CC BY
23Перспективы развития технологии и рынка приводных решений: куда движется привод
Actuator technology and market outlook: where does the actuator move
• Авторы:
Алексанин Сергей Андреевич
Директор дивизиона систем управления и технологического оборудования Россия, ЗАО «Диаконт»
aleksanin@diakont.com Лысый Михаил Натанович
Заместитель Генерального директора по маркетингу
Россия, ЗАО «Диаконт»
lyssy@diakont.com
Моралес Георгий Хорхевич Руководитель группы маркетинга Россия, ЗАО «Диаконт» morales@diakont.com
Николаев Вячеслав Викторович
Главный специалист дивизиона систем управления и технологического оборудования
Россия, ЗАО «Диаконт»
nikolaev@diakont.com
Уваров Михаил Михайлович Ведущий инженер
Россия, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
michael.uvarov@gmail.com
Аннотация:
Цель статьи заключается в объективном обзоре мирового рынка приводной техники, а также выявлении ключевых факторов смещения спроса от традиционных гидравлических и пневматических приводов в сторону более инновационных электромеханических приводов. В статье рассмотрены такие основные характеристики рынка приводов как: объем и динамика рынка, структура рынка по сегментам потребления, ключевые факторы принятия решения в каждом из выделенных сегментов, экономическая целесообразность установки электромеханического привода.
Основным методом, использованным при написании данной статьи, является обзор существующих мировых и российских исследований в области экономики и техники привода. Авторами производится маркетинговый анализ рынка, сравнение основных технических характеристик имеющихся на рынке приводных решений.
В результате проведенного анализа сделаны выводы о «миграции» спроса от гидро- и пневмо- решений к электромеханике в аэрокосмической отрасли и производящей промышленности. Выявлены преимущества электромеханики перед более традиционными приводами с точки зрения энергоэффективности и надежности. Определены наиболее перспективные направления технического развития электропривода.
Статья написана в соответствии с НИОКРТ «Создание высокотехнологичного производства прецизионных быстродействующих силовых электромеханических приводов нового поколения» в НИУ ИТМО. При финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологического производства».
Ключевые слова:
electromechanical actuator, pneumatics, hydraulics, electromechanics, pneumatic actuators, hydraulic actuators, planetary gear, cycloidal gear, ball-screw, roller-screw, asynchronous motor, synchronous motor
• Authors:
Aleksanin Sergei Andreevich
Department Head - Control Systems and Plant Equipment Diakont
Lysyi Mikhail Natanovich
Deputy General Director - Marketing
Diakont
Morales Georgii Khorkhevich Marketing manager Diakont
Nikolaev Viacheslav Viktorovich
Chief Specialist - Control Systems and Plant Equipment department Diakont
Uvarov Mikhail Mikhailovich leading engineer
Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Abstract:
The purpose of the article is an objective review of the global actuator market, as well as identifying the key factors of demand shifting from traditional hydraulic and pneumatic drives towards more innovative electromechanical actuators. In the article the basic market characteristics such as the volume and dynamics of the market, the market structure of consumption by segments, the key factors of the decision making, the economic feasibility of electromechanical actuators installation are reviewed.
The main method used in this article writing is a review of existing Russian and foreign studies in the field of actuator economy and technology. The authors performed market analysis and compared the basic technical characteristics of existing actuators.
There are made conclusions about the "migration" of demand from hydraulic and pneumatic solutions to electromechanical actuators in the aerospace and manufacturing industries. Identify advantages of electromechanics over more traditional actuators in terms of energy efficiency and reliability. Also identify the most promising areas of the drive technological development.
Keywords:electromechanical actuator, pneumatics, hydraulics, electromechanics, pneumatic actuators, hydraulic actuators, planetary gear, cycloidal gear, ball-screw, roller-screw, asynchronous motor, synchronous motor
Введение
Еще несколько десятилетий назад утверждение о том, что гидравлика и пневматика являются наиболее передовыми технологиями для промышленности, имело право на существование. Сегодня это уже не так. И во многом из-за того, что снижение потребления электроэнергии при улучшении технических характеристик привода стало абсолютно реальным благодаря развитию электромеханики, электроники и программного управления.
Текущее состояние и перспективы рынка приводов
Тем не менее, если взглянуть на привод с точки зрения объемов потребления, то мы увидим, что электромеханический привод (ЭМП) сильно отстает по данному параметру от своих более традиционных «коллег»: гидравлических и пневматических приводов. Так, если рынок пневматики оценивается в $4 млрд., а рынок гидравлики в $10 млрд., то объемы потребления электромеханических приводов не превышают $3 млрд.[1,2]
Такое отставание вызвано в первую очередь стоимостью электромеханического привода, которая при прочих равных зачастую превышает стоимость традиционных пневматических и гидравлических приводов. Однако в этом вопросе не все однозначно.
Действительно, если речь идет лишь о добавлении гидроцилиндра к уже имеющемуся гидравлическому контуру, то здесь гидропривод оказывается дешевле аналогичного по характеристикам электропривода. Но если приобрести нужно всю систему в комплекте
(включая насос, клапаны, трубки и т.д.), добавить дополнительный порт к существующей гидравлической системе или разместить цилиндр на большом расстоянии от насоса, здесь гидравлика становится даже дороже электромеханики из-за необходимости приобретения комплектующих и оплаты дорогостоящих работ.
Несмотря на значительный разрыв в объемах рынка традиционных приводов и ЭМП, потребление последнего растет существенно более быстрыми темпами. В соответствии с исследованиями зарубежных компаний, динамика рынка ЭМП превышает данный показатель по традиционным приводам в 1,5 раза: так рост объемов потребления гидравлики и пневматики в 2011 не превышал 8-9%, рост рынка электромеханических приводов составил 1 3% [1,3,4,5].
Косвенным подтверждением потенциала электромеханического привода является тот интерес, который проявляют к нему ведущие американские и европейские корпорации. На протяжении последнего десятилетия ряд крупных компаний занимается собственными разработками, а также поглощением технологических лидеров в этой области. Так в 2013 за $400 млн. корпорацией Safran Group (Франция) было приобретено электромеханическое направление глобальной корпорации Goodrich (США). В этом году другой гигант на рынке комплектующих для военной, авиакосмической и др. отраслей - корпорация Curtiss-Wright (США) приобрела американского производителя ЭМП - компанию Exlar (США).
В ряде отраслей, таких как авиастроение, турбиностроение, ракетостроение, пищевая и упаковочная промышленность, тенденция к замещению более традиционных приводов особенно заметна.
Например, в авиастроении на сегодняшний день реализуется сразу несколько программ по переходу на электромеханические привода: программы «полностью электрический самолет» и «более электрический самолет», реализуемые такими крупными компаниями, как Airbus, Safran и др.
В космической отрасли также реализуются программы по переходу на электромеханику. По данным докладов NASA ведется активная работа над созданием современных электромеханических систем для ракетоносителей. Центром космических полетов Дж. Маршалла ведутся работы по созданию ЭМП для перспективного тяжелого ракетоносителя Arianne-6. Для малого ракетоносителя VEGA Разработаны ЭМП на базе ролико-винтовых передач.
В производящей промышленности переход на электромеханику происходит не централизованно, тем не менее, потребления ЭМП в данном секторе характеризуется наибольшими объемами. Наибольший спрос на ЭМП наблюдается со стороны:
• предприятий нефтегазовой промышленности (ЭМП для трубопроводной арматуры, задействованной в транспорте и переработке углеводородов)
• предприятий мобильного машиностроения (строительная и сельскохозяйственная техника)
• различных предприятий, осуществляющих перемещение грузов, товаров, полуфабрикатов и материалов с помощью конвейеров, погрузочно-разгрузочных устройств и кранов
• предприятий пищевого, табачного и упаковочного машиностроения
станкостроительных предприятий (металлообрабатывающее оборудование, печатное и текстильное оборудование, обработка пластмасс под давлением, деревооб работка)
1290
1000
Е00
500
Диаграмма 1. Объемы мирового потребления электромеханических приводов в разбивке по сферам применения (в млн. долларов США) [1].*
Что же является движущей силой, обуславливающей активизацию спроса на ЭМП со стороны предприятий-производителей конечного оборудования? У каждой сегмента потребления свои причины. Ниже представлены основные факторы, обуславливающие спрос на электромеханические приводы со стороны ключевых сегментов потребления.
Таблица 1 - Основные факторы, обуславливающие спрос на электромеханические приводы со стороны ключевых сегментов потребления
Сегмент потребления Факторы, обуславливающие спрос на электромеханические приводы
Трубопроводная арматура Высокая надежность, износостойкость, энергоэффективность,
пожаростойкость, малый вес и габариты изделия
Мобильная сельхоз и строительная техника Простота в установке и обслуживании, надежность и износостойкость, компактность изделия
Грузоподъемное оборудование (конвейеры, краны, погрузчики и т.д.) Энергоэффективность, простота обслуживания и надежность изделия
Пищевое оборудования Точность дозирования и нагрузки прессования, компактность, долговечность, простота и скорость переналадки, сокращения времени переналадки и роста количества операций за единицу времени, простота подключения к существующему оборудованию
Станкостроение Точность позиционирования (со временем не образуются «люфты»), долговечность, простота и скорость переналадки, скорость работы привода
Системы управления турбиной Сокращение риска отказов и стоимости содержания, улучшение контроля над скоростью и стабильность вращения турбины
Авиастроение Возросший интерес авиастроительных корпораций к ЭМП объясняется результатами проведенных исследований, которые показывают, что электрификация самолета позволит сократить вес самолета на «10%, а потребление топлива - на ~9%.[6]
Итак, три основных фактора являются движущими силами «миграции» от гидро- и пневмо-решений к электромеханике в производящей промышленности. Первый фактор: рост производительности и качества обработки конечного изделия (на оборудовании, использующем ЭМП) за счет более высокой управляемости производственного процесса и точности позиционирования, сокращения времени переналадки и роста количества операций за единицу времени, а также надежности привода. Второй фактор: сокращение операционных расходов за счет роста энергоэффективности, сокращения затрат на установку, обслуживание и ремонт. Третий фактор: экологичность ЭМП, являющаяся следствием низкого уровня шума и отсутствия утечек масла [7,8].
Таблица 2 - Сравнительные характеристики различных типов приводов
Характеристика ЭМП Гидравлические приводы Пневматические приводы
Нагрузочная способность Очень высокая Очень высокая Высокая
Срок службы Очень большой, отсутствуют утечки масла Большой (при правильном тех. обслуживании) Большой (при правильном тех. обслуживании)
Скорость перемещения штока/ поворота вала Очень большая Умеренная Очень большая
Позиционирование Простое и очень точное Сложное и точное Очень сложное, не точное
Габариты Минимальные Большие (требуются сервоклапаны, трубопроводы высок. давления, фильтры, датчики положение, насосы) Большие (требуются сервоклапаны, трубопроводы, датчики положения, компрессор)
Трение внутри привода Низкое Высокое Умеренное
КПД Более 80% Менее 50% Менее 50%
Тех. обслуживание Очень простое Очень сложное Сложное
Воздействие на окружающую среду Минимальное Утечка гидравлической жидкости и ее утилизация Высокий уровень шума
Экономическая оценка целесообразности установки электромеханического привода
Электропривод демонстрирует значительное энергосбережение в большинстве областей применения, что объясняется тем, что устройство потребляет электроэнергию лишь во время работы. На сегодняшний день используемые механические устройства преобразования вращательного движения в поступательное (шарико-винтовые или ролико-винтовые передачи) обладают высоким КПД (от 70 до 90%). Данные характеристики выглядят достаточно привлекательно на фоне относительно низких показателей энергоэффективности той же пневматики. Подготовка воздуха в пневматических системах сопряжена с большими затратами. В среднем только 10% требуемой энергии расходуется пневмоприводом эффективно [9,10].
Различные исследования, нацеленные на сравнение стоимости эксплуатации ЭМП, гидропривода и пневмопривода показывают неоспоримые преимущества электромеханики. Так исследования, проведенные University of Kassel (Германия) и Design Decisions Laboratory показали, что количество потребляемой ЭМП, гидроприводом и пневмоприводом электроэнергии (и как следствие расходы на нее), при прочих равных условиях различается в разы. Для задачи по перемещению 75 кг. груза на расстояние в 40 мм с периодичностью 30 раз в минуту годовые затраты на электроэнергию составляют [12,13]:
• $165 - для ЭМП
• $726 - для гидропривода
• $1,100 - для пневмопривода .
Диаграмма 2. Сравнительная потребность в электроэнергии различных типов приводов (потребность ЭМП принимается за единицу) [7,8,12,13]
Кроме того, в системе пневмопривода зачастую происходят утечки воздуха. Отверстие в 0,6 см может привести к значительным потерям. И если перевести данные потери в количество излишне потребленной электроэнергии, то ее стоимость в годовой перспективе может достигать $9000 [1 5].
Еще одним достоинством ЭМП является его высокая надежность. Основная причина - ЭМП состоит из куда меньшего количества компонентов, нежели гидравлическая и пневматическая система. В состав ЭМП входит мотор, редуктор и блок управления. Гидравлический или пневматический привод представляет из себя сложную систему, состоящую из насоса, мотора, клапанов, гидро-/ пневмоцилиндра, контроллера для управления мотором, кнопочного блока, системы трубок.
Перспективные направления технического развития электропривода
Тем не менее даже электромеханика имеет серьезные различия в зависимости от того какие основные узлы заложены в ее конструкцию: большинство производителей применяют шарико-винтовую передачу, планетарные редукторы и асинхронные двигатели.
На сегодняшний день существует ряд технических решений позволяющих увеличить преимущества электромеханики перед традиционными приводами. Так отдельные наиболее прогрессивные компании используют в составе привода планетарно-цевочный редуктор, ролико-винтовую передачу и синхронный двигатель [11 ]. За счет применения данных технологий отдельные производители ЭМП рассчитывают достичь технического превосходства как перед гидро- и пневмоприводами, так и представленными на рынке электроприводами других компаний. Техническое превосходство ЭМП, достигаемое за счет применения данных узлов позволяет также рассчитывать на сокращение разрыва между объемами применения ЭМП и других типов приводов.
Одним из немногих российских предприятий, взявших на себя задачу вывода отечественного привода на мировой технологический уровень, является компания «Диаконт», более двадцати лет специализирующаяся на создании продукции для высокотехнологичных отраслей промышленности.
Преимущества электромеханических приводов разработки ЗАО «Диаконт» основываются на следующих принципах:
• Применение наиболее передовых узлов в составе привода: ПЦР, РВП, синхронный двигатель
• Компактная конструкция ЭМП за счет применения инновационной схемы компоновки основных узлов
• Широкий диапазон опций и функций привода для удовлетворения всевозможных потребностей Заказчика.
• Простота и гибкость интеграции в современные АСУ ТП за счет предложения широкого диапазона сетевых интерфейсов
• Увеличенный ресурс эксплуатации за счет применения более совершенных технических решений, новых материалов и технологий упрочнения
За прошедшие двадцать с лишним лет в компании «Диаконт» научились делать уникальные системы, которые пользуются спросом во всем мире. Сегодня предприятие владеет опытом, который позволяет реализовать разработку и производство серийной продукции, обладающей высоким качеством и надежностью.
В компании «Диаконт» убеждены, что компетенции российских инженеров в сочетании с имеющимся опытом успешной работы на международных рынках позволит создать и вывести на рынок серийный ЭМП, ни в чем не уступающий, а по отдельным параметрам превосходящий, лидирующие зарубежные аналоги.
Заключение
Приведенный в статье анализ позволил сделать выводы о происходящей на рынке приводных решений «миграции» спроса от гидро- и пневмо- решений к электромеханике. Особенно сильна данная тенденция в аэрокосмической отрасли, производстве наземной мобильной техники и производящей промышленности. Ключевыми факторами, обуславливающими смещение спроса в сторону электромеханики являются: возможность роста производительности и качества обработки конечного изделия, сокращение операционных расходов на установку, обслуживание и ремонт привода, а также экологичность ЭМП.
Анализ технической стороны позволил выявить преимущества электромеханики перед более традиционными приводами с точки зрения энергоэффективности, что объясняется потреблением электроэнергии лишь во время работы, а также более высоким КПД привода. Еще одним достоинством ЭМП является его надежность. Таким образом, более высокая покупная стоимость ЭМП по сравнению с традиционными аналогами оказывается весьма оправданной и имеет конкретные сроки окупаемости.
Все это позволяет думать, что позиции ЭМП в индустрии приводов будут только улучшаться, а внедрение передовых технических решений (таких как ролико-винтовая передача, планетарно-цевочный редуктор и синхронный мотор) будет этому способствовать.
Библиографический список:
1. Исследование рынка Электромеханических приводов. IMS Research. США. 201 0.
2. Российские электроприводы трубопроводной арматуры, состояние и перспективы // Известия Тульского государственного университета. Выпуск 5. 2011.
3. Колпаков Андрей. Перспективы развития электропривода // Силовая электроника. Выпуск №1. 2004 (URL: http://www.power-e.ru/2004_01_46.php).
4. Рынок интеллектуальных приводов. Востребован ли smart-привод? // Журнал Трубопроводная арматура и оборудование. № 4(31). 2007.
5. Mountain Stream Group. Portfolio Sample - Market Research by Mountain Stream Group, Inc. 2001 (URL:http://www.slideshare.net/MtnStreamCroup/mountain-stream-group-portfolio-sample-market-research).
6. Anthony C. Hoffman. Advanced Secondary Power System for Transport Aircraft. National Aeronautics and Space Administration, Scientific and Technical Information Branch . NASA technical paper, 1 985. Book 2463.
7. Watter, H. Hydraulik und Pneumatik. 2. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden. 2008.
8. Paetzold, W. Hemming, W. Hydraulik und Pneumatik, Christiani GmbH- Technisches, Lehrinstitut und Verlag. Konstanz. 1 992.
9. C. Pohl, C. Becker, J. Hesselbach. Electro mechanical actuators as key for energy efficiency for linear movements. Substitution von Druckluft in der Produktion - Potentiale zur Senkung des Energiebedarfs. In: Industrie Management. CITO mbH - Verlag für Industrielle Informationstechnik und Organisation. Berlin. 2011.
1 0. Is Energy Efficiency Hurting the Pneumatics Market? Not a problem... Yet! IMS Research Analyst Blog (URL:http://www.imsresearch.com/blog/Is_Energy_Efficiency_Hurting_the_Pneumatics_Market_Not_a_pr oblem__Yet/106).
1 1. Drives&Control. The global site of the UK's leading magazine for automation, motion engineering and power transmission (URL: http://www.drives.co.uk).
1 2. Olsen Engineering. Electro mechanical alternatives to increase the efficiency of industrial systems (URL: http://www.consultolsen.com/downloads/benefits7.pdf)
1 3. Design Decisions: Electro-mechanical vs. Pneumatic Actuators, 201 0, John Walker (URL: http://www.designnews.com)
References:
1. Tula State University journal. Issue 5. Russian electric valves, conditions and prospects of the market [Issledovanie rynka Elektromekhanicheskikh privodov], 2011.
2. Electromechanical actuators market research [Rossiiskie elektroprivody truboprovodnoi armatury, sostoianie i perspektivy]. IMS Research. USA. 2010.
3. Kolpakov Andrei. Prospects for the development of the electric actuators [Perspektivy razvitiia elektroprivoda]. Power Electronics. Issue number 1. 2004 (URL: http://www.power-e.ru/2004_01_46.php).
4. The market of smart actuators. If there is a demanded for smart-drives? [Rynok intellektualnykh privodov. Vostrebovan li smart-privod?]. Valves and equipment journal. 4 (31). 2007.
5. Mountain Stream Croup. Portfolio Sample - Market Research by Mountain Stream Croup, Inc. 2001 (URL:http://www.slideshare.net/MtnStreamCroup/mountain-stream-group-portfolio-sample-market-research).
6. Anthony C. Hoffman. Advanced Secondary Power System for Transport Aircraft. National Aeronautics and Space Administration, Scientific and Technical Information Branch . NASA technical paper, 1 985. Book 2463.
7. Watter, H. Hydraulik und Pneumatik. 2. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden. 2008.
8. Paetzold, W. Hemming, W. Hydraulik und Pneumatik, Christiani CmbH- Technisches, Lehrinstitut und Verlag. Konstanz. 1 992.
9. C. Pohl, C. Becker, J. Hesselbach. Electro mechanical actuators as key for energy efficiency for linear movements. Substitution von Druckluft in der Produktion - Potentiale zur Senkung des Energiebedarfs. In: Industrie Management. GITO mbH - Verlag für Industrielle Informationstechnik und Organisation. Berlin. 2011.
1 0. Is Energy Efficiency Hurting the Pneumatics Market? Not a problem... Yet! IMS Research Analyst Blog (URL:http://www.imsresearch.com/blog/Is_Energy_Efficiency_Hurting_the_Pneumatics_Market_Not_a_pr oblem__Yet/106).
1 1. Drives&Control. The global site of the UK's leading magazine for automation, motion engineering and power transmission (URL: http://www.drives.co.uk).
1 2. Olsen Engineering. Electro mechanical alternatives to increase the efficiency of industrial systems (URL:http://www.consultolsen.com/downloads/benefits7.pdf)
1 3. Design Decisions: Electro-mechanical vs. Pneumatic Actuators, 201 0, John Walker (URL: http://www.designnews.com)
* При оценке мирового потребления электромеханических приводов в разбивке по сферам применения также использовались собственные маркетинговые расчеты авторов статьи
