Перспективы применения гидропривода в современных станках

Статья "Новые возможности и риски" (см. КМ 2011 № 2) поднимает достаточно актуальную для современного станкостроения проблему. Появление на выставке первого в мире многоцелевого станка мод. G350 фирмы Grob, совершенно лишенного гидравлики и обеспечивающего обработку "с потрясающей скоростью", произвело, по мнению автора, эффект разорвавшейся бомбы, убившей в одночасье всю гидравлическую технологию. В этой связи возникает вопрос: насколько новая модель будет успешна в эксплуатации в отличие от остальных, которые, по-видимому, гидрофицированы? Вот когда фирма Grob напишет о снятии с производства последнего гидрофицированного станка, она действительно "угробит" гидравлику.

Каждому пользователю металлообрабатывающих станков настоятельно рекомендуется учитывать мнение руководителя отдела систем управления компании Index, бездоказательно отвергающего якобы неэффективные гидроприводы. Все остальные участники дискуссии отзываются о гидроприводах положительно (или скорее положительно).

Нам очень импонирует призыв господина Хайко Швиндта "детально проанализировать все преимущества и недостатки применения гидравлических компонентов и сравнить их с электромеханическими аналогами". К сожалению, эту работу еще предстоит выполнить в будущем, после чего возможна настоящая инженерная оценка.

В процессе анализа необходимо тщательно рассмотреть сильные и слабые стороны обеих технологий с целью выбора оптимального варианта привода для каждого конкретного случая применения. К несомненным преимуществам электрики можно отнести простоту и гибкость управления (в том числе микропроцессорного), а также контроля и диагностирования, высокую скорость передачи управляющих сигналов, большие предельные частоты управления, отсутствие промежуточного энергоносителя, трубопроводов и баков с системами кондиционирования.

Гидравлика, со своей стороны, обладает исключительными силовыми характеристиками; высокими быстродействием и диапазоном регулирования; возможностью защиты от перегрузки, точного контроля сил и аккумулирования энергии; простотой реализации прямолинейного движения; идеальной защитой от внешних загрязнений (в том числе возможностью работы под водой); высокой долговечностью; наличием большого разнообразия устройств управления (в том числе мехатронных - со встроенной электроникой). Гидравлика имеет более высокую надежность (особенно в сравнении с силовой электромеханикой, работающей в условиях больших динамических нагрузок); в среднем на порядок выше предельная силовая напряженность, угловые ускорения и массовая отдача. Применение гидроприводов позволяет снять проблемы изоляции, коммутации, управления высоким напряжением, пожароопасности (при использовании негорючих жидкостей), влияния электромагнитных полей, чувствительности к режимам остановки под нагрузкой, легко реализуется многократное резервирование путем простого переключения гидроаппаратов. Немаловажным обстоятельством является существенное упрощение смазочных систем по сравнению с электрической версией. Интересен опыт смежных отраслей, например, проводимые в последние три десятилетия в авиации работы в рамках концепции полностью электрического самолета.

Интересен опыт смежных отраслей, например, проводимые в последние три десятилетия в авиации работы в рамках концепции полностью электрического самолета.

При этом разработчики довольно неожиданно столкнулись с новыми серьезными проблемами, в частности, перегревом электроприводов, главным образом при длительной остановке под нагрузкой. Если в гидросистемах выделяющееся тепло постоянно отводится потоком рабочей жидкости (РЖ) в бак, то в электроприводах можно рассчитывать только на конвекцию, которая при малых площадях теплоизлучения крайне ограниченна. Это в ряде случаев приводит даже к расслоению углеродистой волокнистой структуры обшивки самолета. Применительно к станкостроению можно отметить, что локальный разогрев электроприводов недопустим для прецизионного оборудования из-за тепловых деформаций корпусных деталей и потериточности.

Учитывая, что приводные электродвигатели и исполнительные органы обычно связаны через редукторы с высокими передаточными отношениями (часто более 1:100), собственная инерция ротора до 500 раз превышает приведенную инерцию нагрузки, а, следовательно, в переходных режимах имеют место неоправданно большие пусковые токи. Наконец, в электрической версии самолета очень затруднено резервирование, т.к. для отключения неисправного механизма требуются дополнительные сложные кинематические связи (дифференциалы и др.)

В связи с вышеизложенным после многолетних исследований заговорили уже не о полностью, а о более электрическом самолете с гибридными приводами (например, основным гидравлическим и резервным электромеханическим). Кстати, в гидросистеме современного авиалайнера Airbus 380 используются восемь насосов с приводной мощностью по 93 кВт.

Остановимся более подробно на конкретных претензиях к гидроприводу, предъявляемых участниками дискуссии. Прежде всего это касается энегроэффективности. Представитель фирмы Grob говорит, что "КПД гидравлики невысок", специалист Bosch Rexroth призывает "создавать еще более энергоэффективные гидросистемы", а менеджер по продажам фирмы Parker Нannifin отмечает, что "нынешние гидравлические устройства часто работают постоянно, что обуславливает более высокое потребление электроэнергии". Ему вторит директор компании Röhm, утверждающий, что в отличие от электроприводов "гидравлическим устройствам постоянно необходима энергия, т. е. они расходуют электричество даже в режиме ожидания".

Между тем современная гидравлика предлагает множество средств повышения энергоэффективности. Среди них регулируемые насосы, в том числе с компенсаторами давления (возможно, со сбросом давления в паузах между рабочими циклами), p/Q-регулированием, обеспечивающим электронное управление давлением и подачей в соответствии с требованиями того или иного конкретного перехода цикла, или LS-регулированием (с чувствительностью к нагрузке). Расширяется применение многопоточных нерегулируемых насосов с возможностью индивидуальной разгрузки отдельных секций. Полное отсутствие дроссельных потерь мощности имеет место в насосно-аккумуляторных гидроприводах, в которых нерегулируемый насос периодически подзаряжает аккумулятор и разгружается в паузах между циклами подзарядки. Хорошие перспективы энергосбережения у частотно-регулируемых приводов, в которых требуемая подача насоса обеспечивается путем изменения частоты его вращения. Постоянно совершенствуются объемные принципы регулирования и аппаратные средства разгрузки. В длительных паузах между циклами вообще возможно полное отключение насоса, однако этого предпочитают не делать, направляя поток РЖ под минимальным давлением в системы кондиционирования (фильтрации и охлаждения).

Появившиеся в последние годы мультипликаторы давления (например, miniBOOSTER) позволяют многократно увеличивать давление в гидросистеме (до 200...500 МПа) и создавать исключительно компактные зажимные механизмы (в том числе расположенные на паллетах с подключением к гидросистеме только в позиции загрузки-выгрузки) без применения сравнительно малонадежных и дорогих насосов высокого давления. При этом использование объемного принципа работы полностью исключает дроссельные потери мощности.

Электрогидравлический симбиоз на базе новейшей комплектации, например, фирмы, позволяет повысить энергоэффективность за счет действия силы гравитации. Изюминкой системы является обратимый двигатель переменного тока с компьютерным управлением и постоянными магнитами, связанный муфтами с дизелем и шестеренным насосом гидропривода вертикального перемещения, причем через специальный преобразователь двигатель соединен с аккумулятором. Таким образом, при подъеме нагрузки двигатель работает в моторном режиме, а при опускании - в генераторном, обеспечивая рекуперацию энергии, а дизель включается лишь при первоначальном запуске и периодической подзарядке аккумулятора. Сообщается, что новая система проходит испытания на мобильных машинах, обеспечивая энергосбережение в диапазоне 5...40% (в зависимости от конкретного применения). В станочных гидроприводах уравновешивания минимизация энергетических потерь достигается путем использования пневмогидравлических аккумуляторов, возможно, с дополнительным газовым баллоном.

В дискуссии прозвучали определенные претензии к шуму гидроприводов. Следует отметить, что, поскольку уровень шума сейчас является одним из основных критериев в конкурентной борьбе производителей компонентов гидравлики, и прежде всего насосов, за последние годы достигнуты впечатляющие успехи по его снижению. Примером капитального решения проблемы являются компактные модули фирмы Hawe, называемые "интеллигентной гидравликой, которую не видно и не слышно". В этих устройствах расположенные в общем корпусе насос (давление до 70 МПа) и электродвигатель находятся под уровнем РЖ, а гидроаппаратура (возможно, аккумулятор и теплообменник) установлены снаружи. Замена одной общей насосной установки несколькими компактными агрегатами, расположенными вблизи от рабочих органов, в том числе на движущихся суппортах и порталах, позволяет резко сократить число трубопроводов и рукавов высокого давления.

Что касается загрязнения окружающей среды, гидравлики многое сделали для уменьшения необходимых вместимостей баков, полного исключения наружных утечек и использования более экологически приемлемых РЖ. Таким образом, уровни загрязнений, создаваемые гидроприводами или смазочными системами электроприводов, становятся практически соизмеримыми. Учитывая, что в станках наряду с гидравликой широко используются и другие "жидкостные" системы (смазка, СОЖ, охлаждение), исключение гидроприводов вряд ли окажет решающее влияние на улучшение общей экологической безопасности. Замечание главы компании Röhm о невозможности прямого подключения гидроприводов к системе управления станком вызывает сомнение. Уже много лет известны модули программного обеспечения, например, фирмы Bosch Rexrоth, которые могут одновременно управлять электрическими, гидравлическими или пневматическими координатами. Они компенсируют нелинейности гидравлики, улучшают динамику приводов за счет уменьшения влияния сжимаемости РЖ либо указывают оптимальную степень демпфирования гидропривода, анализируя переходные процессы. Интерфейс SERCOS позволяет в режиме online управлять как электрическими, так и гидравлическими приводами, причем программа обработки может контролироваться и изменяться, в том числе по телефону или через Интернет. Система МАС-8 той же фирмы хорошо адаптирована для управления 32 гидравлическими и электрическими осями в режиме реального времени с учетом специфики гидроприводов.

Одним из определяющих преимуществ гидравлики является возможность непосредственного получения прямолинейного
движения с помощью гидроцилиндров. До настоящего времени еще не создан более эффективный по комплексу технических показателей исполнительный силовой двигатель. Широко рекламируемые в качестве альтернативы гидравлике линейные электроприводы значительно уступают гидроцилиндрам из-за необходимости защиты от СОЖ и стружки, охлаждения,имеющихся проблем встройки в конструкцию, стоимости и долговечности. В последние годы для изготовления гидроцилиндров широко используется технология, базирующаяся на применении заготовок для гильз и штоков с окончательно обработанными рабочими поверхностями, а также других серийно изготовляемых компонентов (поршней, букс, проушин, кры-шек, опорно-уплотнительных элементов). Таким образом, потребитель получает возможность самостоятельного изготовления высококачественных гидроцилиндров по индивидуальным проектам с минимальными трудозатратами. Возможно, это уникальный случай в приводной технике, по крайней мере, в электроприводах нам неизвестны аналогичные примеры. Представляется интересной система CIMS фирмы Bosch Rexroth, позволяющая с точностью ± 0,03% от полного хода измерять перемещения штока гидроцилиндра. Основой системы является установленный в передней крышке компактный тензорезистивный датчик, взаимодействующий со штоком, на котором под слоем керамического покрытия нанесены риски синусоидальной формы. На выставке в Ганновере 2011 г. впервые демонстрировались комплектные узлы, состоящие из гидроцилиндра и насосного мини-агрегата.

Наиболее востребованные области применения гидравлики в многоцелевых станках: зажим обрабатываемой детали, инструмента, поворотных столов, пинолей и др.; уравновешивание вертикально расположенных рабочих органов; переключение диапазонов скоростей главного привода; угловая ориентация шпинделя; устранение зазоров; изменение натяга шпиндельных подшипников; блокировочные устройства; приводы автооператоров смены инструмента, транспортных систем и ограждений, а также устройств уборки стружки; гидростатические опоры; смазка и охлаждение основных механизмов.

Перспективы применения гидроприводов зависят от направления развития технологий металлообработки в XXI веке. Например, сравнительно недавно были созданы новый режущий инструмент - высоконапорная гидроабразивная струя воды - и соответствующая технология гидроструйной резки. Теперь это уже 5-координатная прецизионная обработка сложнопрофильных деталей на гидрофицированном станке с давлением, превосходящим 600 МПа. Постоянно расширяющееся использование малоотходных технологий (штамповки, вырубки, гидроформования, выдавливания, прессования, спекания, литья и др.), а также комбинированных методов формообразования при общей тенденции повышения нагрузок и быстродействия основных станочных механизмов требует создания гидроприводов нового поколения, в том числе со сверхвысоким давлением.

Применение гидравлики открывает принципиально новые возможности не только в машинах, требующих компактности и высокой удельной мощности, но и при разработке сверхпрецизионного оборудования, в котором тонкое регулирование непрерывно дозируемых сред, поступающих от частотно-регулируемого насоса в гидроцилиндр на гидростатических опорах, позволяет повысить точность позиционирования программно-управляемых координат до нескольких десятков нанометров. Например, исследованиями, проведенными в ЭНИМС, было установлено, что совмещение функций такого двигателя и гидростатического направляющего устройства открывает уникальную возможность соосного расположения нагрузки, движущей силы, направляющих и измерительной оси (например, с помощью лазерного интерферометра), что позволило получить высокие точность и статическую жесткость, а также стабилизацию температуры в рабочей зоне станка.

По нашему мнению, перспективным является освоение производства устройств цифровой гидроавтоматики на базе задающих шаговых электродвигателей, в том числе гидроаппаратов (распределителей, клапанов, дросселей) и комплектных широкодиапазонных приводов с контролем положения конечного звена.

В заключение хочется отметить, что проведенная дискуссия, к сожалению, носит характер холодной войны, в которой каждая из сторон "перетягивает одеяло" в свою сторону. Думается, что оптимальное решение проблемы приводов лежит где-то посередине и для координатных осей заключается в создании на базе мехатронной аппаратуры современных электрогидравлических систем, объединяющих преимущества обеих рассматриваемых технологий. При этом интегральной оценкой "отмирающей" гидравлики является динамика роста объемов ее мирового производства, которая говорит об обратном.

По данным СЕТОР, изменение оборота 2008 г. к 2007 г. (в %) по лидерам мирового производства гидравлики и пневматики характеризуется следующими цифрами:

Таким образом, можно согласиться с приведенной в статье "Новые возможности и риски" немецкой пословицей о том, что приговоренные к смерти живут долго.

Геннадий Иванов, д. т. н., Владимир Свешников, к. т. н., ЭНИМС

Фотографии предоставлены: КМ (1), ЭНИМС