Гідравлічні циліндри, відомі своєю високою силою за доступною ціною, широко використовуються в обладнанні для автоматизації виробництва та іншому спеціальному обладнанні автоматизації протягом десятиліть. Гідравліка міцна, відносно проста в розгортанні та забезпечує низьку вартість на одиницю сили. В останні роки електричні штокові приводи (сервоциліндри) стали більш гнучкими, точними та надійними, а також мають дедалі більшу потужність. Ці досягнення призвели до постійних дискусій щодо того, яка технологія — гідравлічний циліндр чи електричний привід — пропонує найкраще загальне рішення.

1. Електричні штокові приводи проти гідравлічних циліндрів:Компоненти системи

Кількість компонентів та загальний простір, необхідні для системи гідравлічних циліндрів, значно більші, ніж для електричної системи. Гідравлічні системи потребують:

• Циліндр

• Силовий агрегат для забезпечення тиску оливи

• Регулювальні та допоміжні клапани

• Фільтри

• Шланги

• Фітинги

• Додаткові компоненти

Гідравлічні циліндри пропонують компактну основу в робочій точці (де потрібна щільність потужності), але гідравлічний силовий агрегат (ГСА), який регулює потік і тиск до цих виконавчих механізмів та інших компонентів, може вимагати великої площі підлоги. ГСА не є малими і зазвичай розміщуються поблизу самого циліндра, що ще більше збільшує площу системи. У дуже великих системах з дистанційно встановленими ГСА довгі шланги можуть знизити загальну жорсткість та ефективність гідравлічної системи.

Електричні штокові приводи займають меншу загальну площу. Ці системи використовують механічний привід; двигун (сервопривід або інший); додаткову коробку передач; кабелі; та привід/підсилювач, який зазвичай встановлений у шафі керування.

Хоча електричний привід — завдяки своїй конструкції, що об'єднує силовий гвинт та систему підшипників — вимагає додаткової довжини порівняно з гідравлічним циліндром, якщо враховувати загальну площу системи, ця додаткова довжина з лишком компенсується набагато меншою площею сервоприводу — функціонального еквівалента високонапірного насоса (HPU). Як правило, обладнання автоматизації використовує шафу керування та може бути розроблене для додаткового приводу. Вимоги до розміру сервоприводу зазвичай є значно меншими, ніж вимоги до розміру HPU.

У нових конструкціях систем, якщо додатковий простір у робочій точці можна створити для розміщення робочого ходу та загальної довжини електричного приводу, загальну площу машини можна значно зменшити, усунувши потребу у великих силових агрегатах.

2. Електричні штокові приводи проти гідравлічних циліндрів:Можливості керування рухом

Основною причиною, чому інженери обирають систему електричних приводів замість системи гідравлічних циліндрів, є гнучкість її можливостей керування рухом: керування положенням (кілька положень, точність); керування швидкістю; керування прискоренням/уповільненням; керування вихідною силою; та комплексне керування всіма цими змінними руху на ходу. Електричні приводи, поєднані з сервоприводом та системою двигунів, мають необмежений контроль положення. Точність та повторюваність положення значно перевершують можливості гідравлічної системи.

Стандартна гідравліка чудово підходить для застосування з наскрізним положенням, але позиціонування в середині ходу є складнішим, потребуючи регулювального клапана та допомоги оператора. Позиціонування в середині ходу є розімкнутим контуром і вимагає від оператора рішення про те, яке положення є прийнятним. Крім того, регулювання швидкості контролюється за допомогою регулювального клапана і знову вимагає від оператора встановлення прийнятної швидкості для застосування, але досягнення точного значення швидкості часто буває складним. Після регулювання швидкості сила тиску, необхідна для гідроциліндра, регулюється за допомогою напірного клапана. Нарешті, повторюваність положення, швидкості та сили гідроциліндра залежить від зношених ущільнень, витоків, перепадів тиску та стрибків насоса, а також інших факторів обслуговування. Важко отримати повторювану продуктивність щодня, щомісяця або щороку у виробничому середовищі, коли якість та в'язкість оливи змінюються через коливання температури. Досягнення бажаного рівня продуктивності вимагатиме постійного втручання оператора.

Більш досконалі гідравлічні системи, які називаються «сервогідравлічними», можуть точно контролювати положення, швидкість та силу, але вони вимагають додаткових компонентів — сервоконтролера, електрогідравлічного сервоклапана та пристрою зворотного зв'язку за положенням, такого як лінійний датчик, — що значно ускладнює роботу, збільшує простір та вартість. Ці компоненти контролюють тиск і потік у гідравлічному циліндрі, подібно до того, як сервопривід керує струмом, що подається до серводвигуна. Гідравліка також має ще більш досконалі контролери, які дозволяють координувати роботу кількох осей разом. Однак це рідко трапляється в гідравлічних системах, і ці контролери додають надзвичайної складності та вартості всій системі. Крім того, вони можуть бути досить чутливими та потребувати регулярного обслуговування для забезпечення бажаної продуктивності.

У поєднанні з системою сервокерування електричні приводи пропонують більше, ніж просто безмежний контроль, а також чудову точність і повторюваність. Багатоосьові сервоконтролери легко доступні в більшості сучасних систем керування. Контролери та електричні приводи легше та економічно ефективніше координуються разом у складних конфігураціях порівняно з обмеженими гідравлічними варіантами. Швидкість одного або кількох електричних приводів точно та точно контролюється в будь-який час і може легко переходити з однієї швидкості на іншу без зупинки або перевантаження. Контроль прискорення та уповільнення означає, що електричні приводи не будуть різко зупинятися або штовхатися в дії. Це усуває навантаження на елементи рами та необхідність надмірного проектування конструкцій, щоб витримувати ударні навантаження. Усі рухи будуть плавними, що дозволяє використовувати електричні приводи в критично важливих процесах, де вібрації машини неприйнятні або впливає на швидкість процесу. Зусилля контролюється струмом, що подається до серводвигуна. Оскільки сервоконтролери мають точне керування струмом, майже всі електричні приводи забезпечують точне та повторюване керування вихідною силою в робочій точці.

Зрештою, важливою особливістю електричних приводів є їхня здатність забезпечувати програмоване керування всіма змінними профілю руху. Як результат, єдиною необхідною взаємодією з оператором є час попереднього проектування для вбудовування бажаних змінних продуктивності в ПЛК або середовище програмування іншого контролера. Після налаштування операція повторюється щодня, щомісяця та щороку. Крім того, завдяки використанню екранів HMI (інтерфейс людини-машини) змінні положення, швидкості, прискорення/уповільнення та сили можна легко змінювати в будь-який час, забезпечуючи максимальну гнучкість. В середовищі OEM продуктивність системи буде легше контролювати завдяки підвищеній узгодженості електричної системи порівняно з рідинною.

3. Електричні штокові приводи проти гідравлічних циліндрів:Можливості сил

Завдяки високому робочому тиску, системи гідравлічних циліндрів чудово справляються зі створенням надзвичайно високих зусиль. Типовий тиск коливається від 1800 до 3000 фунтів на квадратний дюйм (від 124,1 до 206,8 бар). У деяких гідравлічних системах високого тиску використовуються номінальні значення тиску до 5000 фунтів на квадратний дюйм (344,7 бар) для подальшого підкреслення щільності потужності. Оскільки гідравлічні циліндри працюють за принципом «Сила = Тиск х Площа» (гідродинамічна потужність), високий тиск дозволяє меншим циліндрам досягати дуже великих зусиль. Наприклад, циліндри з діаметром отвору 3 дюйми та 5 дюймів при тиску 2200 фунтів на квадратний дюйм можуть досягати приблизно 15 000 фунтів на квадратний дюйм (66 723,3 кН) та 43 000 фунтів на квадратний дюйм (191 273,5 кН) відповідно. Однак гідравлічні циліндри зазвичай не використовуються на повну потужність; вони зазвичай мають збільшений розмір для покращення контролю.

Розглядаючи електричні приводи, важливо визначити необхідну робочу силу. Щоб оцінити приблизну силу, необхідну для електричного приводу, типовий підхід полягає в регулюванні гідравлічного робочого отвору або тиску в системі доти, доки операція більше не може бути виконана. Системи електричних приводів залежать від струму через серводвигун для створення крутного моменту в механічній системі, яка приводить в рух силовий гвинт для обертання та створення сили. Це величезна перевага; сила виникає миттєво. У гідравлічних системах, де жорсткість системи не оптимізована, гідравлічний привід повинен чекати на нарощування тиску, поки не буде досягнуто сили. Ще однією великою перевагою електричних систем є те, що сервоконтролер автоматично регулює струм. Система електричного приводу по суті використовує струм «на вимогу». Будь-яке регулювання відбувається автоматично. Гідравлічний силовий агрегат повинен завжди підтримувати тиск у системі для спрацьовування гідравлічного циліндра, що може бути дуже складно.

Вибираючи систему електричного приводу, важливо враховувати швидкість обертання двигуна та крутний момент, а також крок гвинта в електричному приводі. Узгодження швидкості та крутного моменту серводвигуна з механічною потужністю ходового гвинта може бути складним завданням. Досягнення екстремальних сил, які може створювати гідравліка, цілком можливо за допомогою електричної технології, але зазвичай використовуваний електричний привід матиме більший діаметр корпусу, а система електричного приводу матиме максимальну швидкість, яку не можна перевищити. Складність визначення розміру системи можна легко подолати, оскільки виробники компонентів приводів та сервоприводів надають прості у використанні програмні пакети для визначення розмірів керування рухом, які враховують усі ці змінні.

4. Електричні штокові приводи проти гідравлічних циліндрів:Швидкісні можливості

Досягнення високих швидкостей за високих сил створює труднощі як для гідравлічних, так і для електричних технологій. Гідравліка потребує тиску для сили та потоку для швидкості. Для досягнення вищих швидкостей за вищих сил у системі має бути достатньо оливи під тиском, щоб фактично проштовхнути необхідний об'єм оливи в циліндр за необхідний проміжок часу (визначений як потік). Зазвичай для цього потрібна система накопичення для утримання об'єму під тиском. Проблема може посилюватися при використанні циліндрів з довгим ходом; незаряджені гідроакумулятори можуть призвести до недозабезпечення системи маслом. Зрештою, використання додаткової ємності в системах гідроакумуляторів дозволяє їм досягати високих швидкостей за високих сил. Недоліком такої практики є те, що без сервогідравлічного керування гідравлічною системою надлишкова енергія (сила х швидкість) по суті використовується в схемі керування з розімкнутим контуром.

Як зазначалося раніше, силові можливості системи електричного приводу залежать від правильного поєднання швидкості обертання серводвигуна, крутного моменту серводвигуна та механічної переваги від гвинтового виводу та, можливо, редуктора. Зі збільшенням розміру серводвигунів крутний момент зазвичай значно зростає, але швидкість обертання зменшується. В екстремальних умовах застосування сили та швидкості єдиний спосіб, яким система електричного приводу може досягти бажаної продуктивності, - це значно збільшити розмір системи, що може бути непомірно дорогим. З іншого боку, пам'ятайте, що система електричного приводу має повний контроль над профілем руху; їй не потрібно виконувати хід на всій довжині кожного циклу. Крім того, завдяки контролю прискорення та уповільнення, електрична система може швидше стабілізуватися, що зменшує час циклу та підвищує ефективність. Нарешті, технологія електричного приводу може зменшити деякі необхідні пікові швидкості, оскільки можна виконувати більш інтелектуальні, коротші рухи.