راندمان یونیت برق هیدرولیک چقدر است؟

واحد برق هیدرولیک کارایی: پاسخ مستقیم

یک واحد برق هیدرولیک معمولی (HPU) با راندمان کلی کار می کند 60% تا 85% بسته به طراحی سیستم، کیفیت قطعات، شرایط عملیاتی و وضعیت نگهداری. واحدهای توان هیدرولیک با کارایی بالا یا هدفمند با پمپ‌های جابجایی متغیر و کنترل‌های بهینه می‌توانند به بازدهی دست یابند. تا 90٪ یا کمی بالاتر در شرایط ایده آل با این حال، بسیاری از HPU های صنعتی دنیای واقعی که پمپ های جابجایی ثابت را تحت بارهای جزئی اجرا می کنند، به طور منظم در 60% تا 75% محدوده ناشی از تلفات دریچه گاز، تولید گرما و نشت.

راندمان کلی یک واحد قدرت هیدرولیک یک عدد ثابت نیست - این محصول حاصل چند بازده فرعی در پمپ، موتور، دریچه‌ها، محرک‌ها، لوله‌کشی و شرایط سیال است. درک سهم هر جزء به مهندسان و تیم‌های تعمیر و نگهداری کمک می‌کند تا تشخیص دهند کجا انرژی از دست می‌رود و بهبودها در کجا بیشترین تأثیر را خواهند داشت.

چگونه راندمان در یک واحد برق هیدرولیک تعریف می شود

راندمان در یک واحد قدرت هیدرولیک به صورت نسبت توان خروجی هیدرولیک مفید به کل توان الکتریکی ورودی مصرف شده توسط سیستم بیان می شود. فرمول ساده است:

راندمان کلی (η) = توان خروجی هیدرولیک / توان ورودی الکتریکی × 100%

توان خروجی هیدرولیک به صورت دبی ضرب در فشار (Q × P) محاسبه می شود. توان ورودی الکتریکی، وات اندازه گیری شده توسط موتور از منبع تغذیه است. تفاوت بین این دو نشان دهنده تلفات در قالب گرما، نویز و اصطکاک مکانیکی است که در تمام اجزای سیستم توزیع می شود.

راندمان همچنین به سه زیر دسته اصلی تقسیم می شود که برای اجزای جداگانه، به ویژه پمپ هیدرولیک اعمال می شود:

• بازده حجمی: نسبت جریان واقعی تحویل شده در مقابل جریان نظری. نشتی داخلی داخل پمپ این رقم را کاهش می دهد. مقادیر معمول برای پمپ های دنده ای 90-95٪ و برای پمپ های پیستونی 95-99٪ است.
• راندمان مکانیکی: تلفات اصطکاک در یاتاقان ها، مهر و موم ها و قطعات دوار را محاسبه می کند. معمولاً بین 90٪ تا 97٪ برای پمپ های خوب نگهداری می شود.
• راندمان کلی پمپ: محصول راندمان حجمی و مکانیکی. برای یک پمپ پیستونی محوری با کیفیت، این مقدار معمولاً بین 87 تا 95 درصد قرار دارد.

فراتر از پمپ، موتور الکتریکی که واحد برق هیدرولیک را به حرکت در می آورد، کارایی خاص خود را دارد، معمولاً بین 88% و 96% برای موتورهای القایی مدرن ضرب راندمان پمپ در راندمان موتور، راندمان تبدیل توان را قبل از شمارش تلفات شیر ​​یا مدار به دست می‌دهد.

محدوده کارایی بر اساس نوع پمپ هیدرولیک

نوع پمپ مورد استفاده در واحد قدرت هیدرولیک بیشترین تأثیر را بر راندمان سیستم دارد. هر طرح پمپ دارای یک منحنی کارایی مشخصه است که با تنظیم سرعت، فشار و جابجایی تغییر می کند.

پمپ های دنده ای مقرون به صرفه ترین و به طور گسترده در HPU های فشار کم تا متوسط استفاده می شوند، اما راندمان حجمی کمتر آنها در فشارهای بالاتر، آنها را به گزینه ای ضعیف برای کاربردهای حساس به انرژی تبدیل می کند. پمپ های پیستونی محوری، در حالی که گران تر هستند، به طور مداوم بهترین راندمان را ارائه می دهند و در واحدهای برق هیدرولیک صنعتی که هزینه های انرژی قابل توجه است، انتخاب ارجح هستند.

منابع اصلی اتلاف انرژی در یک واحد برق هیدرولیک

درک محل وقوع تلفات برای بهبود راندمان هر واحد قدرت هیدرولیک ضروری است. ضررها در چندین نقطه توزیع می شوند و برخی از آنها سهم بیشتری نسبت به سایرین دارند.

دریچه گاز و افت فشار در شیرهای کنترل

شیرهای کنترل جهت، شیرهای کاهش فشار و شیرهای کنترل جریان همگی با عبور روغن از میان آنها افت فشار ایجاد می کنند. در یک مدار اندازه گیری یا اندازه گیری، اختلاف فشار در شیر کنترل مستقیماً به گرما تبدیل می شود. در بسیاری از سیستم های صنعتی، این تلفات مربوط به سوپاپ به تنهایی به حساب می آید 15 تا 30 درصد کل انرژی ورودی . سیستمی که با 200 بار کار می کند و یک شیر کنترلی باعث افت 30 بار می شود، 15 درصد انرژی فشار را در آن نقطه قبل از رسیدن سیال به محرک هدر می دهد.

پمپ جابجایی ثابت با ظرفیت کامل تحت بار جزئی کار می کند

یکی از بزرگترین ناکارآمدی‌ها در طراحی سنتی واحد برق هیدرولیک، استفاده از پمپ جابه‌جایی ثابت است که همیشه حداکثر جریان را ارائه می‌کند، حتی زمانی که سیستم فقط به کسری از آن جریان نیاز دارد. جریان اضافی از طریق یک دریچه کاهش فشار در فشار سیستم به مخزن بازگردانده می شود - وضعیتی به نام "دمیدن از روی امداد". این به طور مداوم انرژی را هدر می دهد و گرمای قابل توجهی تولید می کند. مطالعات نشان داده است که یک HPU با پمپ ثابت که با 30 درصد بار نامی خود کار می کند ممکن است هدر رود. 40 درصد یا بیشتر از توان ورودی تنها در تلفات بای پس

نشتی داخلی

نشتی داخلی در پمپ‌ها، موتورها، سیلندرها و سوپاپ‌ها زمانی اتفاق می‌افتد که سیال پرفشار از مهر و موم‌ها و فاصله‌ها به سمت کم فشار عبور می‌کند. در حالی که مقداری نشتی داخلی برای روانکاری طبیعی و ضروری است، نشتی بیش از حد به دلیل سایش یا فاصله های زیاد باعث کاهش راندمان حجمی می شود. یک پمپ با 5 درصد نشتی داخلی باید 5 درصد بیشتر از نیاز سیستم جریان داشته باشد و صرفاً برای جبران انرژی اضافی مصرف کند. در قطعات فرسوده، این نشتی می تواند به 10-15٪ افزایش یابد، به طور قابل توجهی عملکرد سیستم را کاهش می دهد.

تلفات اصطکاک لوله و شیلنگ

هنگامی که سیال هیدرولیک از میان لوله‌ها، شیلنگ‌ها و اتصالات جریان می‌یابد، اصطکاک افت فشاری متناسب با مجذور سرعت جریان ایجاد می‌کند. لوله کشی کم اندازه باعث افزایش سرعت می شود و تلفات را به طور چشمگیری افزایش می دهد. حداکثر سرعت جریان توصیه شده در خطوط فشار معمولاً است 2-4 متر بر ثانیه ، و در خطوط برگشت 1-2 متر بر ثانیه . سیستم‌هایی که لوله‌های بیش از حد طولانی، خمیدگی‌های تیز یا اتصالات متعدد دارند می‌توانند 5 تا 10 درصد فشار موجود را قبل از رسیدن سیال به محرک از دست بدهند.

تولید گرما و بار خنک کننده

تمام تلفات فوق در نهایت به صورت گرما در سیال هیدرولیک ظاهر می شود. معمولاً دمای سیال باید در یک محدوده مناسب حفظ شود 40 تا 60 درجه سانتی گراد برای اکثر روغن های معدنی - برای حفظ ویسکوزیته و جلوگیری از تخریب. هنگامی که سیال خیلی داغ می شود، ویسکوزیته کاهش می یابد، نشتی افزایش می یابد و راندمان پمپ کاهش می یابد و یک چرخه منفی ترکیبی ایجاد می کند. انرژی مصرف شده توسط کولرهای روغن (و فن ها یا مدارهای آب آن ها) به مصرف انرژی کلی سیستم می افزاید و بازده خالص را از دیدگاه اپراتور کاهش می دهد.

چگونه درایوهای با سرعت متغیر به طور چشمگیری راندمان واحد برق هیدرولیک را بهبود می بخشند

تاثیرگذارترین ارتقای موجود برای یک واحد قدرت هیدرولیک موجود، افزودن یک درایو با سرعت متغیر (VSD) که درایو فرکانس متغیر (VFD) نیز نامیده می‌شود، بر روی موتور الکتریکی است. یک VSD به جای اینکه موتور را با سرعت کامل دائماً کار کند و جریان اضافی را دور بزند، سرعت موتور را در زمان واقعی تنظیم می کند تا دقیقاً با جریان و فشار مورد نیاز سیستم مطابقت داشته باشد.

صرفه جویی در انرژی حاصل از این رویکرد بر اساس قوانین میل ترکیبی برای پمپ ها است که بیان می کند مصرف برق با مکعب سرعت پمپ متفاوت است . کاهش سرعت پمپ به 80 درصد سرعت نامی خود، مصرف برق را تا حدودی کاهش می دهد 51% مصرف با سرعت کامل کاهش سرعت تا 60 درصد مصرف برق را تقریباً به پایین می‌آورد 22% از بار کامل اینها ارقام تئوری هستند، اما تاسیسات در دنیای واقعی به طور مداوم صرفه جویی در انرژی را نشان می دهند 30% تا 60% در مقایسه با HPU های با سرعت ثابت که چرخه کاری مشابهی دارند.

یک مطالعه موردی از یک مرکز قالب‌گیری تزریق پلاستیک که جایگزین HPU‌های پمپ ثابت با واحدهای مبتنی بر VSD روی 15 ماشین شده بود، میانگین صرفه‌جویی سالانه برق را گزارش کرد. 42% در هر دستگاه، با دوره بازپرداخت کمتر از 18 ماه با نرخ برق محلی. کاهش تولید گرما همچنین باعث کاهش زمان کار کولر روغن و افزایش فواصل سرویس روغن شد.

واحدهای قدرت هیدرولیک مبتنی بر VSD در حال حاضر در بسیاری از کاربردهای صنعتی با وظایف بالا استاندارد هستند، از جمله:

• دستگاه های قالب گیری تزریقی و قالب گیری بادی
• پرس های مهر زنی و شکل دهی فلز
• ماشین های ریخته گری دایکاست
• سیستم های گیره هیدرولیک ماشین ابزار CNC
• تجهیزات عرشه دریایی و سیستم های هیدرولیک دریایی

نقش سیال هیدرولیک در کارایی سیستم

انتخاب و شرایط سیال هیدرولیک تأثیر مستقیم و قابل اندازه گیری بر راندمان یک واحد قدرت هیدرولیک دارد. ویسکوزیته سیال پارامتر حیاتی است. اگر ویسکوزیته خیلی زیاد باشد، مقاومت پمپاژ و اصطکاک سیال افزایش می‌یابد و تلفات مکانیکی را افزایش می‌دهد. اگر ویسکوزیته خیلی کم باشد، نشتی داخلی افزایش می‌یابد که بازده حجمی را کاهش می‌دهد و به طور بالقوه باعث تماس فلز با فلز در پمپ‌ها و موتورها می‌شود.

اکثر سیستم های هیدرولیک حول روغن معدنی ISO VG 46 یا ISO VG 68 طراحی شده اند، با پنجره ویسکوزیته عملیاتی بهینه معمولاً بین 25 و 54 cst در دمای عملیاتی اجرای خارج از این پنجره - به دلیل سرد یا خیلی گرم بودن سیستم، یا به دلیل استفاده از درجه اشتباه - می تواند بازده پمپ را کاهش دهد. 3 تا 8 درصد .

سیالات هیدرولیک مصنوعی، به ویژه روغن‌های مبتنی بر پلی آلفائولفین (PAO) می‌توانند بازده کمی را بهبود بخشند. 1% تا 3% بیش از روغن معدنی معمولی از طریق ویژگی های ویسکوزیته-دمای بهتر و اصطکاک داخلی کمتر. این دستاوردها در مطالعات مستقل متعدد و داده های آزمایش سازنده پمپ سازگار است. در حالی که 1 تا 3 درصد متوسط ​​به نظر می رسد، در یک HPU صنعتی بزرگ که 100 کیلو وات به طور مداوم مصرف می کند، نشان دهنده 1000 تا 3000 وات انرژی ذخیره شده است - مقدار معنی داری در یک چرخه عملیاتی سالانه.

آلودگی مایعات نیز به همان اندازه مهم است. ذرات موجود در سیال هیدرولیک سایش قطعات را تسریع می کنند، نشت داخلی را افزایش می دهند و دهانه شیر را مسدود می کنند. حفظ پاکیزگی سیال طبق کد پاکیزگی ISO 4406 17/15/12 یا بهتر برای اکثر HPU های صنعتی بهترین عمل در نظر گرفته می شود. سیستم‌های با سیال تخریب شده اغلب با افزایش سایش پمپ و شیر، افت قابل‌اندازه‌گیری در راندمان حجمی نشان می‌دهند.

مقایسه کارایی HPU با جابجایی ثابت در مقابل با جابجایی متغیر

بسیاری از واحدهای برق هیدرولیک کوچک و متوسط از پمپ‌های دنده‌ای یا پره‌ای با جابجایی ثابت استفاده می‌کنند زیرا ارزان، فشرده و نگهداری آن‌ها ساده است. پمپ های پیستونی با جابجایی متغیر به طور قابل توجهی هزینه بیشتری دارند اما خروجی را با تقاضا مطابقت می دهند و تلفات بای پس را کاهش می دهند. تفاوت راندمان بین این دو روش در طول عملیات بار جزئی بیشتر آشکار می شود.

جدول بالا نشان می دهد که چرا HPU های پمپ ثابت مخصوصاً برای برنامه هایی با چرخه تقاضای متغیر مناسب نیستند. در 25 درصد بار، یک واحد جابجایی ثابت ممکن است بیش از دو سوم انرژی ورودی خود را هدر دهد، در حالی که یک واحد جابجایی متغیر مجهز به VSD معادل، کسری خروجی مفید بسیار بالاتری را حفظ می‌کند.

گام های عملی برای بهبود راندمان واحد برق هیدرولیک شما

بهبود راندمان یک واحد برق هیدرولیک موجود همیشه نیاز به تعویض کامل ندارد. بسیاری از ارتقاها را می توان به صورت تدریجی و با بازده سرمایه گذاری قابل اندازه گیری اعمال کرد.

حسابرسی مصرف انرژی فعلی

قبل از ایجاد هر گونه تغییر، یک کنتور برق بر روی منبع تغذیه موتور نصب کنید و در یک چرخه کامل دستگاه، مصرف را ثبت کنید. منحنی توان اندازه گیری شده را با حداقل نظری مورد نیاز پروفایل بار مقایسه کنید. شکاف بین مصرف واقعی و حداقل نظری نشان دهنده زیان های قابل بازیافت است. در بسیاری از HPUهای قدیمی با پمپ ثابت، این شکاف وجود دارد 25% تا 45% از کل مصرف

پمپ و موتور را اندازه درست کنید

پمپ ها و موتورهای بزرگ در هیدرولیک صنعتی رایج هستند زیرا مهندسان فاکتورهای ایمنی سخاوتمندانه را اعمال می کنند یا از اجزای موجود استفاده مجدد می کنند. پمپی که با 40 درصد جابجایی نامی خود کار می کند به خوبی دور از نقطه اوج بازده خود کار می کند. تطبیق جابجایی پمپ با تقاضای واقعی سیستم - به طور ایده آل در 70 تا 90٪ ظرفیت نامی در اوج بار کار می کند - پمپ را در کارآمدترین محدوده خود نگه می دارد.

یک درایو با سرعت متغیر نصب کنید

همانطور که در بالا توضیح داده شد، نصب یک VSD به موتور موجود معمولاً بالاترین ROI ارتقاء واحد برای هر واحد قدرت هیدرولیک مورد استفاده در برنامه های کاربردی با وظیفه متغیر است. VSD های مدرن همچنین قابلیت شروع نرم، کاهش جریان هجومی موتور و شوک مکانیکی در هنگام راه اندازی را ارائه می دهند که باعث افزایش طول عمر پمپ و موتور می شود.

ارتقاء به Load-sensing Control

مدارهای هیدرولیک حسگر بار (LS) از یک سیگنال پیلوت از محرک برای تنظیم مداوم فشار خروجی پمپ و جریان استفاده می کنند تا کمی بالاتر از مقدار مورد نیاز بار - معمولاً 15-25 بار بالاتر از فشار بار . این امر حاشیه های فشار زیاد و تلفات دریچه گاز موجود در مدارهای مرکز باز را حذف می کند. سیستم‌های حسگر بار پیچیده‌تر و گران‌تر برای پیاده‌سازی هستند، اما می‌توانند مصرف انرژی سیستم را کاهش دهند 20 تا 40 درصد در کاربردهای موبایل و صنعتی با بارهای متغیر.

فشار سیستم را به حداقل مورد نیاز کاهش دهید

بسیاری از سیستم‌های هیدرولیک بر روی فشارهای بالاتر از آنچه کاربرد واقعی نیاز دارد تنظیم می‌شوند، یا به دلیل مهندسی بیش از حد اصلی یا به دلیل افزایش فشار عملیاتی برای جبران اجزای فرسوده. هر 10 بار فشار غیر ضروری سیستم نشان دهنده انرژی تلف شده در مدار پمپ ثابت است. بازنگری سیستماتیک تنظیمات فشار و کاهش آنها به حداقلی که به طور قابل اعتماد نیروی محرک مورد نیاز را به دست آورد، یک بهبود بازده بدون هزینه یا کم هزینه است که اغلب نتیجه می دهد. 5% تا 15% صرفه جویی در انرژی

سیالات هیدرولیک و سیستم فیلتراسیون را حفظ کنید

نمونه برداری و تجزیه و تحلیل منظم روغن، همراه با تعویض به موقع فیلتر، سیال هیدرولیک را در محدوده ویسکوزیته بهینه نگه می دارد و از سایش قطعات پمپ و شیر جلوگیری می کند. بسیاری از امکانات برنامه های تعمیر و نگهداری پیش بینی که وضعیت سیال را از نزدیک بررسی می کنند گزارش می دهند 10-20٪ طول عمر بیشتر قطعات و بازده سیستم به طور قابل توجهی پایدارتر در طول زمان در مقایسه با برنامه‌های تعویض روغن مبتنی بر تقویم.

عایق کاری و مدیریت دمای سیال

در محیط‌های سرد، سیستم‌های هیدرولیک برای رسیدن به دمای عملیاتی زمان بیشتری می‌برند، در این دوره سیال با ویسکوزیته بالا تلفات اصطکاک را افزایش می‌دهد. عایق کاری دیواره های مخزن یا استفاده از پیش گرمکن های کنترل شده با ترموستاتیک زمان گرم شدن و تلفات راندمان مرتبط را کاهش می دهد. در محیط های گرم، اطمینان از اندازه و نگهداری مناسب مبدل حرارتی، از کارکرد سیستم بالاتر از باند دمای مطلوب جلوگیری می کند، که در غیر این صورت نشت را تسریع کرده و سیال را سریعتر تجزیه می کند.

چگونه راندمان واحد برق هیدرولیک بر هزینه های عملیاتی تأثیر می گذارد

راندمان تأثیر مالی مستقیم و مرکب بر طول عمر یک واحد قدرت هیدرولیک دارد. یک HPU 50 کیلوواتی که با راندمان کلی 65 درصد کار می کند تقریباً نیاز دارد 76.9 کیلووات ورودی الکتریکی برای ارائه 50 کیلووات کار مفید هیدرولیک. همان HPU ارتقا یافته به راندمان 82 درصد فقط نیاز دارد 61 کیلو وات ورودی - اختلاف نزدیک به 16 کیلو وات.

با نرخ برق 0.12 دلار در هر کیلووات ساعت و 5000 ساعت کار در سال، این تفاوت 16 کیلووات هزینه دارد. 9600 دلار در سال . در طول عمر 10 ساله تجهیزات، 96000 دلار هزینه برق قابل اجتناب از یک HPU است. تأسیسات با واحدهای نیرو هیدرولیک متعدد، همانطور که در کارخانه‌های مونتاژ خودرو، ریخته‌گری‌ها و خطوط تولید سنگین یافت می‌شود، این رقم را بر این اساس ضرب می‌کند.

فراتر از برق، راندمان کمتر به معنای تولید گرمای بیشتر است که هزینه های خنک کننده را افزایش می دهد، تخریب روغن را تسریع می کند، عمر آب بندی و پمپ را کوتاه می کند و فرکانس تعمیر و نگهداری را افزایش می دهد. هزینه کل مالکیت یک HPU با راندمان پایین به طور قابل توجهی بالاتر از قیمت خرید آن است.

عوامل کلیدی که کارایی را در هر واحد برق هیدرولیک مشخصی تعیین می کند

برای خلاصه کردن متغیرهایی که تعیین می کنند یک واحد قدرت هیدرولیک خاص در کجای طیف بازده قرار می گیرد:

• نوع و وضعیت پمپ: پمپ های پیستونی محوری در شرایط خوب به طور مداوم از پمپ های دنده ای و پره ای به ویژه در فشارهای بالاتر بهتر عمل می کنند.
• سیستم درایو: موتورهای مجهز به VSD بهترین راندمان بار جزئی را ارائه می دهند و در حال حاضر در تاسیسات آگاه از انرژی استاندارد در نظر گرفته می شوند.
• معماری کنترل: سیستم های حسگر بار و جبران فشار، تلفات دریچه گاز را در مقایسه با مدارهای مرکز باز با فشار ثابت به حداقل می رساند.
• تنظیم فشار سیستم: فشارهای کمتر باعث کاهش تلفات بای پس و تولید گرما در سیستم های پمپ ثابت می شود.
• نوع و شرایط مایع: درجه صحیح، مایع تمیز در شرایط خوب، نشت و تلفات اصطکاک را در حداقل مقادیر نگه می دارد.
• طراحی لوله کشی: لوله های با اندازه صحیح، کوتاه و با مقاومت کم، افت فشار اصطکاک را به حداقل می رساند.
• دمای عملیاتی: حفظ سیال در محدوده ویسکوزیته بهینه (معمولاً 40 تا 60 درجه سانتیگراد) باعث حفظ راندمان حجمی و مکانیکی می شود.
• وضعیت سایش قطعات: پمپ ها، سیلندرها و سوپاپ های فرسوده همگی نشت داخلی را افزایش می دهند و راندمان حجمی را در طول زمان کاهش می دهند.

پرداختن به همه این عوامل به طور سیستماتیک - از طریق طراحی اولیه هوشمند و تعمیر و نگهداری مداوم - چیزی است که یک واحد نیرو هیدرولیک که با راندمان 85٪ کار می کند را از واحدی که در تلاش برای رسیدن به 65٪ است جدا می کند.