Budoucnost hydrauliky? Senzory a preventivní diagnostika

Hydraulika a pneumatika je základem mnoha mechanických zařízení, např. dopravních prostředků, bez kterých se moderní společnost už dnes neobejde. Jakou pozici má ale v současné době spoléhající hlavně na elektronické digitální systémy?
Klasická hydraulika a pneumatika byla u mechanických systémů až donedávna opravdu nepostradatelná, ale technická praxe se za posledních zhruba 10 let hodně změnila. V řadě aplikací hydrauliku vytlačily elektromechanické a elektrické systémy, třeba u velkých strojů, jako jsou např. dampry v lomech a povrchových dolech. Jde o obří stotunová auta, jejichž kola už nepohání hydromotory, ale elektromotory a spalovací motor fungují jako elektrocentrála a vyrábí elektrickou energii. Je to markantní posun, souboj mezi hydraulikou, kde teče olej, a elektřinou, kde nehrozí ekologické riziko jeho úniku. Navíc je elektřina jednodušší na instalaci, a tak se začíná prosazovat i v aplikacích, kde bychom si ji dříve nedokázali představit.

Jaké trendy se v posledních letech dají vysledovat v oblasti hydrauliky a pneumatiky?
Hlavní trendy bych v kostce charakterizoval následovně: prediktivní údržba, integrace senzoriky a úsilí o energetickou úspornost a efektivitu. Aplikace pracují s vyššími tlaky, zařízení jsou menší s menším objemem pracovní kapaliny.
Celkově lze sledovat minimálně tři směry. Prvním je snaha, aby zařízení byla úspornější a systémy pro pohony strojů měly nižší spotřebu energie. V posledních letech jsou stále častější aplikace, jaké představují např. elektronicky řízené hydraulické pohony. Díky tomu, jak výrobci elektromotorů a frekvenčních měničů dokázali stlačit jejich ceny na trhem akceptovatelnou úroveň, uvědomili si provozovatelé strojů a zařízení, že když na začátku investují trochu více do moderní technologie, jako je elektronicky řízený pohon, tak během roku či roku a půl se jim investice vrátí. A pak dalších 5 nebo 10 let jim příslušné zařízení jen vydělává formou úspory elektrické energie. Dopad je ale nejen na ekonomiku provozu. Při optimalizaci chodu třeba hydraulického čerpadla spojeného s elektromotorem řízeného měničem se sníží hlučnost i vyzařované teplo, tedy energetické ztráty.
Další trend – větší výkon, nižší hmotnost, menší zástavbové rozměry, systémy, ve kterých se pracuje s vyššími tlaky (až 500 bar). Dříve nějaké to kilo nehrálo v hydraulických systémech roli. Jenže na mobilním zařízení, ať jde o bagr, nakladač nebo nákladní auto, už na hmotnosti záleží. Vyšší hmotnost znamená vyšší spotřebu. Navíc je dnes patrný silný tlak na ekologičnost provozu mobilních zařízení, např. emise. A normy se stále zpřísňují. Jestli auto veze na hydraulice o 50 kg méně nebo více, se projeví ve spotřebě nafty, a to je v dlouhodobém provozu znát.
Snaha o zmenšování při stejném nebo vyšším výkonu se promítá i do toho, že v řadě industriálních aplikací, kde dříve byla standardní koncepce typu “hydraulický válec – čerpadlo – agregát – a spousta ventilů”, se řada výrobců – Parker nevyjímaje – tomuto novému trendu přizpůsobila, a dodává kompaktní elektrohydraulické pohony. To znamená, že mezi koncovým spotřebičem, což je hydraulický válec, rotační hydromotor, a pohonným agregátem, kde dříve byly i desítky metrů trubek a hadic, v nichž tekl olej, se tento výkonový člen včetně pohonu zkoncentroval do jednoho kompaktního celku. Ten je nyní umístěn tam, kde byl dříve válec, ale vedou k němu už jen dráty. Je tam daleko menší objem pracovní kapaliny a tím i menší riziko úniku, znečištění i poruchovosti. Všichni světoví výrobci v oblasti hydraulických pohonů již tímto řešením disponují.
Dalším velkým tématem jsou úspory spotřeby stlačeného vzduchu, protože i přes rostoucí účinnost kompresorů je jeho výroba drahá. Stlačený vzduch je jedno z nejdražších médií a všichni, kdo mají co do činění s jeho výrobou, distribucí a spotřebou, přicházejí v posledních letech s technologiemi na úsporu vzduchu. Jsou různé systémy a řešení na obdobném principu. Například v produktovém portfoliu Parker existuje produkt AirSaver, který snižuje spotřebu vzduchu až o 50 % tím, že jeho souvislý proud jakoby „naseká” na pulzní dodávku. Tato zařízení máme ve dvou provedeních. První se dá montovat na potrubí před rozváděcí místa k pracovištím a druhé v podobě malé kompaktní varianty o rozměrech cca 6 x 6 cm lze našroubovat třeba na ofukovací pistoli, a šetří se tak přímo na místě provozu. Uživatel to nevnímá, z ústí hadice fouká vzduch stále stejně, ale poznat je to na spotřebě. A když takovéto zařízení pracuje např. na výrobní lince, kde se ofukují formy, jsou to ve finále úspory energie v řádech stovek a tisíců kWh. Provozovatel tak ušetří značné sumy peněz a máme jen za poslední roky řadu aplikací v továrnách např. v automobilovém průmyslu, kde jsou tyto úspory prokazatelně změřené a zdokumentované.

Můžete uvést nějaký konkrétní příklad?
Ano, třeba jednu z nedávných instalací ve slovenské továrně firmy Continental. Tady pro pohon gumárenských strojů používali klasický hydraulický agregát elektromotor/čerpadlo. Změřili jsme cyklus, navrhli elektronicky řízený pohon, tedy soustavu čerpadlo/elektromotor/frekvenční měnič, a nyní je tam již prokazatelná úspora elektřiny 35 %. Navíc víme, protože to byla prototypová aplikace, že v další fázi je možné jít až na 50% úspory a možná i více.
Toto řešení bylo známo už dříve, ale problémem byly poměrně drahé měniče. Jejich cena mezitím klesla na třetinu až pětinu původní, takže řešení s jednoduchým měničem je už atraktivní. V západní Evropě je např. zavedená praxe, že pokud se řešení zaplatí do 18 měsíců, zákazník ho bez problémů koupí. Rok a půl je v podstatě jakási mezní hranice, akceptovatelná doba, potom už zařízení jen šetří a vydělává.

Jak reagují výrobci na nástup Průmyslu 4.0 a IoT, dočkáme se třeba „chytré hydrauliky”?
V tomto směru vidím největší potenciál v systémech s autodiagnostikou. Když je zařízení vybaveno příslušnou senzorikou, monitorující různé provozní aspekty v reálném čase, jako stav ložisek či pracovní kapaliny, tak si třeba za pár let bude takovéto smart zařízení schopné samo přivolat servis a objednat i náhradní díly. Samozřejmě je potřeba změnit přístup, pokud je o komunikační protokoly, sběrnicové systémy a propojení senzorů do vyšších celků. V současné době už je na trhu řada senzorů, které umožní např. podle frekvence zvuku posoudit kvalitu ložiska v hydraulickém čerpadle a nahlásit obsluze na operačním panelu, že došlo ke změně frekvence a ložisko začíná být opotřebené a hrozí riziko poruchy. Je to o prediktivní údržbě a eliminaci neplánovaných odstávek a minimalizaci zásob náhradních dílů. Ve hře je samozřejmě i stěžejní faktor hydrauliky, nosné médium – pracovní kapaliny. Všichni světoví výrobci investují do vývoje technologií, které kapalinu nejen udrží v provozuschopném stavu a umožní přenést větší výkony či zvýší její odolnost, jako jsou různá aditiva, ale umožňují třeba i měřit online viskozitu oleje a vědět, jak se mění mazací schopnosti, kdy změny signalizují, že je nějaký problém, který je nutno řešit.

Ale kontrolní systémy dohlížející na provoz už nejsou úplnou novinkou...
Na hydraulickém agregátu měl už dříve údržbář podobné systémy – nejdříve mechanické „budíky”, potom elektrické indikátory, kde např. změna barvy ze zelené na červenou jasně signalizovala, že je nutné vyměnit filtrační vložku. I ty sice ukazovaly aktuální stav, ale pokud údržbář zrovna nešel kolem nebo je nekontroloval, zařízení pracovalo dál i v rizikovém režimu. Dnes už obsluha ve velínu vidí, jak se vyvíjí situace, a to nejen jak se třeba zanáší filtrační vložka, ale i jak se zhoršuje kvalita média, počet mechanických částic, procento vody. Dopředu už může predikovat další vývoj situace, okamžitě reagovat a učinit potřebná opatření. V pokročilejší verzi by systém měl být schopen analyzovat situaci a v případě rizika kritické chyby stroj automaticky zastavit, aby se předešlo fatálnímu poškození. I systémy s elektrickým spínačem už dříve dokázaly zastavit stroj v případě náhlé kritické změny parametrů, ale dnes chceme více: poznat, kdy se k něčemu takovému schyluje a kdy by tento moment mohl nastat, aby bylo možné se včas připravit na situaci, kdy bude potřeba provést opravu nebo preventivně provést nějaký zásah.
To se samozřejmě netýká jen oleje, totéž platí i o vzduchu. Zatímco u oleje si každý dovede představit – všichni jezdíme autem – že je potřeba v určitých intervalech vyměnit olej, aby se nezadřel motor, v případě vzduchu je takováto představa většině běžných uživatelů dost vzdálená. Dokud vzduch fouká, je prostě vše v pořádku. Ale je to stejné – i vzduch je nutné sledovat, monitorovat jeho kvalitu, pokud chceme zajistit bezchybnou funkci zařízení. Protože pokud se tato péče zanedbává, jsou koncové členy vystaveny značnému opotřebení a nakonec se zničí. V pneumatice jsou navíc mnohdy rychlosti akčních členů vyšší, a i když jsou používány špičkové materiály s vysokou odolností, jak pokud jde o těsnivo, tak o výrobky samotné, tak stále hrozí opotřebení způsobené nekvalitním médiem – vzduchem. A tady mají senzorika a možnost osadit tyto prvky a systémy potřebnými snímači s monitoringem stavu, na jehož základě pak vyhodnocujeme potřebu servisních zásahů, velkou roli.

Když už jste zmínil nové materiály, objevily se nějaké skutečně přelomové?
Z pohledu fluidní techniky už asi v blízké budoucnosti nelze čekat nějaké opravdu zásadní změny, které by znamenaly revoluci v oboru. Půjde spíše o postupnou evoluci a zlepšování dosavadních materiálů. Probíhá neustálý vývoj, ale jsou to spíše nuance ve vylepšování směsí v těsněních. Stejně tak v čerpadlech se stále pracuje s dosavadními stěžejními materiály, jako je ocel, bronzová a mosazná pouzdra, pokročilé plasty nebo keramika pro výrobu šoupátek, i když nastupují třeba ventily z kompozitních materiálů, které jsou funkční a optimální pro určité aplikace. Ale že by se najednou objevilo něco, nad čím bychom užasli v ohromení, zatím nepředpokládám.
Pokud vezmeme jako příklad třeba hadice, vývoj pokračuje v tom směru, že se neustále inovují směsi pro materiály, aby bylo možné dosáhnout třeba menší poloměr ohybu, zachovaly si co největší pružnost i při extrémních teplotách. Ale princip, základ konstrukčního řešení, ať už je to gumové jádro, drátěný oplet či jiný způsob vyztužení nebo krycí vrstva, zůstávají a získávají spíše dílčí vylepšení. Třeba když krycí vrstva přidáním látky více odolné proti otěru dokáže prodloužit životnost, hadice vydrží více, ale pořád je to hadice...
K inovacím však samozřejmě stále dochází, což je dáno mj. i tím, jak se vyvíjí a mění požadavky zákazníků. V dnešní době je běžné, že máme požadavky, aby pneumatika spolehlivě fungovala i při mínus 40 °C. A to vyžadují zákazníci nejen na papíře, ale v reálné, skutečné praxi. Takže se daný výrobek musí podrobit testům ve vymrazovací komoře, aby se zjistily jeho reálné schopnosti. A tehdy konstruktéři a vývojáři získávají velmi cenná data, podobně jako z field testů ve skutečných provozních podmínkách, jenže tam už musí zařízení fungovat naprosto spolehlivě, nelze teprve prověřovat, zda v tomto prostředí skutečně vydrží.

I když se dnes spíše preferují simulace a virtuální počítačové modely?
Ty nemusí přes enormní počet prověřování a modelování různých konfigurací v rámci virtuálních testů znamenat vždy stoprocentně spolehlivý výsledek. Setkal jsem se s případem, kdy se v laboratorních podmínkách produkt vyzkoušel a prověřil do -20 °C a pak se na počítači statistickými metodami odvozovaly, interpolovaly a modelovaly jeho předpokládané vlastnosti při ještě nižších teplotách. Všechno vycházelo a ventil měl – teoreticky – fungovat. Když byl ale vložen do vymrazovací komory a podroben testům při teplotě -30 °C, jeho průsaky kolem šoupátka byly v reálu oproti výpočtům 50krát vyšší! Což samozřejmě znamenalo, že ventil, který byl „papírově” v pořádku, byl v praxi nepoužitelný. Inženýři přitom neudělali žádnou zásadní chybu, vycházeli ze získaných dat, která potom podle obvyklých postupů interpolovali na určité podmínky.
Takže simulace ano, jejich použití může významně ušetřit konstrukční čas. Ale skutečné vlastnosti a chování materiálu, který se ve zmíněném případě prostě zachoval trochu jinak a smrštil se více, než avizovaly počítačové projekce, ukáží jedině praktické testy. Proto se, ačkoli v laboratoři lze nasimulovat prakticky všechno, stále provádí klasické fyzické testování. I výrobci automobilů, kteří používají simulace asi v největším měřítku, posílají ve finále vozy a jejich prototypy prověřit na testovací jízdy, kde musí absolvovat milióny kilometrů v drsných podmínkách od pouští po sněhem a ledem pokryté horské trasy, aby přinesly provozní data z reálných podmínek. Počítače mohou hodně pomoci, ale bez inženýrů to prostě nepůjde. A dnes je jich bohužel málo, mnohem méně, než kolik bychom potřebovali.

Mezi výrobci jsou dnes populární různé konfigurátory, kdy si zákazník může na základě katalogové nabídky navolit a vytvořit sestavu podle konkrétních požadavků. Jaké jsou Vaše zkušenosti? Nebylo by lepší, kdyby s návrhem řešení pomáhal specialista?
Jsou zákazníci, obvykle výzkumníci nebo kutilové, kteří si vygooglují potřebné detaily, které si pak koupí a sami si vše postaví. Ale většina zákazníků, hlavně konstruktéři, projektanti u velkých výrobců, si udělají určitý předvýběr. Sdělí své základní požadavky, záměr pro jakou aplikaci to potřebují a zeptají se našich specialistů, zda je takové řešení možné. Ale ideální skupinou zákazníků, se kterými se nejlépe spolupracuje, jsou takoví, kteří přinesou zadání, sdělí maximum konkrétních informací o požadavcích, které budou na příslušný systém či aplikaci kladeny a co od něj očekávají. Dodají dokumentaci a specifikaci mezních podmínek, v nichž má řešení fungovat, s tím, abychom našli nejen technické, ale i optimální finanční řešení a to pak zákazníkovi prezentovali. Dají dodavateli volnost, nesvazují ho a očekávají precizní výsledek. A takový potom také dostanou. Tento proces je typický především pro OEM zákazníky. Obvykle jim navrhneme několik variant podle jejich zadání a potom ve spolupráci s nimi vše doladíme k co nejlepšímu řešení.
Stává se totiž, že když si zákazník vybírá a zpracovává řešení sám, vybere si něco, co je pro daný případ zbytečně nákladné nebo komplikované, a přitom to vlastně nepotřebuje. Přitom existuje výhodnější alternativa, která komfortně dané požadavky splňuje za výhodnějších podmínek. Navíc nemusí vědět, že se třeba připravuje na trh další výrobek s ještě vhodnějšími parametry, který zatím nebyl prezentovaný, ale bude v čase faktické realizace již k dispozici.
Pokud se vše posuzuje jen podle ceny, může se snadno stát, že po technické stránce se, jak se říká, posuzují jablka a hrušky a „papírově” dražší řešení je ve skutečnosti technicky vhodnější, ve finále efektivnější a tím i úspornější.
Ovšem optimalizace probíhá i u výrobců. Konkrétně v našem případě Parker realizuje rozsáhlý optimalizační projekt, který má zpřehlednit a zjednodušit dosavadní stav produktového portfolia. Například místo tří typů šroubení s podobnými parametry se budou vyrábět dva nebo jen jeden, který ale pokryje požadavky tří předcházejících. Ještě před třemi roky obsahovalo naše portfolio asi 1,1 milionu katalogových produktů, tzv. part numbers, a dnes jsme na zhruba 800 produktech, aniž by to mělo zásadní vliv na zákaznické aplikace a obrat.

Dr. Ing. Radim Olšovský
Technický ředitel českého zastoupení společnosti Parker Haniffin je rovněž předsedou představenstva České asociace pro hydrauliku a pneumatiku (CAHP), která je odbornou sekcí České strojnické společnosti, sdružující téměř dvě desítky výrobců a dodavatelů fluidní techniky působící v ČR.

Publikováno: 27. 3. 2017 | Počet zobrazení: 2902 443