Siłownik elektryczny liniowy w branży morskiej — zastosowanie i dobór

Siłownik elektryczny liniowy zamienia ruch obrotowy silnika na ruch posuwisto-zwrotny tłoczyska. W zastosowaniach morskich ważne są nie tylko siła i skok, ale również odporność na wodę i korozję, napięcie instalacji, cykl pracy oraz sposób sterowania. Do takich aplikacji można dobierać m.in. siłowniki Concens CON, ICON oraz podwodne UW100.

Na jachcie lub statku siłownik może odpowiadać za otwieranie włazów, zmianę położenia elementów wyposażenia, regulację klap czy pracę mechanizmów pokładowych. W porównaniu z hydrauliką rozwiązanie elektryczne nie wymaga pompy, przewodów ciśnieniowych ani obiegu oleju, co upraszcza instalację i eliminuje medium hydrauliczne jako potencjalne źródło wycieku.

Jak działa siłownik elektryczny liniowy?

W siłownikach Concens silnik prądu stałego współpracuje z przekładnią i mechanizmem śrubowym. Obrót silnika zostaje zredukowany przez przekładnię, a śruba zamienia ruch obrotowy na liniowe przesunięcie tłoczyska.

Uproszczony schemat wygląda następująco:

silnik DC → przekładnia → śruba → nakrętka → tłoczysko

Dobór przełożenia wpływa na relację pomiędzy siłą i prędkością. Dobrym przykładem jest CON50: wariant z przełożeniem 1:4 może osiągać około 70 mm/s przy 500 N, natomiast przy przełożeniu 1:84 prędkość spada do około 3–4 mm/s, a dostępna siła wzrasta do 4500 N.

Oznacza to, że nie należy dobierać siłownika wyłącznie na podstawie maksymalnej siły podanej dla całej serii. Trzeba sprawdzić konkretną kombinację wielkości, przełożenia, skoku i prędkości.

Dlaczego środowisko morskie jest wymagające?

Na pokładzie napęd może być narażony jednocześnie na wilgoć, zachlapania, mgłę solną, deszcz, promieniowanie słoneczne, drgania i zmiany temperatury. W niektórych miejscach dochodzi również mycie wodą pod ciśnieniem albo okresowe zalewanie.

Dlatego dwa parametry trzeba analizować osobno: szczelność określaną stopniem ochrony IP oraz odporność materiałową na korozję.

Wysoka klasa IP nie oznacza automatycznie odporności na wodę morską. Stopień ochrony opisuje wnikanie wody i ciał stałych w określonych warunkach testowych, natomiast odporność na chlorki i mgłę solną zależy m.in. od materiału korpusu, tłoczyska, elementów mocujących i uszczelnień.

Wersje przeznaczone do bardziej agresywnego środowiska mogą wykorzystywać stal AISI 316 lub 316L oraz wykonania HE o podwyższonej szczelności. Nie jest to jednak standard każdej konfiguracji CON lub ICON.

Jak dobrać klasę IP do zastosowania morskiego?

Klasy IP należy odnosić do rzeczywistego miejsca instalacji, a nie ogólnie do „zastosowania na jachcie”.

Dla wybranych modeli CON dostępne są warianty HE testowane na IP68/IP69; karta produktu podaje dla nich m.in. próbę zanurzenia 1 m przez 1 godzinę. Nie oznacza to jednak, że każde wykonanie CON ma taki sam stopień ochrony. Standardowe modele występują m.in. jako IP66.

Jeżeli napęd ma stale pracować pod wodą, trzeba zastosować konstrukcję zaprojektowaną właśnie do zanurzenia, a nie tylko siłownik o podwyższonej klasie IP.

Gdzie stosuje się siłowniki liniowe na jachtach i statkach?

W branży morskiej napęd liniowy dobrze sprawdza się w mechanizmach wykonujących stosunkowo krótkie i okresowe ruchy. Dotyczy to m.in. regulacji oparć i stołów, otwierania włazów, okien i luków, sterowania klapami oraz pozycjonowania elementów wyposażenia pokładowego.

AMG prezentuje szerszy zakres takich zastosowań na stronie automatyka dla branży morskiej, obejmującej również czujniki, enkodery czy komponenty przeznaczone do pracy w trudnym środowisku.

W przypadku większych mechanizmów – np. ramp czy ciężkich elementów konstrukcyjnych – konieczna jest już dokładniejsza analiza siły, geometrii i cyklu pracy. Kompaktowe siłowniki Concens są bowiem przeznaczone przede wszystkim do pracy sporadycznej, a nie do ciągłego napędzania ciężkich osi przemysłowych.

Przykład zastosowania: regulowane oparcie fotela jachtowego

Jednym z praktycznych zastosowań był napęd regulowanego oparcia fotela przeznaczonego na zewnętrzny pokład jachtu. Istotne były niewielkie gabaryty, odporność środowiskowa oraz możliwość ukrycia napędu wewnątrz konstrukcji mebla.

W tej aplikacji wykorzystano ICON35 ze zintegrowanym kontrolerem. Zastosowane wykonanie ze stali AISI 316 było przeznaczone do warunków morskich, a elektronika sterująca znajdująca się bezpośrednio w siłowniku ograniczyła ilość miejsca potrzebnego na dodatkowe komponenty. Dla tej konfiguracji podawany jest zakres temperatur pracy od −20 do +70°C.

Pełny przykład można zobaczyć w realizacji siłownik elektryczny w produkcji jachtów.

Jakie siłowniki liniowe oferuje AMG do zastosowań morskich?

Oferta siłowników elektrycznych liniowych obejmuje kilka konstrukcji Concens, które można dopasować do sposobu sterowania i warunków pracy.

Zakresy CON i ICON zależą od wielkości oraz przełożenia. Oba rozwiązania mogą osiągać do 10 000 N i występują ze skokiem do 750 mm. ICON różni się przede wszystkim zintegrowanym sterownikiem oraz możliwością komunikacji Modbus RTU po RS-485.

CON – prostszy układ z zewnętrznym sterownikiem

Siłownik CON sprawdzi się tam, gdzie elektronika sterująca może znajdować się poza siłownikiem. Dostępne są wielkości CON25, CON35, CON50 i CON60 oraz różne warianty przełożenia, pozwalające dobierać kompromis między siłą i prędkością.

Wybrane wykonania można zamówić w wariantach ze stali nierdzewnej i o zwiększonej odporności środowiskowej.

ICON – sterownik zintegrowany z siłownikiem

Siłownik ICON wykorzystuje podobną konstrukcję mechaniczną, ale ma wbudowaną elektronikę sterującą.

Pozwala m.in. na komunikację Modbus RTU przez RS-485, konfigurację parametrów ruchu oraz synchroniczne sterowanie kilkoma siłownikami – nawet do ośmiu jednostek.

Taka konstrukcja jest szczególnie interesująca tam, gdzie miejsca na dodatkowy kontroler jest niewiele, np. wewnątrz mebla jachtowego lub kompaktowego mechanizmu pokładowego.

UW100 – do rzeczywistej pracy pod wodą

Jeżeli siłownik ma pracować w zanurzeniu, rozwiązaniem jest UW100.

Seria została opracowana z myślą o pracy pod wodą do głębokości 100 m. Konstrukcja wykorzystuje stal AISI 316 i specjalne uszczelnienia, a uszczelnieniem objęty jest również fabryczny przewód.

Ważne jest rozróżnienie: deklarowana odporność dotyczy siłownika i przewodu w konfiguracji producenta. Sposób zakończenia kabla, złącza i przejścia przez obudowę urządzenia muszą być zaprojektowane osobno.

Jak dobrać siłownik elektryczny liniowy do jachtu?

Dobór powinien rozpocząć się od mechaniki. Najpierw trzeba określić wymaganą siłę w całym zakresie ruchu, a nie tylko masę podnoszonego elementu.

Znaczenie mają przede wszystkim:

1. Geometria mocowania – odległość punktu zaczepienia od zawiasu i kąt pomiędzy siłownikiem a elementem zmieniają wymaganą siłę podczas ruchu.
2. Skok – musi zapewnić wymagany kąt otwarcia i jednocześnie mieścić się w dostępnej przestrzeni.
3. Siła i prędkość – wynikają m.in. z przełożenia zastosowanego w siłowniku.
4. Cykl pracy – CON i ICON są napędami do pracy sporadycznej; dla wybranych wariantów producent podaje cykl do 10%.
5. Zasilanie – 12 lub 24 V DC należy dopasować do instalacji jednostki oraz długości i przekroju przewodów.
6. Sterowanie – CON wymaga sterowania zewnętrznego, natomiast ICON ma elektronikę wbudowaną.
7. Środowisko – oddzielnie należy określić wymagania dotyczące wody, korozji, temperatury i ewentualnego zanurzenia.
8. Mocowanie – siłownik powinien pracować osiowo i nie może być traktowany jako prowadnica przenosząca istotne obciążenia poprzeczne.

Jak wstępnie obliczyć siłę siłownika do włazu?

Załóżmy, że właz waży 20 kg, jego środek ciężkości znajduje się 0,4 m od zawiasu, a punkt zaczepienia siłownika – 0,2 m od osi obrotu.

Siła ciężkości wynosi:

F = 20 × 9,81 ≈ 196 N

Moment wywołany przez ciężar przy poziomym położeniu włazu:

M = 196 × 0,4 ≈ 78,4 Nm

Jeżeli siłownik działa w tym punkcie prostopadle do ramienia 0,2 m, minimalna siła wynikająca wyłącznie ze statycznego ciężaru wyniesie:

F = 78,4 / 0,2 ≈ 392 N

To nie jest jeszcze wartość, na podstawie której należy zamówić siłownik.

Rzeczywista siła zmienia się wraz z kątem otwarcia i położeniem punktów mocowania. Trzeba również uwzględnić m.in. tarcie, uszczelnienia, przyspieszenie, obciążenia zewnętrzne i najgorszą geometrię występującą w całym zakresie ruchu. W zastosowaniu morskim dodatkowe znaczenie mogą mieć przechyły jednostki i obciążenia dynamiczne.

Dlatego zamiast stosować uniwersalny „zapas 1,5–2×”, współczynnik projektowy należy dobrać do konkretnej aplikacji i wymagań bezpieczeństwa.

Na co uważać podczas montażu?

W siłowniku liniowym siła powinna działać możliwie wzdłuż osi tłoczyska. Obciążenia poprzeczne mogą zwiększać zużycie prowadzenia i mechanizmu śrubowego.

Szczególnej uwagi wymagają także:

• zabezpieczenie elektryczne przed przeciążeniem,
• możliwość swobodnego obrotu uchwytów na sworzniach,
• prowadzenie i uszczelnienie kabla,
• ochrona złączy przed wodą,
• prawidłowe mechaniczne ograniczenie ruchu,
• zabezpieczenie aplikacji przed skręcaniem siłownika, jeżeli wymaga tego dany wariant.

Warto też pamiętać, że w UW100 szczelność nie obejmuje automatycznie wolnych końców przewodu ani zewnętrznych złączy.

FAQ

Czy siłownik elektryczny liniowy nadaje się do pracy na jachcie?

Tak, pod warunkiem dobrania odpowiedniej wersji do miejsca montażu. Znaczenie mają nie tylko stopień IP, ale też materiał, odporność na korozję, cykl pracy i sposób zabezpieczenia przewodów.

Jaka klasa IP jest potrzebna na jachcie?

Nie ma jednej klasy właściwej dla całej jednostki. IP66 może być odpowiednie dla miejsca narażonego na strugi wody, IP68 dotyczy zanurzenia w warunkach określonych przez producenta, a IP69 jest istotne przy myciu pod wysokim ciśnieniem. W każdym przypadku trzeba osobno ocenić odporność materiałów na środowisko słone.

Lepiej wybrać 12 V czy 24 V?

Oba napięcia są dostępne w seriach CON i ICON. Wybór powinien przede wszystkim odpowiadać instalacji jednostki. Przy większych odległościach trzeba także uwzględnić spadek napięcia na przewodach.

Czy siłownik elektryczny może pracować pod wodą?

Tak, jeżeli jest do tego konstrukcyjnie przeznaczony. Seria UW100 została zaprojektowana do pracy podwodnej do głębokości 100 m.

Czy CON i ICON mogą pracować ciągle?

Nie są to siłowniki przeznaczone do typowej pracy ciągłej. Dla serii CON producent podaje cykl pracy do 10%, np. 2 minuty ruchu i 18 minut przerwy dla wskazanych konfiguracji.

Czym różni się CON od ICON?

CON korzysta z zewnętrznego kontrolera, natomiast ICON ma kontroler zintegrowany w obudowie. ICON obsługuje m.in. Modbus RTU po RS-485 i może pracować w układach synchronizowanych.

Jaki siłownik wybrać do zastosowania morskiego?

Na pokładzie, we wnętrzu jednostki i pod wodą występują zupełnie inne warunki pracy. Dlatego określenie „siłownik do jachtu” jest zbyt szerokie, aby dobrać urządzenie wyłącznie na jego podstawie.

Najpierw trzeba określić geometrię mechanizmu, wymaganą siłę, skok i prędkość, a następnie dopasować cykl pracy, sterowanie, materiał oraz odporność środowiskową.

W ofercie AMG siłowniki elektryczne liniowe Concens obejmują zarówno kompaktowe CON i ICON do mechanizmów pracujących sporadycznie, jak i UW100 przeznaczony do rzeczywistego zanurzenia. Dzięki temu rozwiązanie można dobrać do konkretnego miejsca i funkcji na jednostce, zamiast traktować wszystkie zastosowania morskie jako takie same.