Руководство по двигателю HPU: размеры, типы, эффективность и советы по техническому обслуживанию

Контент

1 Что на самом деле делает двигатель HPU внутри гидравлической силовой установки
2 Анатомия двигателя HPU и как он подключается к системе
3 Типы двигателей, используемые в конструкциях гидравлических силовых агрегатов
4 Как подобрать двигатель HPU для вашего применения
5 Энергоэффективность и частотно-регулируемые приводы
- 5.1 Где VFD приносят наибольшую пользу
6 Соединение и выравнивание двигателя с насосом
7 Методы технического обслуживания, продлевающие срок службы двигателя HPU
8 Диагностика распространенных проблем с двигателем HPU
- 8.1 Отделение неисправностей двигателя от неисправностей гидравлики
9 Часто задаваемые вопросы о двигателях HPU

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Что на самом деле делает двигатель HPU внутри гидравлической силовой установки

Ан Двигатель HPU преобразует электрическую или механическую входную мощность во вращающую силу, которая приводит в движение насос внутри Гидравлический силовой агрегат , генерируя поток и давление, необходимые для перемещения цилиндров, вращения приводов или работы гидравлических инструментов. Без двигателя остальная часть гидравлического силового агрегата представляет собой просто бак, коллектор и водопровод. Двигатель — это единственный компонент, который превращает накопленную электрическую энергию в полезную механическую работу, а его размер, скорость и эффективность определяют почти все последующие показатели производительности системы: от времени цикла до уровня шума и стоимости электроэнергии за час работы.

В большинстве промышленных гидравлических агрегатов используется трехфазный асинхронный двигатель переменного тока, соединенный непосредственно с шестеренчатым, лопастным или поршневым насосом через гибкую муфту или колоколообразный корпус. Вал двигателя вращает вал насоса с фиксированной или переменной скоростью, и это вращение вытесняет гидравлическую жидкость из резервуара в рабочий контур. В мобильных или автономных приложениях ту же роль выполняет двигатель постоянного тока, работающий от аккумуляторной батареи, гидравлический двигатель, приводимый в движение дизельным двигателем через коробку отбора мощности, или, в некоторых случаях, пневматический двигатель, когда электричество недоступно или небезопасно для использования, например, в определенных горнодобывающих или морских условиях.

КРАТКАЯ СПРАВКА

Двигатель мощностью 10 лошадиных сил, работающий с насосом рабочим объемом 2,5 кубических дюйма при 1800 об/мин, производит примерно 32,5 галлона в минуту потока жидкости. Это единственное соотношение между мощностью, рабочим объемом и числом оборотов в минуту является отправной точкой практически для каждого решения по выбору двигателя HPU.

Анатомия двигателя HPU и как он подключается к системе

Прежде чем сравнивать типы двигателей или выполнять расчеты рабочих размеров, полезно точно понять, какие части двигателя HPU имеют значение для производительности, а какие части важны только для установки. Двигатель HPU — это не обычный электродвигатель, прикрепленный болтами к гидравлическому баку; он выбирается и настраивается на основе набора механических и электрических интерфейсов, специфичных для передачи гидравлической энергии.

Вал и шпоночная канавка

Выходной вал двигателя имеет шпоночную канавку или шпонку, которая должна точно соответствовать входной муфте насоса. Несоответствие здесь является единственной наиболее распространенной причиной задержек установки новых сборок HPU.

Монтажный фланец

В двигателях с рамой NEMA и IEC используются стандартные крепления с C-образной или D-образной поверхностью, поэтому двигатель крепится болтами непосредственно к колокольному корпусу без специальных кронштейнов, обеспечивая единообразие выравнивания по всей конструкции.

Обмотки и класс изоляции

Класс изоляции, обычно имеющий рейтинг B, F или H, определяет, сколько тепла выдерживают обмотки перед разрушением. Класс F сегодня является фактическим стандартом для большинства промышленных систем HPU.

Тип корпуса

Корпуса TEFC (полностью закрытый с вентиляторным охлаждением) и TENV (полностью закрытый, невентилируемый) защищают обмотки от масляного тумана, пыли и промывочных брызг, распространенных вокруг гидравлического оборудования.

Типы двигателей, используемые в конструкциях гидравлических силовых агрегатов

Выбор правильного типа двигателя для гидравлического силового агрегата зависит от рабочего цикла, доступного источника питания, условий окружающей среды, а также от того, как часто агрегат запускается и останавливается в течение смены. Ниже приводится сравнение четырех категорий двигателей, которые чаще всего используются в сочетании с гидравлическими насосами в промышленном и передвижном оборудовании, с последующим более детальным рассмотрением того, какое место каждая из них занимает.

Сравнение типов двигателей, используемых для привода гидравлических силовых агрегатов в стационарных и мобильных приложениях.
Тип двигателя	Типичный диапазон мощности	Общий случай использования	Ключевое ограничение
Трехфазная индукция переменного тока	от 1 до 500 л.с.	Стационарные промышленные ГНУ	Требуется трехфазное питание
Однофазный переменный ток	от 0,5 до 10 л.с.	Малые цеховые прессы, подъемники	Меньший пусковой момент
Двигатель постоянного тока	от 0,5 до 20 л.с.	Мобильные агрегаты с батарейным питанием	Ограниченный непрерывный срок службы
С приводом от двигателя (ВОМ)	От 10 до 1000 л.с.	Внедорожный, сельскохозяйственный, морской	Нет зависимости от коммунальных сетей, но требуется логистика топлива

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные двигатели доминируют в стационарных промышленных гидравлических силовых агрегатах, поскольку они обеспечивают высокий пусковой момент, эффективно работают при постоянной скорости и имеют проверенную десятилетиями надежность в заводских условиях. Типичный трехфазный двигатель с корпусом NEMA в этой роли работает со скоростью 1800 или 3600 об/мин, причем 1800 об/мин гораздо более распространены для долговечности насоса, поскольку более низкая скорость вала снижает износ уплотнений и подшипников вала насоса.

Однофазные двигатели переменного тока

Однофазные двигатели заполняют пробел в небольших магазинах и на предприятиях, где трехфазное питание никогда не проводилось. Они хорошо подходят для легких прессов, подъемников и небольших испытательных стендов мощностью примерно 10 лошадиных сил, но их более низкий пусковой момент означает, что им трудно справляться с высокоинерционными нагрузками или приложениями, которые необходимо запускать под полным давлением.

Двигатели постоянного тока для мобильных и аккумуляторных установок

Двигатели постоянного тока являются стандартным выбором для гидравлических силовых агрегатов с батарейным питанием, используемых в ножничных подъемниках, мобильных платформах и электрических грузовиках. Обычное напряжение составляет 12 В, 24 В и 48 В, причем системы с более высоким напряжением обычно обеспечивают большую мощность при меньшем потреблении тока и, следовательно, меньшем нагреве проводки.

Коробки отбора мощности с приводом от двигателя

Когда гидравлической силовой установке необходимо работать вдали от электрической сети, на помощь приходит механизм отбора мощности с приводом от двигателя. Эти установки распространены на сельскохозяйственном оборудовании, буровых установках и морской палубной технике, где дизельные или бензиновые двигатели уже существуют для других целей, а гидравлический насос просто использует доступную мощность вала.

Как подобрать двигатель HPU для вашего применения

Недостаток мощности двигателя HPU — одна из самых распространенных и дорогостоящих ошибок при проектировании гидравлической системы. Двигатель, который не может обеспечить достаточный крутящий момент при запуске, будет неоднократно отключать защиту от перегрузки, перегреваться и выходить из строя задолго до достижения номинального срока службы. С другой стороны, увеличение размера приводит к потере энергии и увеличению первоначальных затрат без увеличения полезной производительности, а также может привести к снижению эффективности работы двигателя при частичной нагрузке.

ФОРМУЛА РАЗМЕРА ОСНОВЫ

HP = (GPM × PSI) / 1714

Где GPM — требуемый расход, а PSI — максимальное давление в системе. Эта формула предполагает КПД насоса примерно от 85 до 90 процентов, что типично для новых шестеренных и лопастных насосов, работающих при нормальной температуре.

Рабочий пример

Рассмотрим гидравлическую силовую установку, которая должна подавать 15 галлонов в минуту при давлении 2000 фунтов на квадратный дюйм для работы гидравлического пресса. Применяя формулу: 15, умноженное на 2000, равно 30 000, разделенное на 1714, равно 17,5 лошадиных сил . На практике большинство проектировщиков округляют до следующего стандартного размера корпуса двигателя, которым будет двигатель мощностью 20 л.с., чтобы учесть потери эффективности насоса и оставить запас для скачков давления во время рабочего цикла.

Контрольный список размеров

Всегда выбирайте размер, соответствующий пиковому давлению, а не среднему рабочему давлению.
Фактор рабочего цикла, поскольку прерывистый режим работы позволяет использовать двигатели меньшего размера, чем непрерывный режим работы.
Учитывайте температуру окружающей среды, поскольку мощность двигателей снижается в закрытых или жарких помещениях.
Согласуйте частоту вращения двигателя с номинальной частотой вращения насоса, чтобы избежать кавитации или чрезмерного износа.
Оставьте запас по крайней мере на 10–15 процентов выше расчетной минимальной мощности.

Рабочий цикл и его влияние на размер

Рабочий цикл описывает, какую долю рабочего часа двигатель проводит при полной нагрузке. Пресс, который работает в течение 8 секунд и отдыхает 22 секунды, имеет рабочий цикл около 27 процентов, что позволяет использовать двигатель меньшего размера, чем двигатель непрерывной работы, такой как пластиковый зажим для литья под давлением, который удерживает давление в течение нескольких минут за раз. На паспортных табличках двигателя номинальный режим работы указан как S1 для непрерывного режима работы или S3 для повторно-кратковременного режима, и соответствие этого номинала реальному профилю применения предотвращает как нежелательный перегрев, так и ненужное превышение номинала.

Энергоэффективность и частотно-регулируемые приводы

Двигатель с фиксированной скоростью, постоянно работающий на полной скорости гидравлического насоса, даже когда системе нужен только частичный поток, тратит значительное количество энергии в виде тепла через предохранительный клапан. Сопряжение двигателя HPU с частотно-регулируемым приводом позволяет скорости двигателя отслеживать фактическую потребность системы вместо круглосуточной работы с одной постоянной частотой вращения.

Различия в энергии и управлении между двигателями HPU с фиксированной скоростью и с частотно-регулируемым приводом.
Условия эксплуатации	Двигатель с фиксированной скоростью	Двигатель с частотно-регулируемым управлением
Режим ожидания/режим ожидания	Полная потребляемая мощность сохраняется	Скорость упала почти до нуля
Частичная нагрузка	Избыточный поток сбрасывается через предохранительный клапан	Поток напрямую соответствует спросу
Натиск стартапов	Сильный скачок тока при каждом запуске	Мягкая рампа уменьшает всплеск тока
Уровень шума	Постоянный шум на полной скорости	Падает с уменьшенной скоростью

Полевые данные, собранные на нескольких промышленных прессах и установках для литья под давлением, показали, что экономия энергии от 30 до 60 процентов после модернизации двигателей HPU с фиксированной скоростью на приводы с регулируемой частотой, в зависимости от того, какая часть рабочего цикла проводится при частичной нагрузке по сравнению с полной нагрузкой. Приложения с длительными периодами простоя или простоя, такие как зажимные станции для литья пластмасс под давлением, как правило, демонстрируют наибольший выигрыш, в то время как приложения, постоянно работающие при полной нагрузке, обеспечивают меньшую, но все же значительную экономию.

Где VFD приносят наибольшую пользу

Операции прессования и зажима, испытательные стенды с переменными требованиями к расходу и любой HPU, который проводит значительное время на холостом ходу между циклами, являются наиболее сильными кандидатами на модернизацию с ЧРП. Приложения, работающие в непрерывном режиме и круглосуточно работающие с одним и тем же постоянным расходом, получают меньшую выгоду, поскольку большую часть времени двигатель уже работает вблизи своей наиболее эффективной точки.

Соединение и выравнивание двигателя с насосом

Соединение между валом двигателя и валом насоса является частым источником преждевременного выхода из строя, который не имеет ничего общего с электрическими параметрами двигателя. Несоосность двигателя и вала насоса приводит к возникновению радиальной нагрузки на подшипники, которые не предназначены для такой нагрузки, что сокращает срок службы уплотнений и подшипников обоих компонентов, даже если сам двигатель работает точно так, как указано.

Используйте гибкую муфту, рассчитанную на крутящий момент и скорость двигателя, а не только на его мощность.
Перед окончательной фиксацией болтами проверьте угловое и параллельное выравнивание с помощью циферблатного индикатора или лазерного инструмента для выравнивания.
Убедитесь, что раструб или монтажный фланец SAE соответствуют размеру корпуса двигателя и стандарту монтажа насоса.
Повторно проверьте соосность после первых 100 часов работы, так как крепежные болты и эластомерные муфты могут осесть.
Ежегодно проверяйте муфтовую вставку или эластомерный элемент на наличие трещин, так как это предмет износа даже в правильно выровненной системе.

Стандарты монтажа SAE, такие как фланцы SAE A, B, C и D, существуют специально для того, чтобы двигатели и насосы разных производителей можно было соединять без специальной механической обработки. Подтверждение размера фланца SAE и размера шпоночного или шлицевого вала перед покупкой позволяет избежать несоответствия, которое в противном случае потребовало бы использования специального адаптера, что увеличивает как стоимость, так и дополнительную точку потенциального смещения трансмиссии.

Методы технического обслуживания, продлевающие срок службы двигателя HPU

Хорошо обслуживаемый двигатель HPU в чистой промышленной среде может надежно работать в течение 15–20 лет, а запущенный в грязной или перегретой среде может выйти из строя в течение 2–3 лет. Разница почти всегда сводится к нескольким повторяющимся привычкам по обслуживанию, а не к какому-то одному кардинальному вмешательству.

Проверка подшипников и смазки

Подшипники двигателя следует проверять на предмет необычного шума, вибрации или нагревания через регулярные промежутки времени, при этом интервалы смазки должны соответствовать паспортной табличке производителя или руководству по техническому обслуживанию, а не общему графику. Избыточная смазка так же вредна, как и недостаточная, поскольку может привести к перегреву подшипников и выходу уплотнений.

Тепловой мониторинг

Температура обмотки двигателя является одним из наиболее ярких индикаторов неисправности еще до ее возникновения. Длительная температура обмотки на 10 градусов Цельсия выше номинального температурного класса двигателя примерно вдвое сокращает ожидаемый срок службы изоляции.

Качество электроснабжения

Дисбаланс напряжения на трех фазах более 1 процента может непропорционально увеличить нагрев двигателя, а устойчивый дисбаланс выше 5 процентов является распространенным предвестником преждевременного выхода из строя обмотки в промышленных двигателях HPU.

Контроль загрязнения

Охлаждающие ребра, вентиляционные отверстия и область вокруг двигателя не должны содержать остатков гидравлического масла, металлических частиц и пыли, поскольку накопление загрязнений ограничивает поток воздуха и является одной из основных причин медленного, трудно диагностируемого перегрева.

Контрольный список ежеквартального технического обслуживания

Содержите охлаждающие ребра и вентиляционные отверстия в чистоте от пыли и мусора.
Убедитесь, что напряжение питания находится в пределах 10 процентов от номинального значения, указанного на паспортной табличке.
Осмотрите соединительные и крепежные болты на предмет ослабления
Отслеживайте потребление тока двигателем с течением времени, чтобы своевременно обнаружить износ насоса.
Показания температуры обмотки бревен для выявления постепенной тенденции к повышению

Диагностика распространенных проблем с двигателем HPU

Большинство сообщений о проблемах с двигателем HPU связаны с одной из трех основных причин: проблемы с электропитанием, проблемы с механическим соединением или противодавление в гидравлической системе, которое ошибочно принимают за неисправность двигателя. Их раннее разделение предотвращает замену совершенно исправного двигателя, когда фактическая проблема находится в другом месте цепи.

Распространенные моторные симптомы ГПН с вероятными причинами и первым этапом диагностики.
Симптом	Вероятная причина	Первая проверка
Мотор гудит, но не крутится	Однофазная потеря или заклинивание насоса	Проверьте все трехфазные напряжения.
Частые перегрузки	Двигатель недостаточной мощности или высокое давление в системе.	Проверьте настройку предохранительного клапана в соответствии с номиналом двигателя.
Чрезмерная вибрация	Несоосность муфты или изношенные подшипники.	Сначала проверьте соосность муфты
Перегрев при нормальной работе	Заблокирована вентиляция или низкое напряжение	Очистите вентиляционные отверстия и измерьте напряжение питания.
Медленное или слабое движение цилиндра.	Изношенный насос, а не проблема с двигателем	Измерьте фактический выходной расход по сравнению с номинальным галлоном в минуту.

Отделение неисправностей двигателя от неисправностей гидравлики

Простая проверка силы тока во многом позволяет отличить настоящую проблему двигателя от проблемы гидравлической системы. Если двигатель потребляет нормальный ток, но система работает недостаточно эффективно, проблема почти всегда связана с насосом, клапанами или приводами. Если двигатель потребляет чрезмерный ток по сравнению с номинальным значением, указанным на паспортной табличке, более вероятной причиной является нагрузка на сам двигатель, будь то насос или механическое заклинивание.

Часто задаваемые вопросы о двигателях HPU

Какой размер двигателя мне нужен для гидравлического силового агрегата?

Размер двигателя зависит от требуемой скорости потока и максимального давления в системе, рассчитываемого по формуле: HP = галлон в минуту, умноженный на фунт на квадратный дюйм, разделенный на 1714. Для пресса, которому требуется 15 галлонов в минуту при 2000 фунтов на квадратный дюйм, требуется примерно 17,5 л.с., обычно округляемых до 20 л.с. для корпуса двигателя, чтобы оставить запас на скачки давления.

Может ли однофазный двигатель управлять гидравлической силовой установкой?

Да, однофазные двигатели могут приводить в действие меньшие гидравлические агрегаты мощностью примерно до 10 л.с., но они обычно имеют меньший пусковой момент, чем трехфазные двигатели той же мощности, что важно для применений с высокой пусковой нагрузкой, таких как прессы, которые запускаются под давлением.

Как долго должен работать двигатель HPU?

Правильно подобранный и обслуживаемый двигатель HPU в чистой среде обычно служит от 15 до 20 лет, в то время как двигатели, подвергающиеся воздействию тепла, пыли, дисбаланса напряжения или хронического смещения, часто выходят из строя в течение 2–3 лет.

Почему мой двигатель HPU перегревается при нормальной нагрузке?

Наиболее распространенными причинами являются заблокированные вентиляционные отверстия, ограничивающие поток воздуха, напряжение питания ниже номинального значения, указанного на паспортной табличке, или насос, требующий большего крутящего момента, чем рассчитан на двигатель, из-за слишком больших настроек предохранительного клапана.

Действительно ли добавление частотно-регулируемого привода к двигателю HPU экономит энергию?

Да, полевые результаты на промышленных установках показывают экономию энергии от 30 до 60 процентов после добавления управления преобразователем частоты, причем наибольший прирост наблюдается в приложениях, которые имеют длительные периоды простоя или частичной нагрузки между рабочими циклами.

В чем разница между мощностью двигателя и рабочим объемом насоса?

Мощность двигателя описывает, какую вращательную мощность может обеспечить двигатель, а объем насоса описывает, какой объем жидкости перемещается насосом за один оборот. Вместе при данной частоте вращения эти два значения определяют фактическую скорость потока и допустимое давление системы.

Какой класс изоляции должен иметь двигатель HPU?

Изоляция класса F сегодня является стандартным выбором для большинства промышленных двигателей HPU, обеспечивая более высокую температурную устойчивость, чем более старые конструкции класса B, оставаясь при этом широко доступной для двигателей разных марок и типоразмеров.

Как часто следует проверять центровку двигателя HPU?

Выравнивание следует проверять при установке, перепроверять после первых 100 часов работы по мере стабилизации монтажного оборудования, а затем проверять во время планового ежеквартального технического обслуживания или раньше, если заметно возрастает вибрация или шум.