гидравлический насос с серводвигателем

Когда слышишь ?гидравлический насос с серводвигателем?, первое, что приходит в голову многим — это просто насос, подключенный к сервоприводу. Но на практике всё куда тоньше и капризнее. Частая ошибка — считать, что главное здесь серводвигатель, а насос можно взять любой, подходящий по расходу. Работая с компонентами, в том числе и с теми, что поставляет ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо), видишь, как такая установка быстро выходит из строя из-за несоответствия динамических характеристик. Ключевой момент — это именно система, где отклик насоса должен идеально следовать за командой серводвигателя, без запаздываний и пульсаций. Иначе вся прецизионность теряется.

Сердце системы: почему насос важнее, чем кажется

Взять, к примеру, высоконапорные шестеренные насосы внутреннего зацепления, такие как серия VG от Vicks. Да, давление в 40 МПа и скорость до 4000 об/мин впечатляют. Но попробуй прикрутить его к серводвигателю для задачи точного позиционирования. Шестерёнка, даже самая качественная, имеет inherent pulsation — свою собственную пульсацию подачи. Для систем с обратной связью по положению или усилию это может стать кошмаром. Контур начинает ?петь?, возникают низкочастотные колебания, которые не всегда удаётся задавить даже хорошим регулятором. Поэтому в чистом виде для высокодинамичных сервоприводов их применяют реже, обычно там, где важнее надёжность и цена, а не предельная точность.

А вот если говорить о настоящем гидравлическом насосе с серводвигателем для прецизионных задач, то взгляд сразу падает на аксиально-плунжерные схемы. Тот же A4VSO или A10VSO, которые также есть в портфеле Vicks. Их регулируемый наклон блока цилиндров позволяет плавно и быстро менять рабочий объём. Вот это уже ближе к идеалу. Но и тут есть нюанс: момент инерции вращающихся масс. Если серводвигатель должен быстро разгонять и тормозить сам насос, а не просто вращать его с постоянной скоростью, эта инерция становится критичным параметром. Не каждый насос спроектирован для такого режима работы.

По своему опыту скажу, что одна из самых сложных наладок была как раз на прессе с сервоприводом подачи. Стоял как раз плунжерный насос, но от другого производителя. И всё время была проблема с точной остановкой в конце хода — система либо переезжала точку, либо не доезжала. Копались долго, меняли параметры ПИД-регулятора, пока не догадались проверить характеристику разгрузки клапана самого насоса. Оказалось, что при сбросе сигнала на ноль, золотник регулятора насоса отрабатывал с заметной задержкой, создавая ?хвост? давления. Это и сбивало точность. Так что сам насос — это не просто источник потока, это активный элемент контура управления.

Инновации в пластинах: ABT сервопластинчатые насосы

Здесь хочется отдельно остановиться на направлении, которое, на мой взгляд, многие недооценивают — это сервопластинчатые насосы. В ассортименте Vicks есть мировые инновационные ABT сервопластинчатые насосы, серии T6, T7 и другие. Когда впервые с ними столкнулся, был скептичен — пластинчатая схема ассоциировалась скорее с недорогими станками средней точности. Но их заявленные характеристики по быстродействию и КПД заставили присмотреться.

Суть их ?серво-? части часто кроется в системе управления давлением и потоком. Это не просто насос с серводвигателем на валу, а интегрированное решение, где управляющая электроника и гидравлическая часть тесно связаны. Например, они могут обеспечивать практически мгновенный отклик на изменение задающего сигнала, минимизируя время переходных процессов. Это критично в таких applications, как литьё под давлением или прецизионная штамповка, где цикл измеряется долями секунды.

Пробовали как-то поставить такой насос серии VQ на испытательный стенд для имитации циклической нагрузки. По сравнению с классическим плунжерником с внешним сервоприводом, энергопотребление в установившемся режиме на частичных нагрузках было заметно ниже. Видимо, сказывается оптимизация внутренних потерь. Но и минус обнаружили: при длительной работе на максимальном давлении и высокой температуре масла (под 70°C) начал проявляться повышенный шум. Как позже выяснилось по документации, для таких режимов требовался специальный подбор вязкости масла, отличный от стандартного для нашей системы. Мелочь, но она стоила недели переналадки.

Интеграция в реальный контур: моторы и насосы

Говоря о гидравлическом насосе с серводвигателем, нельзя обойти стороной и вторую сторону — гидравлические моторы. Ведь часто сервосистема замыкается через них. В том же каталоге Vicks представлен полный спектр моторов: NHM, FMB, GHM. И здесь возникает классическая проблема согласования. Например, взял ты высокодинамичный насос, а мотор серии EPMZ, хоть и надёжный, имеет значительный момент трогания с места (breakaway torque). При попытке реализовать медленное и плавное движение это может привести к скачкообразному ?прилипанию-скольжению? (stick-slip).

Один из проектов по модернизации поворотного стола обрабатывающего центра как раз упирался в это. Насосная станция была построена на базе сервопривода с аксиально-плунжерным насосом, а на столе стоял классический гидромотор. Точность позиционирования по углу была никакая. Решение пришло не заменой насоса, а подбором специального low-speed high-torque мотора с улучшенными характеристиками по трению и вязкому демпфированию. После замены на соответствующую модель контур заработал как часы. Вывод: насос — это лишь полдела, вся кинематическая цепь должна быть спроектирована под задачи сервоуправления.

Ещё один практический момент — это фильтрация. Сервогидравлика, особенно с тонкими дросселирующими щелями в распределителях и регуляторах, крайне чувствительна к чистоте масла. Частицы, которые простит обычная гидравлика пресса, в сервоконтуре вызовут нестабильность работы или даже заклинивание. При запуске любой системы с сервоприводом я теперь всегда настоятельно рекомендую ставить фильтры тонкой очистки, желательно с индикатором загрязнения, непосредственно на всасывающей и напорной линиях насоса. Это не панацея, но страхует от многих внезапных отказов.

Экономический аспект и выбор

Стоит ли всегда гнаться за самым технологичным решением вроде гидравлического насоса с серводвигателем? Опыт подсказывает, что нет. Часто заказчик, наслушавшись о преимуществах энергоэффективности и точности, хочет поставить сервопривод везде, где только можно. Но нужно считать. Высокая начальная стоимость, сложность наладки, необходимость в квалифицированном обслуживании — всё это окупается только там, где есть реальная потребность в экономии энергии (при частых остановках и пусках, работе на частичных нагрузках) или в высочайшей точности управления.

Был случай на заводе по производству упаковки: хотели заменить стандартные приводы подачи плёнки на сервогидравлические, ссылаясь на точность. Проанализировали техпроцесс — требуемая точность позиционирования составляла +/- 1 мм на длине 2 метра. Существующая система с обычным регулируемым насосом и цилиндром с пропорциональным клапаном легко укладывалась в этот допуск. Внедрение же полноценной сервосистемы увеличивало стоимость проекта в 2.5 раза без существенного выигрыша в качестве продукта. Уговорили заказчика оставить как есть, направив средства на модернизацию системы фильтрации, что решило их основную проблему — частый выход из строя уплотнений.

Поэтому, просматривая сайт https://www.vickshyd.ru и их обширный каталог, от шестерёнок до плунжерных насосов высокого класса, понимаешь, что выбор компонента — это всегда компромисс. Задача инженера — не взять самое дорогое и ?крутое?, а подобрать элемент, который оптимально впишется в конкретный контур, с учётом динамики, условий эксплуатации и, конечно, бюджета. Иногда лучшим гидравлическим насосом с серводвигателем для задачи окажется не отдельный сервонасос, а комбинация надёжного постоянного насоса с сервоуправляемым пропорциональным или цифровым распределителем. Вариантов масса.

Взгляд в будущее и практические итоги

Куда движется эта тема? Наблюдается явная тенденция к интеграции и ?интеллектуализации?. Насос перестаёт быть просто железкой, он становится умным узлом с встроенными датчиками давления, температуры, расхода, с возможностью самодиагностики и адаптации параметров под износ. Такие решения уже появляются у ведущих производителей. Это, с одной стороны, упрощает интеграцию (меньше внешней проводки, стандартные цифровые интерфейсы), с другой — делает ремонт и замену более дорогим и зависимым от производителя.

С практической точки зрения, для тех, кто только начинает работать с сервогидравликой, мой совет — начинать не с проектирования сложных систем с нуля, а с модернизации или ремонта существующих. Разобрать, посмотреть, как устроен регулятор давления или потока в том же насосе серии PV2R, понять логику его работы. Понять, как влияет жёсткость гидролиний на быстродействие контура. Без этого ?чувства? гидравлики все теоретические выкладки о передаточных функциях и полосах пропускания останутся просто абстракцией.

И последнее. Как бы ни совершенствовалась элементная база, включая продукты от компаний вроде ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо), успех системы всегда зависит от системного подхода. Можно поставить самый совершенный сервонасос, но если гидробак спроектирован без учёта деаэрации, трубопроводы имеют не те диаметры или рабочая жидкость подобрана неправильно, результат будет далёк от идеала. Гидравлика, особенно серво-, — это дисциплина, где мелочей не бывает. Каждая деталь, от уплотнения до настроек контроллера, работает на общий результат. И в этом её сложность и прелесть.