Prace badawcze prowadzone na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej oraz następujący po nich proces projektowania, budowy i testów nowego rozwiązania siłowników we współpracy z krajowym producentem wysokiej klasy siłowników, firmą HYDROMAR przy szerokim wsparciu Wrocławskiego Centrum Transferu Technologii Politechniki Wrocławskiej umożliwiły przeprowadzenie pełnego procesu wdrożeniowego. Nowe rozwiązanie, właśnie wprowadzane do sprzedaży, umożliwia poprawę następujących parametrów siłowników:

• Zwiększenie czasu użytkowania siłowników oraz ich niezawodności.
• Zwiększenie bezpieczeństwa użytkowania układów roboczych napędzanych siłownikami.
• Zwiększenie dokładności wykonywanych ruchów układów roboczych.
• Możliwość dowolnego połączenia komór siłowników z układem bez konieczności zabudowy dodatkowych zaworów rozdzielczych i linii hydraulicznych, co zwiększa możliwości pracy zarówno w normalnych warunkach jak i stanach awaryjnych.

Nowe, czyli jakie?

            Podstawą podjęcia prac badawczych i rozwojowych w obszarze siłowników było kilka aspektów. Z jednej strony fakt, że siłowniki eksploatowane w środowisku o wysokiej temperaturze otoczenia i znacznym zapyleniu, jakie występują np. w kopalniach, dość często ulegają awarii, w efekcie których pojawiają się wycieki oleju hydraulicznego. Z drugiej strony występujące przypadki niekontrolowanego spadku układów roboczych, w momencie gdy dojdzie do rozerwania węża zasilającego siłownik lub rozszczelnienia w trakcie prac serwisowych, co jest zdarzeniem potencjalnie niebezpiecznym i przyczyną odnotowanych zdarzeń wypadkowych. Ponadto znany jest fakt, iż w wysięgnikowych układach roboczych, np. wiertnic w efekcie oddziaływania w trakcie ruchu dużych mas, dokładne ustawienie narzędzia w przestrzeni jest utrudnione. Analizując powyższe problemy, stwierdzono, że obecnie stosowane siłowniki w klasycznym połączeniu z układem sterowania za pomocą przewodów hydraulicznych o znacznych długościach, są źródłem pogorszenia parametrów pracy samych siłowników. Wynika to z kilku przyczyn.

Pierwszą z nich jest uniemożliwienie wymiany cieczy w siłowniku. W trakcie jego ruchu ciecz wypływająca z siłownika jest przecież w pierwszej kolejności odprowadzana do węża zasilającego. Gdy siłownik skończy wykonywać ruch, pewna jej ilość pozostanie w wężu zasilającym i w momencie wykonywania ruchu w drugim kierunku zostanie ponownie wtłoczona do siłownika. Zatem w klasycznym rozwiązaniu pewna ilość cieczy nigdy nie opuści układu siłownik – linie zasilające. Ciecz ta może ulec rozgrzaniu i mieć znacząco większą temperaturę niż ciecz w zbiorniku. Możliwym jest również odwrotne zjawisko, gdy ciecz ta będzie miała znacząco niższą temperaturę od temperatury pracy układu hydraulicznego (np. w przypadku eksploatacji maszyny w bardzo niskich temperaturach otoczenia). Ponadto ciecz ta nie zostanie poddana procesowi filtracji w filtrach układu, gdyż fizycznie nigdy do nich nie dopłynie. Gromadzić się będą w niej zatem zanieczyszczenia zarówno stałe jak i płynne (np. woda) i oddziaływać na siłownik od środka, co ma szczególnie zgubny wpływ na uszczelnienia. Zjawiska opisane powyżej są szczególnie istotne w maszynach, których siłowniki są zasilane długimi liniami hydraulicznymi.

Drugą przyczyną jest oddziaływanie linii hydraulicznej jako elementu podatnego. Węże hydrauliczne podatne działają jak małe akumulatory. Wraz ze wzrostem ciśnienia zwiększają nieznacznie swoją objętość, aby w momencie spadku ciśnienia ponownie ją nieznacznie zmniejszyć. W efekcie siłowniki zasilane wężami podatnymi traktować można jako elementy sprężyste, zmieniające nieznacznie swoje położenie w efekcie zmian obciążenia. Szczególnie jest to widoczne w układach roboczych wysięgnikowych, które pomimo sztywnej konstrukcji w momencie zatrzymania ruchu zaczynają falować. To zjawisko znacząco utrudnia ustawienie oraz utrzymanie dokładnego położenia układu roboczego, szczególnie przy wykonywaniu ruchów o dużej dynamice.

Trzecia, choć z punktu widzenia bezpieczeństwa najważniejsza, przyczyna nieprawidłowości to fakt podtrzymania obciążonego siłownika przez ciecz znajdującą się zarówno w siłowniku jak i przewodzie zasilającym. O ile nie występują raczej pęknięcia samego siłownika, o tyle pęknięcia węży hydraulicznych są dość powszechne. W przypadku pęknięcia węża zasilającego obciążonego siłownika ciecz wypływa swobodnie, a siłownik niekontrolowanie poddaje się obciążeniu. W zależności od rodzaju maszyny mówimy wtedy o niekontrolowanym opadnięciu wysięgnika lub stempla, samoistnym wsunięciu się ramienia, itp. Takie zdarzenia są potencjalnie niebezpieczne nie tylko dla samej maszyny, gdy niekontrolowane opadnięcie układu roboczego może uszkodzić maszynę i inne elementy znajdujące się w jej obszarze roboczym, ale przede wszystkim dla osób, które lekceważąc zasady BHP znajdują się pod podpartymi tylko hydraulicznie układami roboczymi.

Opracowano zatem nowe rozwiązanie, w którym zawory sterujące siłownikiem znajdują się wprost w blokach zamontowanych na jego korpusie. Ponadto tak zmieniono przepływ cieczy w siłowniku, że stał się on elementem przepływowym i zawsze jest zasilany nowym strumieniem cieczy, a ciecz odprowadzana z niego trafia z powrotem do zbiornika, najczęściej po drodze przepływając przez filtr. Podkreślić należy, iż sam siłownik nadal zasilany jest 2 liniami hydraulicznymi, jak w rozwiązaniu klasycznym i nie wymaga rozbudowy układu hydraulicznego, a jedynie drobnej zmiany jego architektury. Nowe rozwiązanie siłownika wraz z układem zasilania ma szereg zalet w stosunku do rozwiązania konwencjonalnego.

Dłuższy czas użytkowania?

Jak najbardziej tak. Szczególnie w maszynach pracujących w środowiskach o znacznym zapyleniu oraz niskiej lub wysokiej temperaturze. Efekt ten wynika z zapewnienia cyrkulacji cieczy hydraulicznej w siłowniku. Wraz z odprowadzaną cieczą z komór siłownika odprowadza się zanieczyszczenia, które następnie są wychwytywane w układzie filtrującym. Inaczej mówiąc, jeśli na przykład w trakcie eksploatacji z zewnątrz dostaną się do siłownika zanieczyszczania (np. pył skalny lub woda), co jest naturalnym procesem występującym w  trakcie pracy siłowników, zanieczyszczenia te zostaną wraz z cieczą odprowadzaną z siłownika przekazane do układu filtrów zlewnych. W klasycznym rozwiązaniu zazwyczaj pozostają one w obrębie komór siłownika i linii zasilających, oddziałując w sposób ciągły na wewnętrzne elementy siłownika i doprowadzając do jego szybszej degradacji. Ponadto temperatura cieczy hydraulicznej w siłownikach jest zbliżona do temperatury cieczy w układzie, co w wynika z poprawionej wymiany cieczy. W efekcie zapobiega się występowaniu zjawiska, gdy siłownik pracuje z cieczą o znacznie wyższej lub znacznie niższej temperaturze niż przewidziana temperatura jego pracy. Oddziaływanie wysokich lub bardzo niskich temperatur może uszkodzić trwale materiały uszczelnień, a co za tym idzie trwale uszkodzić siłownik, co jest zjawiskiem obserwowanym, a w nowym rozwiązaniu praktycznie wyeleminowanym.

Zwiększone bezpieczeństwo?

Tak, bezpieczeństwo użytkowania nowego rozwiązania siłowników znacząco wzrasta. Wynika to z zainstalowania zaworów wprost na korpusie siłownika. W efekcie rozerwania węży zasilających siłownik nie ma możliwości przemieszczenia się tłoka obciążonego siłą zewnętrzną, gdyż to właśnie zawory uniemożliwiają wypływ cieczy z komór siłownika. Zatem jeśli nawet uszkodzeniu w wyniku wypadku uległby cały układ węzy zasilających, siłownik pozostanie w spoczynku. Co więcej, długość linii hydraulicznych połączonych wprost z komorami siłownika jest ograniczona do minimum i są one wykonane jako kanały w bloku zaworowym, a zatem praktycznie całkowicie odporne na rozszczelnienie w efekcie nieprzewidzianych zdarzeń. Rozwiązanie ponadto zwiększa bezpieczeństwo robót serwisowych, gdzie dochodzi do planowych rozszczelnień układu, lecz nie zawsze z uwzględnieniem skutków wykonania tej czynności.

Większa dokładność pozycjonowania?

Dokładność wykonywanych ruchów oraz zdolność układów do utrzymania niezmiennej pozycji w momencie oddziaływania na nie zmiennymi obciążeniami znacząco wzrasta. Efekt ten wynika z umiejscowienia zaworów sterujących wprost na elemencie sterowanym jakim jest siłownik, co wpisuje się w światową tendencję do unifikacji systemów. Zawory sterujące w nowym rozwiązaniu współpracują wprost z siłownikiem, z pominięciem podatnych przewodów zasilających. W efekcie podatność przewodów nie ma tak znaczącego wpływu na proces sterowania ruchem, a jej wpływ na stabilność siłownika w trakcie zatrzymania zostaje zredukowana do zera. Siłownik staje się zatem elementem bardziej sztywnym i łatwym do sterowania, a ruchy robocze wykonywane z udziałem nowego rozwiązania są pewniejsze i dokładniejsze.

Poszerzenie możliwości pracy siłowników?

Tak i to w znaczącym zakresie. Po pierwsze, umożliwienie dowolnego zasilenia komór siłowników oprócz możliwości normalnej pracy pozwala też na uzyskanie ruchu szybkiego bez konieczności zabudowy dodatkowych zaworów rozdzielczych. Ale to dopiero początek. Możliwym jest też przeprowadzenie przepłukania komór siłowników bez konieczności wykonywania ruchu. Wyobraźmy sobie maszynę pozostawioną na znacznym mrozie na dłuższy czas. Po jej ponownym uruchomieniu temperatura cieczy w układzie hydraulicznym wzrośnie, układ się rozgrzeje. I w tym momencie możemy tą rozgrzaną cieczą zasilić niepracujące siłowniki, a ciecz o niskiej temperaturze z komór siłowników odprowadzić do zbiornika. Oczywiście możliwym jest też działanie odwrotne, w którym przepłukujemy mocno rozgrzane siłowniki cieczą o niższej temperaturze, doprowadzoną z układu. Wszystkie te czynności nie wymagają rozbudowy układu i są możliwe do przeprowadzenia wprost po zamontowaniu nowego rozwiązania. Poszerzeniu ulegają również możliwości działania w sytuacjach awaryjnych. W klasycznym rozwiązaniu rozerwanie węża zasilającego siłownik, oprócz efektu jego złożenia pod wpływem siły zewnętrznej, co zostało opisane wcześniej, uniemożliwia również wykonanie ruchu roboczego. W nowym rozwiązaniu tak nie jest. W przypadku awarii węza zasilającego wystarczy dostarczyć strumień cieczy do drugiego węża i zmienić nastawy zaworów, aby możliwym było wykonanie ruchów awaryjnych, niezbędnych np. do zapewnienia bezpieczeństwa obsłudze, umożliwienia dostępu do miejsca awarii pracownikom serwisu lub chociażby złożenia układu roboczego do transportu.

Zmiana siłownika i układu zasilania, przedstawiona powyżej, umożliwiła opracowanie nowego produktu o szeregu zalet. Bezpieczeństwo, poszerzenie możliwości sterowania układem, zwiększenie dokładności wykonywanych ruchów oraz – co istotne – określenie możliwości zwiększenia niezawodności oraz czasu pracy siłowników hydraulicznych w nowym wykonaniu to zalety, których nie można pominąć. Podkreślić należy również, iż w trakcie realizacji prac badawczo-wdrożeniowych wykonano szereg analiz rzeczywistych problemów występujących w siłownikach hydraulicznych, zaprojektowano oraz wykonano stanowisko testowe i co najważniejsze – dokonano transferu wyników badań i własności intelektualnej wprost do zastosowania przemysłowego. Zgromadzona baza wiedzy jest podstawą, gwarantującą szybkie i sprawne wdrożenie nowego rozwiązania w dowolnym obszarze. Przedstawione rozwiązanie może być stosowane w całym spektrum działalności przemysłowej, od górnictwa i hutnictwa zaczynając, poprzez rolnictwo a na aplikacjach militarnych kończąc.

 

Artykuł ukazał się w magazynie Surowce i Maszyny Budowlane 4/2019.