Evaluación de cinco áreas clave de las modernas unidades de energía hidráulica

Cualquier instalación de fabricación que utilice sistemas hidráulicos alimentados por unidades de energía hidráulica (HPU) convencionales de velocidad fija tiene ingenieros y personal que saben muy bien cuán grandes, ruidosas e ineficientes pueden ser las HPU más antiguas. En el pasado, estas funciones eran simplemente una parte aceptada del entorno de fabricación. Pero ahora, los avances en ingeniería y diseño han dado lugar a nuevas unidades de potencia de velocidad variable que son más pequeñas, más silenciosas y más eficientes, diseñadas para usarse en una amplia variedad de aplicaciones y que pueden reemplazar directamente los sistemas hidráulicos tradicionales.

Al igual que otros tipos de equipos eléctricos de velocidad variable, las HPU de velocidad variable son significativamente más eficientes energéticamente que sus contrapartes de velocidad fija. Además, con sensores integrados, diagnósticos y capacidades en la nube, se pueden conectar fácilmente a un entorno de IoT para brindar valiosos datos de productividad y mantenimiento predictivo. En conjunto, estos beneficios hacen que las unidades de energía hidráulica modernas sean una alternativa atractiva a las unidades tradicionales por su eficiencia energética, requisitos de refrigeración reducidos, niveles de ruido más bajos y mayor confiabilidad.

Para los ingenieros que especifican equipos nuevos o están encargados de actualizar o reemplazar HPU más antiguas, los sistemas de velocidad variable brindan opciones más eficientes a considerar antes de elegir dónde invertir.

Al reemplazar o reacondicionar una HPU, se recomienda a los ingenieros de fabricación que consideren algunas métricas clave que diferencian el diseño de un sistema hidráulico moderno de los sistemas convencionales: tamaño, ruido, eficiencia energética, conectividad y costo total de propiedad.

1. Tamaño: El tamaño total de una HPU está determinado en gran medida por el tamaño de su depósito de fluido hidráulico. Para las HPU tradicionales, la regla generalmente aceptada es dimensionar el depósito un mínimo de tres a cinco veces el flujo máximo de la bomba, para permitir la desgasificación (tiempo suficiente para que el aceite se asiente en el depósito y las burbujas de aire suban a la superficie). Por ejemplo, para lograr un flujo máximo de 150 L con esta regla anterior, se requiere un depósito de aproximadamente 600 L, que ocupa una cantidad considerable de espacio dentro del espacio ocupado por la unidad.

Por el contrario, algunas HPU modernas utilizan métodos alternativos de desgasificación que reducen la cantidad requerida de petróleo del yacimiento a una proporción de 1:1. Los diseños de bloques colectores más eficientes, junto con las formas optimizadas de los depósitos, permiten tanques más pequeños. Esa técnica mejora las características de flujo e integra mejor las funciones de los componentes. El colector resultante es más compacto y liviano que un colector convencional y se puede fabricar en una variedad de formas para adaptarse a espacios reducidos.

Esto se combina con un depósito especial en "forma de J" que permite la desgasificación pasiva de cualquier burbuja en el aceite. Como resultado, una unidad que produce un caudal máximo de 150 litros por minuto solo necesita una capacidad de depósito de 150 litros, o un 75 % menos de capacidad de depósito que una HPU tradicional. En términos de espacio en el piso de la planta, eso puede traducirse en una huella de 0,5 m2, en comparación con una huella típica de 2 m2, y una reducción del peso del 80 por ciento. La planta de fabricación solo necesitaría suministrar y mantener una cuarta parte de la cantidad de aceite hidráulico en este ejemplo.

2. Ruido: Por naturaleza, las instalaciones de fabricación se consideran ruidosas y, por lo general, requieren equipo de protección personal especial para bloquear ese ruido. Pero lo que se considera una cantidad aceptable de ruido no está universalmente definido. En una planta de fabricación de acero, por ejemplo, una HPU podría operar en total silencio y aun así no reducir el ruido general en el piso de la planta. Pero en otros tipos de instalaciones, como la fabricación de automóviles o el moldeado de caucho con líneas de montaje y largos tiempos de funcionamiento de la máquina, es deseable un funcionamiento silencioso para mantener un entorno de trabajo agradable. El ruido también puede ser una consideración debido a las vibraciones producidas por las ondas sonoras, que también pueden tener un impacto negativo en los equipos y procesos cercanos.

Para entornos en los que es importante reducir el ruido, el sistema hidráulico de velocidad variable está logrando avances notables, operando alrededor de 10 dB más silencioso que las HPU convencionales en el rango de 7,5 kW a 30 kW. Teniendo en cuenta que cada tres decibelios equivale a un aumento del doble en el volumen del ruido, esto representa una mejora significativa en la reducción del ruido. Reducir el ruido del sistema a 75 dB se considera nivel de conversación, lo que significa que dos compañeros de trabajo podrían pararse junto a la HPU y comunicarse entre sí sin usar tapones para los oídos.

¿Cómo se logra esta reducción de ruido? Primero, al operar a velocidades variables, las unidades modernas son naturalmente más silenciosas, ya que no exigen su máxima potencia el 100 por ciento del tiempo, sino que solo entregan la potencia necesaria en ese momento. En segundo lugar, los sistemas modernos se pueden construir con materiales que amortigüen el sonido y minimicen las vibraciones mediante el uso de estrategias de diseño como un motor enfriado por líquido, una disposición compacta de los componentes, una carcasa unitaria y tapetes aislantes de sonido integrados que no se encuentran en las unidades de potencia convencionales. . Por ejemplo, para eliminar los cojinetes de amortiguación que transmiten el ruido al tanque de reserva, Bosch Rexroth fijó su grupo de bomba de motor CytroBox a una base de hormigón polimérico que absorbe las vibraciones.

Conclusiones: Los avances recientes en los diseños de HPU han dado como resultado niveles de ruido tan bajos como 75 dB (nivel de conversación), lo que representa un salto significativo en la reducción del sonido.

3. Eficiencia Energética: Una HPU de velocidad fija funciona al 100 % de la velocidad del motor, el 100 % del tiempo, independientemente de si la aplicación lo requiere o no. Toda la energía que no se usa para hacer trabajo se convierte en calor, y simplemente hacer girar un motor y una bomba a 1800 rpm sin flujo del sistema requiere varios kW de energía desperdiciada. Este método de operación crea muchos problemas posteriores, incluidos costos de energía más altos y una producción excesiva de calor que debe controlarse mediante enfriamiento u otros métodos de disipación (que requieren aún más energía).

Los sistemas de velocidad variable crean armonía mediante el uso de control electrónico de velocidad de un motor y una bomba para que la salida de energía se ajuste a las demandas y condiciones de la operación. Al reducir la velocidad entre un 40 % y un 70 % en condiciones de carga parcial y teniendo en cuenta las condiciones sin carga, las HPU de velocidad variable han demostrado ahorros de energía de hasta un 80 % en comparación con sus contrapartes de velocidad fija. Las velocidades de operación más bajas y más controladas también reducen la producción de calor de la unidad, lo que le permite funcionar a menor temperatura y reducir o eliminar la necesidad de medidas de enfriamiento adicionales, así como los costos asociados.

Conclusiones: en comparación con las HPU de velocidad fija de igual tamaño, las HPU de velocidad variable funcionan más frías y son hasta un 80 % más eficientes energéticamente.

4. Conectividad: Muchos fabricantes luchan con las decisiones entre reemplazar equipos obsoletos o adaptar componentes más antiguos para llevarlos a la era moderna de IoT. Si bien la incorporación de capacidades de recopilación de datos es esencial para reducir los costos de mantenimiento, mejorar la productividad y proteger el tiempo de actividad, decidir cómo hacerlo puede ser abrumador.

Ya sea que agregue sensores a su HPU anterior u opte por un nuevo modelo plug-and-play, los datos que se pueden recopilar son invaluables para las funciones críticas de fabricación, como la productividad, la resolución de problemas y el mantenimiento predictivo. Con una HPU moderna, el acceso a las herramientas de análisis de datos y diagnósticos basados ​​en la nube también agiliza los flujos de trabajo y reduce la demanda del personal (especialmente los empleados con menos experiencia) para poner en marcha nuevos equipos o capturar datos críticos para solucionar problemas de equipos en persona.

Algunas empresas, como Bosch Rexroth, ofrecen opciones de paquetes de sensores que incluyen flujo/temperatura de drenaje de la caja, contador de partículas, consumo de energía, daño de la bomba y otros parámetros de monitoreo, con acceso en tiempo real a informes de rendimiento y uso las 24 horas del día, los 7 días de la semana a través de tableros en un dispositivo móvil.

Con algunas HPU más antiguas, la conectividad sigue siendo una opción, pero puede presentar muchos desafíos y costos. En estos casos, es importante calcular estos costos y compararlos con el costo de reemplazo con una HPU moderna preparada para i4.O.

Conclusión: considere cómo su operación podría beneficiarse de los datos de la HPU y compare el costo de actualizar una HPU más antigua con sensores de datos con el costo de reemplazarla con un nuevo modelo plug-and-play equipado con un paquete de sensor integrado e interfaces abiertas.

5. Costo total de propiedad: La creencia de que nada cuesta menos que el equipo que ya posee un fabricante es engañosa, y los buenos datos a menudo demuestran que lo contrario está más cerca de la verdad. Si bien muchas HPU antiguas de velocidad fija pueden equiparse con sensores y adaptarse para la fabricación moderna y el IoT, su uso de energía sigue siendo ineficiente y sin cambios. También siguen ocupando la misma gran cantidad de espacio en el piso de la fábrica y siguen siendo ruidosos. Comparativamente, invertir en una nueva HPU compacta de velocidad variable como la CytroBox puede reducir inmediatamente el ruido, liberar espacio en la planta de fabricación para otros equipos rentables y reducir los costos de energía al operar de manera más eficiente.

Conclusiones: las HPU modernas de velocidad variable pueden ser más una inversión inicial, pero los fabricantes con altos costos de energía impulsados ​​por HPU de velocidad fija verán más valor y un retorno más rápido de su inversión con ahorros de energía.

Elegir mantener las HPU de velocidad fija más antiguas o invertir en nuevas HPU de velocidad variable depende de muchos factores dentro de un entorno de fabricación, incluidos los gastos de capital, los objetivos de mantenimiento esbelto y las iniciativas de reducción de carbono. Se deben considerar nuevas HPU para cualquier operación que busque soluciones listas para IoT que reduzcan los costos de energía y reduzcan el ruido, además de abrir espacio en la planta de producción.

Este artículo está escrito por Tyler Stahl, ingeniero de aplicaciones, Bosch Rexroth Corp. (Bethlehem, PA). Para más información visita aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2022 de Motion Design Magazine.

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