Specyficzny problem, ciekawy przypadek. HYDRAULIKA SIŁOWA STOSOWANA (Zastosowania akumulatorów hydro-pneumatycznych)

Po otrzymaniu od redakcji SUR propozycji nowego tematu artykułu o hydraulice siłowej, który brzmiał „jeden konkretny przypadek, gdzie pojawił się specyficzny problem” zacząłem się zastanawiać, co zaciekawi czytelników.  I doszedłem do wniosku, że ciekawy przypadek, który pozwala na omówienie paru kwestii technicznych, przytrafił mi się w zeszłym roku w trakcie prac uruchomieniowych linii do produkcji „polbruku” w jednej z firm w województwie warmińsko-mazurskim. Otóż postanowiono w tej firmie pozbyć się starej linii i zakupić drugą używaną najprawdopodobniej z powodów ekonomicznych. Oczywiście podstawową przyczyną decyzji była chęć zwiększenia wydajności, co ze względu na swoją budowę miała zapewnić zakupiona linia. Jak zawsze bywa w przypadku zakupu używanych urządzeń mają one po latach eksploatacji wyhodowaną własną duszę tak jak stare samochody, które kocha się za to, że ją mają. W przypadku maszyn przemysłowych ta sytuacja jest trudna dla użytkownika, bo dusza bywa rogata i trudna do okiełznania. 

    Pierwszą czynnością po zamontowaniu urządzenia w hali był przegląd zasilaczy hydraulicznych i siłowników realizujących poszczególne funkcje technologiczne maszyny. Przegląd miał za zadanie ustalenie stanu technicznego poszczególnych podzespołów, wymianę uszczelnień i sprawdzenie czystości suchego układu. Po dokonaniu tych prac układ został przepłukany olejem za pomocą specjalnie do tego celu zbudowanego zasilacza hydraulicznego. Było to konieczne, ponieważ większością funkcji sterują rozdzielacze proporcjonalne, które są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia mechaniczne mogące pozostać w układzie po montażu. Po płukaniu do układu został podłączony właściwy zasilacz hydrauliczny. Czynność ta pozwoliła uniknąć wielu różnych anomalii w działaniu hydrauliki związanych z zacięciami powodowanymi przez zanieczyszczenia. Po sprawdzeniu podstawowych funkcji roboczych maszyny została dokonana regulacja układu, to znaczy zostały ustawione ciśnienia robocze w poszczególnych fragmentach układu zgodnie z wartościami podanymi w schemacie przez producenta maszyny, oraz wstępnie dostrojono układ sterowania zaworami proporcjonalnymi. W tym momencie układ znalazł się w stanie gotowym do prób technologicznych maszyny. Oczywiście w trakcie przeprowadzania prób rozruchowych nie obeszło się bez kilkunastu drobnych usterek związanych z czasowym wyłączeniem maszyny z eksploatacji oraz w tym przypadku z programem sterującym, ponieważ w trakcie instalowania linii w nowym miejscu dokonano kilku modernizacji, które wynikały z doświadczenia w eksploatacji maszyny. Całością maszyny steruje sterownik SIMATIC S7, który jest często spotykany w maszynach i urządzeniach w całej Europie. Jest to linia sterowników PLC mająca całą gamę paneli wejść i wyjść oraz paneli specjalnych pozwalająca na realizację sterowania w różnego rodzaju układach automatyki przemysłowej.

    Linia do produkcji polbruku w swej podstawowej funkcji to prasa wibracyjna. Do prasy montuje się metalową formę zamykaną od góry stemplem, dzięki czemu można uzyskiwać różne kształty kostki betonowej. Do formy zasypuje się gęsto plastyczną mieszankę betonu, po czym zamyka formę z góry stemplem opuszczanym przy pomocy siłowników hydraulicznych. Następnie prasuje pod określonym ciśnieniem technologicznym beton w zamkniętej przestrzeni poszczególnych komór formy. Ze względu, że mamy do czynienia z masą gęsto plastyczną a nie płynną, aby uzyskać po sprasowaniu jednorodną strukturę betonowej kostki należy ja zagęścić przy pomocy wibracji. Wibrację wytwarza stół wibracyjny stanowiący postawę formy. Tak w skrócie można opisać technologię produkcji kostki betonowej zwanej potocznie „polbrukiem”. Do tego dochodzi oczywiście system transportu betonu do formy i to dwóch frakcji, bo stronę licową uzyskuje się z drobnego żwiru bywa, że barwionego na różne kolory. System wypychania gotowego produktu z formy tak, aby nie uszkodzić mokrego jeszcze wyrobu na paletę transportową, oraz transport do suszenia. Jak wynika z opisu, na jakość produktu mają wpływ trzy podstawowe parametry:

  1. Siła prasowania
  2. Siła wibracji
  3. Czas prasowania i wibracji

Parametry te są tak ważne, ponieważ wpływają na podstawowe cechy użytkowe, czyli trwałość i powtarzalność kształtu. I właśnie w trakcie przeprowadzania prób technologicznych pojawił się problem z osiągnięciem w czasie wibracji odpowiedniego ciśnienia docisku, co skutkowało zmianą wysokości produkowanej kostki.

      Do realizacji funkcji opuszczania i podnoszenia stempla formy wykorzystywane są dwa siłowniki hydrauliczne wyposażone w zawór zwrotny sterowany zamontowany w gnieździe wykonanym w dnie każdego siłownika. Układ zasilania siłowników wyposażony został w tak zwany system regeneracji oleju pozwalający na wykorzystanie wypływającego oleju z siłownika w trakcie podnoszenia stempla do zwiększenia jego szybkości. Do sterowania funkcją został użyty rozdzielacz suwakowy ze sterowaniem proporcjonalnym realizujący jednocześnie zamianę kierunku przepływu oleju i regulację przepływu. Między rozdzielaczem a układem regeneracji oleju zainstalowany został zawór redukujący ciśnienie w obwodzie pilotowany proporcjonalnym zaworem przelewowym. Zawór ten odpowiada za ustalanie ciśnienia technologicznego prasowania betonu w formie. W obwodzie podnoszenia stempla zastosowano zawór zwrotny sterowany odpowiadający za zabezpieczenie stempla przed samoczynnym opadaniem. Ciśnienie w obwodzie podnoszenia stempla ustala manualny zawór przelewowy ustawiony na ciśnienie 130 bar. Za regulację maksymalnej szybkości opadania stempla dopowiada zawór zwrotno-dławiący włączany przy pomocy zaworu zwrotnego sterowanego odpowiedzialnego za działanie funkcji regeneracji oleju.

      Pierwszą czynnością było sprawdzenie stabilności zasilania kanału X zapewniającego ciśnienie sterowania dla rozdzielaczy proporcjonalnych sterujących kierunkiem i szybkością przepływu.  Kanał X występuje w rozdzielaczach sterowanych elektrohydraulicznie, to znaczy w rozdzielaczach dużego przepływu gdzie suwakiem głównego rozdzielacza steruje rozdzielacz pilotujący. Rozdzielacz pilotujący jest zasilany olejem pod ciśnieniem przez kanał X i przy jego pomocy wymusza się przesuniecie suwaka w głównym rozdzielaczu. W rozdzielaczu proporcjonalnym gdzie przepływ jest zależny od stopnia przesunięcia suwaka stabilne ciśnienie zasilania kanału X nabiera jeszcze większego znaczenia, ponieważ w przypadku wahań ciśnienia przy tym samym elektrycznym sygnale sterującym uzyskamy różny stopień dławienia.

       Drugą czynnością było sprawdzenie sterowania elektrycznego pilota gdyż w przypadku niestabilnego sygnału sterującego również mogą występować różnice w uzyskiwanych parametrach technologicznych.

     Następnym urządzeniem, które należało sprawdzić był zawór redukujący ciśnienie w obwodzie stempla sterowany pilotem proporcjonalnym, odpowiedzialny za technologiczne ciśnienie prasowania. Zawór redukcyjny ciśnienia to element umożliwiający redukcję ciśnienia za miejscem jego zainstalowania, nie redukując ciśnienia w pozostałej części układu hydraulicznego. Działanie takiego zaworu polega na dławieniu przepływu. W efekcie dławienia uzyskujemy spadek ciśnienia za dławikiem. Nastawę stopnia dławienia, czyli redukcji ciśnienia uzyskujemy przez nastawienie ciśnienia nad suwakiem dławiącym przepływ. W tym przypadku funkcję tę spełnia proporcjonalny zawór przelewowy. Po weryfikacji wymieniony został suwak dławiący wraz z gniazdem i uszczelnieniami. Wykazywał one znaczny stopień zużycia, który mógł w powodować anomalia w regulacji ciśnienia.

    Kolejnym krokiem było sprawdzenie stabilizacji i powtarzalności sygnału sterującego zaworu proporcjonalnego pilotującego zawór redukcyjny. W związku z tym, że strona elektryczna zachowywała się poprawnie a widoczne były wahania ciśnienia wymieniony został zawór proporcjonalny sterujący reduktorem ciśnienia. 

     Wszystkie te działania doprowadziły do stabilizacji pracy układu sterowania ruchami stempla, ale w końcowej fazie opuszczania stempla nadal nie można było uzyskać prawidłowej regulacji ciśnienia docisku.

       Droga opuszczania stempla jest podzielona na kilka fragmentów. Pierwsza faza ruchu to płynne ruszenie i dojście do podstawowej szybkości opuszczania, po której następuje faza hamowania do chwilowego zatrzymania stempla nad formą. Ma to miejsce około 10-20mm nad formą i po tym następuje tak zwane „urwanie stempla”. Jest to praktycznie grawitacyjny spadek stempla, który należy jednak zatrzymać zawsze w tym samym miejscu ze względu na zachowania wymiaru produkowanej kostki. Po zakończeniu tej fazy ruchu stempel jest wsparty na betonie wypełniającym formę. Następuje załączenie wibracji stołu i w tym samym czasie powinno pojawić się technologiczne ciśnienie prasowania, o którym była mowa wcześniej. Wibracja trwa około 1,2s, do 1,5 sekundy i w tym czasie następuje regulacja dwóch ciśnień docisku stempla. Piszę o tym tak dokładnie, aby uzmysłowić jak krótkie czasy wchodzą w grę i o jak dokładne działanie układu hydraulicznego chodzi. Jest to o tyle ważne, że każdy element układu hydraulicznego i sterowania ma swój czas reakcji. Na przykład sam komputer sterujący potrzebuje określonego czasu, aby sprawdzić stan wyjść i wejść, po czym musi wysłać sygnał sterujący do karty zaworu proporcjonalnego. Ta musi go przetworzyć i wysterować cewkę elektromagnetyczną, która za pomocą siły elektromagnetycznej działa na rdzeń iglicy zaworu przelewowego. W reakcji na to suwak zaworu redukcyjne musi zająć w gnieździe odpowiednią pozycję, która w miarę spadku ciśnienia musi być płynnie korygowania dla ustabilizowania ciśnienia w kanale. Jeżeli do tego dołożymy, że w czasie 1,2  sekundy my sami zmieniamy ciśnienie wibrowania zgodnie z technologią, to należy sobie zdać sprawę z jak precyzyjną regulacją mamy tu do czynienia. I właśnie z uzyskaniem ciśnienia docisku stempla w trakcie wibracji był największy problem. Diagnozowanie pozostałych elementów układu nie przyniosło odpowiedzi, dlaczego ciśnienie pojawia się za późno lub przy krótszym czasie wibrowania nie ma go w cale.

      Po kolejnej szczegółowej analizie schematu hydraulicznego i konsultacji z programistą, oraz przeprowadzeniu kilku eksperymentów związanych ze sposobem sterowania doszedłem do wniosku, iż problem, choć skomplikowany, jest stosunkowo prosty do opisania. Otóż wynikało z analizy, że w trakcie spadku grawitacyjnego stempla gwałtownie rośnie zapotrzebowanie siłowników na wydatek oleju. W związku z tym zawór redukujący ciśnienie otwiera się całkowicie i olej pełnym strumieniem płynie do siłowników wówczas następuje chwilowy i gwałtowny skok ciśnienia w wyniku, czego zawór się zamyka w celu zdławienia strumienia oleju, aby obniżyć ciśnienie. Reakcja ta trwa na tyle długo, że w trakcie zadanego czasu wibracji układ nie zdąży się ustabilizować. Doprowadza to do powstanie podciśnienia w kanale zasilania siłownika. Ze zjawiskiem takim każdy się spotkał napełniając strzykawkę lekarską wodą. Jeżeli spróbujemy zrobić to szybkim ruchem to odczujemy, że tłoczek strzykawki stawia duży opór. Jest to związane z powstającym w środku strzykawki podciśnieniem.  Aby zlikwidować to niekorzystne zjawisko należało dostarczyć, do siłownika znacznie więcej oleju, aby zawór redukujący mógł spełniać swoje zdanie, czyli tyle oleju, że w trakcie spadku grawitacyjnego stempla w układzie panowało stałe ciśnienie. Z obliczeń wynikało, że chwilowe zapotrzebowanie oleju waha się od 10 litów do 20 litrów na sekundę. Jeżeli przeliczyć to na litry na minutę to uzyskamy żądaną wydajność pompy na poziomie 1200 l/m. Zastosowanie zestawu pomp, które by dawały taki wydatek było oczywiście ekonomicznie nieuzasadniony ze względu na potrzebną moc do napędu tak dużych pomp. Jedynym rozsądnym i technicznie uzasadnionym rozwiązaniem było zastosowanie w układzie akumulatorów hydro-pneumatycznych. Po analizie działania układu wyszło, że w cyklu roboczym są momenty, w których pojawia się nadmiar oleju i można go wykorzystać do ładowania akumulatorów. Rozwiązanie to okazało się korzystne również z powodu oszczędzania energii. Olej, który został zmagazynowany w akumulatorach w normalnych warunkach był zawracany, jako przelew do zbiornika, czyli energia wydatkowania do jego piętrzenia była tracona. Przy wykorzystaniu akumulatorów jest gromadzona w momentach pojawienia się nadmiaru a oddawana w przypadku pojawienia się zapotrzebowania. Dodatkową zaletą akumulatorów jest to, że olej jest dostępny w każdym momencie pod odpowiednim ciśnieniem i w postaci dużego stabilnego strumienia.

      W związku z tym w układ zostały wpięte dwa akumulatory firmy HYDAC o pojemności 30 litrów każdy. Rozwiązanie, które przyjąłem nie wymagało stosowania bloku ładowania akumulatora, ponieważ z założenia miał on być ładowany nadmiarem oleju w układzie a nie w trakcie oddzielnego cyklu. Układ ładowania w związku z tym ograniczył się do zwykłego zaworu zwrotnego, przez który napełniany jest akumulator, a który niepozwana na samoczynne jego rozładowanie. Natomiast do sterowania wydatkiem oleju zgromadzonym w akumulatorach wykorzystany został zawór logiczny sterowany rozdzielaczem suwakowym. W układzie akumulatorów zamontowany został manometr do kontroli stopnia naładowania i zawór kulowy umożliwiający ręczne rozładowania w sytuacjach awaryjnych. Przyłączenie obwodu akumulatorów do istniejącego układu dokonane zostało równolegle z pompami zasilacza, co wynika z założenia, że akumulatory miały być źródłem dodatkowego chwilowego zasilania o dużej wydajności. Po za tym taki sposób wpięcia nie wymagał dodatkowych regulatorów przepływu, co ograniczało stopień przebudowy układu. W trakcie prób podstawowe założenia do przebudowy się sprawdziły. Akumulatory ładowały się same w trakcie innych funkcji. Ilość oleju przez nie dostarczana w jednostce czasu była wystarczająca. Okazało się jednak, że stempel w trakcie włączania akumulatorów zamiast się opuszczać samoczynnie się podnosi. Oczywiście wzbudziło to konsternację, ale po zastanowieniu przyczyna stała się jasna. Jak wcześniej pisałem w obwód siłowników stempla zabudowany był układ regeneracji oleju a w dna siłowników wkręcone zostały zawory nabojowe zwrotne-sterowane. W takim układzie siłownik wykonuje ruch dzięki różnicy sił działających na tłok, która powstaje z pomniejszenia powierzchni tłoka z jednej strony, o powierzchnię przekroju poprzecznego tłoczyska. Wniosek nasuwał się sam, zawory zwrotne sterowane zamontowane w dnach siłowników mają za mały przepływ. W tym wypadku z powodu dławienia następuje spadek ciśnienia za zaworami zwrotnymi tak duży, że siłowniki mimo mniejszej powierzchni tłoka i tak wykonują odwrotny ruch od złożonego. W takiej sytuacji były dwa wyjścia: albo zastosować zawory o większym przepływie, albo zrezygnować z nich całkowicie. Kolejny raz przeanalizowałem schemat tylko tym razem pod katem, „co autor miał na myśli” stosując te zawory. Moje pierwsze spostrzeżenie było takie, że problem z prędkością przepływu oleju między zaworem sterującym a siłownikami pojawiał się już w fazie budowy maszyny, bo producent zastosował dwa węże zasilające siłownik z jednej strony. Nie jest to rozwiązanie często stosowane a jeżeli to raczej do równoległego zasilania dwu siłowników.  Przedyskutowałem też sposób sterowania zaworów w trakcie wibracji. I tu moje zaskoczenie. Okazało się, że producent założył, iż w trakcie wibracji zawory te są otwarte. Oznaczało to, że w praktyce są nie potrzebne. Zawór zwrotny sterowany w siłowniku stosuje się, jako mechaniczną podporę siłownika zabezpieczającą przed samoczynnym opadaniem w tym wypadku przed samoczynnym podnoszeniem się stempla w trakcie wibracji. Jeżeli wiec zawory były otwarte w tym momencie to w praktyce stały się niepotrzebne. Decyzja była prosta, demontaż zaworów. Po wykręceniu zaworów i zaślepieniu zbędnych kanałów przystąpiliśmy do przeprowadzenia prób. Tym razem wszystko zachowało się już prawidłowo. Widoczna była wyraźnie różnica, kiedy używaliśmy do wspomagania akumulatorów. Dodatkowo okazało się, że regulacja prędkości, realizowana przez zwór proporcjonalny, która wcześniej była w pewnym stopniu ograniczona po demontażu zaworów zaczęła pracować w pełnym zakresie. To spostrzeżenie jest o tyle ważne, że w efekcie prowadzi do wniosku, że zawory zastosowane przez producenta miały za mały przepływ w stosunku do pozostałych elementów układy hydraulicznego. Istnieje też wytłumaczenie, dlaczego producent pojął decyzję, że zawory myszą być otwarte w trakcie wibrowania. Ciecze są nie ściśliwe w związku z tym, gdy zamkniemy olej w stałej przestrzeni w tym wypadku w siłowniku to nie wytworzymy żądanej wibracji, ponieważ układ będzie tak sztywny jak rama, w której został zamontowany siłownik a dodatkowo stracimy możliwość regulacji siły docisku w trakcie wibracji. W trakcie wibracji olej z siłownika musi się cofać do układu i jest w tym wypadku upuszczany do zbiornika przez zawór przelewowy. Amplituda drgań stempla przenosi się na słup oleju i dzięki przelewowi drgania są w ogóle możliwe. W przypadku zamknięcia zaworów zwrotnych w siłownikach amplituda drgań uległa by znacznemu spłaszczeniu a dodatkowo konstrukcja ramy maszyny narażona byłaby na działanie bezpośrednie drgań przenoszonych przez siłowniki na punkty ich mocowania. W takim rozwiązaniu jakie mamy obecnie, siłowniki spełniają w zasadzie rolę sprężyn dociskających stempel, które absorbują drgania w trakcie wibracji.

     Jak można się zorientować problem, choć w opisie nie wydaje się zbyt wielki był dosyć trudny do zdiagnozowania. Przyjęty sposób zniwelowania wadliwego działania też stanowił duży problem techniczny jak i finansowy, ponieważ w przypadku błędnej diagnozy sposób rozwiązania problemu też byłby błędny a to przekładało się na kilka tysięcy złotych wydanych na darmo. W tym przypadku wiązało się to ze złamaniem jeszcze jednej zasady. Brzmi ona tak: „producenta się nie poprawia”. Choć jest to zasada nie pisana to niestety ma wielu wyznawców. Z jednej strony rozumiem takie założenie, ale z drugiej, co zrobić, jeżeli po analizie problemu dochodzi się do wniosku, że trzeba się sprzeciwić zasadom. W podjęciu takiej decyzji pomaga wiedza i doświadczenie w serwisowaniu układów hydrauliki siłowe. Należy jednak pamiętać, że dokonanie zmian w budowie fabrycznego układu powinno być ostatecznością. W tekście poruszonych zostało wiele zagadnień technicznych związanych z dynamiką przepływu i ciśnienia, oraz interakcji miedzy nimi, o których często się zapomina lub w ogóle nie wie. Są one jednak bardzo ważne i często stanowią o prawidłowości działania układu. Trzeba sobie zdać sprawę, że nie można rozpatrywać problemu tylko w jednej płaszczyźnie. Zawsze trzeba brać pod uwagę pewien ściśle określony fragment układu, w którym odbywa się regulacja kierunku i szybkości przepływu. Rozpatrywanie wyłącznie jednego elementu może prowadzić do wyciągnięcia błędnych wniosków. Inną sprawą jest to, że często wadliwe działanie związane jest ze stopniowym zużywaniem się paru elementów i wymiana jednego z nich nie prowadzi do ustania wadliwego działania. W opisanym przypadku nałożyły się, co najmniej trzy problemy. Po pierwsze znaczne zużycie niektórych elementów układu. Po drugie brak wiedzy o dotychczasowej eksploatacji i funkcjonowaniu maszyny. Po trzecie wady ukryte układu. Opisany problem techniczny daje możliwość zapoznania się z możliwościami zastosowania akumulatorów hydro-pneumatycznych, jako źródła zasilania układu hydraulicznego. Jest to często prosty sposób na ograniczenie ilości zużywanej energii w procesie produkcyjnym. Wykorzystanie akumulatorów w bardzo prosty sposób pozwala na zrównoważenie chwilowego zapotrzebowania na moc w trakcie procesu produkcji. Istnieją oczywiście inne możliwości stosowania akumulatorów, ale to temat na inny tekst. Myślę, że opisane zagadnienie może być też wskazówką, w jaki sposób diagnozować układ hydrauliczny i jak interpretować zachowanie poszczególnych elementów maszyny. Należy jednak pamiętać, że niema jednej uniwersalnej zasady diagnozowania układów hydraulicznych, która byłaby złotym środkiem do rozwiązywania problemów. Za każdym razem trzeba starannie przeanalizować problem i na podstawie tak nabytej wiedzy przystąpić do usuwania awarii.