Гидравлические цилиндры, известные своей высокой силой при доступной стоимости, уже несколько десятилетий широко используются в оборудовании для автоматизации производства и другом специальном автоматизированном оборудовании. Гидравлика отличается прочностью, относительной простотой в применении и низкой стоимостью единицы силы. В последние годы электрические штоковые приводы (сервоцилиндры) стали более гибкими, точными и надежными, обладая все большей силой воздействия. Эти достижения породили постоянные дебаты о том, какая технология — гидравлический цилиндр или электрический привод — предлагает наилучшее комплексное решение.

1. Электроштоковые приводы против гидравлических цилиндров:Компоненты системы

Для гидравлической цилиндровой системы требуется гораздо больше компонентов и общее пространство, чем для электрической системы. Гидравлические системы требуют:

• Цилиндр

• Силовой агрегат для обеспечения давления масла

• Регулирующие и вспомогательные клапаны

• Фильтры

• Шланги

• Фитинги

• Дополнительные компоненты

Гидравлические цилиндры занимают компактную площадь в рабочей точке (где требуется высокая удельная мощность), однако гидравлический силовой агрегат (ГСУ), регулирующий поток и давление к этим приводам и другим компонентам, может занимать значительную площадь. ГСУ не являются маленькими и обычно размещаются рядом с самим цилиндром, что еще больше увеличивает габариты системы. В очень больших системах с выносными ГСУ длинные шланги могут снизить общую жесткость и эффективность гидравлической системы.

Электроприводы с тягами обеспечивают меньшие габариты. В этих системах используются механический привод; двигатель (сервопривод или другой); опциональный редуктор; кабели; и привод/усилитель, который обычно устанавливается в шкафу управления.

Хотя электрический привод — из-за своей конструкции, объединяющей силовой винт и подшипниковую систему — требует большей длины по сравнению с гидравлическим цилиндром, с учетом общих габаритов системы эта дополнительная длина более чем компенсируется гораздо меньшими габаритами сервопривода — функционального эквивалента гидронасоса. Как правило, в автоматизированном оборудовании используется шкаф управления, и его конструкция может быть рассчитана на дополнительный привод. Требования к размерам сервопривода обычно составляют лишь небольшую часть требований к размерам гидронасоса.

В новых конструкциях систем, если дополнительное пространство в рабочей точке позволяет разместить рабочий ход и общую длину электрического привода, то габариты машины можно значительно уменьшить за счет устранения необходимости в громоздких силовых агрегатах.

2. Электроштоковые приводы против гидравлических цилиндров:Возможности управления движением

Основная причина, по которой инженеры выбирают систему электрических приводов вместо гидравлической цилиндрической системы, заключается в гибкости ее возможностей управления движением: управление положением (множество положений, точность); управление скоростью; управление ускорением/замедлением; управление выходной силой; и комплексное управление всеми этими переменными движения в режиме реального времени. Электрические приводы в сочетании с сервоприводом и двигателем обеспечивают бесконечный контроль положения. Точность и повторяемость позиционирования значительно превосходят возможности гидравлической системы.

Стандартная гидравлика отлично подходит для позиционирования по всей длине, но позиционирование в середине хода более сложное, требующее регулирующего клапана и помощи оператора. Позиционирование в середине хода осуществляется в разомкнутом контуре и требует от оператора определения приемлемого положения. Кроме того, регулирование скорости контролируется через регулирующий клапан, и оператору снова необходимо установить приемлемую скорость для конкретного применения, но достижение точной настройки скорости часто бывает затруднительным. После регулировки скорости требуемое усилие гидравлического цилиндра регулируется через клапан давления. Наконец, повторяемость положения, скорости и усилия гидравлического цилиндра зависит от износа уплотнений, утечек, падения давления и скачков давления от насоса, а также других факторов технического обслуживания. Трудно добиться повторяемости производительности изо дня в день, из месяца в месяц или из года в год в производственных условиях, когда качество и вязкость масла меняются из-за колебаний температуры. Достижение желаемого уровня производительности потребует постоянного вмешательства оператора.

Более совершенные гидравлические системы, называемые «сервогидравлическими», могут точно контролировать положение, скорость и усилие, но они требуют дополнительных компонентов — сервоконтроллера, электрогидравлического сервоклапана и устройства обратной связи по положению, таких как линейный преобразователь, — что значительно усложняет систему, увеличивает занимаемое пространство и стоимость. Эти компоненты контролируют давление и поток в гидравлическом цилиндре, подобно тому, как сервопривод управляет током, подаваемым на серводвигатель. В гидравлике также используются еще более совершенные контроллеры, позволяющие координировать работу нескольких осей. Однако это редко встречается в гидравлических системах, и такие контроллеры значительно усложняют и удорожают всю систему. Кроме того, они могут быть довольно чувствительными и требуют регулярного технического обслуживания для обеспечения желаемой производительности.

В сочетании с сервоприводной системой управления электрические приводы обеспечивают не только неограниченный контроль, но и превосходную точность и повторяемость. Многоосевые сервоконтроллеры легко доступны в большинстве современных систем управления. Контроллеры и электрические приводы проще и экономичнее координировать в сложных конфигурациях по сравнению с более ограниченными гидравлическими вариантами. Скорость одного или нескольких электрических приводов точно и аккуратно контролируется в любое время и может легко плавно переходить от одной скорости к другой без остановки или превышения положения. Управление ускорением и замедлением означает, что электрические приводы не будут резко останавливаться или резко приходить в действие. Это исключает нагрузку на элементы рамы и необходимость избыточного проектирования конструкций для противостояния ударным нагрузкам. Все движения будут плавными, что позволяет использовать электрические приводы в критически важных процессах, где вибрации оборудования недопустимы или скорость процесса снижается. Сила контролируется посредством тока, подаваемого на серводвигатель. Поскольку сервоконтроллеры обеспечивают точный контроль тока, почти все электрические приводы обеспечивают точное и повторяемое управление выходной силой в рабочей точке.

Наконец, важной особенностью электрических приводов является их способность обеспечивать программируемое управление всеми переменными профиля движения. В результате требуется лишь предварительное проектирование для закладки желаемых параметров производительности в ПЛК или другую среду программирования контроллера. После настройки операция повторяется изо дня в день, из месяца в месяц и из года в год. Кроме того, с помощью экранов HMI (человеко-машинный интерфейс) параметры положения, скорости, ускорения/замедления и силы можно легко изменять в любое время, обеспечивая максимальную гибкость. В среде OEM-производителей управление производительностью системы будет проще благодаря большей стабильности электрической системы по сравнению с гидравлической.

3. Электроприводы с тягой против гидравлических цилиндров:Силовые возможности

Благодаря высокому рабочему давлению, гидравлические цилиндры отлично подходят для создания чрезвычайно больших усилий. Типичное давление колеблется от 1800 до 3000 фунтов на квадратный дюйм (124,1 до 206,8 бар). В некоторых гидравлических системах высокого давления используются значения давления до 5000 фунтов на квадратный дюйм (344,7 бар) для дальнейшего повышения удельной мощности. Поскольку гидравлические цилиндры работают по принципу «сила = давление x площадь», высокое давление позволяет цилиндрам меньшего диаметра достигать очень больших усилий. Например, цилиндры диаметром 3 и 5 дюймов при давлении 2200 фунтов на квадратный дюйм могут достигать приблизительно 15 000 фунтов силы (66 723,3 кН) и 43 000 фунтов силы (191 273,5 кН) соответственно. Однако гидравлические цилиндры обычно не используются на полную мощность; как правило, их размеры завышены для улучшения управляемости.

При выборе электропривода важно определить требуемую рабочую силу. Для приблизительной оценки необходимой силы электропривода обычно используется подход, при котором гидравлический рабочий порт или давление в системе регулируются до тех пор, пока операция не станет невозможной. Системы электроприводов используют ток, проходящий через серводвигатель, для создания крутящего момента в механической системе, который приводит в движение силовой винт, заставляя его вращаться и создавать усилие. Это огромное преимущество: усилие достигается мгновенно. В гидравлических системах, где жесткость системы не оптимизирована, гидравлический привод должен ждать, пока давление не нарастет, прежде чем будет достигнута необходимая сила. Еще одно большое преимущество электрических систем заключается в том, что сервоконтроллер автоматически регулирует ток. Система электропривода, по сути, использует ток «по требованию». Любая регулировка происходит автоматически. Гидравлический силовой агрегат должен постоянно поддерживать давление в системе для срабатывания гидравлического цилиндра, что может быть очень сложно.

При выборе системы электрического привода важно учитывать частоту вращения и крутящий момент двигателя, а также параметры винтового привода. Согласование скорости и крутящего момента серводвигателя с механическим выходным сигналом винтового привода может быть сложной задачей. Достижение экстремальных усилий, которые может создавать гидравлика, вполне возможно с помощью электрических технологий, но, как правило, используемый электрический привод имеет больший диаметр корпуса, а система электрического привода имеет максимальную скорость, которую нельзя превысить. Сложность расчета размеров системы легко преодолевается, поскольку производители приводов и сервоприводов предоставляют простые в использовании программные пакеты для расчета размеров систем управления движением, которые учитывают все эти переменные.

4. Электроприводы с тягой против гидравлических цилиндров:Скоростные возможности

Достижение высоких скоростей при больших усилиях представляет собой сложную задачу как для гидравлических, так и для электрических технологий. Гидравлика требует давления для создания силы и расхода для скорости. Для достижения более высоких скоростей при больших усилиях в системе должно быть достаточно масла под давлением, чтобы, по сути, протолкнуть необходимый объем масла в цилиндр за необходимое время (определяемое как расход). Обычно для этого требуется система накопления для удержания объема под давлением. Проблема может усугубиться в цилиндрах с большим ходом поршня; незаполненные аккумуляторы могут привести к масляному голоданию системы. В конечном итоге, использование дополнительной емкости в гидравлических аккумуляторных системах позволяет им достигать высоких скоростей при больших усилиях. Недостатком этого подхода является то, что без сервогидравлического управления гидравлической системой избыточная энергия (сила x скорость) по сути используется в схеме управления с разомкнутым контуром.

Как уже говорилось ранее, силовые возможности системы электрического привода зависят от правильного сочетания частоты вращения серводвигателя, крутящего момента серводвигателя и механического преимущества, обеспечиваемого винтовым приводом и, возможно, редуктором. По мере увеличения размеров серводвигателей крутящий момент обычно значительно возрастает, но частота вращения уменьшается. В экстремальных условиях приложения силы и скорости единственный способ, которым система электрического привода может достичь желаемых характеристик, — это значительно увеличить ее размеры, что может быть слишком дорого. С другой стороны, следует помнить, что система электрического привода полностью контролирует профиль движения; ей не нужно совершать полный ход на протяжении каждого цикла. Кроме того, благодаря контролю ускорения и замедления, электрическая система может быстрее стабилизироваться, что сокращает время цикла и повышает эффективность. Наконец, технология электрических приводов может снизить требуемые пиковые скорости, поскольку можно выполнять более интеллектуальные и короткие движения.