Tipik bir hidrolik güç ünitesi (HPU), genel verimlilikte çalışır. %60 ila %85 sistem tasarımına, bileşen kalitesine, çalışma koşullarına ve bakım durumuna bağlı olarak. Değişken deplasmanlı pompalara ve optimize edilmiş kontrollere sahip yüksek performanslı veya amaca yönelik olarak üretilmiş hidrolik güç üniteleri, aşağıdaki verimliliklere ulaşabilir: %90'a kadar veya biraz üzerinde ideal koşullarda. Bununla birlikte, sabit deplasmanlı pompaları kısmi yükler altında çalıştıran gerçek dünyadaki endüstriyel HPU'ların çoğu düzenli olarak bu duruma düşmektedir. %60 ila %75 kısma kayıpları, ısı üretimi ve sızıntı nedeniyle aralık.
Bir hidrolik güç ünitesinin genel verimliliği tek bir sabit sayı değildir; pompa, motor, vanalar, aktüatörler, borular ve akışkan koşulları genelindeki birden fazla alt verimliliğin ürünüdür. Her bileşenin katkısını anlamak, mühendislerin ve bakım ekiplerinin enerjinin nerede kaybolduğunu ve iyileştirmelerin nerede en büyük etkiye sahip olacağını belirlemelerine yardımcı olur.
Hidrolik Güç Ünitesinde Verimlilik Nasıl Tanımlanır?
Bir hidrolik güç ünitesinde verimlilik, faydalı hidrolik çıkış gücünün sistem tarafından tüketilen toplam elektrik giriş gücüne oranı olarak ifade edilir. Formül basittir:
Genel Verimlilik (η) = Hidrolik Çıkış Gücü / Elektrik Giriş Gücü × %100
Hidrolik çıkış gücü, akış hızının basınçla (Q × P) çarpılmasıyla hesaplanır. Elektrik giriş gücü, motorun güç kaynağından çektiği ölçülen watt değeridir. İkisi arasındaki fark, sistemdeki her bileşene dağıtılan ısı, gürültü ve mekanik sürtünme şeklindeki kayıpları temsil eder.
Verimlilik aynı zamanda ayrı bileşenlere, özellikle de hidrolik pompaya uygulanan üç ana alt kategoriye ayrılmıştır:
- Hacimsel verimlilik: Verilen gerçek akışın teorik akışa oranı. Pompanın içindeki iç sızıntı bu rakamı azaltır. Dişli pompalar için tipik değerler %90-95, pistonlu pompalar için ise %95-99'dur.
- Mekanik verimlilik: Rulmanlar, contalar ve dönen parçalardaki sürtünme kayıplarını hesaba katar. Bakımlı pompalar için genellikle %90 ile %97 arasında değişir.
- Genel pompa verimliliği: Hacimsel ve mekanik verimliliğin ürünü. Kaliteli bir eksenel pistonlu pompa için bu oran genellikle %87 ila %95 arasındadır.
Pompanın ötesinde, hidrolik güç ünitesini çalıştıran elektrik motorunun kendi verimliliği vardır; genellikle %88 ve %96 modern endüksiyon motorları için. Pompa verimliliğini motor verimliliğiyle çarpmak, herhangi bir valf veya devre kaybı sayılmadan önce güç dönüşüm verimliliğini verir.
Hidrolik Pompa Tipine Göre Verimlilik Aralıkları
Hidrolik güç ünitesinde kullanılan pompa tipi, sistem verimliliği üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Her pompa tasarımının hız, basınç ve deplasman ayarına göre değişen karakteristik bir verimlilik eğrisi vardır.
| Pompa Tipi | Hacimsel Verimlilik | Genel Pompa Verimliliği | Tipik Basınç Aralığı |
| Dış Dişli Pompa | %88–93 | %80–90 | 250 bara kadar |
| İçten Dişli Pompa | %90–95 | %82–92 | 200 bara kadar |
| Kanatlı Pompa | %90–95 | %83–92 | 175 bara kadar |
| Radyal Pistonlu Pompa | %95–98 | %88–94 | 700 bara kadar |
| Eksenel Pistonlu Pompa (Sabit) | %95–99 | %88–95 | 400 bara kadar |
| Eksenel Pistonlu Pompa (Değişken) | %95–99 | %87–94 | 400 bara kadar |
Tablo 1: Hidrolik güç ünitelerinde kullanılan yaygın hidrolik pompa tiplerinin verimlilik karşılaştırması
Dişli pompalar, düşük ila orta basınçlı HPU'larda en uygun fiyatlı ve yaygın olarak kullanılan pompalardır, ancak yüksek basınçlarda daha düşük hacimsel verimlilikleri, onları enerjiye duyarlı uygulamalar için kötü bir seçim haline getirir. Eksenel pistonlu pompalar daha pahalı olmasına rağmen sürekli olarak en iyi verimliliği sağlar ve enerji maliyetlerinin önemli olduğu endüstriyel hidrolik güç ünitelerinde tercih edilen seçimdir.
Hidrolik Güç Ünitesindeki Başlıca Enerji Kaybı Kaynakları
Kayıpların nerede meydana geldiğini anlamak, herhangi bir hidrolik güç ünitesinin verimliliğini artırmak için çok önemlidir. Kayıplar birden fazla noktaya dağıtılıyor ve bazılarının katkısı diğerlerinden çok daha fazla.
Kontrol Vanalarında Kısma ve Basınç Düşüşü
Yön kontrol valfleri, basınç tahliye valfleri ve akış kontrol valflerinin tümü, yağ içlerinden akarken basınç düşüşlerine neden olur. Bir ölçüm veya ölçüm devresinde kontrol vanası üzerindeki basınç farkı doğrudan ısıya dönüştürülür. Pek çok endüstriyel sistemde vanadan kaynaklanan bu kayıp tek başına Toplam giriş enerjisinin %15 ila %30'u . 200 barda çalışan ve 30 barlık bir düşüşe neden olan bir kontrol vanasıyla çalışan bir sistem, akışkan aktüatöre ulaşmadan bu noktada basınç enerjisinin %15'ini boşa harcar.
Kısmi Yük Altında Tam Kapasitede Çalışan Sabit Deplasmanlı Pompa
Geleneksel hidrolik güç ünitesi tasarımındaki en büyük verimsizliklerden biri, sistem bu akışın yalnızca bir kısmına ihtiyaç duyduğunda bile her zaman maksimum akışı sağlayan sabit deplasmanlı bir pompanın kullanılmasıdır. Aşırı akış, sistem basıncındaki bir basınç tahliye vanası aracılığıyla rezervuara geri gönderilir; bu duruma "boşaltma tahliyesi" adı verilir. Bu, sürekli olarak enerji israfına neden olur ve önemli miktarda ısı üretir. Araştırmalar, nominal yükünün %30'unda çalışan sabit pompalı bir HPU'nun israfa yol açabileceğini göstermiştir. Giriş gücünün %40'ı veya daha fazlası yalnızca bypass kayıplarında.
İç Sızıntı
Yüksek basınçlı sıvı, contaları ve boşlukları düşük basınç tarafına atladığında pompalarda, motorlarda, silindirlerde ve valflerde iç sızıntı meydana gelir. Bir miktar iç sızıntı normal ve yağlama için gerekli olsa da, aşınma veya büyük boşluklardan kaynaklanan aşırı sızıntı hacimsel verimliliği azaltır. %5 iç kaçağa sahip bir pompa, sistemin ihtiyacından %5 daha fazla akış üretmeli ve bunu telafi etmek için ekstra enerji tüketmelidir. Aşınmış bileşenlerde bu sızıntı %10-15'e yükselerek sistem performansını gözle görülür şekilde düşürebilir.
Boru ve Hortum Sürtünme Kayıpları
Hidrolik sıvı borulardan, hortumlardan ve bağlantı parçalarından akarken sürtünme, akış hızının karesiyle orantılı bir basınç düşüşü oluşturur. Küçük boyutlu borular daha yüksek hızlara zorlayarak kayıpları önemli ölçüde artırır. Basınç hatlarında önerilen maksimum akış hızı tipik olarak 2–4 m/sn ve dönüş satırlarında 1–2 m/sn . Aşırı uzun boru hatlarına, keskin kıvrımlara veya birden fazla bağlantı parçasına sahip sistemler, sıvı aktüatöre ulaşmadan önce mevcut basıncın %5-10'unu kaybedebilir.
Isı Üretimi ve Soğutma Yükü
Yukarıdaki kayıpların tümü sonuçta hidrolik sıvısında ısı olarak kendini gösterir. Sıvı sıcaklığı uygun bir aralıkta tutulmalıdır - tipik olarak 40°C ila 60°C çoğu mineral yağ için — viskoziteyi korumak ve bozulmayı önlemek için. Sıvı çok sıcak çalıştığında viskozite düşer, sızıntı artar ve pompa verimliliği daha da düşerek bileşik negatif döngü oluşur. Yağ soğutucuları (ve bunların fanları veya su devreleri) tarafından tüketilen enerji, genel sistem enerji tüketimine katkıda bulunarak operatörün bakış açısına göre net verimliliği daha da azaltır.
Değişken Hızlı Tahrikler Hidrolik Güç Ünitesi Verimliliğini Nasıl Önemli Derecede Artırır?
Mevcut bir hidrolik güç ünitesi için yapılabilecek en etkili yükseltme, elektrik motoruna değişken frekanslı sürücü (VFD) olarak da adlandırılan değişken hızlı sürücünün (VSD) eklenmesidir. VSD, motoru sürekli olarak tam hızda çalıştırmak ve aşırı akışı atlamak yerine, sistemin talep ettiği akış ve basınca tam olarak uyacak şekilde motor hızını gerçek zamanlı olarak ayarlar.
Bu yaklaşımdan elde edilen enerji tasarrufları, pompalar için ilgi yasalarına dayanmaktadır. güç tüketimi pompa hızının küpüne göre değişir . Pompa hızının nominal hızının %80'ine düşürülmesi, güç tüketimini yaklaşık olarak azaltır. %51 tam hızda tüketim. Hızın %60'a düşürülmesi güç tüketimini kabaca azaltır %22 tam yükte. Bunlar teorik rakamlardır, ancak gerçek dünyadaki kurulumlar sürekli olarak şu kadar enerji tasarrufu göstermektedir: %30 ila %60 aynı görev döngüsünü çalıştıran sabit hızlı HPU'larla karşılaştırıldığında.
15 makinede sabit pompalı HPU'ları VSD tahrikli birimlerle değiştiren bir plastik enjeksiyon kalıplama tesisinde yapılan bir vaka çalışması, yıllık ortalama %42 yerel elektrik fiyatları üzerinden 18 ayın altında geri ödeme süresiyle makine başına. Isı üretimindeki azalma aynı zamanda yağ soğutucusunun çalışma süresini kısalttı ve yağ servis aralıklarını uzattı.
VSD tabanlı hidrolik güç üniteleri artık aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok yüksek performanslı endüstriyel uygulamada standarttır:
- Enjeksiyon kalıplama ve şişirme kalıplama makineleri
- Metal damgalama ve şekillendirme presleri
- döküm makineleri
- CNC takım tezgahı hidrolik sıkma sistemleri
- Deniz güvertesi ekipmanları ve açık deniz hidrolik sistemleri
Sistem Verimliliğinde Hidrolik Sıvının Rolü
Hidrolik sıvı seçimi ve durumu, hidrolik güç ünitesinin verimliliği üzerinde doğrudan ve ölçülebilir bir etkiye sahiptir. Sıvının viskozitesi kritik parametredir. Viskozite çok yüksekse pompalama direnci ve sıvı sürtünmesi artar, mekanik kayıplar artar. Viskozite çok düşükse, iç sızıntı artar, hacimsel verim azalır ve potansiyel olarak pompalarda ve motorlarda metal-metal temasına neden olur.
Çoğu hidrolik sistem ISO VG 46 veya ISO VG 68 mineral yağına göre tasarlanmıştır ve optimum çalışma viskozite penceresi tipik olarak 25 ve 54 cSt çalışma sıcaklığında. Sistemin çok soğuk veya çok sıcak olması ya da yanlış derecenin kullanılması nedeniyle bu pencerenin dışında çalıştırılması pompa verimliliğini şu şekilde azaltabilir: %3 ila %8 .
Sentetik hidrolik sıvılar, özellikle polialfaolefin (PAO) bazlı yağlar, orta düzeyde verimlilik artışı sağlayabilir. %1 ila %3 Daha iyi viskozite-sıcaklık özellikleri ve daha düşük iç sürtünme nedeniyle geleneksel mineral yağa göre. Bu kazanımlar çok sayıda bağımsız çalışma ve pompa üreticisinin test verileri genelinde tutarlıdır. Sürekli olarak 100 kW tüketen büyük bir endüstriyel HPU'da %1-3 mütevazı bir oran gibi görünse de, bu, 1.000-3.000 watt tasarruf edilen gücü temsil eder; bu, yıllık çalışma döngüsü boyunca anlamlı bir miktardır.
Sıvı kirliliği de aynı derecede önemlidir. Hidrolik sıvısındaki parçacıklar bileşen aşınmasını hızlandırır, iç sızıntıyı artırır ve valf deliklerini tıkar. Sıvı temizliğini ISO 4406 temizlik koduna göre sürdürme 17/15/12 veya daha iyisi çoğu endüstriyel HPU için en iyi uygulama olarak kabul edilir. Sıvısı bozulmuş sistemlerde, pompa ve valf aşınması ilerledikçe sıklıkla hacimsel verimlilikte ölçülebilir düşüşler görülür.
Sabit Deplasmanlı ve Değişken Deplasmanlı HPU Verimliliğinin Karşılaştırılması
Birçok küçük ve orta ölçekli hidrolik güç ünitesi, ucuz, kompakt ve bakımı kolay olduğundan sabit deplasmanlı dişli veya kanatlı pompalar kullanır. Değişken deplasmanlı pistonlu pompaların maliyeti önemli ölçüde daha fazladır ancak çıktıyı talebe göre eşleştirerek baypas kayıplarını azaltır. Bu iki yaklaşım arasındaki verimlilik farkı en çok kısmi yükte çalışma sırasında belirgindir.
| Çalışma Durumu | Sabit Deplasmanlı HPU Verimliliği | Değişken Deplasmanlı HPU Verimliliği | VSD Değişken Pompa HPU Verimliliği |
| %100 Yük | %78-84 | %82–88 | %85–90 |
| %75 Yük | %62–70 | %78-86 | %84–90 |
| %50 Yük | %48–58 | %72–82 | %80–88 |
| %25 Yük | %30–42 | %60-72 | %72–84 |
Tablo 2: Farklı hidrolik güç ünitesi konfigürasyonları için yük seviyelerine göre yaklaşık genel verimlilik karşılaştırması
Yukarıdaki tablo, sabit pompalı HPU'ların değişken talep döngülerine sahip uygulamalar için neden özellikle uygun olmadığını göstermektedir. %25 yükte, sabit deplasmanlı bir ünite giriş enerjisinin üçte ikisinden fazlasını boşa harcayabilirken, eşdeğer bir VSD donanımlı değişken deplasmanlı ünite önemli ölçüde daha yüksek bir faydalı çıkış fraksiyonunu korur.
Hidrolik Güç Ünitenizin Verimliliğini Artıracak Pratik Adımlar
Mevcut bir hidrolik güç ünitesinin verimliliğinin arttırılması her zaman tamamen değiştirilmesini gerektirmez. Birçok yükseltme, ölçülebilir yatırım getirisi sağlayacak şekilde aşamalı olarak uygulanabilir.
Mevcut Enerji Tüketimini Denetleyin
Herhangi bir değişiklik yapılmadan önce, motor beslemesine bir güç ölçer takın ve tüm makine döngüsü boyunca tüketimi kaydedin. Ölçülen güç eğrisini yük profilinin gerektirdiği teorik minimum değerle karşılaştırın. Gerçek tüketim ile teorik minimum arasındaki fark, geri kazanılabilir kayıpları temsil eder. Birçok eski sabit pompalı HPU'da bu boşluk %25 ila %45 toplam tüketimin
Pompa ve Motoru Doğru Boyutlandırma
Endüstriyel hidrolikte büyük boyutlu pompalar ve motorlar yaygındır çünkü mühendisler cömert güvenlik faktörleri uygular veya mevcut bileşenleri yeniden kullanır. Nominal deplasmanının %40'ında çalışan bir pompa, maksimum verimlilik noktasından oldukça uzakta çalışmaktadır. Pompa hacminin gerçek sistem talebiyle yakından eşleştirilmesi (ideal olarak pik yükte nominal kapasitenin %70-90'ında çalışmak) pompayı en verimli aralıkta tutar.
Değişken Hızlı Sürücü Takma
Yukarıda tartışıldığı gibi, mevcut motora bir VSD takmak, değişken görev uygulamalarında kullanılan herhangi bir hidrolik güç ünitesi için tipik olarak en yüksek ROI'ye sahip tek yükseltmedir. Modern VSD'ler ayrıca yumuşak başlatma özelliği sunarak motor ani akımını ve başlatma sırasındaki mekanik şoku azaltarak pompa ve motorun servis ömrünü uzatır.
Yük Algılama Kontrolüne Yükseltme
Yüke duyarlı (LS) hidrolik devreler, pompa çıkış basıncını ve akışını sürekli olarak yükün gerektirdiğinin biraz üstüne ayarlamak için aktüatörden gelen bir pilot sinyali kullanır - genellikle Yük basıncının 15–25 bar üzerinde . Bu, açık merkezli devrelerde bulunan büyük basınç marjlarını ve kısma kayıplarını ortadan kaldırır. Yük algılamalı sistemlerin uygulanması daha karmaşık ve pahalıdır ancak sistemin enerji tüketimini şu şekilde azaltabilir: %20 ila %40 değişken yüklere sahip mobil ve endüstriyel uygulamalarda.
Sistem Basıncını Gereken Minimuma Düşürün
Pek çok hidrolik sistem, ya orijinal aşırı mühendislikten ya da aşınmış bileşenleri telafi etmek için çalışma basıncının yükseltilmesinden dolayı, uygulamanın gerçekte gerektirdiğinden daha yüksek basınçlara ayarlanmıştır. Her gereksiz 10 bar sistem basıncı, sabit pompa devresinde boşa harcanan enerjiyi temsil eder. Basınç ayarlarının sistematik olarak gözden geçirilmesi ve gerekli aktüatör kuvvetinin güvenilir bir şekilde elde edilmesini sağlayacak şekilde minimuma indirilmesi, genellikle maliyetsiz veya düşük maliyetli bir verimlilik iyileştirmesidir. %5 ila %15 enerji tasarrufu.
Hidrolik Sıvı ve Filtrasyon Sisteminin Bakımı
Düzenli yağ örneklemesi ve analizi, filtrelerin zamanında değiştirilmesiyle birlikte hidrolik sıvıyı optimum viskozite aralığında tutar ve pompa ve valf bileşenlerinin aşındırıcı aşınmasını önler. Sıvı durumunu yakından izleyen kestirimci bakım programlarına sahip birçok tesis, %10–20 daha uzun bileşen ömrü ve takvime dayalı yağ değişim programlarına kıyasla zaman içinde ölçülebilir derecede daha istikrarlı sistem verimliliği.
Sıvı Sıcaklığını Yalıtın ve Yönetin
Soğuk ortamlarda hidrolik sistemlerin çalışma sıcaklığına ulaşması daha uzun zaman alır ve bu dönemde yüksek viskoziteli akışkan sürtünme kayıplarını artırır. Rezervuar duvarlarının yalıtılması veya termostatik olarak kontrol edilen ön ısıtıcıların kullanılması, ısınma süresini ve buna bağlı verimlilik kayıplarını azaltır. Sıcak ortamlarda, ısı eşanjörünün uygun şekilde boyutlandırılması ve bakımının sağlanması, sistemin optimum sıcaklık bandının üzerinde çalışmasını önler, aksi takdirde sızıntı hızlanır ve sıvı daha hızlı bozulur.
Hidrolik Güç Ünitesi Verimliliği İşletme Maliyetlerini Nasıl Etkiler?
Verimliliğin, hidrolik güç ünitesinin ömrü üzerinde doğrudan ve bileşik bir mali etkisi vardır. %65 genel verimlilikte çalışan 50 kW'lık bir HPU'nun yaklaşık olarak ihtiyacı vardır 76,9 kW elektrik girişi 50 kW'lık faydalı hidrolik iş sağlamak. %82 verimliliğe yükseltilen aynı HPU'nun yalnızca 61 kW giriş — yaklaşık 16 kW'lık bir fark.
0,12 ABD Doları/kWh elektrik ücreti ve yılda 5.000 çalışma saati ile bu 16 kW'lık farkın maliyeti Yıllık 9.600$ . 10 yıllık ekipman ömrü boyunca bu, tek bir HPU'nun önlenebilir elektrik maliyetlerinde 96.000 ABD Doları anlamına gelir. Otomotiv montaj fabrikalarında, dökümhanelerde ve ağır üretim hatlarında bulunan birden fazla hidrolik güç ünitesine sahip tesisler bu rakamı buna göre katlamaktadır.
Elektriğin ötesinde, düşük verimlilik daha fazla ısı üretimi anlamına gelir; bu da soğutma maliyetlerini artırır, yağın bozulmasını hızlandırır, conta ve pompa ömrünü kısaltır ve bakım sıklığını artırır. Düşük verimli bir HPU'nun toplam sahip olma maliyeti, satın alma fiyatının önerdiğinden önemli ölçüde daha yüksektir.
Herhangi Bir Hidrolik Güç Ünitesinde Verimliliği Belirleyen Temel Faktörler
Belirli bir hidrolik güç ünitesinin verimlilik spektrumunda nereye düştüğünü belirleyen değişkenleri özetlemek gerekirse:
- Pompa tipi ve durumu: İyi durumdaki eksenel pistonlu pompalar, özellikle yüksek basınçlarda sürekli olarak dişli ve kanatlı pompalardan daha iyi performans gösterir.
- Sürücü sistemi: VSD donanımlı motorlar en iyi kısmi yük verimliliğini sağlar ve artık enerji tasarrufuna önem veren kurulumlarda standart olarak kabul edilmektedir.
- Kontrol mimarisi: Yük algılamalı ve basınç dengelemeli sistemler, sabit basınçlı açık merkezli devrelere kıyasla kısma kayıplarını en aza indirir.
- Sistem basınç ayarı: Daha düşük basınçlar, sabit pompalı sistemlerde baypas kayıplarını ve ısı üretimini azaltır.
- Sıvı tipi ve durumu: Doğru kalitede, iyi durumdaki temiz akışkan, sızıntı ve sürtünme kayıplarını minimum değerlerde tutar.
- Boru tasarımı: Doğru boyutlandırılmış, kısa, düşük dirençli borular sürtünmeli basınç düşüşlerini en aza indirir.
- Çalışma sıcaklığı: Sıvıyı optimum viskozite aralığında (tipik olarak 40–60°C) tutmak hem hacimsel hem de mekanik verimliliği korur.
- Bileşen aşınma durumu: Aşınmış pompalar, silindirler ve valfler iç sızıntıyı artırarak zamanla hacimsel verimliliği azaltır.
Akıllı başlangıç tasarımı ve tutarlı bakım yoluyla tüm bu faktörlerin sistematik olarak ele alınması, %85 verimlilikle çalışan bir hidrolik güç ünitesini %65'e ulaşmaya çalışan bir hidrolik güç ünitesinden ayıran şeydir.
