Prawidłowy dobór pompy do budowanego układu hydraulicznego to bardzo ważna kwestia, która w końcowym efekcie decyduje o sprawności układu, czyli stosunku ilości pobranej energii do wykonanej pracy przez urządzenie. Ma to zatem wpływ na ekonomiczny wynik osiągany w czasie produkcji oraz na bezawaryjną eksploatację maszyny. Innym choć nie mniej ważnym zagadnieniem jest dobór pompy jako zamiennika do funkcjonującego układu w ramach usuwania awarii lub modernizacji, lub możliwości modernizacji w związku z uszkodzeniem eksploatowanej pompy.
Dobór pompy do projektowanego układu hydraulicznego
Aby prawidłowo dobrać pompę do budowanego układu należy wiedzieć:
- Czym będziemy napędzali określony element roboczy ( siłownik czy silnik hydrauliczny )
- Z jaką prędkością będziemy wykonywali określone ruchy elementów roboczych.
- Z jaką siłą będziemy wykonywali dany ruch lub jaką masę będziemy napędzali.
- W jaki sposób będziemy regulowali prędkość poszczególnych posuwów.
- W jaki sposób będziemy regulowali ciśnienie technologiczne w poszczególnych ruchach.
- Czy będziemy wykonywali pojedyncze ruchy, czy będziemy wykonywali jednocześnie kilka funkcji.
- Jakie założenia finansowe ma realizowany projekt.
W zależności od wykorzystanego elementu napędowego, czyli siłownika lub silnika hydraulicznego musimy znać ich zapotrzebowanie na olej czyli chłonność. Przy wykorzystaniu silników hydraulicznych powinniśmy się posłużyć dokumentacją techniczną silnika. W dokumentacji znajdziemy informację o chłonności silnika przy określonej prędkości obrotowej wałka. Przy zastosowaniu siłownika hydraulicznego musimy znać jego objętość. Tu trzeba pamiętać, że siłownik hydrauliczny dwustronnego sterowania z jednostronnym tłoczyskiem ma dwie różne objętości robocze, ponieważ tłoczysko odbiera część objętości roboczej. W związku z tym trzeba wiedzieć czy najszybszy ruch będziemy wykonywali przy wysuwaniu tłoczyska czy wciąganiu tłoczyska. Objętość siłownika obliczamy z wzoru na objętość walca. Jeżeli interesuje nas objętość siłownika od strony tłoczyska to od objętości cylindra trzeba odjąć objętość tłoczyska.
Znając chłonność silnika lub objętość siłownika możemy wyliczyć potrzebną wydajność pompy niezbędną do uzyskania zakładanej szybkości obrotowej wałka lub szybkość posuwu realizowanego siłownikiem. Wyliczając chłonność poszczególnych ruchów trzeba pamiętać, że pompa powinna być dobrana tak aby miała około 10-20 procentowy zapas wydajności w stosunku do zapotrzebowania układu ponieważ wyliczamy geometryczne wartości, a każdy układ posiada swoje przecieki wewnętrzne uzależnione od rodzaju wybranych podzespołów do zabudowy systemu, oraz że w zależności do temperatury roboczej oleju wydajność pompy będzie spadać. Ważne jest też aby pamiętać, że pompa się zużywa, a zapas wydajności musi nam posłużyć do utrzymania parametrów technologicznych w czasie jej eksploatacji. Nadmierny zapas wydajności może jednak powodować grzanie się oleju i nadmierne zużywanie energii do napędzania pompy.
O ile wydajność pompy ma bezpośredni wpływ na szybkość posuwów o tyle ciśnienie nie. Sprawna pompa nie zależnie czy pracuje przy maksymalnym ciśnieniu, czy bez ciśnienia przy określonej prędkości obrotowej wałka silnika napędzającego ma stałą wydajność, z wyjątkiem pomp o zmiennej wydajności. Różnice szybkości związane z ciśnieniem wynikają z oporów przepływu oleju i tarcia współpracujących elementów. Ciśnienie robocze układu ma wpływ na szybkość posuwu w przypadku dużego dławienia przepływu. Trzeba pamiętać, że każde dławienie powoduje spadek ciśnienia za dławikiem. Jeżeli obliczamy kryzę regulującą przepływ to zakładamy jaki spadek ciśnienia wywoła jej zastosowanie. Szybkość przepływu przez dławik jest związana z ciśnieniem, przy którym przepływ się odbywa. Dla nas w tym przypadku jest ważne aby wydajność pompy nie była zbyt duża bo wówczas będziemy musieli stosować duże dławienie, co w efekcie może spowodować spadek siły napędzającej dany element lub jeżeli to konieczne trzeba założyć takie ciśnienie robocze dla pompy, aby spadek ciśnienia za dławikiem pozwalał na normalną pracę w pełnym zakresie regulacji przepływu. Dodatkowym aspektem problemu jest piętrzenie strumienia oleju przed dławikiem co skutkuje grzaniem się oleju i w znaczny sposób obniża sprawność układu. Sposób regulacji szybkości posuwów ma zasadniczy wpływ na sprawność maszyny. Możemy zastosować trzy sposoby regulacji szybkości:
- manualny regulator przepływy
- proporcjonalny regulator przepływu
- pompa o zmiennej wydajności sterowana proporcjonalnie
W zależności od stosowanego regulatora powinniśmy wykorzystywać określony typ pompy. Zaczynając od najnowocześniejszego rozwiązania możemy zastosować pompę o zmiennej wydajności. To rozwiązanie jest najlepszym pod względem sprawności układu. Ma w zasadzie wyłącznie zalety ponieważ nie wymaga żadnego dławienia a prędkość posuwu związana jest wyłącznie z wydajnością pompy. Wadą jest możliwość stosowania w układach, które w jednej chwili realizują jeden ruch. Jeżeli w układzie stosujemy pompę wielostrumieniową wówczas każdy strumień może zasilać inny posuw. Druga wada to cena, oraz wymagania techniczne i serwisowe. Jeżeli stosujemy proporcjonalne regulatory przepływu lub rozdzielacze proporcjonalne to możemy w układzie zastosować pompę o stałej lub zmiennej wydajności. Oczywiście najlepiej stosować pompę o zmiennej wydajności, ponieważ w sytuacji gdy dławimy przepływ pompa automatycznie dostosowuje swoją wydajność do zapotrzebowania układu. W takim rozwiązaniu możemy zasilać bez problemu dwa lub więcej ruchów jednocześnie. W sytuacji kiedy do zasilania układu wybierzemy pompę o stałej wydajności będziemy mieli przy dużym dławieniu do czynienia z nadmiarem wydajności, który trzeba skierować przez zawór przelewowy do zbiornika. Manualne regulatory przepływu stosowane w układzie nie zmieniają nic w sposobie doboru pompy. Najlepiej będą współpracowały z pompą o zmiennej wydajności natomiast pompa o stałej wydajności przy dużym dławieniu będzie wytwarzała nadmiar wydatku co spowoduje spadek sprawności układu hydraulicznego.
Sposób regulacji ciśnienia w układzie będzie wynikał z założeń jakie przyjmiemy przy konstruowaniu układu związanych z technologią realizowaną przez maszynę. Jeżeli przyjmiemy, że budujemy prosty układ realizujący cały proces produkcji na jednym ciśnieniu to wystarczy nam jeden zawór manualny ustalający ciśnienie w całym układzie. Możemy użyć oczywiście zawór proporcjonalny ciśnienia i będzie on współpracował tak jak zawór manualny z każdą pompą. Ale możemy użyć do deregulacji ciśnienia pompy o zmiennej wydajności sterowanej proporcjonalnie i wówczas na pomocą regulatora pompy będziemy mogli ustalać ciśnienie technologiczne w maszynie. Dobór pompy do układu jak widać nie ma większego wpływu na ciśnienie w układzie należy jedynie pamiętać, że określone typy pomp mają swoje maksymalne ciśnienia robocze i dobierając pompę do układu trzeba dobrać ją tak, aby ciśnienia technologiczne mieściły się w zakresie roboczym pompy.
Jak widać z powyższych dobór pompy do projektowanego układu nie jest rzeczą nazbyt skomplikowaną. Trzeba sobie określić jedyne cechy charakterystyczne maszyny związane z technologią danego projektu i założyć sposób realizacji poszczególnych funkcji, a reszta jest wynikiem przyjętych założeń. Nie da się ukryć, że na dobór pompy do układu poza aspektem technicznym ma też aspekt finansowy projektu. W obecnej chwili na rynku dostępnych jest wiele typów pomp mogących stanowić źródło zasilania dla układu hydrauliki. Najtańszym i najprostszym rozwiązaniem są tradycyjnie pompy zębate. Natomiast najbardziej wyrafinowanym źródłem zasilania są pompy wielotłokowe o zmiennej wydajności, ale zarazem jest to najdroższe rozwiązanie. Podejmując decyzję o wyborze pompy do układu trzeba się zastanowić czy warunki pracy układu, oraz ewentualny serwis będą w stanie zapewnić długa żywotność bardzo technicznie zawansowanym pompom wielotłokowym o zmiennej wydajności, czy nie lepiej w niektórych sytuacjach zastosować mniej wymagające pompy zębate, bo nawet ich częstsza wymiana będzie tańsza niż pomp wielotłokowych, a wymagania technologiczne maszyny nie zmuszają nas do stosowania tak technicznie zawansowanych rozwiązań. Warto jednak rozważyć przed dokonaniem wyboru wszystkie za i przeciw aby decyzja była jak najbardziej racjonalna co będzie miało wpływ na wynik ekonomiczny i w produkcji maszyny jak i w późniejszej eksploatacji.
Dobór pompy do istniejącego układu
Innym problemem jest dobór pompy do istniejącego układu ze względu na jej awarię. Oczywiście najprościej jest gdy znamy typ pompy bo jest on zapisany w dokumentacji urządzenia lub możemy go określić na podstawie tabliczki znamionowej. W takim wypadku możemy z karty katalogowej pompy dowiedzieć się wszystkiego co jest nam potrzebne do zamówienia drugiej pompy lub dobrania pompy w tym samym typie, ale od innego producenta. Dane takie mogą być nam też przydatne do doboru w miejsce pompy zębatej na przykład pompy wielotłokowej bo w ramach awarii możemy dokonać również modernizacji. Ma to sens bo pompy wielotłokowe mają najczęściej wyższe parametry pracy i cechują się większą żywotnością od pomp zębatych, co może mieć wpływ na wydłużenie bezawaryjnej pracy maszyny czy zwiększenia sprawności układu.
Problem z doborem pompy w miejsce uszkodzonej zaczyna się gdy na pompie nie ma tabliczki znamionowej i nie posiadamy dokumentacji urządzenia. Są dwa sposoby ustalenia jaką pompę potrzebujemy. Możemy wyliczyć wydajność geometryczną pompy lub wyliczyć na podstawie mocy silnika i ciśnienia roboczego jaką największa wydajność pompy możemy napędzać danym silnikiem. Do wyliczenia geometrycznej objętości na obrót pompy zębatej może nam posłużyć poniższy wzór.
Wzór ma objętość geometryczną pompy zębatej
3,14*w*(2*d-L)*(L-d)= V
V – objętość geometryczna pompy na obrót (cm3)
w – grubość zębatki (cm)
d – średnica zębatki (cm)
L – wysokość ósemki (cm)
Wydajność pompy wyliczymy mnożąc objętość geometryczną na obrót przez liczbę obrotów silnika napędzającego pompę.
Wydajność geometryczna pompy wielotłokowej możemy obliczyć w jeszcze prostszy sposób. Wystarczy zmierzyć średnicę tłoczka i jego skok i z wzoru na objętość walca wyliczyć jaką tłoczek ma objętość, następnie przemnożyć wynik przez ilość tłoczków. W ten sposób wyliczamy objętość geometryczną pompy na obrót i mnożąc ją jak poprzednio przez liczbę obrotów silnika napędzającego otrzymujemy wydajność popy. Ważne jest aby brać pod uwagę szybkość wirowania silnika bo często posługując się wydajnością nie bierzemy pod uwagę, że producent wyliczył ją dla 1000 obr./min, a najczęściej spotykany silnik trzyfazowy używany do napędu pompy ma obroty nominalne 1450 obr./min. Wynika z tego, że jeżeli zastosujemy w układzie pompę o wydajności nominalnej 25l/min to przy napędzie zwykłym silnikiem elektrycznym uzyskamy wydajność około 37l/min. Dlatego obecnie producenci podają objętość pompy na obrót bo to gwarantuje, że pompa zostanie dobrana prawidłowo.
Drugim sposobem jest wyliczenie zapotrzebowania pompy na moc. Możemy z tabliczki znamionowej silnika odczytać jego moc. Znając ciśnienie robocze układu możemy przy założeniu, że ktoś w momencie konstruowania układu dobrał silnik do pompy wyliczyć jaką największa pompę możemy napędzać takim silnikiem i w taki sposób ustalić jaką pompę możemy zastosować w danym układzie.
Wzór na zapotrzebowanie pompy na moc
P=(B*C*D)/(600000*E)
P - zapotrzebowanie pompy na moc (KW)
B – wydajność pompy (cm3/Obr.)
C – ciśnienie robocze (bar)
D – obroty silnika (Obr./min)
E – sprawność mechaniczna ( około 90%)
To w wielkim skrócie kilka praktycznych porad podpartych odrobiną teorii w temacie czym kierować się przy doborze pompy do określonego urządzenia bądź konkretnego układu hydrauliki siłowej. Na pewno nie znajdziecie tu Państwo wszystkiego co dotyczy tego zagadnienia ale sadzę, że informacje zawarte w powyższym tekście będą pomocne w eksploracji tego zagadnienia. Oczywistą oczywistością jest (jak mawia klasyk), że przy doborze pompy do projektowanego urządzenia należy brać pod uwagę charakterystyczne dla określonej maszyny czy procesu technologicznego przesłanki i nie da się stworzyć jednej uniwersalnej reguły doboru pompy. Zawsze będzie to składowa wielu różnych zagadnień koniecznych do zrealizowania prawidłowo procesu produkcji. Mam jednak nadzieję, że powyższy tekst przyczyni się do poszerzenia Państwa wiedzy w tym zakresie i może zapobiegnie choćby kilku podstawowym błędom popełnianym przy doborze pompy do określonego układu hydrauliki siłowej.