niskich ciśnieniach, np. poniżej 10 barów, tarcie dominuje w bilansie mocy, a sprawność hydromechaniczna znacznie spada. Efekt ten wyjaśnia, dlaczego pompy hydrauliczne w trybie pracy z częściowym obciążeniem często wykazują znacznie gorszą sprawność całkowitą niż w trybie znamionowym.

Typowe sprawności całkowite elementów hydraulicznych

Osiągalne sprawności całkowite różnią się znacznie w zależności od typu konstrukcji. Konstruktorzy muszą uwzględniać te różnice przy doborze pomp i silników, ponieważ mają one bezpośredni wpływ na zużycie energii i wydzielanie ciepła przez instalację.

Całkowite sprawności pomp hydraulicznych

Pompy tłokowe osiowe osiągają najwyższą sprawność całkowitą, ponieważ geometria powierzchni sterującej tłoka ogranicza zarówno wycieki, jak i straty spowodowane tarciem. W optymalnym punkcie pracy, przy ciśnieniach od 200 do 280 barów i prędkościach obrotowych w zakresie od 1500 do 1800 obr. /min, wartości te przekraczają 90 procent. Pompy zębate charakteryzują się niższą sprawnością ze względu na stosunkowo duże powierzchnie szczelinowe i brak możliwości regulacji. Ich zaletą jest raczej wytrzymałość i niski koszt niż wydajność.

Całkowita sprawność silników hydraulicznych

Silniki hydrauliczne o porównywalnej konstrukcji często osiągają nieco wyższą całkowitą sprawność niż pompy. Wynika to z faktu, że silniki nie muszą aktywnie tłoczyć cieczy wbrew oporowi ciśnieniowemu, lecz przekształcają ciśnienie w ruch obrotowy. Mechanizmy strat są podobne, ale zmienia się ich znaczenie: w silnikach straty przepływowe w kanałach wlotowych mają mniejsze znaczenie niż straty tłoczenia w pompach.

Czynniki wpływające na całkowitą sprawność

Całkowita sprawność nie jest stałą wartością, lecz zależy w dużym stopniu od warunków pracy. Ten sam silnik tłokowy osiowy może osiągać sprawność od 60 do 94 procent w zależności od punktu pracy. Osoby projektujące lub eksploatujące instalacje muszą znać te zależności, aby komponenty pracowały w najbardziej wydajnym zakresie.

Ciśnienie i prędkość obrotowa

Ciśnienie w układzie wpływa na całkowitą sprawność poprzez obie sprawności cząstkowe. Wraz ze wzrostem ciśnienia zwiększają się przepływy wyciekowe, co obniża sprawność objętościową. Jednocześnie wzrasta sprawność hydromechaniczna, ponieważ straty na tarcie maleją w stosunku do przenoszonej mocy. W sumie dla większości pomp i silników maksymalna sprawność występuje w zakresie ciśnienia znamionowego. Poniżej 10 barów całkowita sprawność drastycznie spada.

Prędkość obrotowa również wpływa na obie częściowe sprawności, jednak w przeciwnym kierunku. Wyższe prędkości obrotowe poprawiają sprawność objętościową, ponieważ wyciek na obrót pozostaje stały, ale wzrasta przepływ objętościowy. Jednocześnie rosną straty na tarcie, zwłaszcza tarcie cieczy w szczelinach. Również w tym przypadku istnieje optymalny zakres prędkości obrotowej, który różni się w zależności od wielkości i typu konstrukcji.

Lepkość i temperatura

Lepkość oleju hydraulicznego jest jednym z czynników mających największy wpływ na całkowitą sprawność. Przy optymalnej lepkości, która dla większości zastosowań przemysłowych wynosi od 30 do 50 mm²/s, pompy i silniki osiągają najlepsze wyniki. Jeśli lepkość odbiega w górę lub w dół, jedna z dwóch częściowych sprawności koniecznie ulega pogorszeniu.

Wysokie temperatury robocze obniżają lepkość i zwiększają wycieki, podczas gdy niskie temperatury powodują wzrost lepkości i zwiększają tarcie. System regulacji temperatury oleju, który utrzymuje olej hydrauliczny w optymalnym zakresie lepkości, trwale poprawia ogólną sprawność. W praktyce instalacje z regulacją temperatury oleju często osiągają o kilka punktów procentowych wyższą sprawność niż systemy bez regulacji temperatury.

Praca przy częściowym obciążeniu

W trybie pracy przy częściowym obciążeniu, czyli przy zmniejszonej wydajności lub prędkości obrotowej, ogólna sprawność prawie wszystkich typów konstrukcji znacznie spada. Pompy o zmiennej wydajności, które zmniejszają swoją objętość wyporową do niewielkiej części, pracują przy znacznie zwiększonych względnych stratach wyciekowych. Również moc przy zerowym skoku ma znaczenie przy małym zakresie regulacji. W przypadku silników o osi ukośnej, które zmniejszają skok do mniej niż 30 procent maksymalnego zakresu regulacji, całkowita sprawność może spaść o 10 do 20 punktów procentowych poniżej wartości znamionowej.

Zależność ta ma szczególne znaczenie w zastosowaniach o silnie zmiennym zapotrzebowaniu na moc. W takich przypadkach zaletą są systemy wielopompowe lub regulacje zależne od obciążenia, ponieważ pozwalają one utrzymać aktywne pompy w zakresie pracy o wysokiej sprawności.

Pomiar i normalizacja całkowitej sprawności

Główną normą dotyczącą pomiaru sprawności hydraulicznych maszyn wyporowych jest ISO 4409. Określa ona procedury badawcze dla pomp hydraulicznych, silników i przekładni kompaktowych, w tym konstrukcję stanowiska badawczego, rozmieszczenie czujników i przebieg badania. Dokładność pomiaru jest podzielona na klasy, przy czym klasa B jest standardem w większości zastosowań przemysłowych.

Na stanowisku badawczym zgodnym z normą ISO 4409 jednocześnie rejestrowane są ciśnienie, moment obrotowy i natężenie przepływu. Na podstawie tych wielkości można określić zarówno sprawność objętościową, jak i hydromechaniczną, a na ich podstawie obliczyć sprawność całkowitą. Norma zapewnia porównywalność wyników różnych producentów.

Natomiast norma DIN EN ISO 4413 reguluje wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa instalacji hydraulicznych i nie zawiera bezpośrednich wytycznych dotyczących pomiaru sprawności. Niemniej jednak ma ona znaczenie dla operatorów instalacji, ponieważ stawia wymagania dotyczące projektowania, które pośrednio wpływają na wydajność, na przykład wymóg, aby instalacje były zaprojektowane w taki sposób, aby nie wytwarzały niepotrzebnego ciepła.

Znaczenie sprawności całkowitej dla projektowania instalacji

Całkowita sprawność ma bezpośredni wpływ na projektowanie instalacji hydraulicznej. Każdy procent mocy, który jest tracony w pompie lub silniku, zamienia się w ciepło. Ciepło to musi być odprowadzane przez chłodnice, co wymaga dodatkowej energii i powierzchni instalacyjnej. Pompa o całkowitej sprawności 85 procent przekształca 15 procent mocy napędowej w ciepło. Przy mocy napędowej 100 kW oznacza to 15 kW mocy stratnej, która obciąża chłodnicę oleju.

Konstruktorzy, którzy już na etapie projektowania optymalizują całkowitą sprawność, zmniejszają nie tylko zużycie energii przez instalację, ale także nakłady na chłodzenie i filtrowanie. W przemysłowych instalacjach pracujących w trybie ciągłym, takich jak wtryskarki lub prasy, zastosowanie bardziej wydajnych komponentów często zwraca się w ciągu kilku lat dzięki oszczędnościom na kosztach energii.

Środki mające na celu poprawę całkowitej sprawności

Różne podejścia pomagają poprawić ogólną sprawność instalacji hydraulicznej lub utrzymać ją na wysokim poziomie:

• Wybór komponentów: Wybór odpowiedniej konstrukcji do danego zastosowania jest najważniejszym czynnikiem. Pompy i silniki tłokowe osiowe zapewniają najlepsze warunki do uzyskania wysokiej sprawności przy zmiennych obciążeniach.
• Optymalizacja punktu pracy: Pompy i silniki powinny pracować jak najbliżej swojego maksymalnego sprawności. Regulacje zależne od obciążenia pomagają dostosować punkt pracy.
• Zarządzanie temperaturą oleju: Regulacja temperatury oleju utrzymuje jego lepkość w optymalnym zakresie i zapobiega spadkom sprawności spowodowanym zbyt wysokimi lub zbyt niskimi temperaturami.
• Konserwacja i monitorowanie stanu: Zużycie tłoków, tarcz sterujących i uszczelek zwiększa wycieki i obniża sprawność objętościową. Regularne analizy oleju oraz pomiary ciśnienia i natężenia przepływu pozwalają wcześnie wykryć spadki sprawności.
• Architektura systemu: systemy wielopompowe, regulacje z czujnikiem obciążenia oraz napędy z regulacją prędkości obrotowej zmniejszają straty przy częściowym obciążeniu i poprawiają ogólną sprawność instalacji.

Trendy rozwojowe

Wymagania dotyczące efektywności energetycznej układów hydraulicznych stale rosną, napędzane przepisami prawnymi i presją ekonomiczną. Producenci opracowują pompy i silniki o zoptymalizowanej geometrii szczelin, które zmniejszają wycieki bez zwiększania tarcia. Nowe metody powlekania tłoków i tarcz sterujących zmniejszają zużycie i stabilizują ogólną sprawność przez cały okres eksploatacji.

Ponadto coraz większego znaczenia nabierają koncepcje napędów z regulacją prędkości obrotowej. Pozwalają one na regulację przepływu objętościowego nie poprzez zmianę ustawienia pompy, ale poprzez dostosowanie prędkości obrotowej silnika. Eliminuje to straty związane z regulacją, a ogólna sprawność ulega znacznej poprawie, szczególnie podczas pracy z częściowym obciążeniem. Technologia czujników, która mierzy ciśnienie, temperaturę i przepływ bezpośrednio na elemencie, umożliwia ponadto regulację zoptymalizowaną pod kątem punktu pracy w czasie rzeczywistym.