Чому електричним гідравлічним насосним установкам потрібен тисковий вимикач «Пуск–Стоп»?

Гідравлічна силова установка, у якій насос із постійним робочим об’ємом працює проти зворотного клапана, з енергетичної точки зору є машиною, що перетворює електричну енергію на тепло з додатковими кроками. Насос постійно обертається, мастильне масло постійно циркулює, а зворотний клапан постійно скидає його назад у бак під заданим тиском. Нічого корисного не відбувається, окрім нагрівання масла й обертання лічильника електроенергії. Вимикач тиску з функцією запуску-зупинки перериває цей цикл. Він контролює тиск у системі й надсилає команди контактору двигуна — коли вимкнути живлення, а коли знову ввімкнути. Сам вимикач невеликий і недорогий порівняно з насосом або двигуном. Однак наслідки його відсутності або неправильного налаштування ніяк не є незначними чи недорогими.

Зворотний клапан не регулює енергію — він розсіює її

Клапан зниження тиску захищає гідравлічну систему від надмірного тиску. Це його основне призначення. Він не є регулятором тиску у сенсі управління енергією. Коли насос постійної подачі продовжує працювати після зупинки виконавчого механізму або закриття затискного пристрою, кожен літр на хвилину понад те, що потрібно навантаженню, проходить через клапан зниження тиску при заданому тиску. Цей потік перетворюється на тепло з інтенсивністю, пропорційною добутку тиску на витрату. У дослідженні силового блоку затискання, проведеному Гаттінгером і Швіммером у Weber-Hydraulik, електродвигун працював приблизно шістдесят відсотків циклу тривалістю 483 секунди, і значна частина цього часу роботи припадала на протікання мастила через головний клапан зниження тиску. Температура мастила стабілізувалася біля 90°C, хоча тиск затискання сам по собі становив лише близько 80 bar. Це характерний ознака насоса, який продовжує працювати без команди зупинки, заснованої на тиску.

У цьому дослідженні виправлення полягало не в установці нового насоса чи модернізації зі змінним об’ємом подачі. До порту тиску додали невеликий акумулятор, а окремий датчик тиску підключили до контактора двигуна так, щоб насос запускався лише тоді, коли тиск у акумуляторі опускався нижче порогового значення датчика. Час роботи двигуна скоротився до кількох коротких перезарядок за цикл. Виміряне енергоспоживання зменшилося з 96 Вт·год до 11 Вт·год на цикл, а температура мастильної оливи стабілізувалася на рівні кімнатної температури замість 90 °C. Датчик виконав завдання, яке клапан зливу виконати не може: він припинив сплату за тиск, який фактично не використовувався.

Датчики тиску та схеми розвантаження вирішують різні проблеми

Варто розділити перемикач запуску-зупинки від розвантажувального клапана або розвантажувального контуру. Їх часто обговорюють разом, і функції частково перетинаються, але вони працюють у різних частинах системи. Розвантажувальний клапан відводить потік насоса до бака при низькому тиску, тоді як насос продовжує обертатися. Перемикач запуску-зупинки за тиском відключає електроживлення двигуна. Перший зберігає гідравлічну енергію, зменшуючи падіння тиску на насосі; другий — електричну енергію, зупиняючи первинний двигун.

Порівняння цих двох підходів у силовому агрегаті з постійним об’ємом подачі чітко демонструє відмінності.

Третій рядок — це те місце, де вимикач типу «старт-стоп» справді виправдовує себе. У випадку Weber-Hydraulik тисковий вимикач замінив команду на запуск двигуна, що ґрунтувалася на часі й надходила від контролера машини вищого рівня. Контролер запускав двигун перед кожною операцією затискання або розтискання й зупиняв його за фіксованим таймером, незалежно від того, чи був уже доступний необхідний тиск. Вимикач забезпечив реагування двигуна на фактичну гідравлічну потребу, а не на жорсткий графік.

Мертвий хід — це налаштування, яке вирішує, чи допомагає вимикач чи шкодить

Перемикач тиску «старт-стоп» не працює при одному значенні тиску. Він має точку відключення, при якій двигун зупиняється, і точку ввімкнення, при якій двигун запускається знову. Різниця між цими двома значеннями — це «мертва зона», яку іноді називають диференціалом або гістерезисом. Якщо встановити надто вузьку мертвую зону, насос буде часто включатися й вимикатися («короткі цикли») кожного разу, коли навіть невелика витік або термічне стискання знижує тиск нижче точки ввімкнення. Якщо ж встановити надто широку мертвую зону, тиск у системі буде коливатися настільки сильно, що виконавчий механізм або затискач можуть не отримати потрібного тиску до того, як двигун знову запуститься.

Опубліковані дані щодо перемикачів дають уявлення про корисний діапазон. Промислові тиск-перемикачі зазвичай дозволяють «мертву зону» від мінімального фіксованого значення до приблизно 45 % від заданої точки. Емпіричне правило для роботи з гідравлічними силовими агрегатами: почати з «мертвої зони» близько 10–15 % від тиску вимкнення й розширити її, якщо підрахунок циклів показує надмірну кількість включень. Оптимальне значення залежить від об’єму акумулятора, витоку через зворотний клапан і допустимих коливань тиску в процесі на стороні виходу. Тиск-перемикач, який механічно здатний забезпечити різницю в 0,5 бар, не обов’язково слід налаштовувати так жорстко в системі з робочим тиском 200 бар.

Підшипники двигуна та контакти чутливі до частоти включень

Кожне запускання викликає струм застряглого ротора на короткий інтервал, перш ніж двигун досягне робочої швидкості. Цей струм викликає нагрівання обмотки статора й теплове навантаження на стрижні ротора. Виробники двигунів вказують максимально допустиму кількість запусків на годину, і ці обмеження встановлено з певною метою. Тисковий вимикач із надмірно вузькою мертвою зоною може призвести до перевищення граничної кількості запусків двигуна, і ніхто не помітить цього, доки контактор не звариться у замкненому стані або обмотка не вийде з ладу.

Те саме стосується й контактів тискового вимикача. Механічний вимикач із мікроперемикачем миттєвої дії має обмежений електричний термін служби, і кожен запуск двигуна викликає циклювання цих контактів. Зазвичай вимикач не є найслабшим ланкою, але стає нею, коли мертву зону встановлено надто вузько, через що насос перезапускається кожні кілька секунд. Невеликий акумулятор або трохи більша різниця тиску коштує менше, ніж регулярна заміна контакторів. Вимикач слід розглядати як керуючий пристрій із визначеним циклом навантаження, а не як пасивний датчик.

Там, де перемикач запуску-зупинки — неправильний інструмент

Існують обґрунтовані випадки, коли перемикач тиску запуску-зупинки не є правильним рішенням. Якщо насос має працювати безперервно, щоб забезпечити стабільну подачу рідини до пропорційного клапана або сервоприводу, зупинка двигуна робить цю систему неефективною. Якщо в системі немає акумулятора й немає зворотного клапана, здатного утримувати тиск після зупинки двигуна, перемикач просто перезапустить насос майже одразу, і результатом стане коротке циклювання замість економії енергії. Якщо процес вимагає підтримання тиску в дуже вузькому діапазоні, перемикач із практичною «мертвою зоною» може не задовольняти вимоги точності, і кращим рішенням буде пропорційне регулювання тиску у замкненому контурі.

Цей вимикач також не замінює звільнювальний клапан. Він є керуючим пристроєм, а не пристроєм безпеки. Звільнювальний клапан потрібно все одно налаштувати на тиск, вищий за тиск вимкнення вимикача, щоб у разі виходу вимикача з ладу або зварювання контактів контактора насос не працював «на закрите» в заблокованому контурі. Обидва пристрої розташовуються на одному агрегаті, але виконують різні функції й не повинні бути налаштовані таким чином, щоб компенсувати один одного.

Як виглядає добре інтегрований датчик тиску на серійному силовому агрегаті

У правильно сконструйованому електрогідравлічному насосному агрегаті вимикач запуску-зупинки не є додатковим елементом. Його підключений порт розташований там, де він вимірює справжній тиск у системі, а не в «мертвій» ділянці, де може затримуватися повітря, чи в трубопроводі, де тиск вимірюється лише під час одного ходу виконавчого механізму. Електричний корпус відповідає умовам навколишнього середовища — чи то це зона промивання, чи зовнішня установка підйомника, чи верстат із тонким масляним туманом у повітрі. Значення встановленого тиску та «мертвої зони» (deadband) задокументовані, а контактор двигуна має відповідний рейтинг за частотою запусків.

Hydrarite виготовляє гідравлічні силові агрегати, у яких ці деталі інтеграції є частиною збірки, а не опціями для монтажу на об’єкті. На виробничому етапі це має значення, оскільки тиск-перемикач, який правильно підібраний за технічними характеристиками, але встановлений на колекторі з обмеженим каналом сприйняття тиску, не зможе зареєструвати тиск, який йому слід вимірювати. Узгоджене фрезерування приставних отворів, чиста збірка та документально підтверджений тест вимкнення й увімкнення за тиском наприкінці виробничої лінії перетворюють перемикач із каталогового компонента на справжній елемент керування. Сам перемикач — простий. А ось система навколо нього визначає, чи працюватиме він.