最新の水力発電ユニットの 5 つの主要領域の評価

従来の固定速度油圧パワーユニット (HPU) によって駆動される油圧を使用する製造施設には、古い HPU がいかに大きく、騒音が大きく、非効率であるかをよく知っているエンジニアや担当者がいます。 以前は、このような機能は単に製造環境の一部として受け入れられていました。 しかし現在、エンジニアリングと設計の進歩により、さまざまな用途での使用を目的として、従来の油圧システムを直接置き換えることができる、より小さく、より静かで、より効率的な新しい可変速パワーユニットが誕生しました。

他のタイプの可変速電気駆動機器と同様、可変速 HPU は固定速度の HPU よりもエネルギー効率が大幅に優れています。 さらに、センサー、診断、クラウド機能が組み込まれているため、IoT 環境に簡単に接続して、貴重な生産性データや予知保全データを提供できます。 これらの利点を総合すると、最新の油圧パワーユニットは、エネルギー効率、冷却要件の軽減、騒音レベルの低減、信頼性の向上という点で、従来のユニットに代わる魅力的な代替品となります。

新しい機器を指定するエンジニア、または古い HPU の更新または交換を担当するエンジニアにとって、可変速度システムは、投資先を選択する前に考慮すべきより効率的なオプションを提供します。

HPU を交換または改造する場合、製造エンジニアは、サイズ、騒音、エネルギー効率、接続性、総所有コストなど、最新の油圧システム設計を従来のシステムと区別するいくつかの重要な指標を考慮することをお勧めします。

1. サイズ: HPU の全体のサイズは、主に作動油リザーバーのサイズによって決まります。 従来の HPU の場合、一般的に受け入れられているルールは、脱ガス (オイルがリザーバー内に留まり、気泡が表面に上がるのに十分な時間) を考慮して、リザーバーのサイズをポンプの最大流量の少なくとも 3 ～ 5 倍にすることです。 たとえば、この古いルールを使用して最大流量 150 L を達成するには、約 600 L のリザーバーが必要であり、ユニットの設置面積内でかなりのスペースを占有します。

逆に、一部の最新の HPU は、リザーバーオイルの必要量を 1:1 の比率に減らす別の脱ガス方法を使用しています。 より効率的なマニホールド ブロック設計と最適化されたリザーバー形状により、タンクの小型化が可能になります。 この技術により、流れ特性が改善され、コンポーネントの機能がより適切に統合されます。 結果として得られるマニホールドは、従来のマニホールドよりもコンパクトかつ軽量であり、狭いスペースに適合するようにさまざまな形状で製造できます。

これは、オイル内の気泡の受動的な脱気を可能にする特別な「J 字型」リザーバーと組み合わされています。 その結果、毎分 150 リットルの最大流量を生成するユニットには、150 リットルのリザーバー容量しか必要ありません。これは、従来の HPU よりも 75 パーセント少ないリザーバー容量です。 工場の床上のスペースに関して言えば、一般的な設置面積が 2 m2 であるのに対し、設置面積は 0.5 m2 となり、重量は 80% 削減されます。 この例では、製造工場は 4 分の 1 の量の作動油を供給および維持するだけで済みます。

2. 騒音:本質的に、製造施設は騒音が多いと考えられており、通常は騒音を遮断するための特別な個人用保護具が必要です。 しかし、どの程度のノイズが許容できると考えられるかは、一般的に定義されているわけではありません。 たとえば、鉄鋼製造工場では、HPU が完全に無音で動作しても、工場フロアの全体的な騒音は軽減されない可能性があります。 しかし、組立ラインや機械の稼働時間が長い自動車製造やゴム成形など、他のタイプの施設では、快適な作業環境を維持するために静かな動作が望ましいです。 音波によって発生する振動による騒音も考慮する必要があり、近隣の機器やプロセスに悪影響を与える可能性があります。

騒音の低減が重要な環境では、可変速油圧が著しく進歩しており、7.5 kW ～ 30 kW の範囲の従来の HPU よりも約 10 dB 静かに動作します。 3 デシベルごとに騒音音量が 2 倍増加することを考えると、これは騒音低減の大幅な改善を意味します。 システム ノイズを 75 dB に下げると、会話レベルとみなされます。これは、2 人の同僚が HPU の隣に立って、耳栓を着用せずに互いに通信できることを意味します。

このノイズ低減はどのように行われるのでしょうか? まず、最新のユニットは、可変速度で動作することにより、常にフルパワーを要求するのではなく、その時点で必要なパワーのみを供給するため、自然に静かになります。 第二に、最新のシステムは、水冷モーター、コンポーネントのコンパクトな配置、一体型ハウジング、従来のパワーユニットにはなかった内蔵遮音マットなどの設計戦略を使用することで、音を減衰させ、振動を最小限に抑える材料で構築できます。 。 たとえば、リザーバータンクにノイズを伝えるダンピングベアリングを排除するために、ボッシュ レックスロスは、CytroBox モーター ポンプ グループを振動を吸収するポリマー コンクリート基礎に取り付けました。

要点: HPU 設計の最近の進歩により、騒音レベルは 75 dB (会話レベル) まで低くなり、これは騒音低減において大幅な進歩です。

3. エネルギー効率:固定速度 HPU は、アプリケーションで必要かどうかに関係なく、常に 100 パーセントのモーター速度で動作します。 仕事に使用されないエネルギーは熱に変換され、システムからの流れがない状態でモーターとポンプを 1,800 rpm で回転させるだけでも、数 kW の無駄なエネルギーが必要になります。 この動作方法は、エネルギーコストの上昇や、冷却またはその他の放熱方法 (さらに多くのエネルギーを必要とする) を使用して制御する必要がある過剰な熱生成など、その後の多くの問題を引き起こします。

可変速システムは、モーターとポンプの電子速度制御を使用して調和を生み出し、エネルギー出力が動作の要求と条件に合わせて調整されるようにします。 可変速 HPU は、部分負荷条件下で速度を 40% から 70% 低下させ、無負荷条件を考慮することで、固定速度の HPU と比較して最大 80% のエネルギー節約を実証しました。 動作速度がより低く、より制御されると、ユニットの熱出力も低下し、より低温で動作できるようになり、追加の冷却手段の必要性とそれに関連するコストが削減または不要になります。

要点: 同じサイズの固定速度 HPU と比較すると、可変速 HPU は動作温度が低く、エネルギー効率が最大 80% 優れています。

4.接続性:多くのメーカーは、時代遅れの機器を交換するか、古いコンポーネントを改修して現代の IoT 時代に導入するかの決断に悩んでいます。 データ収集機能の組み込みは、メンテナンス コストの削減、生産性の向上、稼働時間の保護に不可欠ですが、その方法を決定するのは非常に難しい場合があります。

古い HPU にセンサーを追加する場合でも、新しいプラグアンドプレイ モデルを選択する場合でも、収集できるデータは、生産性、トラブルシューティング、予知保全などの重要な製造機能にとって非常に貴重です。 最新の HPU を使用すると、クラウドベースの診断ツールやデータ分析ツールにアクセスできるため、ワークフローが合理化され、新しい機器を試運転したり、直接機器のトラブルシューティングを行うために重要なデータを取得したりする担当者 (特に経験の浅い従業員) の要求が軽減されます。

Bosch Rexroth などの一部の企業は、ケースのドレン流量/温度、パーティクルカウンター、エネルギー消費、ポンプの損傷、その他の監視パラメーターを含むセンサーパッケージオプションを提供しており、モバイルデバイスのダッシュボードを介してパフォーマンスと使用状況のレポートに 24 時間年中無休でリアルタイムにアクセスできます。

一部の古い HPU では、接続は依然としてオプションですが、多くの課題とコストが伴う可能性があります。 このような場合、これらのコストを計算し、最新の i4.O 対応 HPU に交換するコストと比較することが重要です。

要点: HPU データから運用にどのようなメリットが得られるかを検討し、古い HPU にデータ センサーを改修するコストと、統合センサー パッケージとオープン インターフェイスを備えた新しいプラグ アンド プレイ モデルに置き換えるコストを比較してください。

5. 総所有コスト:メーカーがすでに所有している機器よりもコストが低いものはないという考えは誤解を招きます。多くの場合、優れたデータはその逆が真実に近いことを示しています。 多くの古い固定速度 HPU にはセンサーを装備し、現代の製造や IoT に適応させることができますが、エネルギー使用量は非効率であり、変化しないままです。 また、工場の現場でも同じように大きなスペースを占めており、騒音も発生します。 比較的、CytroBox のような新しいコンパクトな可変速 HPU に投資すると、すぐに騒音が低減され、他の利益を生み出す装置のための製造現場のスペースが解放され、より効率的に動作することでエネルギーコストが削減されます。

要点: 最新の可変速度 HPU は先行投資のようなものかもしれませんが、固定速度 HPU によってエネルギー コストが高くなっているメーカーは、より多くの価値を見出し、エネルギー節約による投資収益率の向上が見込めるでしょう。

古い固定速度 HPU を維持するか、新しい可変速 HPU に投資するかを選択するかどうかは、設備投資、無駄のないメンテナンスの目標、炭素削減の取り組みなど、製造環境内の多くの要因によって決まります。 新しい HPU は、エネルギーコストを削減し、騒音を低減し、工場フロアのスペースを空ける IoT 対応ソリューションを求めるあらゆる運用で検討する必要があります。

この記事は、Bosch Rexroth Corp. (ペンシルベニア州ベツレヘム) のアプリケーション エンジニアである Tyler Stahl によって書かれています。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Motion Design Magazine 2022 年 6 月号に初めて掲載されました。

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