Energiebesparing bij hydropompen en -motoren

Energiebesparing bij hydropompen en -motoren

Citation for published version (APA):

Post, W. J. A. E. M. (1988). Energiebesparing bij hydropompen en -motoren. Aandrijftechniek, (9), 48-51.

Document status and date:

Gepubliceerd: 01/01/1988

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be

important differences between the submitted version and the official published version of record. People

interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the

DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page

numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

E1l

ESPARI]IO

BII

HYDROPOTIPE]I

ElI'TOTOREII

energiebesporing

oon,

moor

geeft

ook

oon dot energiebesporing

op zich

niet

voldoende

is

voor

een

economisch

werkend

systeem,

nlsl tiev ginl van v00 dro den het c0s (be Bel ool v0( afn

cej

bei po bo va mi lal wl he m pe to (t( g f Vi w

(

E

--l L

energiebron generatorisch conductiel moto.isch last

deel deel deel

vierpoolnotati€:

Pa = Tr<,tg Pr = APr Qr Pr = APzgz

P e ' P r

Aíb. l. Hydrostalische ovarbrenglng, schematlsch weargegeven

De outeur

geefl de verschillende

mogelijkheden

voor

besparende maatregelen zullen nader wor-den beschouwd.

Yerliezen

In het algemeen kunnen de enêrgiebe-sparende maatregelen bij hydropompen en -motoren niet alleen specifiek op deze com-ponenten gericht zijn. De wisselwerking met het overige deel van het systeem speelt hierbij ook een belangrijke rol. Bovendien blijkt dat de keuze van het concept van het systeem direct invloed heeft op de keuze van de energiebesparende maatregelen. Vooropgesteld dient te worden dat men dient te weten waar in het systeem energie-verliezen ontstaan en wat de aard van deze

verliezen is. Hierna kan vastgesteld worden hoe deze verliezen gereduceerd kunnen worden. In een hydraulisch systeem ofhy-drostatische overbrenging is er sprake van energietransformatie (in pompen en moto-ren of cilinders), energietransport (in lei-dingen, stuur-en regelschuiven) en soms van energieaccumulatie (zowel hydraulisch als mechanisch). Bij elk van deze activitei-ten zullen verliezen ontstaan. Deze verlie-zen zijn te beschrijven als deelrendemen-ten, zoals in afbeelding I als voorbeeld van een geschematiseerd _{systeem [1] getoond} wordt. Deze deelrendementen zijn vaak weer een functie van de bedrijfsomstandig-heden.

Beschouw bij voorbeeld de

hydromecha-P1 = T1r,:;_

Bij de huidige ontwikkelingen van hydrau-lische systemen spelen een aantal onder-we{pen een belangrijke rol. Als voorbeel-den van deze onderwerpen zijn onder ande-re te noemen:

- integratie van elektronica (in systemen en componenten);

- vergroting betrouwbaarheid (langere le-vensduur);

- vermindering belasting van milieu (ge-luid, vloeistoffen);

-conditiebewaking, sensoren. monito-ring);

- energleDespanng; - daling van kosten.

Uit deze lijst van onderwerpen zal nader ingegaan worden op energiebesparing en de hierbij behorende maatÍegelen. Tevens zal aandacht besteed worden aan het hiermee gerelateerde onderwerp, zijnde de daling van kosten.

Zowel bij de ontwikkeling van hydro-pompen en -motoren als van systemen wordt er steeds meer aandacht geschonken aan energiebesparing. Bij alle technische processen, dus ook bij transport en trans-formatie van energie zoals die voorkomen in hydraulische systemen, ontstaan energie-verliezen. Deze energieverliezen veroorza-ken enerzijds financiële verliezen, ander-zijds beihvloeden ze ook vaak het verloop van het proces. De financiële verliezen ont-staan niet alleen door hogere energiekos-ten, doch mogelijkerwijs ook door extra kosten als gevolg van grotere slijtage of kortere levensduur van componenten. Het is daaroin van belang om hierin verbeterin-gen aan te blijven brengen.

Rond het proces van ontwerpen, fabrica-ge en toepassen van systemen zijn een aan-tal belangengroepen aan te wijzen. Van de-ze groepen is de gebruiker het meest gebaat met zo laag mogelijke kosten. Energiebe-sparing kan hieraan een bijdrage leveren. In dat geval dienen echter de besparingen de kosten van de extra investeringen te bo-ven te gaan. De fabrikanten van componen-ten en de ontwerpers van systemen worden zich ook steeds meer bewust van de eisen ten aanzien van energiebesparing en daling van kosten. Als gevolg hiervan zijn er di-verse mogelijkheden voor de energiebespa-ring ontstaan. Een aantal van deze energie-48 l

I

l l 2 1 1

vl'nf.

AAN DRIJ FTEoHN lEK, sePtember 1 988

_i;iil.

,^^he nÍrZetlerS, dat wil zeggen de genera-lliïr'.n to,otitc-he delen.van de overbren-1i."" Uit de mathematische modelvorming 9li'ïuoropotpen en'-motoren (zie hier-ni'.1.'íii

u<joruéeld [21. [3] blijkt dat de hv-)Lïr..ïunit.tt. en volumetrische deelren-Ïfï..i.. onder andere een functie zijn van Ïll'i"tw.rt.itil. de hoeksnelheid. de vis-).l.iirii .n de dichtheid van het medium rUriO. utt functie.van druk en temperatuur.)' iiirrró o. bedrijfsomstandigheden zijn íàii-.onrttu.ti"ve parameters' zoals bij ï"iueetO de grootte van het slagvolume' ,ir.iine.n van lekspleten. grootte van dra-ï,nà, "opp.rut^kken en. wrijvingscoëffi-íicri.n "uï invloed op de grootte van de iiiá. o..tt.na.menten. Het is onder ande-,. Je taat van de ontwerper van deze com-nnn.nten om beide deelrendementen le ver-[er.ren. Ma^tregelen zoals het verkleinen van de wrijvingsverliezen in lagers door ridd.l uun het Àanbrengen van krachtenba-lansen respectievelijk het verkleinen van wrijvingsvèr[ezen van afdicitingen. of het veíileinen van stromingsverliezen alsmede het verkleinen van de lekverliezen door middel van drukaftrankelijke lekspleetcom-pensaties spelen hierbij een belangrijke rol'

Doorgaans ziin de hydropompen en -mo-toren af ver ontwikkeld. Relatief gezien (ten opzichte van het systeem) zijn er geen grote verbeteringen van de rendementen van deze componenten te verwachten' Dat wil echter niet zeggen dat er niet naar

ver-nf

"-;-)J----i

t . t I

p'-"

pk

tf3

weerst. pomp kar l(aÍ

I

L v - M l,hyd

./ | to"

tÍ

_-+ffi

oY

overslr. klep kar -Pfyo qb q ln ln J 1n

AÍb. 2. Niet verliesarme hyd.ostatische overbrenging

- l

\

l ^ P l o + l q " I ' t _ p I

- l " " 1

vooral gelegen in het effect van de verbete-rins vai delendementen in het conductieve dee-l van de hydrostatische overbrenging' Het is daarom iinvol om vooral aan dit deel van de overbrenging aandacht te besteden.

Syslenen

De mogelijkheden om variaties in de overbrengverhouding aan te brengen is één van de reáenen om vbor een hydrostatische overbrenging te kiezen. Met zo'n variabele overbrengverhouding is het bij voorbeeld mogeliik-om krachten of draaimomenten alsóedê snelheden of hoeksnelheden re-spectievelijk posities te sturen of te regelen' Voor de praktische uitvoering van een hy^-drostatische overbrenging kan meestal al-hankeliik van de eisen een keuze uit ver-schillende mogelijkheden gemaakÍ worden' Het variëren van de overbrengverhoudlng kan volgens één'van de volgende methoden serealiseerd worden:

a niet verliesarme methode: veranderin-gen met behulp van het conductieve deel van de overbrenging;

- verliesarme methode: verandering met behulp van het generatorisch en/of moto-risch deel van de overbrenging.

Blt de niet-verliesarme methode wordt er rechtïtreeks ingegrepen in het hydraulische deel van het systeem. Hierbij wordt een ge-deelte van de áoor de pomp geleverde volu-mestroom aangeboden aan het motorlsche deel van de oierbrenging (hydromotor of cilinder). Het resterende deel wordt via een overstroomklep naar het reservoir terugge-voerd (zie af6. D. De weerstand R stelt hierbii de samengestelde weerstand van de hvdrallische wee-rstand van een combinatie uán

""n stuurschuif met een stroomregel-klep of van een proportionele stuurstroomregel-klep of uun ."n elektro-hydraulische servoschuif met de leidingweefstand voor. Afhankelijk van de grootté van de lastdruk en de grootte van de hydraulische weerstand R kan de 49 0s :h e-m rd rk J -

v-dere verbeteringen van de volumetrische en hvdromechanisóhe rendementen gestreefd díent te worden. Verbetering hiervan zal uiteindelijk resulteren in een langere .1e-vensduur. Afhankelijk van de uitvoering van deze componenten en de geschiLle.keu-ze van de toepassing in systemen zUn- er echter wel (soms aanzienlijke) energiebe-sparingen te realiseren. Deze besparing is

(

!

i

r&',

Bii de on1v,1;L1"1;ng wordt steeds meeÍ aandacht geschonken aan energiebesparing

A A N D R I J F T E c H N t E K .

. ;

-i - -i - r _ . { , " Ë í ,

i SÈ\s-% | /Ài

HYDRO

YMOTOR

Ê '

r.&Y

r f f

aan de hydromotor aangeboden volume-stroom q" tussen de waarden 0 en q.e ing.-steld worden. In het hydraulische domein kan het vermogen in het p-q vlak aangege-ven worden (zie afb.2). Yan het aangebo-den totale hydraulische vermogen Pn,o' wordt slechts het deel P.,ou aan de hydromo-tor toegevoerd. Voor de transformatie in de hydromotor blijft slechts het vermogen Pn,o. voor de last beschikbaar. Bii dit svsteem ontstaan de volgende hydrauiische vertie-zent - in de weerstand R: P* - in de over-stroomklep: P^, en als gevolg van de lek-verliezen in de pomp: P,P en de hydromo-tor: P,u. Bovendien ontstaan bij de transfor-maties nog de hydromechanische verliezen in de pomp en de hydromotor.

Voor veel lastprocessen bestaat er een bepaald verband tussen de gevraagde kracht bij opgelegde snelheid, resp. ge-vraagde draaimoment bij opgelegde hoek-snelheid. Hierbij neemt de kracht of het draaimoment toe als functie van de snel-heid, resp. hoeksnelheid. Na de transfor-matie in het motorisch deel van de obrenging ontstaat er dan een analoog ver-band tussen de gevraagde lastdruk P. en de opgelegde effectieve volumestroom q.u door de hydromotor. Bij grote overbreng-verhoudingen, d.w.z. lage waarden van de effectieve volumestroom, zal ook de last-druk laag zijn. Dit resulteert dan in grote hydraulische verliezen, omdat een groot deel van de door de pomp geleverde iolu-mestroom bij de ingestelde systeemdruk via de overstroomklep afgevoerd dient te wor-den. Deze verliezen worden hierbij in warmte omgezet. zodal er nog extra éner-gieverlies kan ontstaan als gevolg van de gedwongen koeling.Alhoewel in afbeelding 2 enkel de primaire (in de toevoer) regeling getoond wordt, is het voorgaande ook van toepassing op de secondaire (in de afvoer) regeling. De by-pass regeling vertoont hierbij een iets gunstiger beeld, omdat hier het surplus aan volumestroom bii de last-druk in plaats van de (meestal hogere) sys-teemdruk wordt afeevoerd.

Bij de verlíesaríne methode wordt er niet in het conductieve deel, maar in het genera-torische eniof mogenera-torische deel van Íet hv-draulische systeem ingegrepen. De variatie van de overbrengverhouding komt tot stand door de grootte van het slagvolume van de pomp (primaire regeling) of de groone van het slagvolume van de hydromotor (secon-daire regeling), dan wel de verhouding van beide slagvolumes te veranderen (zie afb. 3). Afgezien van de hydromechanische en volumetrische verliezen in de beide ener-gieomzetters en het hydraulische verlies in de leidingen ontstaan hier geen extra verlie-zen, zoals bij de niet verliesarme methode. Er gaat hierbij geen energie verloren door een over de overstroomklep afvloeiende volumestroom. Voor het veranderen van het slagvolume door het verstellen van ex-centriciteit, tuimelplaat, enz. worden vaak 50

hydraulische of elektro-hydraulische regel-componenten en hydraulische actuatoren toegepast. Hiermee zijn dan een aantal re-gelfuncties te realiseren. Bij de pomprege-ling kan de drukonaftrankelijke volume-stroomregeling (constant-flow systeem), de volumestroom-onafirankelijke drukregeling (constant-druk systeem) of volumestroom-druk regeling (constant-vermogen systeem) onderscheiden worden. Bii de ontwikkelin-gen van de secondaire regeling met regel-bare hydromotoren worden soortgelijke re-gelingen voor de hoeksnelheid, draaimo-ment en vermogen toegepast. Hierbij wordt de hydromotor vaak aangesloten op een constant-druk systeem. Op deze wijze kun-nen diverse gebruikers op hetzelfde aggre-gaat aangesloten worden zonder dat eÍ een wederzijdse beihvloeding ontstaat. Als ge-volg van deze hydraulische regelingen ont-staat er (zij het een gering) energieverlies als gevolg van de noodzakelijke volume-stroom door deze regelcomponênten. Bij de volumestroomregeling van verstelbare hy-dropompen bij kleine deellasten kunnen de-ze verliede-zen echter weer sienificant worden (zte l4l).

Energiebesporing

Energiebesparende maatregelen bij

hy-B. Secondairê regeling

Oropompen _{en -moloren zou men. gezien} het voorafgaande. kunnen uertalen _{í i..,} kiezen voor de verliesarme methode in plaats van de niet verliesarme methode i" werkelijkheid is de keuze echter niet ,n eenvoudig te maken. Beide methodes heË ben voor-en nadelen en hebben ieder h,* specifieke toepassingsgebieden. _Voo, mia-delgrote en grote vermogens ,ou aan uoo, stationaire en quasi-stationaire toepassin-gen Kunnen overwetoepassin-gen om voor de verlies_ arme methode te kiezen. Indien er echter hoge eisen gesteld worden aan het dvna_ misch gedrag. met name wat betreft de te bereiken frequenties, zal men toch voor de niet verliesarme methode dienen te kiezen. In dat geval zijn met elektro-hydraulische servoschuiven de hoogste frequenties te be_ halen ten koste van een slechtere energie-huishouding. Hierbij onrsraat er een uerlies van circa % deel van het toegevoerde hv-draulische vermogen over de sérvoschuif.' Eisen ten aanzien van bii voorbeeld stelsnelheid _{en statische laststiifheid} kun-nen bij de toepassing van de verliesarme methode echter problemen opleveren. Voor kleine vermogens wegen de kosten van de grotere investeringen voor een niet verlies-arm systeem vaak niet op tegen de winst van de energiebesparing. Uiteraard geldt voor beide methoden dat de leidineen re-spectjeveljjk de slangen voldoende rJim ge-dimensioneerd dienen te z1jn. Uit oogpunt van energiebesparing dienen bochten en

ï

\

\

ï Jl-,- 1

\

\

\

P i v o N

\

\

. , o + o ' x is stuuÍ-of regelsignaal

+

p v00 Ínet @er wac t spa Ín0j ges de sch dier geÍ i s z lun t0c SeÍr de Itjk pas cy( l s l

t5l

toe dar die val tor nie syÍ ml de wc pal VA aal vo de nl dr ke al va stl va ml hj q i 8a v( rit c( v( dt s) l c bt s) ol I t d p a'

Ir

I A. Primaire regeling C. Gecombineerde regeling

Atb. 3. VorllêsaÍme hydrosiallsche ov€rbÍenglngen

-ril:.1

.^^'al scherpe bochten en overgangen ver-:ïï. ó worden op die plaatsen in het sys-lrrt **l grote volumestromen te ver-wachten ztln'

""i'ii a. niet verliesarme methode zijn ech-*rïïo...n aantal toepassil^gen energiebe-.-*r.nde maatregelen te trelfen' b'en van oe Ï,1""i'i itrr.o.n i J het toepassen v an parall el ilïirrà't.to. pompen. die afhankelijk van ï1""""r^usde uolumestroom bg- of afge-ïinil.ro Ëunnen worden.(zie afb' 4)' Il-l;"'n Je staevolumes van deze pompen vol-ï.ïi o. t.àtt l:2'.4 enz. gekozen worden' i. róttt ..n fijn getrapte sturing van.de v.o-iuÁ.tttoot riofehjk. Op deze manier zijn io,ïgto,. overbrengverhoudingen te reali-,.r.n'tond.r extra nadelige gevolgen voor áe energiehuishouding. Een andere moge-ÍiHreid-uoor energiebesparing is -het. toe-ois.n uun accumulatoren. Vooral bij een ivclisch tiidsverloop van de volumestroom í dit ..n"t".. gebruikehjke methode (zie

t5l).

''Íi4.t.nk.l"

extra voorzieningen is deze toepassing intelligenter te maken en kan dan tevens toegepast worden voor systemen die geen cycliich verloop. maar slechts een variábel verloop van de volumestroom ver-tonen. In dat geval wordt de accumulator niet direct, maár via een stuurschuif op het svsteem aangesloten. Met behulp van een ói.ropto..tío. wordt dan bepaald wanneer de accumulator bij- of afgeschakeld dient te worden. Een derde mogelijkheid is het toe-passen van load-sensing technieken. ln dat geval wordt de systeemdruk door regeling van de instellins van de overstroomklep aangepast aan dJlastdruk. Het surplus-aan volumestroom wordt dan niet afgevoerd bij de maximale systeemdruk. doch slechts.bij een druk Oie vtat boven de Iastilruk ligt. Hierdoor ontstaat enige reductie van het hy-draulische verliesvermogen. Ten slotte le-vert in soÍnmige gevallen een geschiktere keuze van de uitvoering van een component al energiebesparing op, zie de toepassing van een 3-wég in plaats van een 2-weg stroomregelklep in -de primaire regeling van afbeèlding 5. Samenvattend zijn deze maatregelen er op gericht om zoveel moge-rr.;k te voorkomen dat er een te grote ener-giestroom _{over de overstroomklep} verloren gaat.

Ook bij de verliesarme methode zijn voor sommige toepassingen energiebespa-rrngen _{moeeliik. Als voorbeeld} kan de se_ condaire _{régeiing bij rijaandrijvingen} met verstelbare _{hydromotoren genoemd} wor-den. Door .idd"l uun een- constant-druk systeem _{met een accumulator kan hierbij} rccuperatief _{remmen als vorm van} energie-oesparing _{toesepast worden.}

Ten siótte fun ..n centraal constant-druk systeem _{met accumulator energiebesparing} opleveren _{bij toepassingen waalbij} meerde-rc gebruikers aangesloten dienen te wor-cen. Hierbii kunnén zowel drukgeregelde pompen _{mei variabel slagvolume als bij- en} atgeschakelde _{pompen nret een vast} slagvo-lume_ toegepast worden.

urt de voorgaande voorbeelden moge

blij-A blij-A N D R I J F T E c H N I E K , _{s e p t e m b e r 1 9 8 8}

geschakelde meervoudig pompbedriiÍ Aíb, 4, Geschakêld meervoudig pomPbodrlil

I

h ' p p

+

o P . L r h y d Py' q"* q B q >

ken dat energiebesparingen bij hydropom-pen en -motoien zeker tot de mogelijkheden behoren, maar dat een algemene oplossing voor alle toepassingen niet is te geven. Te-vens kan nog opgemerkt worden dat voor biina alle energiebesparende maatregelen (d"oorsaans eleklronisóhe) stuur- en regel-functiés noodzakelijk zijn.

Koslen

Zoals in de inleiding al is aangegeven soelen kosten bii de beoordeling van ener-giebesparende maatregelen een belangrijke iol. Véel van de energiebesparende maatre-gelen gaan immers gepaard met hogere in-ïesteringskosten als gevolg van meer en/of duurdere uitvoeringen van componenten, zoals groter aantal pompen, regelbare pom-Den en motoren, accumulatoren, groter àanal stuurschuiven en stuurschuiven met een sroter aantal stuurfuncties. De kosten-batenanalyse speelt daarom bij de overwe-qing van energiebesparende maatregelen Een"belangrijkJrol. Het lijkt daarom zin-voller om te streven naar de toepassing van systemen met minimale totaalkosten dan naar systemen met maximale energiebespa-ring. Het moge duidelijk zijn dat bij-de keu-zeianzo'n systeem, mede gelet op het aan-tal mogelijke oplossingen, 0e hg]R van een computer ónonibeerlijk wordt. I

AÍb. 5. Enêrgiehuistrouding bii primalre regeling met stroomregelkleppen

,!/ou

Lileroluur

[1] ScNósser, W. M. J.: A Contríbution to the Study of

Analogies of Power Transmissions in Machínes

Proc. Inst. Mech. Engrs. 1974, vol. 188 1174.

[2] Schiósser, W. M. J.: Ein mathematisches Modell

fiir V erdrtinge rpumpen und -motoren. Sonderdruck

aus Oelhydraulik und Pneumatik, april 1961 , nr' 4'

[3] Schlrisser, W. M. J.: Uber den

Gesamtwirkungs-Rrad von Verdrdngerpumpen. Oelhydraulik und

P n e u m a t i k l 2 ( 1 9 6 8 ) . n r . 1 0 .

[4] Backè, W.: konstruktíve und Schahungstechnische

Ma\nahmen zur Energieeinsparung. Oelhydraulik

und Pneumatik 26 (1982), nr. 10.

[5] Post. W.: Keuze en dimensíonering van hydrauli'

sche accumulatoren. Aandrljflechniek, mei 1987.

Dr. ir. W. Post ( D r . i r . W . P o s t is U n i v e r s i t a i r D o c e n t a a n d e T e c h ' n i s c h e U n i v e Í s i t e i t E i n d h o v e n , s e c t i e A a n d r i j f ' t e c h n i e k , i n d e f a c u l t e i t d e r W e r k t u i g b o u w k u n d e ) ' I

\-

L:,

Q s >

regeting met 2'weg stroomregelkleP

regeling met 3.weg stroomÍegelklep