Uno per tutti - Banco prova idraulico universale con controllo secondario

© HANSA-FLEX AG Foto: Julia Ahlers

Fino ad'ora, i banchi prova idraulici sono stati progettati per compiti o prodotti speciali. Sebbene i singoli componenti siano già stati provati, l'interazione fra le singole pompe ed i sistemi di controllo possono essere esaminati solo nella macchina dell'utente.

Un nuovo banco prova universale per trasmissioni idrauliche cambierà tutto questo: Questo banco prova esamina anche la complessa interazione dei singoli componenti. La completa catena di misura della HBM, compreso l'amplificatore QuantumX garantisce risultati sicuri ed affidabili.

È stato costruito su misura uno speciale banco prova universale idraulico, su iniziativa del fornitore di sistemi idraulici HANSA-FLEX, ideato dalla International Hydraulic Academy (IHA), progettato e costruito dalla adt-Rinck, dotato di trasmissione con controllo secondario della Bosch Rexroth e della moderna tecnologia di misura della HBM.

Questo banco prova consente di esaminare completi sistemi idraulici con configurazioni diverse invece dei singoli componenti. In stretta cooperazione con la IHA, la adt-Rinck ha agito come appaltatore generale fornendo il completo banco prova chiavi in mano. Questo progetto congiunto è ora installato e funziona con successo nel reparto Ricerca & Sviluppo della IHA in Dresden-Weixdorf (Germania).

La adt-Rinck GmbH è una società innovativa nel settore dell'ingegneria per scopi speciali, che avvicina strettamente la tecnologia di automazione e la tecnologia informatica (IT). L'azienda, fondata nel 1999, sviluppa e produce sistemi industriali di automazione ad alta densità di dati.

I singoli prodotti quali i banchi prova, software per controllori e sistemi di confronto o diagnostica, colmano il divario fra l'automazione classica ed il moderno mondo IT, acquisendo, salvando ed elaborando i dati di processo e produzione (ad esempio, nella produzione di massa dei componenti idraulici o nell'industria automobilistica).

Le soluzioni hardware e software appositamente sviluppate per la valutazione e la gestione dei dati tecnici e logistici, integrano o sostituiscono i sistemi disponibili in commercio.

L'idraulica come soluzione

I sistemi idraulici vengono sovente usati come tecnologia di azionamento per i movimenti altamente dinamici di grandi masse dato che, in confronto agli azionamenti elettrici, essi forniscono da quattro a cinque volte più potenza a parità di spazio occupato.

Essi si possono trovare in macchine formatrici come le presse, nel macchinario edile, nelle macchine agricole, nei veicoli industriali, nelle piattaforme di sollevamento e nei dispositivi di tensionamento delle macchine utensili a controllo CNC.

L'esercizio a basse velocità e coppie elevate non è complicato con l'azionamento idraulico. In caso di sovraccarico l'azionamento si arresta semplicemente, mentre nella stessa situazione quello elettrico verrebbe danneggiato a causa del sovrariscaldamento oppure avrebbe bisogno di essere raffreddato.

Tuttavia, i costi energetici per l'idraulica possono essere talvolta significativamente maggiori. Il bilancio energetico può essere migliorato mediante una configurazione ottimale del completo sistema. Risulta pertanto necessario identificare le perdite all'interno del sistema per ottimizzarne la configurazione.

I vari componenti devono essere perfettamente accordati fra loro e dimensionati propriamente. Ciò sarà possibile solo quando i processi all'interno del sistema vengono dettagliatamente conosciuti.

Prova dei sistemi oltre e sopra quella dei componenti

Finora, i banchi prova idraulici venivano progettati per compiti o prodotti speciali. Sebbene i singoli componenti fossero già provati, l'interazione fra le singole pompe ed i sistemi di controllo poteva essere verificata solo sulla macchina dell'utente.

È difficile ottenere nozioni precise sulle relazioni in un sistema già completato ed eseguire analisi accurate per localizzare con precisione le cause principali. Fino ad oggi, i problemi vengono frequentemente risolti provando e sostituendo i componenti.

Ciò può essere cambiato con il nuovo concetto di banco prova universale. Ma solo con l'uso specifico dell'idonea tecnologia di misura si possono ad esempio rilevare i processi altamente dinamici che si verificano effettivamente nel campo dei millisecondi.

Lo scopo del nuovo banco prova universale consiste nell'ottenere una preziosa visione dei processi idraulici all'interno del treno di azionamento, dalla pompa al carico utente.

Ciò consente di ottimizzare i processi di produzione durante i nuovi sviluppi, mediante un sistema di valutazione neutrale rispetto al costruttore. Inoltre, tale banco prova aiuta anche per la specifica risoluzione dei problemi e l'analisi dei malfunzionamenti nei sistemi esistenti.

Banco prova sistemi con buon bilancio energetico

Il banco prova consiste di un sistema di azionamento elettroidraulico e dall'allestimento di prova. Dal lato dell'azionamento, operano complessivamente tre sistemi di controllo secondari della Bosch Rexroth con controllo elettronico velocità / coppia (HNC100-SEK connessione CAN bus).

Queste pompe a pistone assiale altamente dinamiche operano su un circuito di pressione idraulica chiuso comune, con serbatoio d'olio idraulico separato. Una pompa ausiliaria della ATOS ed i provini su totalmente quattro ripiani di prova vengono riforniti da un secondo serbatoio di olio idraulico. Il complesso sistema idraulico con cabine di controllo, PLC, convertitore di frequenza, sistema di raffreddamento olio-aria e vari componenti della tecnologia di misura, è completamente controllato da software proprietario e per banco prova specifico cliente della adt-Rinck .

L'operatore può lanciare il software del banco prova da dietro uno scudo mobile di protezione vicino al provino, o da una sala di controllo separata.

Con questo banco prova universale, il dipartimento R&D della IHA è in grado di fornire ai costruttori ed operatori di sistemi idraulici un'innovazione per le loro prove altamente dinamiche di pompe con circuiti aperti o chiusi, di componenti idraulici, collettori e controlli idraulici (Caratteristiche del banco prova: Potenza fino a 160 kW, max. velocità dell'albero di 2200 o 3200 giri/minuto, coppia fino a 750 Nm).

Principle secondary controlled system test rigPrinciple secondary controlled system test rig

Principio operativo del banco prova a controllo secondario

L'energia di caricamento è reindirizzato da un sistema di controllo secondario. Invece di convertire in calore l'intera energia di azionamento col caricamento mediante una valvola di pressione, può essere recuperata fino al 60 % dell'energia di caricamento. Solo la pressione e le perdite di efficienza vengono disperse come calore. Il risultato è un sistema di banco prova universalmente distribuibile che vanta anche un buon bilancio energetico.

Numerose opzioni di applicazione

Su questo banco prova si possono esaminare componenti idraulici, pompe a circuito aperto o chiuso e collettori di controllo. Con il secondo azionamento a controllo secondario è possibile anche l'operazione a quattro quadranti, il ché significa che si possono emulare anche i motori per le trasmissioni delle automobili.

Se un veicolo si sposta in avanti o verso l'alto viene prodotto un carico positivo, se verso il basso il carico prodotto è negativo. Lo stesso vale per la retromarcia. Questi quattro casi di carico corrispondono ai quattro quadranti. I quattro casi possono essere impostati sul banco prova con programmi di azionamento individuali e poi lanciati dinamicamente. È perfino possibile simulare le caratteristiche velocità / coppia dei motori Diesel.

Tecnologia di misura

Operating mode pump test open circuit

Modo operativo con prova della pompa a circuito aperto

L'efficienza totale è la somma delle efficienze meccaniche ed idrauliche.

Le perdite meccaniche sono dovute agli attriti, quelle idrauliche dai trafilamenti e strozzature. Le perdite in un sistema idraulico dipendono dall'entità del flusso e dalle cadute di pressione.

L'efficienza volumetrica può essere determinata misurando le perdite esterne. Le perdite interne possono essere trovate misurando l'effettivo tasso di flusso di una pompa. Le perdite esterne ed il tasso effettivo di flusso vengono sottratti dal tasso geometrico (teorico) di flusso.

Le resistenze individuali possono essere determinate misurando le pressioni in differenti punti del sistema. Se la portata è nota, si può calcolare la potenza di perdita locale. La maggior perdita nei sistemi idraulici è dovuta alle strozzature del volume del flusso per controllare la velocità di caricamento.

Per monitorare le perdite nell'allestimento di prova è fondamentale un'idonea tecnologia di misura. Viene misurata la potenza meccanica di azionamento dell'albero della pompa e la si confronta con la potenza idraulica per tale scopo.
Approssimativamente la potenza azionamento è il prodotto della coppia con la velocità dell'albero della pompa, la potenza idraulica è basata sul flusso volumetrico e la pressione.

La potenza meccanica d'ingresso dell'albero della pompa è determinata misurando la coppia e la velocità. Il torsiometro a flangia T40 della HBM è installato permanentemente sull'albero di azionamento della pompa, la velocità viene presa dal segnale CAN dello HNC100-SEK.

"Per quanto concerne la nostra applicazione con unità secondarie altamente dinamiche, risulta ottimale che ognuno dei due amplificatori universali HBM Quantum MX840 disponga anche della porta CAN. Con i segnali CAN digitali, e perciò senza perdite, che provenendo dallo HNC giungono direttamente al PC industriale, noi possiamo fornire anche parametri cruciali ed altamente dinamici quali velocità, coppia, angolo di rotazione, per trasmettere via Ethernet risultati di misura significativi della tecnologia di misura ad un laptop", spiega il capo progetto Torsten Sigmund della adt-Rinck. Il software è stato specificamente sviluppato per questo banco prova dalla adt-Rinck.

Ogni MX840 dispone in totale di otto canali d'ingresso adatti ad un'ampia gamma si segnali di trasduttori. Oltre a registrare i volumi di flusso e di coppia, l'operatore IHA misura le pressioni in vari punti a seconda delle esigenze, usando i trasduttori di pressione assoluta HBM dei tipi P8AP e P3ICP.

La adt-Rinck impiega da anni i trasduttori di pressione HBM nei banchi prova idraulici. L'intera catena di misura nel banco prova consiste dei sensori, di due amplifcatori universali mobili MX840, dell'intuitivo software catman®Easy ed un laptop per visualizzare, salvare e valutare i valori di misura in tempo reale. La adt-Rinck stessa adatta la completa tecnologia di misura al banco prova.

Torsten Sigmund ha motivato le ragioni per l'impiego del software HBM catman®Easy ed EasyMath module: "Il software HBM offre semplicità di acquisizione, elevatissima potenza di visualizzazione ed analisi dei dati di misura, ed è oerativamente facile ed intuitivo".

Il banco prova ha provato se stesso

Il banco prova è lungo dodici metri, misurati dalla cabina di compensazione della potenza reattiva al sistema di raffreddamento olio-aria, alto quattro metri e mezzo e largo sei metri e mezzo.

Pesa circa 25 tonnellate e contiene più di 3000 litri di olio idraulico in due serbatoi d'olio. Uno scudo mobile realizzato con pannelli di Makrolon spessi 10 mm, sviluppato dalla adt-Rinck, protegge l'operatore nel caso in cui vengano espulse parti metalliche o getti violenti d'olio durante le prove del prototipo. Qui vengono usate pressioni molto alte fino a 400 bar e l'azionamento idraulico accelera l'albero da 0 a 2000 giri al minuto in meno di 100 ms.

I clienti che non dispongono del proprio centro di prova, possono ora approfittare del banco prova della IHA a Dresda (Germania) per esaminare i loro componenti e sistemi. Il banco prova ed il sistema di misura verranno personalizzati individualmente. Verrà definita l'esatta sequenza di prova con delle misurazioni in linea, implementando poi le misurazioni definite.

Secondo Dierk Peitsmeyer, capo del dipartimento R&D della IHA, i canali di calcolo di facile impiego dell'MX840 hanno dimostrato di essere particolarmente utili. L'esperienza finora acquisita col nuovo banco prova è molto buona. Esso fornisce risultati ripetibili, il software personalizzato della IHA e le specifiche funzioni girano molto stabilmente. Tuttavia vengono integrate continuamente nuove idee ed il banco prova della IHA è in ulteriore e continuo sviluppo.

Tecnologia di misura mobile

Ove necessario, le misurazioni possono essere seguite anche direttamente in loco sul sistema del cliente poiché, al contrario del banco prova, la tecnologia di misura rilevante è quella mobile.

Le compattissime scatole di misura MX840 sono estraibili dal banco prova e perciò il software di misura ed il laptop possono essere facilmente portati dalla IHA al cliente. Questi sono i presupposti ideali per l'uso mobile. Qualunque sia la posizione di montaggio, il piccolo e maneggevole P8AP ed i trasduttori P3ICP possono essere usati perfino negli spazi più limitati. I risultati di misura della pressione possono essere rapidamente trasferiti via Ethernet e valutati sul laptop.

La decisione per la HBM

"Usiamo da oltre 10 anni la tecnologia di misura HBM nei nostri banchi prova nazionali ed internazionali ed avuto con essa sempre la migliore esperienza. Le proprietà tecniche dei prodotti, la loro affidabilità e qualità ci hanno convinto. Noi diamo gran valore all'affidabilità, precisione, alta qualità del segnale, versatilità, comodità ed al potente software di acquisizione dati. Oltre alle speciali caratteristiche del prodotto, per noi sono anche molto importanti la consulenza ed i servizi. Forniamo soluzioni chiavi in mano ed a ciò si adatta perfettamente il completo pacchetto HBM. Infine, è spesso espresso desiderio dei nostri clienti finali che la tecnologia di misura HBM venga utilizzata nei nostri progetti."

Torsten Sigmund, project leader della adt-Rinck.

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