Ing. Petr Piskorz, KOEXPRO OSTRAVA, akciová společnost Ing. Jaroslav Pařenica, KOEXPRO OSTRAVA, akciová společnost Emulzní hydraulické pohony určené do prostředí s mimořádnými nároky na bezpečnost, hygienu a ekologii Abstrakt: Příspěvek se zabývá rámcovými podmínkami zadání vývoje nové generace rotačních (vodních) hydromotorů, dílčími výsledky jejich vývoje a možnostmi uplatnění zejména v hlubinném těžebním průmyslu z pohledu aktuální legislativy EU 1) Hydraulické systémy pracující s kapalinami – současný stav a vývojové trendy Vodní hydraulika se stává v posledních létech jednou z nejzajímavějších oblastí vývoje hydraulického průmyslu. Nejedná se o novou nebo neznámou technologii. Aplikace přenosu výkonu pomocí tlakové vody, se poprvé výrazně prosazovala v průmyslu na konci 18. století, aby byla následně v 19. století „vytlačena“ jednak elektrickou energií, s možností přesného řízení a přenosů na velké vzdálenosti, jednak olejovou hydraulikou s elektropneumatickým řízením, atp. Vodní hydraulika tehdy přestala být konkurenceschopná, zejména z pohledu přenosu velkých výkonů. V průběhu minulého století a zejména na jeho konci, se postupně industriální společnost vrací zpět ke svým kořenům, hledá „zelený image“, snaží se výrazně snížit dopad průmyslové výroby a plošné industrializace na životní prostředí, atp. Právě tato snaha vede ke „vzkříšení“ vody jako tlakového média pro přenos výkonu. Kvantifikovaných důvodů k tomuto návratu je celá řada – mezi nejvážnější však patří skutečnost, že voda představuje nulovou hrozbu pro životní prostředí – její únik nebo ztráta se doslova „vypaří“ bez následků a vody – alespoň doposud je z pohledu zdrojů dostatek ve většině průmyslových zemí světa. V hornictví je situace poněkud složitější. Hydraulické pohony, ať lineárními, nebo rotačními hydromotory se od 50 let minulého století plošně prosazují v hornických technologiích jako náhrada obtížně regulovatelných mechanických převodů, s cílem snížit zástavbové rozměry, omezit hmotnosti strojů, zajišťovat je proti přetížení atp. Přijetím tzn. „Lucemburské zprávy“ koncem 60 let, která vyvozovala důsledky z havárie v hlubinném dole v Belgii, začalo být rozšiřování hydraulických pohonů pracujících na bázi minerálních olejů podstatně pomalejší. Na jedné straně zůstávaly významné výhody hydraulických pohonů ve srovnání s pohony elektrickými – zejména hmotnost a rozměry, částečně i přeměna ztrát na odpadní teplo a nutnost jeho chlazení, na druhé straně však začalo být používání hydraulických kapalin pro přenos hydrostatické, nebo hydrokinematické mechanické energie limitováno řadou omezení. Tyto kapaliny musely začít splňovat přísné specifikace a testy zaměřené zejména na: - ohnivzdornost (vyšší bod vzplanutí a Ri – hodnota); - snadnou biologickou odbouratelnost; - dobrou „snášenlivost“ s těsnícími materiály; - dobrou ochranu proti stárnutí;
- vysokou ochranu proti opotřebení; - nezávadnost z hlediska ekologie, toxikologie a hygieny práce. Tyto a další limitující podmínky pro používané hydraulické kapaliny byly včleněny do závazných norem a předpisů EU, jako např.: Směrnice rady 98/37/ES – technické požadavky na strojní zařízení Směrnice rady 92/104/ES – min. požadavky na zlepšení BOZP v české legislativě se tyto závazné normy promítly zejména do: - NV č. 24/2003 Sb. - NV č. 392/2003 Sb. Mezi poslední – resp. nedávno harmonizované normy aplikující Směrnice EU do českých technologických norem, je ČSN EN 1710 + A1, v jejíž příloze jsou stanoveny podmínky nezbytné pro používání hydraulických kapalin v prostředí s nebezpečím výbuchu. Z dříve uvedené ČSN EN vyplývá, že hydraulické mechanismy mají být navrhována a konstruována tak, aby pracovala s hydraulickými kapalinami, u kterých výrobce prokázal, že jsou nehořlavé. V současné době je tato podmínka více nebo méně splňována kapalinami typu HFAE, resp. jejich náhradou – kapalinou HFAS. Dosavadní vývoj hydraulických kapalin pro přenos energie, stejně jako vývoj limitujících podmínek omezujících jejich provozní využití, vedl akciovou společnost KOEXPRO OSTRAVA ve spolupráci s VŠB TU – Fakulta strojní Ostrava a dalšími institucemi zabývajícími se aplikovaným vývojem k zahájení řešení hydraulických rotačních satelitových hydromotorů určených zejména k aplikaci pro pohon nářadí, strojů a mechanismů, sloužících mechanizaci pomocných prací v hornictví. Celý vývoj je veden s cílem využití výsledků vývoje a výzkumu v dalších průmyslových aplikacích, jako je hutnictví, potravinářství, farmacii atp. – všude tam, kde jsou a budou zásadně uplatňovány požadavky na ochranu životního prostředí. Tato problematika je řešena v rámci dotačního programu OPPI IMPULS, s názvem projektu „Výzkum a vývoj hydraulického pohonu určeného do prostředí s mimořádnými nároky na bezpečnost, hygienu a ekologii“. 2) Nová generace satelitních převodníků na bázi „vodní hydrauliky“ Řešení problematiky satelitních převodníků (hydromotorů) na bázi „vodní hydrauliky“, pracovně označovaných jako „WK hydromotorů“, je technicky velmi náročné. Prakticky již před zahájením řešení vykazuje oproti existujícím hydraulickým pohonům (i jejich prvkům), řadu handicapů, mezi které patří: - až 5 násobná cena oproti olejné hydraulice; - snížené otáčky pracovních mechanismů; - nižší životnost i energetická účinnost; - vyšší nároky na konstrukční a těsnící materiály. Na druhé straně je perspektiva těchto „WK hydromotorů „ zejména v: - ochraně životního prostředí; - nehořlavost – protivýbušnost; - nízkých nákladech na pracovní médium.
Při zahájení řešení „WK hydromotorů“ bylo nutno posoudit a analyzovat řadu faktorů a podmínek, jako např.: - charakter pracovních kapalin (emulzí a vodních roztoků), vč. jejich údržby, kontroly viskozity, atp.; - volba materiálů pro „WK hydromotory“ z pohledu koroze, opotřebení, vhodnosti mechanicko – fyzikálních vlastností konstrukčních materiálů, atp.; - vhodnost materiálů pro hydraulické systémy s „WK hydromotory“ (těsnivo, ventily, regulátory, atp.); - pomocí matematického modelování, rozborů geometrie a stanovení optimálních konstrukčních parametrů klíčových komponent a uzlů „WK hydromotorů“, vč. výzkumu nových konstrukčních principů řešit jejich optimalizaci, atp. Cílem výše uvedených činností zaměřených zejména na výzkumně – vývojové práce, řešící jednotlivé komponenty i konstrukční prvky, bylo: - navržení a konstrukce takových prvků, komponent i uzlů systém „WK hydromotorů“, u kterých by se dosáhlo stejné životnosti jako u zařízení „olejové hydrauliky“; - dosažení objemové účinnosti „WK hydromotorů“ v hranicích 90 %; - dosažení hodnot pracovního média na úroveň „olejové hydrauliky“. Výsledkem výzkumně – vývojových prací prováděných v rámci projektu IMPULS bylo, kromě teoretických prací a matematického modelování konstrukčních uzlů, rovněž sestavování prototypů upravených pohonů ze sériových komponent a jejich životnostní zkoušky, výkonová měření, ověřování konstrukce třecích ploch, ložisek, satelitů, centrálních kol, atp. Současně s tím byly konstrukčně klíčové uzly hydraulických systémů s „WK hydromotory“, pro které nebylo možno nalézt dodavatele (výrobce). Při praktické aplikaci funkčních vzorků „WK hydromotorů“ byly a jsou ověřovány i speciální materiály z oblasti: - plastů; - keramiky; - legovaných ocelí; - ocelí opatřenými speciálními žárovými nástřiky. V průběhu řešení projektu byly analyzovány i ověřovány různé typy hydromotorů v úpravách pro vodní hydrauliku. Jako příklady uvádíme:
AXIÁLNÍ PÍSTOVÝ HYDROMOTOR – úprava pro HFA – obr. č. 1
Současně byla podrobena analýze celá řada satelitních – pomaluběžných i středněotáčkových motorů s různými geometrickými objemy, uspořádáním satelitů i vlastní konstrukce, tak, jak jsou znázorněny na obrázcích č. 2, 3, 4.
obr. č. 2
obr. č. 3
obr. č. 4
ZUBOVÉ SATELITOVÉ HYDROMOTORY RŮZNÝCH KONSTRUKCÍ – obr. č. 2-4
3) Příkladné využití „WK hydromotorů“ u nářadí a strojů určených pro práci v prostředí s nebezpečím výbuchu V rámci řešení projektu IMPULS byly mimo jiné ověřovány speciálně sestavené „WK hydromotory“ u tří typů nářadí a strojů, kde nahradily doposud užívané vzduchové nebo olejové pohony. Jednalo se o: - hydraulické vrtačky typové řady VHR 42/50.1 WK; - hydraulické kladkostroje typové řady MZH 3/6 WK; - hydraulické vrátky typové řady WH 1 WK; VTH 1 WK.
VHR 42/50.1 WK – obr. č. 5
VVH 1 WK – obr. č. 7
VTH 1 WK – obr. č. 8
MZH 3/6 WK – obr. č. 6
4) Závěr Záměny a vývojové trendy, tak jak se projevují v evropské legislativě z pohledu podmínek pro používání hydraulických kapalin v podzemí černouhelných dolů, výrazně preferují nářadí, stroje a zařízení využívající pracovní energie hydraulických kapalin typu HFAE, resp. HFAS. Povinnosti výrobců těchto strojů a zařízení, je vyvinout a uvést na trh nové výrobky, splňující přísná kritéria EN.
Jedna z cest jak zajistit tento požadavek EU i důlních podniků, je vývoj nové generace „vodních hydromotorů“, s kterými seznamujeme účastníky konference „Strojní zařízení používaná při hornické činnosti prováděné hornickým způsobem…“ tato přednáška. Použitá literatura a materiály. 1) Program IMPULS, projekt ev. číslo FI-IM5/221 „ROČNÍ ZPRÁVA O ŘEŠENÍ PROJEKTU“ Zpracovatelé: VŠB TU Ostrava BIC s.r.o., Ostrava KOEXPRO OSTRAVA, a.s. 2) Sliwiński P. – Balawender A – přednáška, Konfernece CYLINDER 2004 3) Sliwiński – disertační práce :Porownanie zjawisk v hydaulicznych silnikach satelitowych zasilanny emulsija hodno – olejowa lub olejem“ 4) Firemní materiály z katalogu firem: Danfoss Oilgear Salem Parker Sinclair Collins Itanhinco Wepuko El wood a dalších
