Bewertung von fünf Schlüsselbereichen moderner Hydraulikaggregate

Jede Produktionsanlage, die Hydraulik nutzt, die von konventionellen Hydraulikaggregaten (HPUs) mit fester Drehzahl angetrieben wird, verfügt über Ingenieure und Personal, die nur allzu gut wissen, wie groß, laut und ineffizient ältere HPUs sein können. In der Vergangenheit waren solche Funktionen einfach ein akzeptierter Teil der Fertigungsumgebung. Aber jetzt haben Fortschritte in Technik und Design zu neuen drehzahlvariablen Antriebseinheiten geführt, die kleiner, leiser und effizienter sind, für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen gedacht sind und herkömmliche Hydrauliksysteme direkt ersetzen können.

Wie andere Arten von elektrisch angetriebenen Geräten mit variabler Geschwindigkeit sind HPUs mit variabler Geschwindigkeit deutlich energieeffizienter als ihre Gegenstücke mit fester Geschwindigkeit. Darüber hinaus können sie dank integrierter Sensoren, Diagnose- und Cloud-Funktionen problemlos mit einer IoT-Umgebung verbunden werden, um wertvolle Produktivitäts- und vorausschauende Wartungsdaten zu liefern. Insgesamt machen diese Vorteile moderne Hydraulikaggregate zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen Einheiten im Hinblick auf Energieeffizienz, geringeren Kühlbedarf, geringeren Geräuschpegel und erhöhte Zuverlässigkeit.

Für Ingenieure, die neue Geräte spezifizieren oder mit der Aktualisierung oder dem Austausch älterer HPUs beauftragt sind, bieten Systeme mit variabler Geschwindigkeit effizientere Optionen, die es zu berücksichtigen gilt, bevor sie sich für eine Investition entscheiden.

Beim Austausch oder der Nachrüstung einer HPU wird Fertigungsingenieuren empfohlen, einige wichtige Kennzahlen zu berücksichtigen, die das Design moderner Hydrauliksysteme von herkömmlichen Systemen unterscheiden: Größe, Geräuschentwicklung, Energieeffizienz, Konnektivität und Gesamtbetriebskosten.

1. Größe: Die Gesamtgröße einer HPU wird weitgehend durch die Größe ihres Hydraulikflüssigkeitsbehälters bestimmt. Bei herkömmlichen HPUs gilt als allgemein anerkannte Regel, dass das Reservoir mindestens drei- bis fünfmal so groß sein sollte wie der maximale Pumpendurchfluss, um eine Entgasung zu ermöglichen (Zeit, die ausreicht, damit das Öl im Reservoir verbleibt und Luftblasen an die Oberfläche aufsteigen). Um beispielsweise nach dieser alten Regel einen maximalen Durchfluss von 150 l zu erreichen, ist ein etwa 600 l fassender Behälter erforderlich, der viel Platz innerhalb der Stellfläche des Geräts einnimmt.

Umgekehrt verwenden einige moderne HPUs alternative Entgasungsmethoden, die die erforderliche Menge an Lagerstättenöl auf ein Verhältnis von 1:1 reduzieren. Effizientere Verteilerblockdesigns sowie optimierte Behälterformen ermöglichen kleinere Tanks. Diese Technik verbessert die Strömungseigenschaften und integriert Komponentenfunktionen besser. Der resultierende Verteiler ist kompakter und leichter als ein herkömmlicher Verteiler und kann in verschiedenen Formen hergestellt werden, um in enge Räume zu passen.

Dies wird mit einem speziellen „J-förmigen“ Reservoir kombiniert, das eine passive Entgasung etwaiger Blasen im Öl ermöglicht. Daher benötigt eine Einheit, die einen maximalen Durchfluss von 150 Litern pro Minute erzeugt, nur eine Tankkapazität von 150 Litern, also 75 Prozent weniger Tankkapazität als eine herkömmliche HPU. Bezogen auf den Platzbedarf auf dem Werksgelände bedeutet dies eine Stellfläche von 0,5 m2 gegenüber einer typischen Stellfläche von 2 m2 und eine Gewichtsreduzierung von 80 Prozent. In diesem Beispiel müsste die Produktionsanlage nur ein Viertel so viel Hydrauliköl bereitstellen und warten.

2. Lärm: Produktionsanlagen gelten von Natur aus als laut und benötigen in der Regel spezielle persönliche Schutzausrüstung, um diesen Lärm zu unterdrücken. Doch was als akzeptables Maß an Lärm gilt, ist nicht allgemeingültig definiert. In einem Stahlwerk beispielsweise könnte eine HPU völlig geräuschlos arbeiten und dennoch den Gesamtlärm im Werksbereich nicht reduzieren. Aber auch in anderen Arten von Anlagen, etwa in der Automobilfertigung oder Gummiformung mit Montagelinien und langen Maschinenlaufzeiten, ist ein geräuscharmer Betrieb wünschenswert, um eine angenehme Arbeitsumgebung aufrechtzuerhalten. Aufgrund der durch Schallwellen erzeugten Vibrationen kann auch Lärm eine Rolle spielen, der sich ebenfalls negativ auf Geräte und Prozesse in der Nähe auswirken kann.

In Umgebungen, in denen die Geräuschreduzierung wichtig ist, macht die drehzahlgeregelte Hydraulik deutliche Fortschritte und arbeitet etwa 10 dB leiser als herkömmliche HPUs im Leistungsbereich von 7,5 kW bis 30 kW. Wenn man bedenkt, dass alle drei Dezibel einer Verdoppelung der Lautstärke entsprechen, stellt dies eine deutliche Verbesserung der Lärmreduzierung dar. Die Senkung des Systemgeräuschs auf 75 dB gilt als Gesprächspegel, was bedeutet, dass zwei Kollegen neben der HPU stehen und miteinander kommunizieren können, ohne Ohrstöpsel zu tragen.

Wie wird diese Lärmreduzierung erreicht? Erstens sind moderne Geräte durch den Betrieb mit variablen Drehzahlen naturgemäß leiser, da sie nicht zu 100 Prozent ihre volle Leistung abfordern, sondern nur die Leistung liefern, die gerade benötigt wird. Zweitens können moderne Systeme aus Materialien gebaut werden, die Schall dämpfen und Vibrationen minimieren, indem Designstrategien wie ein flüssigkeitsgekühlter Motor, eine kompakte Anordnung der Komponenten, ein einheitliches Gehäuse und eingebaute Schalldämmmatten verwendet werden, die in herkömmlichen Antriebseinheiten nicht vorhanden sind . Um beispielsweise auf dämpfende Lager zu verzichten, die Geräusche auf den Vorratsbehälter übertragen, befestigte Bosch Rexroth seine CytroBox-Motorpumpengruppe auf einem Polymerbetonfundament, das Vibrationen absorbiert.

Fazit: Jüngste Fortschritte bei HPU-Designs haben zu Geräuschpegeln von nur 75 dB (Gesprächspegel) geführt, was einen erheblichen Sprung in der Schallreduzierung darstellt.

3. Energieeffizienz: Eine HPU mit fester Drehzahl arbeitet zu 100 Prozent mit 100 Prozent Motordrehzahl, unabhängig davon, ob die Anwendung dies erfordert oder nicht. Jegliche Energie, die nicht für die Arbeit verwendet wird, wird in Wärme umgewandelt, und allein das Antreiben eines Motors und einer Pumpe mit 1.800 U/min ohne Durchfluss aus dem System erfordert mehrere kW verschwendete Energie. Diese Betriebsweise führt zu vielen Folgeproblemen, einschließlich höherer Energiekosten und einer übermäßigen Wärmeproduktion, die durch Kühlung oder andere Ableitungsmethoden (die noch mehr Energie erfordern) kontrolliert werden muss.

Systeme mit variabler Drehzahl sorgen für Harmonie, indem sie die elektronische Drehzahlregelung von Motor und Pumpe nutzen, sodass die Energieabgabe an die Anforderungen und Bedingungen des Betriebs angepasst wird. Durch die Reduzierung der Drehzahl um 40 bis 70 Prozent unter Teillastbedingungen und die Berücksichtigung von Leerlaufbedingungen haben HPUs mit variabler Drehzahl im Vergleich zu ihren Gegenstücken mit fester Drehzahl eine Energieeinsparung von bis zu 80 Prozent gezeigt. Niedrigere, besser kontrollierte Betriebsgeschwindigkeiten verringern auch die Wärmeabgabe des Geräts, sodass es kühler läuft und die Notwendigkeit zusätzlicher Kühlmaßnahmen sowie die damit verbundenen Kosten verringert oder ganz eliminiert wird.

Fazit: Im Vergleich zu gleichgroßen HPUs mit fester Geschwindigkeit laufen HPUs mit variabler Geschwindigkeit kühler und sind bis zu 80 Prozent energieeffizienter.

4. Konnektivität: Viele Hersteller kämpfen mit der Entscheidung, veraltete Geräte auszutauschen oder ältere Komponenten nachzurüsten, um sie in das moderne Zeitalter des IoT zu bringen. Obwohl die Integration von Datenerfassungsfunktionen für die Senkung der Wartungskosten, die Verbesserung der Produktivität und die Sicherung der Betriebszeit unerlässlich ist, kann die Entscheidung darüber, wie dies bewerkstelligt werden soll, überwältigend sein.

Unabhängig davon, ob Sie Ihrer älteren HPU Sensoren hinzufügen oder sich für ein neues Plug-and-Play-Modell entscheiden, sind die Daten, die gesammelt werden können, für wichtige Fertigungsfunktionen wie Produktivität, Fehlerbehebung und vorausschauende Wartung von unschätzbarem Wert. Mit einer modernen HPU optimiert der Zugriff auf cloudbasierte Diagnose- und Datenanalysetools auch die Arbeitsabläufe und verringert den Personalaufwand (insbesondere für weniger erfahrene Mitarbeiter), der neue Geräte in Betrieb nehmen oder kritische Daten für die Fehlerbehebung an Geräten persönlich erfassen muss.

Einige Unternehmen wie Bosch Rexroth bieten Sensorpaketoptionen an, die Leckflüssigkeitsdurchfluss/-temperatur, Partikelzähler, Energieverbrauch, Pumpenschaden und andere Überwachungsparameter umfassen, mit Echtzeitzugriff auf Leistungs- und Nutzungsberichte rund um die Uhr über Dashboards auf einem mobilen Gerät.

Bei einigen älteren HPUs ist Konnektivität immer noch eine Option, die jedoch mit vielen Herausforderungen und Kosten verbunden sein kann. In diesen Fällen ist es wichtig, diese Kosten zu berechnen und sie mit den Kosten für den Ersatz durch eine moderne, i4.O-fähige HPU zu vergleichen.

Fazit: Überlegen Sie, wie Ihr Betrieb von HPU-Daten profitieren könnte, und vergleichen Sie die Kosten für die Nachrüstung einer älteren HPU mit Datensensoren mit den Kosten für den Ersatz durch ein neues Plug-and-Play-Modell mit integriertem Sensorpaket und offenen Schnittstellen.

5. Gesamtbetriebskosten: Der Glaube, dass nichts weniger kostet als die Ausrüstung, die ein Hersteller bereits besitzt, ist irreführend, und gute Daten zeigen oft, dass das Gegenteil der Wahrheit näher kommt. Während viele ältere HPUs mit fester Geschwindigkeit mit Sensoren ausgestattet und an die moderne Fertigung und das Internet der Dinge angepasst werden können, bleibt ihr Energieverbrauch ineffizient und unverändert. Außerdem nehmen sie immer noch genauso viel Platz in der Fabrikhalle ein und sind immer noch laut. Im Vergleich dazu kann die Investition in eine neue, kompakte HPU mit variabler Geschwindigkeit wie die CytroBox den Lärm sofort reduzieren, Platz in der Fertigungshalle für andere gewinnbringende Geräte schaffen und die Energiekosten durch effizienteren Betrieb senken.

Fazit: Moderne HPUs mit variabler Geschwindigkeit sind möglicherweise eher eine Vorabinvestition, aber Hersteller mit hohen Energiekosten, die durch HPUs mit fester Geschwindigkeit verursacht werden, werden durch Energieeinsparungen einen höheren Nutzen und eine schnellere Kapitalrendite ihrer Investition sehen.

Die Entscheidung, ältere HPUs mit fester Geschwindigkeit zu behalten oder in neue HPUs mit variabler Geschwindigkeit zu investieren, hängt von vielen Faktoren innerhalb einer Produktionsumgebung ab, einschließlich Investitionsausgaben, schlanken Wartungszielen und Initiativen zur CO2-Reduzierung. Neue HPUs sollten für jeden Betrieb in Betracht gezogen werden, der nach IoT-fähigen Lösungen sucht, die die Energiekosten senken und den Lärm reduzieren sowie Platz in der Fabrikhalle schaffen.

Dieser Artikel wurde von Tyler Stahl, Anwendungsingenieur, Bosch Rexroth Corp. (Bethlehem, PA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2022 des Motion Design Magazine.

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