Электрический актуатор – реальная альтернатива гидро- и пневмоцилиндрам.

Применение гидравлических и пневматических актуаторов в промышленной автоматике имеет давнюю традицию. По сравнению с ними электрические системы линейного перемещения используются в промышленности сравнительно недавно. Маттиас Йон из Технологического института Гиссен-Фридберг (Германия) провел сравнительное исследование энергоэффективности актуаторов разных систем. Результатом его работы стал однозначный вывод: во многих сферах использования лидерами по энергетической эффективности оказываются электрические системы перемещения.

Сейчас, когда цены на энергоносители постоянно растут, при выборе оборудования для той или иной системы фактор энергоэффективности имеет решающее значение. Именно поэтому в последнее время во многих областях применения на смену гидравлическим и пневматическим системам линейного перемещения пришли электромеханические актуаторы. Маттиас Йон создал для своего исследования специальную установку, позволяющую сравнить уровень энергоэффективности актуаторов разных систем. Для эксперимента были использованы только широко представленные на рынке устройства, сравнимые по мощности и скорости.

Часто актуаторы применяются в системах с варьирующимся весом перемещаемого груза. Исследователь смоделировал на испытательном стенде систему управления положением крышки клапана – одной из типичных для актуаторов сфер применения. В такой системе необходимое перестановочное усилие зависит от угла открытия клапана. Следовательно, и на экспериментальном стенде необходимо было установить нагрузку на актуатор в зависимости от положения клапана. Такую переменную нагрузку легко смоделировать с помощью газовых пружин. В данном случае были использованы пружины с силой сопротивления сжатию 175 Н и силой сопротивления растяжению 280 Н.

В качестве гидравлического компонента был применен модуль фирмы Bosch Rexroth. Такой шестеренный насос с объемной подачей 2 л/мин в основном используется для учебных целей. Насос приводится в действие однофазным двигателем переменного тока мощностью 0,55 кВт. Номинальное давление системы составляет 50 бар, объем масляного бака – 2,8 л. Общая стоимость всех элементов, использованных для описанной гидравлической системы, составила 2671 евро* (* – в данной статье приводятся цены компонентов, приобретенных в Германии в 2010 году).

Для создания пневматической системы были использованы компоненты, аналогичные примененным в гидравлической системе. Что касается генератора сжатого воздуха, то для пневматической части испытательного стенда был использован поршневой компрессор типа SilentMaster 50-8-9 W компании Schneider Airsystems. Данный компрессор, как и гидравлический модуль в описанной выше конструкции, используется для учебных целей и в небольших мастерских. Мощность двигателя этого устройства составляет 0,34 кВт. Указанное заводом-изготовителем конечное давление сжатия составляет 8 бар. Резервуар для сжатого воздуха имеет объем 9 л. Так же, как и для описанного выше гидравлического модуля, для работы такого поршневого компрессора требуется напряжение 230 В. Общая стоимость пневматической системы составила 1161 евро.

В электрической системе был задействован линейный актуатор LA12 фирмы LINAK. Избранное исполнение привода может обеспечивать перестановочное усилие до 300 Н, что прекрасно покрывает желаемый диапазон нагрузок. Кроме того, с ориентировкой на это значение выбирались грузы, которые актуаторы должны были перемещать в ходе эксперимента. Характерной чертой выбранной модели линейного актуатора является то, что он поставляется с фиксированной длиной штока вне зависимости от того, какое исполнение модели выбирает клиент: необходимая в каждом конкретном случае длина хода настраивается с помощью встроенных концевых выключателей. Это дает возможность производителю ограничить количество деталей, используемых для данного актуатора, и при этом обеспечить широкий спектр различных применений одной модели. Это преимущество способствует снижению стоимости такого актуатора. Поэтому создание экспериментальной электрической системы обошлось исследователю всего в 480 евро. Для того чтобы подключить актуатор к электросети, необходимо напряжение 230. В переменного тока преобразовать в напряжение 24 В постоянного тока.

Итак, можно констатировать, что серьезное преимущество электрических актуаторов состоит в том, что они потребляют энергию строго в соответствии с нагрузкой. Когда они не перемещают груз, то небольшое количество энергии расходуется лишь на работу трансформатора.

Гидравлическая система постоянно требует большого напряжения. Периодические колебания объясняются тем, что при выдвижении цилиндра общий объем системы увеличивается и нагрузка на насос несколько снижается.

Перед запуском пневматической системы необходимо повысить давление в ней до рабочего значения. В это время энергия затрачивается, однако никакая работа по перемещению не совершается. В течение рабочего цикла происходит забор воздуха из резервуара, и давление в нем падает. Это приводит к колебанию перестановочной силы, точнее, к ее постоянному падению вплоть до очередной подкачки агрегата.

В ходе эксперимента три системы совершили по 12 циклов и подняли груз на 100 мм. Сравнение энергозатрат на эти действия ясно указывает на преимущество электрического актуатора. Результаты эксперимента однозначно указывают на то, что электрическая система имеет преимущества как по части расхода энергии, так и по части стоимости оборудования и его компактности. Однако исследователь приходит к выводу, что выбор той или иной системы в каждом конкретном случае должен зависеть от сферы ее применения и поставленных задач. Так, например, гидравлическая система на описанном экспериментальном стенде не была задействована на полную мощность. Но все же основные результаты работы Маттиаса Йона недвусмысленно указывают на то, что электрический актуатор является отличной энергоэффективной альтернативой гидравлическим и пневматическим системам.

Фотографиии и материалы предоставлены компанией LINAK