Eficiență globală

În domeniul hidraulicii, randamentul total descrie raportul dintre puterea utilă furnizată și puterea consumată de o componentă hidraulică sau de un sistem în ansamblu. Acesta sintetizează toate pierderile de energie și indică cât de eficient funcționează o pompă hidraulică, un motor hidraulic sau o instalație. Un randament total ridicat înseamnă pierderi de putere mai mici și un consum de energie mai redus.

Componența randamentului total

Randamentul total al unei mașini hidraulice rezultă din produsul dintre randamentul volumetric și randamentul hidromecanic. Ambele randamente parțiale cuprind diferite mecanisme de pierdere care apar în fiecare mașină cu deplasare. Doar dacă ambele randamente parțiale se situează la un nivel ridicat, randamentul total atinge valori satisfăcătoare.

Randamentul volumetric

Randamentul volumetric descrie raportul dintre debitul volumetric efectiv transportat sau preluat și debitul volumetric teoretic posibil. Diferența este cauzată de fluxurile interne de scurgere, care se scurg din zona de înaltă presiune în zona de joasă presiune sau în exterior. Geometriile spațiilor de etanșare de la pistoane, discuri de comandă și suprafețe de etanșare constituie principalele căi de scurgere. Un randament volumetric de 90% înseamnă că 10% din debitul teoretic se pierde sub formă de scurgere.

Pierderile prin scurgere depind în mare măsură de vâscozitatea uleiului hidraulic. La o vâscozitate scăzută, cauzată de exemplu de temperaturi ridicate de funcționare, debitele de scurgere cresc, iar randamentul volumetric scade. În schimb, o vâscozitate mai mare reduce scurgerile, dar crește în același timp pierderile prin frecare, ceea ce afectează randamentul hidromecanic. Acest conflict de interese face ca alegerea uleiului potrivit și a temperaturii de funcționare să fie un aspect central al optimizării eficienței.

Randamentul hidromecanic

Randamentul hidromecanic cuprinde toate pierderile generate de frecare în interiorul mașinii. Printre acestea se numără frecarea solid-solid la lagăre și garnituri, frecarea fluidului în spațiile de etanșare, precum și pierderile de curgere la tranziții și caneluri de control. De asemenea, așa-numita putere de ridicare zero, pe care o pompă trebuie să o furnizeze chiar și în timpul funcționării fără presiune, face parte din pierderile hidromecanice.

Odată cu creșterea presiunii, randamentul hidromecanic crește inițial, deoarece puterea utilă crește în raport cu pierderile prin frecare. La presiuni foarte scăzute, de exemplu sub 10 bari, frecarea domină bilanțul de putere, iar randamentul hidromecanic scade semnificativ. Acest efect explică de ce pompele hidraulice în regim de sarcină parțială prezintă adesea randamente totale semnificativ mai slabe decât în regim nominal.

Randamente totale tipice ale componentelor hidraulice

Randamentele totale care pot fi atinse variază considerabil între diferitele tipuri de construcție. Proiectanții trebuie să țină cont de aceste diferențe la alegerea pompelor și a motoarelor, deoarece acestea au o influență directă asupra consumului de energie și a dezvoltării de căldură a instalației.

Randamente totale ale pompelor hidraulice

Pompele cu pistoane axiale ating cele mai ridicate randamente totale, deoarece geometria suprafeței de control a pistonului limitează atât scurgerile, cât și pierderile prin frecare. La punctul de funcționare optim, la presiuni de aproximativ 200 până la 280 bar și turații cuprinse între 1500 și 1800 rpm, valorile depășesc 90%. Pompele cu roți dințate prezintă randamente mai mici datorită suprafețelor de contact relativ mari și lipsei posibilității de reglare. Punctul lor forte constă mai degrabă în robustețe și costuri reduse decât în eficiență.

Randamente totale ale motoarelor hidraulice

Motoarele hidraulice ating adesea randamente totale ușor mai ridicate decât pompele, la o construcție comparabilă. Motivul constă în faptul că motoarele nu trebuie să asigure o pompare activă împotriva unei rezistențe la presiune, ci transformă presiunea în mișcare de rotație. Mecanismele de pierdere sunt similare, dar ponderea acestora se schimbă: în cazul motoarelor, pierderile de curgere la canalele de admisie au o pondere mai mică decât pierderile de pompare la pompe.

Factori care influențează randamentul total

Randamentul total nu este o valoare fixă, ci depinde în mare măsură de condițiile de funcționare. Același motor cu pistoane axiale poate avea randamente cuprinse între 60 și 94 la sută, în funcție de punctul de funcționare. Cei care proiectează sau exploatează instalații trebuie să cunoască aceste dependențe pentru a opera componentele în domeniul de lucru cel mai eficient.

Presiunea și turația

Presiunea sistemului influențează randamentul total prin intermediul celor două randamente parțiale. Odată cu creșterea presiunii, fluxurile de scurgere cresc, ceea ce reduce randamentul volumetric. În același timp, randamentul hidromecanic crește, deoarece pierderile prin frecare scad în raport cu puterea transmisă. În concluzie, pentru majoritatea pompelor și motoarelor, randamentul maxim se înregistrează în zona presiunii nominale. Sub 10 bari, randamentul total scade drastic.

Turația are, de asemenea, un efect asupra ambelor randamente parțiale, însă în sens opus. Turațiile mai mari îmbunătățesc randamentul volumetric, deoarece scurgerea pe rotație rămâne constantă, dar debitul volumetric transportat crește. În același timp, cresc pierderile prin frecare, în special frecarea lichidului în spațiile de etanșare. Și în acest caz există un interval optim de turație, care variază în funcție de dimensiune și tipul de construcție.

Vâscozitatea și temperatura

Vâscozitatea uleiului hidraulic este unul dintre factorii care influențează cel mai mult randamentul total. La o vâscozitate optimă, care pentru majoritatea aplicațiilor industriale se situează în intervalul de la 30 la 50 mm²/s, pompele și motoarele ating cele mai bune valori. Dacă vâscozitatea deviază în sus sau în jos, unul dintre cele două randamente parțiale se deteriorează inevitabil.

Temperaturile ridicate de funcționare reduc vâscozitatea și cresc scurgerile, în timp ce temperaturile scăzute cresc vâscozitatea și intensifică frecarea. O alimentare cu ulei temperat, care menține uleiul hidraulic în intervalul optim de vâscozitate, îmbunătățește durabil randamentul general. În practică, instalațiile cu reglare a temperaturii uleiului ating adesea randamente cu câteva puncte procentuale mai mari decât sistemele fără reglare a temperaturii.

Funcționarea la sarcină parțială

În funcționarea la sarcină parțială, adică la debit sau turație redusă, randamentul total scade semnificativ la aproape toate tipurile de construcție. Pompele variabile, care își reduc volumul de deplasare la o mică fracțiune, funcționează cu pierderi relative prin scurgere mult mai mari. De asemenea, puterea la cursă nulă devine semnificativă la reglaje mici. În cazul motoarelor cu ax înclinat, care se reduc la mai puțin de 30 la sută din reglajul lor maxim, randamentul total poate scădea cu 10 până la 20 de puncte procentuale sub valoarea nominală.

Această corelație este deosebit de relevantă pentru aplicațiile cu cerințe de putere foarte variabile. În acest caz, sistemele cu mai multe pompe sau reglările în funcție de sarcină oferă avantaje, deoarece pot menține pompele active întotdeauna într-un domeniu de funcționare favorabil din punct de vedere al randamentului.

Măsurarea și standardizarea randamentului total

Standardul central pentru măsurarea randamentului la mașinile hidraulice cu volum variabil este ISO 4409. Acesta definește procedurile de testare pentru pompele hidraulice, motoarele hidraulice și reductoarele compacte, inclusiv configurația bancului de testare, amplasarea senzorilor și desfășurarea testului. Precizia măsurătorilor este clasificată în clase, clasa B fiind cea mai utilizată pentru majoritatea aplicațiilor industriale.

Pe un banc de testare conform ISO 4409, presiunea, cuplul și debitul volumetric sunt înregistrate simultan. Din aceste mărimi de măsurare se pot determina atât randamentul volumetric, cât și cel hidromecanic, iar din acestea se poate calcula randamentul total. Standardul asigură comparabilitatea rezultatelor obținute de diferiți producători.

DIN EN ISO 4413 reglementează, pe de altă parte, cerințele tehnice de siguranță pentru instalațiile hidraulice și nu conține specificații directe privind măsurarea randamentului. Cu toate acestea, ea este relevantă pentru operatorii de instalații, deoarece impune cerințe de proiectare care influențează indirect eficiența, cum ar fi cerința ca instalațiile să fie proiectate astfel încât să nu genereze căldură inutilă.

Importanța randamentului total pentru proiectarea instalației

Randamentul total are consecințe directe asupra proiectării unei instalații hidraulice. Fiecare procent de putere pierdut în pompă sau în motor se transformă în căldură. Această căldură trebuie disipată prin radiatoare, ceea ce necesită energie suplimentară și spațiu de instalare. O pompă cu un randament total de 85% transformă 15% din puterea de acționare în căldură. La o putere de acționare de 100 kW, aceasta reprezintă o pierdere de putere de 15 kW, care solicită radiatorul de ulei.

Proiectanții care optimizează randamentul total încă din faza de proiectare reduc nu numai consumul de energie al instalației, ci și efortul necesar pentru răcire și filtrare. În instalațiile industriale cu funcționare continuă, cum ar fi mașinile de turnare prin injecție sau presele, utilizarea unor componente mai eficiente se amortizează adesea în câțiva ani prin economiile realizate la costurile energetice.

Măsuri de îmbunătățire a randamentului total

Diferite abordări ajută la îmbunătățirea randamentului total al unui sistem hidraulic sau la menținerea acestuia la un nivel ridicat:

• Selectarea componentelor: Alegerea tipului de construcție potrivit pentru fiecare aplicație în parte este cel mai important factor. Pompele și motoarele cu pistoane axiale oferă cele mai bune condiții pentru un randament ridicat în cazul sarcinilor variabile.
• Optimizarea punctului de funcționare: pompele și motoarele ar trebui să funcționeze cât mai aproape de randamentul maxim. Sistemele de reglare în funcție de sarcină ajută la adaptarea punctului de funcționare.
• Gestionarea temperaturii uleiului: o alimentare cu ulei la temperatură constantă menține vâscozitatea în intervalul optim și evită scăderea randamentului din cauza temperaturilor prea ridicate sau prea scăzute.
• Întreținere și monitorizarea stării: uzura pistoanelor, a discurilor de comandă și a garniturilor crește scurgerile și scade randamentul volumetric. Analizele periodice ale uleiului și măsurătorile presiunii și debitului volumetric detectează din timp pierderile de randament.
• Arhitectura sistemului: Sistemele cu mai multe pompe, sistemele de reglare Load-Sensing și acționările cu turație variabilă reduc pierderile la sarcină parțială și îmbunătățesc randamentul general al instalației.

Tendințe de dezvoltare

Cerințele privind eficiența energetică a sistemelor hidraulice cresc continuu, impulsionate de cerințele legale și de presiunea economică. Producătorii dezvoltă pompe și motoare cu geometrii optimizate ale spațiului de etanșare, care reduc scurgerile fără a crește frecarea. Noile procedee de acoperire pentru pistoane și discuri de comandă reduc uzura și stabilizează randamentul total pe durata de viață.

În plus, conceptele de acționare cu turație variabilă câștigă în importanță. Acestea permit reglarea debitului nu prin reglarea pompei, ci prin ajustarea turației motorului. Astfel, se elimină pierderile de reglare, iar randamentul general se îmbunătățește semnificativ, în special în regimul de sarcină parțială. Tehnologia senzorilor, care măsoară presiunea, temperatura și debitul direct la componentă, permite, de asemenea, o reglare optimizată în timp real pentru punctul de funcționare.