- RU
- ENG
Универсальный токарно-винторезный станок модели CS6266Bх1500 (Ø660 х 1500 мм)Страна: КитайПроизводитель:
ЧАСТЬ 1
Среди наиболее эффективных средств автоматизации производственных процессов особое место занимают объемные гидроприводы. Богатейший опыт эксплуатации показывает, что в мобильных машинах, кузнечно-прессовом оборудовании, авиации и многих других отраслях техники им нет альтернативы. Однако в станкостроении наблюдается жесткая конкуренция с электромеханическими аналогами, в результате которой позиции гидропривода существенно ослабли. В ряде случаев это объясняется сложившимися стереотипами («всегда течет», «шумит», «греется», «грязная техника» и др.), которые уже не соответствуют современным реалиям.
В качестве основных тенденций развития мирового гидрооборудования можно отметить следующие.
Интенсивное сращивание гидроприводов с электронными системами управления, применение «интеллектуальных» насосов и гидроаппаратов со встроенной электроникой и стандартных коммуникационных средств (полевых шин) с открытой структурой позволяет обеспечить выполнение индивидуальных требований заказчика; облегчить управление; повысить быстродействие; снизить затраты на кабели и повысить помехозащищенность; упростить калибровку; обеспечить диагностику неисправностей.Рассмотрим различные компоненты современного гидрооборудования.
Аксиально-поршневые насосы имеют средний уровень давления р = 35…42 МПа, однако существуют модели, хотя отдельные рекордсмены уже шагнули значительно дальше, причем удельная мощность лучших моделей достигает 8 кВт/кг. Разумеется, что в столь энергонасыщенных гидромашинах остро встает проблема снижения шума. По данным фирмы Parker в насосе имеются несколько генераторов шумоизлучения. Во-первых — это пульсация осевой нагрузки, например, для насоса с рабочим объемом V0 = 46 см3 (9 поршней) в пределах 3,2…4 т с частотой 225 Гц из-за того, что в зоне нагнетания одновременно находятся 4 или 5 поршней. Во-вторых — пульсация подачи из-за несовершенства распределения, причем она на порядок выше, чем результат классического суммирования теоретических гармоник подач отдельных поршней. Расхождение происходит из-за резкого сжатия РЖ в рабочей камере в момент перехода из зоны всасывания в зону нагнетания, что инициирует шум в гидросистеме, значительно превышающий шум самого насоса. Для борьбы с первой причиной вводятся гидростатические опоры, методом конечных элементов исследуется передаточная функция корпуса и оптимизируется его геометрия с целью исключения резонирующих поверхностей, виброизолируются корпус насоса и соединительные трубопроводы. Оптимизировать процесс предварительного сжатия РЖ в камере удается за счет введения традиционных «усиков», поворота распределительного диска на некоторый угол в направлении вращения (зависит от рабочего давления), введения на перемычке отверстия, связанного с напорной линией или специальной камерой предварительного сжатия; существенное снижение пульсации подачи достигается путем установки аккумуляторов на выходе из насоса.
Работа по борьбе за каждый децибел дает свои результаты: сообщается, что для гаммы регулируемых насосов PVB фирмы Eaton Vickers (V0 = 10,5…197 см3) уровень шума находится в пределах 58…81 дБА. Это важно, поскольку в последние годы в ряде стран Европы появились жесткие законодательные предписания.
К основным тенденциям развития аксиально-поршневых насосов относятся также: наличие сквозного вала для продольного сопряжения с дополнительными насосами; расширение номенклатуры и повышение быстродействия регуляторов (вплоть до прямого управления от ПК); совершенствование подшипников; широкое использование гидростатической разгрузки, новых материалов и покрытий; уменьшение сжимаемого объема рабочей камеры; расширение всасывающей линии; возможность работы на различных РЖ в широком диапазоне рабочих температур.
Для насосов с наклонным блоком угол наклона уже увеличен до 40…45°, что позволяет обеспечить максимальную компактность конструкции.
Пластинчатые насосы фирм Eaton Vickers, Bosch Rexroth, Parker Denison и др. работают при давлениях до 30 МПа и имеют следующие отличительные особенности: мощные подшипники, способные воспринимать повышенные осевые и радиальные нагрузки; усиленные пластины, прижимаемые в зоне всасывания специальными поршеньками; наличие насосов с двумя или тремя рабочими комплектами на общем валу, а также исполнений со сквозным валом (thru-drive), позволяющих создавать многопоточные связки (до 3-х насосов); возможность смены рабочих комплектов и относительного разворота присоединительных отверстий через 45 или 90°; развитый типоразмерный ряд (V0 = 5,8…227 см3); низкий уровень шума (двухпоточный насос Denison V0 = 47,7+14,7 см3 при частоте вращения n = 1500 мин-1 и р = 30 МПа имеет уровень шума ≤ 68 дБА); высокий объемный КПД ~ 0,94, обеспечивающий возможность работы на номинальном давлении при nmin = 600 мин-1; возможность работы на минеральных маслах и водных эмульсиях в диапазоне температур от –20 до +70°С.
Регулируемые пластинчатые насосы мод. VVP фирмы Eaton Vickers (V0 = 16…100 см3; р = 16 МПа) имеют 14 различных механизмов управления, включая компенсаторы давления и регуляторы мощности (стандартные, с электрическим дискретным или пропорциональным управлением, чувствительные к нагрузке или с дистанционным гидроуправлением), в то время, как отечественная модель НПлР — лишь 2 механизма.
В шестеренных насосах применение неэвольвентного зубчатого зацепления (SILENCE фирмы Bosch Rexroth) позволило уменьшить пульсации на 75% и снизить уровень шума на 6 дБА (т.е. вдвое), существенный эффект обеспечивает также применение шестерен с винтовыми зубьями (HANSA TMP).
Шестеренные насосы отлично приспособлены для многопоточных связок, причем рекордсменом здесь является фирма Hydraulik-Ring (отделение Parker), которая выпускает связки до 5-6 насосов. При питании различных участков гидросистемы от индивидуальных секций появляются широкие возможности разгрузки, что позволяет сократить энергетические потери.
Опережающее развитие получают шестеренные насосы внутреннего зацепления, в которых удается значительно снизить шум за счет исключения запирания РЖ в межзубьевых впадинах и расширения угловых секторов, соответствующих зонам всасывания и нагнетания. Насосы IPH фирмы Voith Turbo (рис. 1) имеют рабочее давление до 30 МПа и V0 = 20,7…250 см3; их отличительными особенностями являются: эффективный КПД в определяющем диапазоне свыше 90%; минимальный уровень шума (менее 68 дБА при 30 МПа и подаче 75 л/мин); высокая долговечность (апробировано 18 млн. циклов от 0 до 30 МПа); хорошая всасывающая способность (вакуум до 0,04 МПа); пульсация потока и давления ≤ 2…3%; невысокая цена; возможность многопоточных связок (до ×4).
Минимальным уровнем шума обладают винтовые насосы, применяемые, главным образом, в специальных гидроприводах (медицинских установок, механизации театральных сцен и т.п.).
В настоящее время 80 европейских фирм производят более 300 типоразмеров гидромоторов, в том числе 122 — аксиально-поршневых, 65 — шестеренных наружного зацепления, 46 — радиально-поршневых, 24 — шестеренных внутреннего зацепления и героторных, 12 — пластинчатых, 33 — прочих. Диапазон параметров: р = 6,3…48 МПа; V0 = 0,25…150 000 см3; n = 0,1…10000 мин-1; диапазон регулирования до 1:7000.
Для реализации неполноповоротных вращательных движений расширяется использование поворотных гидродвигателей, в том числе с поршнем, имеющим разнонаправленные несамотормозящие винтовые нарезки (возможно с промежуточными винтовыми роликами), которые взаимодействуют с соответствующими нарезками корпуса и выходного вала. Таким образом, в исключительно компактном механизме, например фирмы Helac (рис. 2), при р = 25 МПа и угле поворота 720° достигаются крутящие моменты до 85 000 Н•м. Отличная защита двигателей позволяет надежно работать в самых тяжелых условиях эксплуатации.
Несомненно, самыми впечатляющими компонентами гидропривода являются гидроцилиндры, развитие которых происходит, главным образом, в направлениях использования датчиков контроля хода, установки периферийного оборудования под конкретного заказчика, повышения рабочих параметров и надежности за счет совершенствования материалов, покрытий и уплотнений. Рекордным достижением является гидроцилиндр длиной 45 м с контролем хода, созданный фирмой Bosch Rexroth для шлюзового затвора в Голландии. Номенклатура гидроцилиндров огромна, но и она не может удовлетворить всем требованиям заказчиков, которые во многих случаях изготовляют гидроцилиндры своими силами. С этой целью рядом фирм организованы поставки определяющих деталей (окончательно обработанные гильзы и штоки требуемой длины, поршни, буксы, проушины, современные опоры и уплотнения).
ЧАСТЬ 2
В области гидроаппаратуры можно отметить расширение номенклатуры и улучшение технических параметров. Освоены гидрораспределители с условным проходом Dу = 4 мм. В аппаратах с Dу = 6 мм максимальные расходы достигают 80 л/мин, применяются быстросъемные катушки электромагнитов, имеются исполнения с регулированием времени переключения и световой индикацией. Седельные аппараты фирмы Bosch Rexroth рассчитаны на рабочее давление до 63 МПа, а для гаммы специальной миниатюрной гидроаппаратуры фирм Hawe и Enerpac номинальное давление составляет 70 МПа.
В отечественных гидроприводах широко используются гидроклапаны давления (напорные золотники) типов Г54-3 и Г66-3 — простые и надежные аппараты прямого действия, в которых давление (или перепад давлений) воздействует на торцовые поверхности золотника, нагруженного регулируемым усилием пружины. Их недостатком являются существенные ограничения по давлению и расходу из-за чрезмерного роста требуемого усилия пружины. Клапаны DZ Bosch Rexroth (рис. 1) имеют два каскада усиления, причем подпружиненный золотник первого каскада, выполняющий функции гидроклапана давления, управляет перемещением клапана второго каскада, через который проходит основной поток рабочей жидкости (РЖ). Аппараты с Dу = 10; 25 и 32 мм способны пропускать расходы 200; 400 или 600 л/мин соответственно; рmax = 31,5 МПа.
В последние годы модульная гидроаппаратура пополнилась исполнениями с Dу = 4; 16 и 25 мм, значительно расширена номенклатура (например, модульные редукционные клапаны уже имеют 37 исполнений по гидросхемам), отмечается значительный прогресс в компактной гидроаппаратуре ввертного монтажа с Dу = 6…16 мм (рис. 2).
Наиболее интенсивное развитие получают гидроаппараты, связывающие электронные системы управления с гидравлическими силовыми исполнительными органами. К этой группе относятся дросселирующие гидрораспределители (ДГР) и аппараты пропорционального электроуправления (ПЭУ), в том числе интеллектуальные — со встроенными электронными системами контроля и управления. ДГР обладают идеальными статическими и динамическими характеристиками, однако отличаются сложностью конструкции, требуют сверхпрецизионного изготовления определяющих деталей и максимальной степени очистки РЖ. Одна из последних разработок фирмы Parker — однокаскадный гидрораспределитель DFplus® (Dу = 6 мм) (рис. 3, а) со встроенной электроникой и электродинамическим преобразователем (подвижная катушка), развивающим усилие до 100 Н. При рабочем давлении до 35 МПа и 5%-ном входном сигнале аппарат имеет частоту при сдвиге по фазе 90° f90 = 350 Гц. Интересной новинкой фирмы Moog является двухкаскадная мод. 260 с дефлектором и гибкой механической обратной связью между каскадами (рис. 3, б). За счет минимизации массы подвижных частей первого каскада в аппарате достигается f90 = 250 Гц (р = 21 МПа).
На рынке широко представлены аппараты с ПЭУ — гидрораспределители, предохранительные и редукционные клапаны, дроссели и регуляторы расхода, а также модульные плитки, обеспечивающие постоянство перепада давлений на дросселирующих кромках. Перспективно развитие цифровой гидроаппаратуры, в которой в качестве задающих устройств используются миниатюрные шаговые двигатели. Такое техническое решение позволяет управлять гидроаппаратами непосредственно от силовых выходов программируемых логических контроллеров, т.е. получить программируемые координаты практически без усложнения электроавтоматики станка.
До недавнего времени взаимозаменяемость ДГР и аппаратов с ПЭУ затруднялась из-за сложностей стыковки электрических систем управления. Расширяющееся применение унифицированных блоков, в том числе для одновременного управления электрическими и гидравлическими координатами, позволяет преодолеть это противоречие.
Несмотря на постоянно обостряющуюся конкуренцию с электрическими линейными сервомоторами, продолжают развиваться линейные электрогидравлические сервоприводы («координатные оси»). Новейшая система Plug & Play фирмы Bosch Rexroth содержит цилиндр, блоки с регулирующими и направляющими аппаратами, демпфирующие элементы и встроенную электронную систему управления с высокочувствительными датчиками. При этом достигаются ускорения до 80 g, скорости до 10 м/с и времена цикла, измеряемые в миллисекундах. Например, в высечных ножницах при силе до 300 кН количество двойных ходов может быть до 1500 в минуту. В зависимости от системы измерения перемещений в металлорежущих станках обеспечивается точность позиционирования до 1 мкм. Немаловажным обстоятельством является также наличие интерфейсов ко всем распространенным системам полевых шин, в том числе CANopen.
По различным источникам от 50 до 70% отказов гидроприводов связаны с недостаточной очисткой РЖ, поэтому фильтровальная техника продолжает интенсивно развиваться. Новые стандарты ISO ужесточили нормы проверки чистоты РЖ, теперь регламентируются количества частиц ≥4, ≥6 и ≥14 мкм (ранее ≥5 и ≥15 мкм), разработаны методы разносторонней проверки фильтроэлементов. В подавляющем большинстве случаев взамен сетки и бумаги применяются многослойные фильтроматериалы с тонкостью фильтрации 3…60 мкм (металлическая сетка из нержавеющей стали — промежуточный слой из стекловолокна — основной фильтрующий слой из микростекловолокна — промежуточный слой — металлическая сетка). Развиваются способы монтажа фильтров (in-line — на трубах, встраиваемый в бак сверху или сбоку, стыковой, модульный Dу = 6 или 10 мм), применяются надежные средства визуальной или электрической индикации загрязненности, сдвоенные (duplex) фильтры, допускающие возможность смены фильтроэлемента без остановки гидропривода, фильтры для реверсивного потока, системы батарейного сопряжения. Ведущие фирмы предлагают комбинированные фильтры: сливной с сапуном и заливочной горловиной, сливной, совмещенный со всасывающим, различные комбинации фильтров и теплообменников, фильтроэлементы, задерживающие воду. Для подбора фильтров разработаны развитые системы САПР (например, фирмы MP-Filtri и др.).
Один из лидеров мировой фильтровальной техники — фирма Internormen — поставляет измерительную систему CCS2 с лазерным сенсором, аттестованную в РФ в качестве средства измерения. Прибор позволяет с точностью до 2% определять и выводить на распечатку класс чистоты РЖ по ISO 4406 и NAS 1638, причем входное рабочее давление находится в пределах 0,15…42 МПа. Предусмотрены восемь размерных групп: ≥4; 4,6; 6; 6,4; 10; 14; 21 и 37 мкм. В комплекте с мини-Web-сервером MWS 02 возможна дистанционная передача данных через Интернет. Поставляются также другие приборы, например, ССМ 01 — счетчик твердых частиц с лазерным сенсором, работающий в on-line режиме; МРМ 01 и MPS 01 — счетчик металлических частиц с индуктивным методом измерения, разнообразные фильтры с расходами до 20 000 л/мин и давлением до 140 МПа; установки параллельной фильтрации, возможно с теплообменниками, водопоглощающими элементами и системами удаления воды.
В качестве одной из тенденций можно отметить расширяющееся использование аккумуляторов для накопления гидравлической энергии, гашения пульсаций потока и разделения сред. Поршневые аккумуляторы имеют вместимость V = 0,16…400 литров и р = 37,5 МПа, мембранные — V = 0,075…10 литров и р = 30 МПа, баллонные — V = 0,16…455 литров и р = 35 МПа. Имеются исполнения с дополнительным газовым баллоном и контролем положения поршня. Для повышения безопасности аккумуляторы комплектуются сертифицированными TÜV (в Германии) предохранительными блоками, содержащими шаровой кран, предохранительный клапан (обычно пломбируемый) и вентиль разгрузки с ручным или электрическим управлением. В ряде случаев для крепления аккумулятора и предохранительного блока применяют специальные кронштейны.
Неизбежность определенных потерь давления в гидросистемах приводит к разогреву РЖ, поэтому в ряде случаев возникает потребность в воздушных или водяных теплообменниках. В новейших воздушных теплообменниках давление РЖ увеличено до 1…2 МПа, привод малошумного вентилятора реализован от электродвигателя постоянного или переменного тока, возможно — от гидромотора, теплорассеивающая способность превышает 100 кВт, широко применяются встроенные термостаты. Компактные малошумные кондиционеры CSU фирмы Emmegi (рис. 4) способны при перепаде температур 35°С рассеивать до 21 кВт мощности. Они могут комплектоваться фильтрами и/или тепловыми регуляторами, включенными параллельно теплообменнику, и в зависимости от текущего значения температуры РЖ перепускающими часть потока в бак, минуя теплообменник.
Имеющиеся на рынке водяные теплообменники способны рассеивать мощность от 0,7 до 500 кВт, отличаются компактностью, могут встраиваться в баки и оснащаться термостатическими клапанами, регулирующими поток охлаждающей воды. В водяных теплообменниках пластинчатого типа надежно исключается опасность попадания воды в масло.
За несколько последних лет уплотнительная техника прогрессировала впечатляющими темпами. Номенклатура опорно-уплотнительных элементов одной только фирмы ЭЛКОНТ превышает 50 наименований. Резино-пластмассовые композиции обеспечивают полную герметичность, высокую надежность и низкий уровень трения в условиях максимальных давлений и скоростей движения. Например, поршневые уплотнения двустороннего действия фирмы Busak+Shamban рассчитаны на давление до 80 МПа, скорость до 15 м/с, температуру от –54 до +200°С и способны уплотнять различные среды (минеральное масло, пожаробезопасные и биологически разлагающиеся РЖ, вода, воздух); ряд диаметров 12…700 мм.
Бурное развитие в последние годы получила соединительная арматура для трубопроводов, обеспечивающая полную герметичность соединения, в том числе в условиях его многократной переборки. Новейшая концепция отрицает монтаж с помощью конических резьб и основана на использовании прецизионных труб и врезных колец с дополнительными эластомерными уплотнениями. При этом сборка соединений требует повышенной аккуратности и высокого профессионализма обслуживающего персонала. Типичный пример — новое соединение Ermeto. В стандартный штуцер с углом 24° монтируются труба и уплотнительный комплект, состоящий из трех колец: эластомерного, деформирующего и врезного. При затяжке накидной гайки эластомер уплотняет зазор между конусом штуцера и трубой, а обжимное кольцо деформирует лепесток врезного, обеспечивая надежное закрепление трубы. Одним из ведущих мировых производителей соединительной арматуры (в том числе для рукавов высокого давления) является фирма Parker, предлагающая обширнейшую номенклатуру. Думается, что для российского рынка в целях унификации было бы желательно ограничить номенклатуру трубопроводных соединений, выбрав наиболее приемлемые варианты.
Продолжают совершенствоваться приборы для измерения основных параметров гидропривода. Показывающие, сигнализирующие, цифровые и виброустойчивые манометры рассчитаны на давление 0,6…400 МПа. Взамен механических реле давления все шире применяются интеллектуальные приборы цифровой индикации, способные обрабатывать информацию от нескольких датчиков, фиксировать пики давления, разность давлений и температур и выполнять другие задачи. Портативный гидротестер HMG 2020 фирмы Hydac (рис. 5) способен обрабатывать информацию, поступающую от пяти датчиков (давления, расхода, температуры, частоты вращения); развитое программное обеспечение позволяет транслировать данные на ПК, хранить в памяти, исследовать кривые переходных процессов. На рынке имеется большое разнообразие датчиков уровня и маслоуказателей, в том числе со встроенными термометрами и термостатами.
В современных станочных обрабатывающих центрах гидроприводы применяются главным образом для зажимных устройств и автоматизации вспомогательных движений. Идеальным решением подобных задач является использование малошумных компактных насосных установок (модулей) HKF (Hawe) или UPE (Bosch Rexroth), которые называют «интеллигентной гидравликой». Модули UPE (рис. 6), имеющие объем бака 2,4...11 л, p = 26 или 70 МПа, приводную мощность 1,1...4 кВт, состоят из расположенных в общем корпусе насоса 1 и электродвигателя 2, которые находятся под уровнем РЖ, заливаемой через горловину 3. Снаружи на панели 5 устанавливаются гидроаппаратура управления и, возможно, аккумулятор 4; модуль может комплектоваться воздушным теплообменником. В новейшем токарном центре Hyperturn 665 МС фирмы Emco Maier модуль, компактно расположенный в зоне шпиндельного узла, обеспечивает зажим патрона, поворот и фиксацию револьверной головки и ее перемещение по осям Y и В, а в специальном исполнении — работу фрезерного шпинделя с инструментальным магазином. Модульный принцип построения гидроагрегата допускает дальнейшее наращивание функций.
Другим вариантом является мод. ЕР9 фирмы Bosch Rexroth (рис. 7), которая состоит из шестеренного насоса 1, всасывающего фильтра 2, масляного резервуара 3, клапанного блока 4 и электродвигателя 5. Замена централизованных насосных установок крупных станочных обрабатывающих центров несколькими компактными узлами, в том числе расположенными на подвижных частях (суппорты, порталы и т.п.), позволяет существенно упростить трассировку гидропривода, исключить шланги, снизить шум и утечки.
Фирма KTR предлагает обширный выбор комплектующих изделий для баков, в том числе со средствами шумопоглощения (рис. 8).
Передовыми зарубежными фирмами создано большое количество различных агрегатов обслуживания гидросистем. Агрегат OF5C фирмы Hydac (рис. 9) комплектуется фильтрами тонкой очистки большой грязеемкости и встроенным счетчиком частиц (производительность 40 л/мин, тонкость фильтрации 3...20 мкм, масса 85 кг). Агрегат соединяется с действующей гидросистемой, фильтрует рабочую жидкость и периодически проводит ее анализ, причем после достижения заданного класса чистоты автоматически отключается.
Мобильный агрегат IFPM фирмы Internormen, работающий по принципу испарения воды под воздействием вакуума, позволяет удалить из масла свободную, эмульгированную и растворенную воду, свободные и растворенные газы, а также механические загрязнения размером до 1 мкм.
В заключение можно отметить, что флюидика (гидравлика + пневматика) продолжает интенсивно развиваться, причем годовой оборот этой подотрасли только в Германии уже превысил 4 млрд. евро.
В.К. Свешников, к.т.н.
Журнал «РИТМ», № 3-4, 2009 г.
