Hledání úspor energií na tvářecích strojích

Jedním z velkých témat současnosti je energie a velikost její spotřeby. Pozornost se pochopitelně zaměřuje na výrobní průmysl (každá operace provozovaná na výrobních strojích je spojena s určitými energetickými ztrátami), který je velkým spotřebitelem energetických kapacit. Proto jsou vyvíjeny snahy zajistit pro průmysl vybavení, stroje a zařízení s co nejmenší energetickou náročností.

Pro úspěšné snížení energetické náročnosti je nezbytné se jejími aspekty zabývat již od prvních fází projektů, a to jak technologických postupů, tak strojů. V případě strojů je v energetické bilanci nutné analyzovat, jak se na ní podílí jednotlivé komponenty stroje a kde jsou rezervy pro jejich další optimalizaci.

Znalost hodnot spotřeby energií je základní informací v procesu snižování energetické náročnosti, která pak bývá zpravidla následována rozborem vlivů na tyto zjištěné energie. Vlastní hodnoty spotřebovávaných energií je možné stanovit
provedením analýzy systému s cílem zjistit pravděpodobnou velikost budoucí spotřeby stroje, nebo na základě praktického měření na existujícím stroji.

Prediktivní zjišťování energetické spotřeby je například možné provádět pomocí:
• praktických měření na podobných strojích – analýza a rozbor podobnosti z pohledu energetické spotřeby;
• praktických měření energetické spotřeby dílčích elementů podobných vlastností;
• použití teoretické analýzy energetické bilance (např. při vyžití virtuálních modelů).
•
Jistým způsobem prediktivní energetické bilance jsou výpočty velikostí pohonů výrobních strojů a jejich návrhy, avšak tyto analýzy nejsou primárně cíleny na energetickou optimalizaci.

V tomto příspěvku je ukázáno použití teorie energetické bilance na řešení spotřeby vybraných zástupců tvářecích strojů. Využití této teorie se však neomezuje pouze na tuto oblast, nýbrž je použitelná pro různá strojní zařízení. Ukázky zmíněné praktické analýzy energetické spotřeby na existujících strojích je možné nalézt například v článcích a příspěvcích Antona Dietmaira [1], M. F. Rajemi [2] nebo Jiřího Marka [3].

Při řešení se vychází ze základní rovnice energetické spotřeby:

AC = AU ± Ad + AZ ± Aa ± Ag

Práce celková = užitečná ± deformace rámu + ztrátová ± zrychlujících sil ± gravitačních sil
AC = celková energie spotřebovaná strojem na technologickou operaci
AU – užitečná práce = práce spotřebovaná na přetvoření materiálu
AZ – ztrátová práce = energie spotřebovaná pohonem lisu na překonání účinků třecích sil (tření ve vedeních, tření v závitu vřetena, třecí momenty v čepech klikového mechanismu atd.)
Ad – energie na deformace = energie spotřebovaná deformacemi součástí lisu, je akumulovaná v elastických deformacích a není využita na přetvoření materiálu
Aa = práce dynamických sil
Ag = práce gravitačních sil (práce Aa a Ag nejsou uvažovány při trvalém běhu stroje)

Pro srovnání energetické náročnosti strojů je možné použít absolutních hodnot energií (množství spotřebované energie), což je využitelné pouze u výkonově podobných strojů nebo relativního měřítka – účinnosti, resp. dílčí účinnosti – jejíž použití bývá vhodnější. Jeden z příkladů členění energií a účinností vhodný pro tvářecí stroje s ohledem na jeho analyzovaný „rozsah“ je uveden na obr. 1.

V oblasti lisů můžeme tedy mluvit o několika účinnostech, např.:

Celková účinnost stroje – měřítko kvality přeměny energie v celém stroji: ,
kde A_PRIMÁRNÍ je množství přivedené, například elektrické energie. Pro hodnocení procesů tváření a jejich hodnocení je vhodnější využít celkové technologické účinnosti tvářecího stroje – měřítko využití energie dodané mechanismu stroje, viz vzorec výše uvedený.

V následujících kapitolách jsou (jako příklad) ukázány dva zástupci tvářecích strojů a rozbory jejich hlavních energetických ztrát.
Algoritmus výpočtu energetických ztrát klikových (excentrových) lisů podtitulek

Výpočet energetické bilance se provádí v následujících krocích:
1) Identifikace míst ztrát (obr.2)
2) Analýza způsobu zatížení – tvářecí charakteristika
3) Obecný silový rozbor stroje
4) Výpočty energetické spotřeby
Tento obecný algoritmus výpočtu je využitelný i u jiných mechanických lisů.

Obr. 2. Oblasti energetických ztrát klikového lisu

Pomocí teorie energetické bilance a ukázaného algoritmu byla provedena základní analýza energetické bilance na příkladu kovacího klikového lisu se jmenovitou tvářecí silou 50 MN. Analyzovanou zatěžovací charakteristikou bylo kování v otevřené zápustce a bylo uvažováno zastavování v horní úvrati lisu. Výsledky analýzy tj., procentní podíly jednotlivých energií, jsou ukázány na obr. 3. Uvedená účinnost je celková účinnost vlastního mechanismu lisu bez primárního pohonného mechanismu (elektromotor, řemenový převod apod.).

Au – užitečná práce
Aa – energie dynamických sil (zastavování a rozbíhání z horní úvratě)
Ad – energie na deformace: podíly jsou označeny jmény součástí, jejichž energie na deformace je zobrazena
Az – energie na překonání pasivních účinků:
Fv1*f, Fv2*f – energie způsobené třecími silami ve vedení
MzKLIKA – energie způsobené třecím momentem čepu mezi klikou a rámem
MzOJNICE – energie způsobené třecím momentem na čepu mezi klikou a ojnicí
MzBERAN – energie způsobené třecím momentem na čepu mezi ojnicí a beranem

Z obr. 3 je patrná celková účinnost stroje 66 % vztažená pro jeden pracovní cyklus. Z dalších rozpadů Ad a Az do dílčích energií je patrno, že největším spotřebitelem energie je třecí moment mezi excentrem a ojnicí. Je to způsobeno zejména velkým průměrem čepu, který v důsledku toho vyvolá velkou třecí kružnici, potažmo moment. Velikost čepů klikového mechanismu je také úzce provázána s energiemi na deformace. Zmenšování velikosti průměrů čepů, jde proti požadavku na vysokou tuhost konstrukce lisu, tj. nízkou spotřebu energie deformacemi. Je nutné nalézt kompromis mezi velikostí čepů z hlediska energií spotřebovaných na deformace a energií na překonání pasivních účinků.

Z výše uvedeného je patrné, že je nutné se zabývat komplexně konstrukcí rámu, excentru, ojnice, beranu a dalších součástí lisu tak, aby ve výsledku se dosáhlo zmenšení energetické spotřeby.

Řešení energetické bilance hydraulického lisu je i při některých společných bodech s mechanickými lisy dosti odlišné. Energetickou bilanci je třeba řešit od spotřebiče, tj. od pracovního prostoru stroje a postupuje se v následujících krocích s neustále měnícími se parametry hydrauliky:
1) analýza způsobu zatížení – tvářecí charakteristika (způsob zatížení)
2) obecný silový rozbor stroje
3) identifikace míst energetických ztrát
4) stanovení užitečné práce Au, energie deformací Ad a ztrátových prací Az
5) určení tlaku a průtoku, resp. spotřebovaného objemu kapaliny pro výše uvedené energie (4)
6) stanovení ztrát na hydromotoru
 objemové složky (průsaky, pružení dílů hydromotoru)
 mechanicko-hydraulické (tření mechanické a hydraulické)
7) stanovení ztrát rozváděcího potrubí
 objemové ztráty (průsaky, pružení dílů potrubí)
 hydraulické ztráty (hydraulické tření v délce potrubí a tvarových součástkách)
8) ztráty v řídicích prvcích
 objemové ztráty (průsaky)
 hydraulické ztráty (hydraulické tření)
9) účinnost hydrogenerátoru
10) okamžitý příkon čerpadla

Kromě zvýrazněných třecích a deformačních ztrát je v obvodu (obr.4) možno nalézt:
1) ztráty energií třením v hydraulickém obvodu – AZ HYDR.OKRUH – třením hydraulické kapaliny
 ztráty místním třením
 ztráty třením v délce potrubí
2) objemové ztráty hydraulického obvodu
 ztráty energií deformacemi - AD HYDR.OKRUH
 deformacemi hydraulické kapaliny
 deformacemi prvků hydraulického okruhu
 únikové ztráty
 průsaky apod.
3) Ztráty v čerpadlové sekci popsané účinností motoru M a účinností čerpadla Č.
Energetická bilance hydraulického briketovacího lisu [4]

Pomocí teorie energetické bilance byl proveden rozbor hydraulického briketovacího lisu s přímým pohonem a tvářecí silou 160 tun určený pro pěchování kaučukových bloků.

Au – užitečná práce
Ad – energie spotřebovaná na deformace
Az – energie na překonání pasivních účinků
Ap – energie spotřebovaná průsaky

Z obr. 5 je patrná celková účinnost stroje 46,3 %. Dále je patrno, že největším spotřebitelem energie je tření kapaliny v řídicích prvcích. Kromě této ztrátové energie se také výrazně projevují ztráty třením v potrubí a mechanické tření hydraulického válce. Bližším pohledem na rozložení energií je patrné pevnostní předimenzování lisu, tj. i jeho vyšší tuhostí, což má za následek malý podíl energií spotřebovaných na deformace.

Přestože nejsou příklady uvedené v předchozích kapitolách plně srovnatelné (vzhledem k rozdílné technologii na jedné straně a rozdílné výkonnosti strojů na druhé straně), je zde patrné, jaký je rozsah a rozložení energetických ztrát mezi různé části strojů.
Při analýze energetické bilance lze vypozorovat množství vlivů působících při provozu strojů. Jedná se zejména o:
– technologické vlivy – provozovaná technologie, vlivy použitého nástroje a nežádoucí technologické stavy, jako jsou např. přetěžování, excentricita tvářecí síly a další;
– konstrukční vlivy – koncepce stroje, typ pohonu, velikosti a hmotnosti částí strojů, tuhosti součástí, vlastnosti provozní kapaliny, součinitele tření a další.
Pokud možno co nejvíce vlivů by mělo vždy být analyzováno a jejich znalost dále uplatněna ve vývoji stroje, respektive při úpravách strojů stávajících.

Celospolečensky se zvyšuje pozornost věnovaná řešení energetické náročnosti výroby. Energetické úspory s sebou přirozeně přinášejí ekonomické úspory a přeneseně i nižší ekologické dopady výrobního procesu.

Na ZČU v Plzni, v Centru výzkumu konstrukce tvářecích strojů, se touto problematikou podrobněji zabýváme již řadu let a ukazuje se, že vhodným řešením lze dosáhnout nezanedbatelných úspor. Přínosem provedených prací je upozornění konstruktérů strojů i jejich uživatelů na danou problematiku a vypracování metodických postupů pro řešení jednotlivých případů.

Je zřejmé, že je nutno analýzu zaměřenou na řešení energetické bilance provádět vždy individuálně pro každý případ stroje i technologie a že přijetím vhodných opatření při konstrukčním řešení stroje a vhodném řešení technologie lze ušetřit nezanedbatelné množství energie.

Ing. Milan Círek, Ph.D.

mcirek@kks.zcu.cz

Západočeská Univerzita v Plzni, Katedra konstruování strojů

Centrum výzkumu konstrukce tvářecích strojů

//cvts.zcu.cz/

[1] Anton Dietmair. Energy Consumption Forecasting and Optimisation for Tool Machines in MATAR 2008, Prague.
[2] M. F. Rajemi. Energy and Carbon Foot print Analysis for Machining Titanium Ti-6Al-4V Alloy, CIRP workshop in Karpacz 2009.
[3] Jiří MAREK (Toshulin). Pohled na problematiku energetické náročnosti provozu velkých obráběcích strojů při jejich vývoji. Diskuzní fórum MSV, Brno 16. 9. 2009.
[4] Prezentace k příspěvku „Círek M., Čechura M. Srovnání mechanických a hydraulických lisů s ohledem na energetickou spotřebu“, in Sborník příspěvků 12. mezinárodní konference Technológia 2011, Bratislava STU, 2011.