Mechanical Engineering maisteriohjelma
Suorakäyttöhydraulisen minikaivinkoneen energiankulutus
Mikael Sammatti
Diplomityö Espoo 24.5.2021
Copyright ©2021 Mikael Sammatti
Author Mikael Sammatti
Title of thesis Energy consumption of direct driven hydraulic mini excavator Programme Mechanical Engineering
Thesis supervisor Prof. Petri Kuosmanen
Thesis advisor(s) D.Sc. (Tech.) Olof Calonius, D.Sc. (Tech.) Jyrki Kajaste
Date 24.5.2021 Number of pages 50 Language Finnish Abstract
Reducing the energy consumption of mobile machinery is one of the most im- portant goals in machine product development today. The potential for reducing fossil fuel consumption and emissions is limited by the development of engine tech- nology alone. The efficiency of machine power transmission solutions must also be improved. Electric and battery-powered machines are becoming more common, and especially the energy consumption of the machine is of great importance for the achievable working time and the size of the battery.
In the present study, the energy consumption of direct driven hydraulic system was compared to a traditional valve-controlled hydraulic system in mini excavator application. The three hydraulic cylinders of the excavator boom have been con- verted to direct driven hydraulics, so that each cylinder has its own electric hydrau- lic pump. Movements of the cylinders are controlled only by changing the speed and direction of rotation of the pump. The solution does not involve conventional throt- tling in hydraulic valves to control the cylinder speed and force.
The energy consumption of hydraulic systems was compared by executing stand- ardized leveling and digging movements with the machine, using both a direct-act- ing hydraulic system and a conventional valve-controlled system. The movements were controlled by a computer, which allowed similarly repetitive series of move- ments between different measurements. Consumption measurements were made both at the maximum speed allowed by the conventional hydraulic system and at a reduced speed, so that the effects of the intensity of work on energy consumption could be determined.
The direct-drive hydraulic system consumed 33-57 percent less electrical energy than the traditional hydraulic system, depending on the job and the working speed.
Since the energy losses in direct drive hydraulics are lower and the energy consump- tion of the machine is significantly reduced, the new hydraulic system enables longer operating times for battery-powered machines or the use of a smaller bat- tery, respectively. The direct-drive hydraulic system also makes it possible to in- crease the overall power of the machine while reducing energy consumption, which improves the machine's work efficiency.
Keywordsdirect driven hydraulics, excavator, energy consumption, digging cycle
Tekijä Mikael Sammatti
Työn nimiSuorakäyttöhydraulisen minikaivinkoneen energiankulutus Koulutusohjelma Mechanical Engineering
Vastuuopettaja/valvoja Prof. Petri Kuosmanen Työn ohjaaja(t) Tkt Olof Calonius, Tkt Jyrki Kajaste
Päivämäärä 24.5.2021 Sivumäärä 50 Kieli Suomi Tiivistelmä
Työkoneiden energiankulutuksen vähentäminen on nykyisin eräs tärkeimmistä ko- neiden tuotekehityksen päämääristä. Fossiilisten polttoaineiden kulutuksen ja päästöjen vähentämisen mahdollisuudet ovat rajallisia pelkästään moottoritekniik- kaa kehittämällä. Myös koneiden voimasiirtoratkaisujen hyötysuhdetta on saatava parannettua. Sähkökäyttöiset ja akusta voimansa saavat työkoneet ovat yleisty- mässä ja erityisesti niissä koneen energiankulutuksella on iso merkitys saavutetta- valle työskentelyajalle sekä akun koolle.
Tässä tutkimuksessa vertailtiin uutta tekniikkaa edustavan suorakäyttöisen hyd- raulijärjestelmän energiankulutusta perinteiseen venttiiliohjattuun hydraulijärjes- telmään minikaivinkonekäytössä. Kaivinkoneen puomiston kolme hydraulisylinte- riä on muutettu suorakäyttöhydraulisiksi, jolloin jokaisella sylinterillä on oma säh- kökäyttöinen hydraulipumppu. Ratkaisussa ei tarvita perinteisiä kuristavia hyd- rauliventtiileitä sylinterien liikkeen ohjaukseen, vaan ohjaus tapahtuu pelkästään pumpun nopeutta ja pyörimissuuntaa muuttamalla.
Suorakäyttöhydraulisen ja tavanomaisen venttiiliohjatun hydraulijärjestelmän energiankulutusta vertailtiin tekemällä koneella standardoituja tasoitus- ja kaivuu- liikkeitä. Liikkeet ohjattiin tietokoneella, mikä mahdollisti samanlaisena toistuvat liikesarjat eri mittausten välillä. Kulutusmittaukset tehtiin sekä perinteisen hyd- raulijärjestelmän mahdollistamalla suurimmalla liikenopeudella, että alennetulla liikenopeudella, jolloin työskentelyn intensiteetin vaikutukset energiankulutukseen pystyttiin toteamaan.
Suorakäyttöhydraulijärjestelmä kulutti sähköenergiaa työtehtävästä ja työsken- telynopeudesta riippuen 33-57 prosenttia vähemmän kuin perinteinen hydraulijär- jestelmä. Koska suorakäyttöhydrauliikassa energiahäviöt jäävät pienemmiksi ja ko- neen energiankulutus laskee merkittävästi, mahdollistetaan uudella hydraulijärjes- telmällä esimerkiksi akkukäyttöisten koneiden pidemmät toiminta-ajat tai vastaa- vasti pienemmän akun käyttö. Suorakäyttöhydraulijärjestelmä mahdollistaa myös koneen kokonaistehon kasvattamisen samalla, kun energiankulutus pienenee, mikä parantaa koneen työtehoa.
Avainsanat suorakäyttöhydrauliikka, kaivinkone, energiankulutus, kaivusylki
Sisällys
1 Johdanto... 9
1.1 Taustatarina... 11
1.2 Tutkimusongelma ja tutkimuskysymykset ... 12
1.3 Työn tavoite ... 12
1.4 Työn rajaukset ... 12
1.5 Käytetyt menetelmät ... 13
2 Kaivinkoneiden uudet hydraulijärjestelmät ... 14
2.1 Suorakäyttöhydrauliikka... 15
2.1.1 Perusteet ... 15
2.1.2 Tilavuuskompensointi ... 16
2.2 STEAM hydraulijärjestelmä ... 17
2.3 Digitaalinen monikammiosylinteri ... 18
2.4 Pumppuohjatut sylinterit ... 20
3 Tutkimusminikaivuri ... 22
3.1 Hydraulijärjestelmä ... 22
3.1.1 Sähkömoottorit ja pumput ... 22
3.1.2 Suorakäyttöpiirien venttiilistö ... 24
3.1.3 Perinteinen hydraulijärjestelmä ... 27
3.2 Tiedonkeruu ja ohjaus ...28
4 Energiankulutuksen mittaukset ... 31
4.1 Testijärjestely ... 31
4.2 JCMAS-testisyklit ... 32
4.3 Testisuunnitelma ... 34
4.4 Liikesarjojen ohjelmointi ... 36
5 Tulokset ... 37
5.1 Suorakäyttöhydraulijärjestelmän energiankulutus ... 37
5.2 Perinteisen hydraulijärjestelmän energiankulutus ... 39
5.3 Hydraulinesteen lämpötila ... 40
6 Pohdintaa ... 42
6.1 Työn tavoitteiden toteutuminen ... 42
6.2 Tulosten suhtautuminen aiempiin tutkimuksiin ... 42
6.3 Energiansäästö ... 43
6.4 Järjestelmän suorituskyky ... 45
6.5 Mahdollisuudet automaatioon ... 46
6.6 Jatkotutkimukset ... 46
7 Yhteenveto ...48
Esipuhe
Olen ollut aina kovin kiinnostunut kaivinkoneista sekä muista työkoneista, mikä on ohjan- nut opinnoissa konetekniikkaan ja lopulta aina Aalto-yliopiston hydrauliikan tutkimusryh- mään asti. Tutkimusryhmä on antanut korkeatasoisen ja mukavan yhteisön perehtyä hyd- rauliikkaan syvällisemmin niin aiemmissa tutkimusapulaisen tehtävissä kuin nyt diplomi- työntekijänäkin.
Haluan kiittää valvojaani Petri Kuosmasta varmasta, mutta lämminhenkisestä otteesta työni valvomisessa. Myös työni ohjaajat Olof Calonius ja Jyrki Kajaste ansaitsevat erityiskii- tokset kaikista neuvoista ja hydrauliikan tuntemuksensa jakamisesta tutkimuksen aikana.
Tutkimusapulainen ja kaverini Juho Lehto toimi valtavan suurena apuna tutkimus- kaivinkoneen mittausjärjestelmien rakentamisessa sekä tarvittavaan tietotekniikkaan pe- rehtymisessä. Haluan kiittää myös häntä kaikesta saadusta avusta ja tuesta työn aikana.
Lisäksi haluan kiittää perhettäni sekä kumppaniani Nikitaa heidän tuestaan ja rakkau- destaan opintojeni aikana.
Otaniemessä 24.5.2021 Mikael Sammatti
1 Johdanto
Kestävän kehityksen tavoitteet ohjaavat vahvasti liikkuvan kaluston ja työkoneiden kehi- tystä. Luonnonvarojen kestävä ja tehokas käyttö, sekä ilmastosta huolehtiminen vaativat uusia ratkaisuja niin koneiden rakenteeseen kuin voimalinjaan. European Green Deal sopi- muksessa on asetettu tavoitteeksi nolla nettohiilidioksidipäästöt vuoteen 2050 mennessä, minkä saavuttaminen vaatii suuria ponnistuksia tekniikan kehittämisessä [1]. Polttomoot- tori on edelleen ylivoimaisesti eniten käytetty voimanlähde liikkuvassa kalustossa, mutta vaihtoehtoiset energianlähteet todennäköisesti tulevat syrjäyttämään sen tulevaisuudessa.
Sähkökäyttöisyys näyttää olevan yhtenä vahvimpana vaihtoehtona perinteisistä poltto- moottoreista luovuttaessa. Akkuteknologian puutteet rajoittavat kuitenkin vielä sähköisten ajoneuvojen ja työkoneiden tehollista toiminta-aikaa merkittävästi. Monilla uusilla hyöty- suhteeltaan paremmilla voimansiirtoratkaisuilla pystytään kuitenkin pienentämään koneen energiankulutusta merkittävästi, mikä mahdollistaa pidemmät toiminta-ajat ja mahdolli- sesti pienemmän akun käytön. Suorakäyttöhydrauliikka on yksi potentiaalinen ja vähem- män energiaa kuluttava vaihtoehto perinteiselle venttiiliohjatulle hydraulijärjestelmälle.
Kuva 1: Venttiiliohjatun ja muuttuvatilavuuksisella hydraulipumpulla varustetun mobiilihyd- raulijärjestelmän tyypilliset häviöt. [2]
Suorakäyttöhydrauliikassa toimilaitetta eli yleisimpänä hydraulisylinteriä ohjataan suoraan sähkömoottorilla ja pumpulla. Hydraulisylinterin tapauksessa hydraulipumppu pumppaa hydraulinestettä hydraulisylinterin männän puolelta toiselle ja toimilaitteen liikenopeutta ja voimaa säädetään suoraan pumpun nopeutta ja vääntömomenttia säätämällä.
Perinteisessä venttiiliohjatussa hydraulijärjestelmässä toimilaitteen nopeutta säädetään usein hydrauliventtiilillä, joka kuristaa virtausta tarvittavan määrän halutun nopeuden saa- vuttamiseksi. Suorakäyttöhydrauliikassa perinteistä venttiilistöä ei tarvita enää ollenkaan, jolloin sen kuristuksista johtuvat häviöt jäävät kokonaan pois. Nämä häviöt voivat olla jopa 30 % järjestelmään tuodusta energiasta (kuva 1) [2].
Monet valmistajat kehittävät kiivaasti uusia työkonemalleja, jotka on varustettu akulla ja sähköisellä voimansiirrolla. Useimmissa kaupallisissa sovelluksissa hydraulijärjestelmän arkkitehtuuri on kuitenkin hyvin perinteinen. Suorakäyttöhydrauliikka on jo tullut yleiseksi monissa käyttökohteissa teollisuudessa, mutta työkoneissa sitä on toistaiseksi hyödynnetty todella vähän. Suoravetohydrauliikka vaikuttaa hyvälle vaihtoehdolle akkukäyttöisiin työ- koneisiin, sillä se yhdistää hydrauliikan ja nykyisen sähkömoottoriteknologian parhaat puo- let.
Hydrauliikka on omiaan työkoneissa, sillä joustava voimansiirto letkuja ja putkia pitkin mahdollistaa hyvän teho-kokosuhteen omaavien hydraulimoottoreiden ja sylintereiden si- joittamisen optimaalisiin paikkoihin työkoneessa. Sähkömoottorit ja niiden ohjauslaitteet voidaan puolestaan sijoittaa suojaan koneen rungon sisään konetilaan. Hydraulijärjestelmä vaimentaa myös hyvin työskentelyn aikaisia iskuja ja värinöitä ja mahdollistaa helpon suo- jauksen ylikuormitukselta. Hydraulimoottorit ja -sylinterit ovat myös hyvin kestäviä ran- koissa ympäristöolosuhteissa likaa, kolhuja ja vettä vastaan.
Sähkömoottoreiden hyvä hyötysuhde mahdollistaa sähköenergian tehokkaan muuttami- sen mekaaniseksi tehoksi hydraulipumpun pyörittämiseksi. Suorakäyttöjärjestelmän etuna, on että sähkömoottoria tarvitsee pyörittää vain silloin, kun toimilaitteen halutan liikkuvan.
Muulloin se voi olla pysähdyksissä, jolloin energiaa ei kulu. Pienempi energiankulutus joh- taa suoraan pidempään toiminta-aikaan samalla akulla. Sähkömoottorit ja niiden ohjaimet ovat nykypäivänä myös hallintaominaisuuksiltaan hyvin kehittyneitä, jolloin suorakäyttö- hydraulijärjestelmästä saadaan myös hyvin tarkasti hallittava.
1.1 Taustatarina
Aalto-yliopiston hydraulitekniikan laboratorion tutkimuslaitteisiin on jo useita vuosia kuu- lunut JCB Micro -minikaivuri (kuva 2). Koneella on tutkittu heti alusta lähtien sähköistä voimalinjaa, sillä polttomoottori on vaihdettu sähkömoottoriin pian koneen saavuttua lai- tokselle. Hydraulijärjestelmä oli kuitenkin pitkään pysynyt perinteisenä venttiiliohjattuna.
Vuonna 2018 kaivinkoneen puomiston hydraulisylinterit muutettiin suorakäyttöhydrauli- siksi, jotta uudenlaista hydraulijärjestelmää päästiinn tutkimaan aidossa työkonesovelluk- sessa.
Kuva 2: JCB Micro tutkimusminikaivuri varustettuna suorakäyttöhydraulijärjestelmällä.
Hydraulitekniikan laboratoriossa on tutkittu suorakäyttöhydrauliikkaa useammalla eri tut- kimuslaitteella, mutta sovellukset ovat olleet enemmän kuorman nosto tyyppisiä ja vapaus- asteita on yleensä ollut vain yksi. Päätavoitteena on ollut suorakäyttöhydraulipiirin kehittä- minen ja toiminnan tutkiminen. Minikaivuri mahdollistaa puolestaan suorakäyttöhydraulii- kan toiminnan tutkimisen työkonekäytössä, jossa useamman hydraulipiirin täytyy toimia yhtä aikaa ja järjestelmältä vaaditaan paljon niin hallinnan, suorituskyvyn kuin luotettavuu- den osalta.
Olin työskennellyt jo pidemmän aikaa Aalto-yliopiston konetekniikan laitoksella tutki- musapulaisena, kunnes minulle avautui mahdollisuus päästä tutkimaan tätä suorakäyttö- hydraulista minikaivuria. Suunnitelmaksi tuli tehdä diplomityö koneeseen liittyen ja tutkia koneen uutta hydraulijärjestelmää tarkemmin ja selvittää, mikä on sen energiankulutus ja kuinka suoravetohydrauliikka toimii kaivinkonesovelluksessa.
1.2 Tutkimusongelma ja tutkimuskysymykset
Suorakäyttöhydrauliikan käyttö kaivinkoneessa on herättänyt suuren joukon uusia kysy- myksiä, joihin ei vielä ole tutkittuja vastauksia. Monet kysymykset koskevat hydraulijärjes- telmän hallittavuutta, komponenttien ja öljyn kunnosta sekä lämpötiloista huolehtimista, mitoittamista sekä tietysti tärkeintä eli järjestelmästä saatavia hyötyjä. Suorakäyttöhyd- rauliikan merkittävimpänä etuna voisi pitää energiansäästöä verrattuna perinteisiin järjes- telmiin. Koska saavutettava energiansäästö on tärkeimpiä motivaattoreita uudenlaisen tek- niikan hyödyntämiseen, eikä tutkimustietoa suorakäyttöhydrauliikan käytöstä kaivinko- neissa juuri ole, tutkimuksessa päätettiin keskittyä energiankulutuksen selvittämiseen. Tut- kimuskysymykseksi asetettiin siis:
Mikä on suorakäyttöhydraulijärjestelmän energiakulutus minikaivinkoneessa yleisim- missä kaivusykleissä verrattuna perinteiseen hydraulijärjestelmään?
1.3 Työn tavoite
Tämän työn tavoitteena oli selvittää kokeellisesti suorakäyttöhydraulijärjestelmällä varus- tetun minikaivinkoneen energiankulutus. Jotta saavutettavaa energiansäästöä päästiin hel- posti ja luotettavasti vertaamaan perinteiseen venttiiliohjattuun hydraulijärjestelmään, suo- ritettiin samat kulutusmittaukset myös perinteisellä järjestelmällä käyttäen samaa konetta ja samoja mittausmenetelmiä. Tämän mahdollisti koneessa oleva rinnakkainen perinteinen hydraulijärjestelmä sähköohjatulla hydrauliventtiilistöllä, joka voitiin kytkeä vaihtoehtoi- sesti puomiston hallintaa varten. Saavutetut mittaustulokset perinteisen- ja suorakäyttö- hydraulijärjestelmän välillä ovat siis täysin vertailukelpoiset keskenään.
1.4 Työn rajaukset
Tässä työssä keskityttiin suorakäyttöhydraulisen ja perinteisen venttiiliohjatun hydraulijär- jestelmän energiankulutuksen mittaukseen käyttäen standardoituja kaivuuliikkeitä, jotka on tarkoitettu kaivinkoneiden polttoaineenkulutuksen vertailukelpoiseen arviointiin. Stan- dardin mukaan kaivuliikkeet suoritetaan ilman kuormaa kaivamalla koneella vain ilmaa. Ai- don kaivettavan maa-aineksen järjestäminen laboratoriotiloihin tai maan kaivun aiheutta- man vastuksen tuottaminen muilla keinoin olisi vaatinut mittavia järjestelyitä, joita ei olisi tämän tutkimuksen puitteissa ehditty toteuttamaan. Ilman kuormaa suoritettavat mittauk- set mahdollistivat kuitenkin hyvin eri hydraulijärjestelmien vertailun keskenään.
Kulutusta mitattiin kahden erilaisen työsyklin aikana käyttäen kahta eri työskentelyno- peutta. Tavallisesti kaivinkoneella tehtävät työt vaihtelevat suuresti niin työkierroltaan kuin työnopeudeltaan, mutta tutkimuksessa keskityttiin mittamaan kulutusta yleisimpien työsyklien aikana.
1.5 Käytetyt menetelmät
Kirjallisuuskatsaus esittelee tärkeimpiä tutkimuksia suorakäyttöhydrauliikkaan liittyen.
Siinä selvitetään myös mitä muita vaihtoehtoisia hydraulijärjestelmäarkkitehtuureja on ke- hitetty ja tutkittu erityisesti kaivinkoneiin liittyen. Katsaus antaa myös perustiedot suora- käyttöhydraulipiirin rakenteesta, toiminnasta ja erilaisista toteutustavoista. Varsinainen tutkimustyö keskittyy kokeelliseen tutkimukseen, sisältäen mitattujen ja laskettujen tulos- ten numeerisen ja visuaalisen analysoinnin.
2 Kaivinkoneiden uudet hydraulijärjestelmät
Tässä kappaleessa esitellään lyhyesti mielenkiintoisimpia työkoneisiin sovellettuja uusia hydraulijärjestelmiä, joilla pyritään parantamaan koneiden energiatehokkuutta. Tärkeim- mät energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävät teknologiat voidaan listata esimerkiksi seuraavasti [3]:
1. Kuormantunteva hydraulijärjestelmä 2. Sähköhydraulinen teholähde
3. Sekundääriohjatut hydraulijärjestelmät 4. Hydraulimuuntimet
5. Pumppuohjatut toimilaitteet
6. Kuormasta riippumaton virtauksenjako 7. Optimoitu liikkeenohjaus
8. Energian talteenottoteknologiat 9. Monikammiosylinterit
10. Digitaalinen/diskreettinen hydrauliikan ohjaus
Kuormantuntevat hydraulijärjestelmät ovat olleet jo pitkään yleisesti käytössä sarjatuotan- nossa olevissa koneissa, joten niihin ei perehdytä tarkemmin. Sekundääriohjatut hydrauli- järjestelmät erityisesti hydraulisylinterien kanssa ovat uudempaa ja vielä kehityksen alla olevaa teknologiaa. Tämän teknologian kanssa käytetään usein monikammiosylintereitä ja digitaalista hydrauliikan ohjausta.
Pumppuohjatut toimilaitteet erityisesti hydraulisylinterisovelluksissa ovat uutta teknolo- giaa. Hydrostaattisessa voimasiirrossa pumppuohjaus on ollut arkipäivää jo pitkään, mutta hydraulisylintereihin sitä on sovellettu vasta vähän. Suorakäyttöhydrauliikka kuuluu myös tähän ryhmään. Erilaisia energian talteenottoteknologioita on jo käytössä sarjatuotannossa olevissa koneissa.
Niin kutsutut sekundääriohjatut hydraulijärjestelmät ovat yksi energiataloudellinen vaihtoehto venttiiliohjatuille järjestelmille. Sekundäärisäädössä teholähde tuottaa vakiopai- neen syöttölinjaan ja toimilaitteen voimaa säädetään sen syrjäytystilavuutta säätämällä. Täl- löin tilavuusvirran tuotto ja hydraulipaine voidaan pitää vakiona. Tämä eliminoi järjestel- mästä venttiilien kuristushäviöt, jolloin energiankulutus laskee merkittävästi. [4][5]
Kuva 3: Sekundäärisäädön toteutus kahdella rinnankytketyllä hydraulisylinterillä. [5]
Perinteinen sekundäärisäädössä käytetty toimilaite on ollut muuttuvatilavuuksinen hyd- raulimoottori. Hydraulisylinteriä käytettäessä sekundäärisäädön toteuttaminen on moni- mutkaisempaa, sillä männän pinta-alan suora muuttaminen on rakenteellisesti vaikeaa. On- gelma on kuitenkin ratkaistavissa, sillä esimerkiksi kaksi rinnan kytkettyä erikokoista hyd- raulisylinteriä (kuva 3) tai monikammiohydraulisylinteri mahdollistavat sylintereiden yh- teisen tehollisen pinta-alan muuttamisen portaittain. Kolmas mahdollinen tapa on käyttää hydraulista paineenmuunninta [6].
2.1 Suorakäyttöhydrauliikka
Suorakäyttöhydrauliikka tekniikkana on ollut tunnettua aina 1980-luvulta asti. Sitä on käytetty esimerkiksi lentokoneissa 1990-luvun alusta lähtien. [7] Esimerkiksi Parker valmis- taa lentokoneisiin suunniteltuja suorakäyttöhydraulisia toimilaitteita (kuva 4). Myös muilla isoilla hydrauliikkavalmistajilla on valikoimissaan suorakäyttöisiä toimilaitteita kuten Bosch Rexrothilla (kuva 4).
Vaikka tekniikka on ollut tavallista ilmailuteollisuudessa, on se pikkuhiljaa levinnyt myös muille tekniikan aloille. Esimerkiksi ruiskuvalukoneissa [8], levyntyöstökoneissa [9] ja tuu- livoimalaitoksissa [10] on hyödynnetty suorakäyttöhydrauliikkaa. Ajoneuvoissa ja työko- neissa tekniikkaa on kuitenkin käytetty vielä hyvin vähän.
Kuva 4: Vasemmalla Parkerin sähköhydraulinen toimilaite lentokonekäyttöön [11]. Oikealla Bosch Rexrothin suorakäyttöhydraulinen hydraulisylinteri. [12]
2.1.1 Perusteet
Perinteisesti hydraulijärjestelmä rakentuu kiinteä- tai muuttuvatilavuuksisesta hydrauli- pumpusta, hydrauliventtiilistöstä ja toimilaitteista. Hydraulipumppu tuottaa tarvittavan hydraulivirtauksen ja paineen yhdelle tai useammalle toimilaitteelle. Toimilaitteiden voi- maa, nopeutta ja liikesuuntaa säädetään venttiileillä, jotka kuristavat virtausta halutun mää- rän.
Suorakäyttöhydrauliikassa jokaisella toimilaitteella on oma pumppunsa, jonka pyörintä- nopeutta ja -suuntaa muuttamalla saadaan toimilaitetta hallittua suoraan ilman hydrauli- venttiiliä. Esimerkiksi hydraulisylinterin yhteydessä pumppu pumppaa öljyä männän
toiselta puolelta toiselle ja saa sylinterin liikkumaan. Suorakäyttöhydrauliikan etuihin kuu- luu helppo kuorman liike- tai potentiaalienergian talteenotto, sillä hydraulipumppu voi toi- mia tarvittaessa hydraulimoottorina pyörittäen sähkömoottoria generaattorina.
Kuvassa 5 on esitetty suorakäyttöhydraulipiirin pääkomponentit. Pumppua pyöritetään sähkömoottorilla. Hydraulipumpulta lähtevät päähydraulilinjat toimilaitteelle, tässä ta- pauksessa hydraulisylinterille. Paineakku yhdessä virtauksenkompensointiventtiileiden kanssa pitää huolen, että hydraulipiiriin ei missään tilanteessa pääse muodostumaan alipai- netta, mikä johtaisi kavitaatioon. Differentiaalisylinteriä käytettäessä virtauksenkompen- sointiventtiilit ovat tärkeässä roolissa, sillä ne huolehtivat ylimääräisen hydraulinesteen poistosta pääkierrosta sylinterin varren painuessa sen sisään ja varren tullessa ulos ne pääs- tävät korvaavan nestetilavuuden piiriin takaisin.
Erilaiset turvakomponentit kuten paineenrajoitusventtiilit estävät komponenttien rik- koutumisen ylikuormitus ja vikatilanteissa. Lukkoventtiilit huolehtivat puolestaan, ettei kuorma pääse liikkumaan, kun sähkömoottori sammutetaan. Toimilaitteen lukitsemiseksi voidaan käyttää esimerkiksi sähköisiä sulkuventtiileitä, kuormanlaskuventtiileitä tai pai- neohjattavia vastaventtiileitä.
Kuva 5: Suorakäyttöhydraulipiirin periaatepiirros.
2.1.2 Tilavuuskompensointi
Differentiaalisen hydraulisylinterin öljytilavuudet männän eri puolilla eivät ole yhteneväiset johtuen männänvarren viemästä tilavuudesta. Tämän takia suorakäyttöjärjestelmässä vaa- ditaan laitteisto, joka kompensoi tilavuuseron. Symmetristä hydraulisylinteriä käytettäessä tämä järjestelmä voi olla yksinkertaisempi, koska tilavuudet männän eri puolilla ovat yhte- neväiset.
Hydraulisylinterin varren työntyessä ulos suljettuun hydraulipiiriin syntyy nestevajaus, joka tarvitsee korvata uudella öljyllä. Varren liikkuessa sisään järjestelmään puolestaan syn- tyy nesteylimäärä, joka täytyy hallitusti saada talteen, kunnes sylinterin liikesuuntaa taas muuttuu. Erilaisia menetelmiä tilavuuseron käsittelemiseksi on useita.
Kuvassa 6 nähdään yleisimpiä ratkaisuvaihtoehtoja tilavuuseron kompensoimiseksi. Rat- kaisu 1 pitää sisällään paineohjatun sulkuventtiilin, joka mahdollistaa ylimääräisen nesteti- lavuuden siirron hydraulisäiliöön. Ratkaisu kaksi sisältää kaksi erillistä hydraulipumppua, yhden kummallekin sylinterin kammiolle. Kun pumppujen kierrostilavuudet valitaan sopi- vasti erilaisiksi, ovat kammioihin siirtyvät tilavuusvirrat oikean suuruisia samasta pyörintä- nopeudesta huolimatta. Ratkaisu kolme sisältää kaksi erillistä pumppua ja pumppumootto- ria. Pumppuja voidaan pyörittä eri nopeuksilla oikean tilavuusvirran siirtämiseksi. Ratkaisu neljä sisältää kaksi muuttuvatilavuuksista hydraulipumppua. Pumppujen tilavuutta voidaan muuttaa samaan aikaan, kun niiden välinen ero pidetään sopivana sylinterin tilavuuseron
kompensoimiseksi. Ratkaisu viidessä on jälleen esiohjatut venttiilit ylimääräisen hydrauli- nesteen poistamiseksi päähydraulipiiristä. Lisäksi järjestelmässä on erillinen lataus- pumppu, jolla tarvittava nestetilavuus palautetaan takaisin hydraulipiiriin.
Kuva 6: Erilaisia suorakäyttöhydraulipiirin toteutustapoja. [13]
2.2 STEAM hydraulijärjestelmä
Aachenin yliopiston Fluid Power Drives and Controls -instituutti on kehittänyt ja testannut uudentyyppistä STEAM nimen saanutta kaivinkoneen hydraulijärjestelmää vuodesta 2013 lähtien. Tarkoituksena on ollut kokonaisvaltainen koneen voimansiirron hyötysuhteen pa- rantaminen, ei vain pelkän hydraulijärjestelmän. STEAM-järjestelmä ei käytä moottoria ja
pumppua suoraan hydraulisylintereiden ja -moottoreiden virtauksen tuottamiseen, vaan moottorilla ja pumpulla ladataan ja ylläpidetään painetasoja matalan ja korkean painetason paineakuissa. Paineakkujen avulla hydraulitoimilaitteet on erotettu tehon tarjonnan ja käy- tön suhteen polttomoottorista, jolloin moottorin kuormitus on tasaisempaa sen pitäessä vain paineakkujen painetason mahdollisimman vakaana. Koska paineakut huolehtivat myös mahdollisesta hetkellisestä piikkitehontarpeesta, on moottoria mahdollista pienentää ja mi- toittaa se järjestelmän keskitehon mukaan. Tämä mahdollistaa pienemmän moottorin kuor- mittamisen suurimman osan ajasta taloudellisimmalla pyörintänopeusalueella. [14]
Aachenin yliopiston tutkimuskaivinkone on toteutettu yhdessä Volvo Construction equipmentin kanssa. Noin 18-tonniseen Volvon pyöräalustaiseen kaivinkoneeseen on ra- kennettu STEAM-hydraulijärjestelmä alkuperäisen kuormantuntevan järjestelmän rinnalle, mikä mahdollistaa järjestelmien luotettavan vertailun keskenään. STEAM-järjestelmä mah- dollistaa koneen moottorin käytön tavallista pienemmällä kierrosluvulla, noin 1200 rpm.
Lisäksi se minimoi kuristushäviöt ja mahdollistaa potentiaali- ja kineettisen energian tal- teenoton kaikilta toimilaitteilta. [14]
Polttoaineenkulutustesteissä kaivinkoneella lastattiin 14 tonnia soraa dumpperin kyytiin.
Moottorin kierrosnopeudet olivat STEAM:in kanssa 1200 rpm ja alkuperäisen kuormantun- tevan järjestelmän kanssa 1800 rpm. STEAM saavutti kuitenkin saman lastausnopeuden kuin perinteinen järjestelmä ja polttoaineen kulutus oli 27 % pienempi. STEAM:in ansiosta moottori käy pienemmillä pyörimisnopeuksilla ja suurella vääntömomentilla, mikä johtaa parempaan moottorin hyötysuhteeseen. [14]
STEAM:in eduiksi kerrotaan, että se ei tarvitse sähköisiä toimilaitteita tai energian varas- tointi ratkaisuja. Ratkaisu toimii täysin hydraulisesti, mikä on toimintavarma ja edullinen ratkaisu. [14] Kuvassa 7 on esitetty STEAM-hydraulipiirin perusrakenne.
Kuva 7: Kaivinkoneen STEAM-hydraulipiiri verrattuna kuormantuntevaan hydraulipiiriin (himmennettynä). [14]
2.3 Digitaalinen monikammiosylinteri
Digitaalista monikammiosylinteritekniikkaa on kehittänyt muun muassa suomalainen Norrhydro Oy. Ulkoapäin tavallisen näköinen monikammiohydraulisylinteri sisältää neljä eri nestetilavuutta ja männän pinta-alaa (kuva 8). Yhdessä digitaalisen on/off -venttiilistön
sekä matala- ja korkeapainepaineakkujen kanssa saadaan sylinterillä tuotettua erilaisia voi- mia ilman, että hydraulivirtausta tarvitsee kuristaa venttiileillä paineiden muuttamiseksi.
Kuva 8: Norrhydro Oy:n monikammiosylinteri, jonka periaatepiirroksesta nähdään sylinte- rin sisältämät neljä eri nestetilavuutta. [15]
Esimerkiksi neljällä kammiolla, joiden pinta-alat on valittu binäärisarjan mukaan sekä kahdella painetasolla saadaan sylinterillä tuotettua 16 erilaista voimaa kuten kuvasta 9 näh- dään. Näistä viisi tuottaa mäntää sisäänpäin vetävän voiman ja loput 11 tilaa tuottavat män- tää ulospäin työntävän voiman. Haittapuolena on, että voimajakauma on melko epäsym- metrinen liikesuunnan suhteen, minkä takia paluuliikkeen säätö on epätarkempaa kuin plusliikkeen. Lisäksi työntöliikkeen maksimivoima on noin kaksi kertaa suurempi, kuin pa- luuliikkeen. [5]
Monikammiosylinteriä vakiopainejärjestelmässä käytettäessä säätö perustuu toivotun kiihtyvyyden tuottavan voiman määrittämiseen ja lähimmäksi toivottua voimaa osuvan pai- nekombinaation valitsemiseen. Tällä ratkaisulla ei tosin yleensä pystytä toteuttamaan sylin- terin vakionopeutta, koska voimasäädön resoluutio on niin huono, että vakionopeuden tuot- tavaa voimaa ei pystytä tuottamaan millään kombinaatiolla. Vakionopeuden ylläpitämiseen vaadittaisiin sylinterin tilan jatkuvaa vaihtamista ja tuloksena olisi nykivää liikettä. Sylinte- rin nopeuden tarkka säätö onnistuu tällöin vain tilavuusvirran tuoton säädöllä. [5]
Suurta kuormaa liikutettaessa massan inertia pyrkii pitämään liikenopeuden vakiona, jolloin nykiminen on vähäisempää. Pienillä inertioilla ongelma on merkittävämpi, mutta se voidaan poistaa käyttämällä järjestelmässä myös kuristussäätöä. Tällöin sylinterin tilaksi valitaan hieman toivottua suuremman voiman tuottava tila ja sylinterikammion paine las- ketaan kuristamalla sopivaksi. Kuristushäviöt jäävät varsin alhaisiksi, sillä kuristamalla tuo- tettu paine-ero on pieni. Ohjauselektroniikka ja -ohjelmisto ovatkin tärkeässä roolissa digi- taalisen monikammiosylinterin ohjaamisessa. Ilman hyvin toimivaa ohjausta sylinterin toi- minnasta on vaikea saada tasaista ja nopeasti reagoivaa. [5]
Digitaalisia monikammiosylintereitä on testattu kaivinkonekäytössä esimerkiksi Linkö- pingin yliopistossa. 30-tonnin painoiseen Volvo-kaivinkoneeseen asennettiin vakiopaine- hydraulijärjestelmä sekä monikammiosylinterit puomistoon. Hydraulijärjestelmä mahdol- listi energian talteenoton puomiston laskuliikkeen sekä kääntöliikkeen jarrutuksen aikana.
Energiatehokkaampi hydraulijärjestelmä paransi koneen polttoainetaloudellisuutta 34-50 prosenttia kaivu- ja lastaustyön aikana. [3]
Kuva 9: Kaksi hydraulipainetasoa yhdistettynä neljään männän pinta-alaan mahdollistavat 16 eri voimaa, jotka sylinterillä voidaan tuottaa. [15]
Uudenlaiset hydraulisten toimilaitteiden järjestelmäratkaisut kiinnostavat myös työ-kone- valmistajia. Norrhydro ja Volvo Construction Europe ovat tehneet yhteistyötä digitaalisten monikammiosylinterien kehityksessä. Viimeisimmissä uutisissa [16] Volvo CE:n ja Norrhydron kerrotaan kirjoittaneen monivuotisen yhteistyösopimuksen, joka takaa Volvo CE:lle yksinoikeuden NorrDigi-järjestelmän käyttöön valmistamissaan maanrakennustoi- mialan työkoneissa kaupallistamiseen saakka. Järjestelmän kerrotaan tulevan suunnitel- mien mukaan tarjolle Volvon kaivinkoneissa viimeistään vuonna 2024.
2.4 Pumppuohjatut sylinterit
Purduen yliopistossa on tutkittu pumppuohjattuja käyttöjä jo yli kymmenen vuotta. Yhtenä tutkimuslaitteena on ollut kaivinkone varustettuna pumppuohjatuilla hydraulisylintereillä ja pumpunvaihto teknologialla. Hydraulijärjestelmä on monilta osin samanlainen kuin tä- män työn suorakäyttöhydraulijärjestelmä. Suurimpana erona, on että sähkömoottoreiden sijaan pumppuja käytetään koko ajan pyörivällä dieselmoottorilla ja pumput ovat säätyväti- lavuuksisia (kuva 10 ja 11).
Pumppuohjattu hydraulijärjestelmä toimii ilman kuristuksia ja mahdollistaa energian talteenoton toimilaitteilta. Huonona puolena teknologiassa on suurikokoisten komponent- tien lukumäärän kasvu, sillä jokainen toimilaite vaatii toimiakseen oman pumpun. Jotta pumppuja ei tarvittaisi niin paljoa, koneessa käytetään pumpunvaihtoteknologiaa.
Normaalissa käytössä koneessa ei käytetä kuin neljää toimilaitetta kerralla, joten vaihta- malla venttiilikytkennällä käytettävää toimilaitetta voidaan koneen kaikki toiminnot toteut- taa pumppuohjuksella. Lisähyötynä on mahdollinen pumppujen tuoton summaus, kun tar- vitaan suurta toimilaitteen nopeutta esimerkiksi tela-ajossa.
Järjestelmällä saavutettiin 51 prosentin polttoaineensäästö verrattuna tavalliseen kuor- mantuntevalla hydrauliikalla varustettuun kaivinkoneeseen. Alentunut tehontarve mahdol- listaa myös polttomoottorin koon pienentämisen. [17]
Kuva 10: Sylinterikohtaiset säätyvätilavuuksiset hydraulipumput saavat käyttövoiman hih- navälitteisesti dieselmoottorilta. [18]
Kuva 11: Pumppuohjatun hydraulijärjestelmän periaatepiirros. [18]
3 Tutkimusminikaivuri
Tutkimuslaitteen pohjana on JCB Micro -minikaivinkone, jonka alkuperäinen massa on noin 1063 kg. Koneesta on poistettu alkuperäinen 13,6 kilowatin dieselmoottori sekä hyd- rauliventtiilistö. Tilalla ovat kolme suorakäyttöhydraulipiiriä puomiston käyttöön sekä pe- rinteinen hydraulijärjestelmä muille toiminnoille ja suorakäyttöhydraulipiirin paineakku- jen lataukseen. Perinteinen hydraulijärjestelmä voidaan kytkeä myös vaihtoehtoisesti suo- rakäyttöhydraulijärjestelmän tilalle puomiston liikuttamiseen.
3.1 Hydraulijärjestelmä
Suorakäyttöhydraulijärjestelmän tehonlähteenä toimii kolme sähkömoottori-hammaspyö- räpumppuparia sekä niiden moottorinohjaimet, jotka saavat virtansa 400 voltin kolmivai- heverkkovirrasta. Perinteisen hydraulijärjestelmän tehonlähteenä toimii 96 voltin li- tiumakku, jolla pyöritetään sähkömoottoria ja kaivinkoneen alkuperäistä kaksoishammas- pyöräpumppua. Moottorinohjaimena on käytössä Sevconin invertteri.
Jokainen suorakäyttöhydraulipiiri sisältää pumpun ja hydraulisylinterien välille kytketyn kompaktin venttiililohkon, johon on koottu tarvittavat venttiilikomponentit kavitaation es- toon, paineenrajoitukseen ja differentiaalisylinterin tilavuuseron kompensointiin. Perintei- sen hydraulijärjestelmän venttiilinä toimii Danfossin PVG-32 mobiiliventtiilistö. Hydrauli- tankkina on kaivinkoneen alkuperäinen 16-litrainen öljysäiliö paluusuodattimella.
3.1.1 Sähkömoottorit ja pumput
Kuva 12: Suorakäyttöhydraulijärjestelmän sähkömoottori-pumppupaketit, jotka on sijoitettu koneen ylävaunuun alkuperäisen polttomoottorin paikalle.
Sähkömoottoreina suorakäyttöhydraulipiirissä käytetään vesijäähdytettyjä Bosch Rexrothin IndraDyn T-sarjan kestomagneettitahtimoottoreita (kuva 12). Moottorinohjaimet ovat puo- lestaan Bosch Rexrothin IndraDrive M sarjan inverttereitä. Moottorit poikkeavat rakenteel- taan perinteisestä, sillä roottori on suunniteltu kiinnitettäväksi suoraan käytettävän akselin päähän, ilman että moottorin runko sisältäisi erillistä laakerointia. Moottorit toimitetaankin
kahdessa osassa, staattori ja roottori irrallaan. Hydraulipumpun pyöritystä varten sähkö- moottoreille täytyi kuitenkin rakentaa rungot, joka sisältävät laakeroinnin. Moottorin pää- dyt laakerointeineen ja vesijäähdytysvaippa onkin valmistettu yliopistolla.
Kestomagneettisähkömoottoreiden vääntöominaisuudet ovat erityisen hyvät pienillä pyörimisnopeuksilla, sillä moninapaisen kestomagneettikoneen ominaisuudet eivät huo- none yhtä voimakkaasti kuin vastaavalla induktiokoneella. Tämä ominaisuus on osaltaan mahdollistanut suoravetokäyttöjen rakentamisen, missä induktiokone ja alennusvaihde on voitu korvata suoraan toimilaitteeseen kytketyllä hitaasti pyörivällä kestomagneettimootto- rilla.
Taulukko 1: Suorakäyttöhydraulipiirin sähkömoottoreiden tekniset tiedot.[19]
Malli MST130C-0200-F
Nimellisvääntömomentti, Nm 25
Nimellisteho, kW 5,24
Nimellispyörimisnopeus, k/min 2000 Maksimivääntömomentti, Nm 40 Maksimi pyörintänopeus, k/min 3500 Jäähdytettävä tehohäviö, kW 1,05
Nimellisvirta, A 15,2
Sähkömoottorit ovat mallimerkinnältään MST130C-0200-F. Moottoreiden suurin teho on 5,24 kW ja maksimivääntömomentti 40 Nm. Muut tekniset tiedot ovat listattuna taulukkoon 1. Kuvasta 13 nähdään, että moottorin suurin vääntömomentti on käytössä heti pieniltä kier- rosnopeuksilta lähtien ja pysyy tasaisena aina pyörimisnopeuteen 800 k/min asti. Nimellis- vääntömomentti on puolestaan käytössä aina pyörimisnopeuteen 2000 k/min asti. Hyvät vääntöominaisuudet tekevät moottoreista hyvin soveltuvat suorakäyttöihin, sillä mootto- reista saadaan täysi voima pienilläkin kierroksilla.
Kuva 13: MST130C-0200-F sähkömoottorin vääntö ja tehokäyrät eri kierrosluvuilla.[19]
Sähkömoottorit pyörittävät Bosch Rexrothin kiinteätilavuuksisia hammaspyöräpumppuja, jotka voivat toimia myös moottoreina. Kauhan ja kaivuvarren pumppumoottorit ovat kier- rostilavuudeltaan 8 cm3 ja pääpuomin pumppu on kierrostilavuudeltaan 11 cm3 suuremman sylinterihalkaisijan kompensoimiseksi. Pumppujen tarkemmat tekniset tiedot on listattu taulukossa 2.
Taulukko 2: Suorakäyttöhydraulipiirin hammaspyöräpumppujen tekniset tiedot.
Malli Kierrostila- vuus,
cm3/kierr
Maksimi- paine, bar
Max. Pyöri- misnopeus, k/min
Min. Pyöri- misnopeus, k/min
Vuotolinjan maksimi- paine, bar AZMF-1X-
008UCN20ML
8.0 210 4000 500 3
AZMF-1X- 011UCN20ML
11.0 210 3500 500 3
Pumppujen pyörintänopeusalue käy hyvin yhteen sähkömoottoreiden pyörintänopeusalu- een kanssa. Ainoa kysymyksiä herättävä asia on pumppujen minimipyörintänopeus, mikä on 500 k/min. Suorakäyttösovelluksessa pumppuja pyöritetään usein tätä paljon hitaam- min, kun hydraulisylinterin halutaan liikkuvan hitaasti. Ongelmaksi voi muodostua esimer- kiksi pumpun voitelu hitaissa nopeuksissa, mikä lyhentää pumpun elinikää.
3.1.2 Suorakäyttöpiirien venttiilistö
Suorakäyttöhydraulipiirin venttiilit on koottu yhteen kompaktiin venttiililohkoon, joka si- sältää paineenrajoitus ja kavitaationestoventtiilit, paineakun paineenrajoitusventtiilin, kuormanlaskuventtiilin sekä hydraulilinjojen ilmausventtiilit (kuva 14). Lisäksi lohkossa on paineanturit paineen seurantaan sylinterilinjoissa ja paineakussa. Venttiililohkon on suun- nitellut ja valmistanut Parker.
Kuva 14: Suorakäyttöhydraulipiirin venttiililohko, joka sisältää piirin tarvitsemat venttiilikom- ponentit.
Suorakäyttöpiirin hydraulikaavio on esitetty kuvassa 15. Kuvasta on selkeyden vuoksi poistettu ilmausventtiilit ja paineanturit. Paineakun esilatauspumpun painelinja S ja tank- kilinja T on sijoitettu symmetrisesti lohkon kummallekin kyljelle, mikä mahdollistaa vent- tiililohkojen ketjuttamisen rinnatusten. Paineenrajoitus ja kavitaationestoventtiilit ovat kummassakin pumpun linjassa. Kavitaationestotoiminto on hoidettu yksinkertaisesti vasta- venttiilillä, jonka kautta hydraulineste pääsee päälinjaan linjan paineen pudotessa alle pai- neakun paineen. Paineakun esilatauspaine on asetettu 10 baariin.
Kuva 15: Suorakäyttöhydraulipiirin hydraulikaavio. 1. Sähkömoottori, 2. Hydrauli-
pumppu/moottori, 3. Paineakun paineenrajoitusventtiili, 4. Kavitaationestoventtiilit ja pai- neenrajoitusventtiilit, 5. Kuormanlaskuventtiili, 6. Paineakku, 7. Hydraulisylinteri, 8. Lataus- piirin hydraulipumppu, 9. Hydraulitankki.
Seuraavana käydään läpi piirin toiminta kaikilla sylinterin liikesuuntien ja voimien suun- tien kombinaatioiden aikana. Ensimmäisessä tilanteessa hydraulipumppu pumppaa öljyä kuvassa 15 näkyvään piirin vasempaan päälinjaan A. Tällöin hydraulisylinterin mäntä liik- kuu oikealle ja männänvarsi työntyy ulos. Kun ulkoinen voima on tätä liikettä vasten, pumppu tekee työtä ja linjassa A on korkeampi paine kuin linjassa B. Hydraulisylinterin männänvarren puolelta tulee vähemmän öljyä pumpulle, kuin toiselle puolelle mäntää pum- pulta menee. Tämän seurauksena B-linjassa hydraulipaine laskee ja B-puolen kavitaationes- toventtiili avautuu. Tällöin paineakusta pääsee korvaava tilavuusvirta pumpun imupuolelle, jolloin kavitaatiota ei synny.
Toisessa tilanteessa kuorman suunta pysyy samana, eli se pyrkii työntämään männän- varren sisään, mutta liikesuunta onkin sama kuin kuorman suunta eli oikealta vasemmalle.
Tällöin hydraulipumppu joutuu jarruttamaan kuorman liikettä ja sen on myös mahdollista regeneroida kuorman mahdollista potentiaalienergiaa. Nyt sylinterin männän puolelta tulee enemmän öljyä, kuin varren puolelle mahtuu. Tällöin myös B-linjan paine nousee, vaikkei kuorman paine siellä vaikutakaan. B-linjan paineen noustessa avautuu kuormanlaskuvent- tiili ja se päästä ylimääräisen öljyn A-linjasta paineakkuun. Jos kuorma laskeutuu liian no- peasti, B-linjan paine laskee ja kuormanlaskuventtiili sulkeutuu, jolloin kuorman laskeutu- minen on hallittua. Haittapuolena tässä ratkaisussa on, että osa paineistetusta öljystä ajau- tuu kuormanlaskuventtiilin kautta paineakkuun, eikä kaikkea mekaanisen järjestelmän po- tentiaalienergiaa saada regeneroitua pumpussa sähkömoottorin avulla sähköenergiaksi.
Kolmannessa tilanteessa mäntä liikkuu oikealta vasemmalle ja männänvarsi menee sy- linterin sisälle. Voima on liikettä vastaan, jolloin linjassa B on korkeampi paine ja pumppu tekee työtä liikuttaessaan mäntää. Männänvarren liikkuessa sisään sylinterin männän puo- lelta tulee enemmän öljyä, kuin mitä mahtuu varren puolelle. Koska B-linjassa on korkea paine, avautuu kuormanlaskuventtiili, jolloin se päästää ylimääräisen öljyn A-linjasta pai- neakkuun.
Neljännessä tilanteessa mäntä liikkuu vasemmalta oikealle ja ulkoinen voima on liike- suunnan kanssa samansuuntainen. Pumppu jarruttaa liikettä, jolloin kuorman energian re- generointi on mahdollista. Koska männänvarsi työntyy ulos sylinteristä, syntyy suljettuun hydraulipiiriin nestevajaus. Toisin sanoen, sylinterin männänvarren puolelta tulee vähem- män öljyä ulos kuin, mitä menee männän puolelle. A-linjan paine laskee tämän takia, jolloin kavitaationestoventtiili avautuu ja päästää korvaavan nestetilavuuden paineakusta linjaan, jolloin kavitaatiota ei synny.
Venttiililohko ei sisällä kuorman lukitsemiseen tarvittavia sulku- tai lukkoventtiileitä.
Venttiileiden tarpeellisuus todistettiin tutkimuksen aikana, sillä puomisto pääsee putoa- maan vapaasti maata vasten, kun suorakäyttöhydraulipiirien sähkömoottoreiden virrat kat- kaistaan. Tämä olisi lopullisessa tuotteessa hyvinkin vaarallista. Lukkoventtiileillä saataisiin myös pienennettyä energiankulutusta, sillä sähkömoottoreiden ei tarvitsisi kannatella puo- mistoa ja mahdollista kuormaa silloin, kun niitä ei liikuteta.
Venttiililohko ei sisällä myöskään mitään huuhteluventtiileitä tai hydraulinesteen suo- dattimia, jolloin hydraulinesteen vaihtuvuus ja epäpuhtauksien poisto voi olla vajaavaista.
Seuraavien tutkimusten aiheena voisikin olla selvittää, millaisen nesteenvaihto- ja suoda- tustarpeen piiri vaatii epäpuhtauksien poiston ja nesteen lämmönhallinnan varmista- miseksi.
3.1.3 Perinteinen hydraulijärjestelmä
Kaivinkoneen puomiston kolme sylinteriä, joilla kaivuuliikkeet toteutetaan, on muutettu suorakäyttöhydraulisiksi. Koneen muut vähemmän aktiivisesti käytettävät toiminnot sisäl- täen tela-ajon, puskulevyn käytön, alavaunun levityksen, tyvitaiton ja ylävaunun pyörityk- sen toimivat perinteisellä, mutta sähköistetyllä hydraulijärjestelmällä. Käytössä on kaivin- koneen alkuperäinen kaksoishammaspyöräpumppu malliltaan Parker PGP511 (2 x 6 cm3/kierr), jota pyöritetään Motenergyn ME1302 vesijäähdytetyllä 12 kilowatin tehoisella kestomagneettimoottorilla [20]. Moottoria ohjataan Sevconin Gen4-moottorinohjaimella ja pyörintänopeuden säätö tapahtuu manuaalisesti potentiometrillä. Virtalähteenä moottorille on Altair Nanon 60 ampeeritunnin ja 96 voltin nimellisjännitteen litiumakusto.
Perinteisen hydraulijärjestelmän pumppuyksikkö toimii myös suorakäyttöhydraulipiirin paineakkujen latauspumppuna. Paineakkujen 10 baarin esilatauspaine on haaroitettu pai- neenalennusventtiilin kautta pumpun painelinjasta. Näin aina hydraulipumpun käydessä, paineakuissa on minimissään 10 baarin paine.
Kuva 16: Danfoss PVG-32 mobiiliventtiili.[21]
Perinteisen hydraulijärjestelmän venttiilistönä toimii Danfossin PVG-32 mobiilisuunta- venttiili (kuva 16), joka on sekä käsivipuohjattu, että sähköisesti ohjattavissa. Sähköisen esiohjauksen mahdollistavat PVED-CC karamoottorit ovat CAN-väylä ohjattuja ja käyttävät mobiilikalustossa yleistä J1939-protokollaa tiedonsiirrossa [21]. Ohjaustietokoneen USB- porttiin onkin liitetty Peakin PCAN-USB -muunnin, jolla ohjauskäskyt saadaan muutettua CAN-protokollaan.
PVG-32 lohkoventtiilistö on proportionaalinen ja kuormantunteva (kuva 17). Venttiilis- tön päätylohko sisältää pumppu- ja tankkiliitännät sekä paineenrajoitus- ja paineensäätö- venttiilit. Paineensäätöventtiili yhdessä karakohtaisten LS-linjojen (load sensing) kanssa te- kee venttiilistöstä kuormantuntevan. Paineensäätöventtiili kuristaa venttiilin vapaakierto- virtausta tarvittavan määrän, jotta pumppulinjan paine nousee ennalta asetetun paineen verran yli suurimman kuormanpaineen. Näin hydraulipumppu pumppaa aina vain hieman suurinta kuormanpainetta suuremmalla paineella, jolloin säästetään hydraulista- ja sähkö- energiaa.[20]
Karakohtaiset vaihtovastaventtiilit keräävät kaikilta auki olevilta karoilta kuormanpaine- tiedon ja varmistavat, että suurin paine pääsee paineensäätöventtiilille. Kun yhtään karaa ei käytetä, paineensäätöventtiili pitää pumppulinjassa 10 baarin minimipaineen. Tätä painetta
käytetään esimerkiksi karojen sähköhydrauliseen esiohjaukseen PVED-CC karamootto- reissa.[21] Tyhjäkäyntipaine mahdollistaa myös helpon toteutuksen suorakäyttöhydrauli- piirin paineakkujen lataukseen.
Kuva 17: Yksinkertaistettu kaivinkoneen perinteisen hydrauliikan hydraulikaavio. 1. Akku, 2. Sevcon-moottorinohjain, 3. Sähkömoottori, 4. Hydraulipumput, 5. Esipaineenrajoitus- venttiili (ei käytössä), 6. Vapaakierto- ja paineensäätöventtiili, 7. Pääpuomin suuntaventtiili, 8. Kaivuvarren suuntaventtiili, 9. Kauhan suuntaventtiili, 10. Paineenrajoitusventtiili, 11.
Paluusuodatin.[20]
3.2 Tiedonkeruu ja ohjaus
Kaivinkoneen puomiston sylinterit on anturoitu ASM Posiwire -merkkisillä vaijerityyppi- sillä lineaariantureilla. Anturit on kiinnitetty hydraulisylinterin ulkopuolelle ja vaijerin pää on kiinnitetty männänvarren päätysilmukkaan. Varren liikkuessa edestakaisin vaijeri vuo- roin kelautuu anturin vaijerirummulle ja vuoroin purkautuu siltä ja tätä seurataan anturin elektroniikalla. Vaijerirummun pyörimien kierrosten avulla saadaan laskettua vaijerin ulko- nema.
Hydraulisylinterien kammiopaineita seurataan sylinterien hydraulilinjoihin liitetyillä paineantureilla. Puomiston paineanturit ovat Hydacin 0-250 baarin painealueen antureita.
Kauhan ja kaivupuomin anturit lähettävät virtaviestiä ja pääpuomin jänniteviestiä. Suora- käyttöpiirin venttiililohkossa on Parkerin omat 0-40 baarin painealueen paineanturit, jotka riittävät hyvin paineakkujen 35 baarin maksimipaineelle. Antureiden tarkemmat mallit on lueteltu taulukossa 3.
Taulukko 3: Antureiden tekniset tiedot.
Anturi Malli Signaalityyppi
Sylinterien asema-anturit ASM Posiwire WS10-500-420A-L10-SB0- KAB7,5M-EH113
4-20 mA Kauhan- ja kaivuvarren paine-
anturit
Hydac HDA 7446-A-250-000 4-20 mA Pääpuomin paineanturit Hydac HDA 4746-B-250-000 0-10 V Paineakkujen paineanturit Parker CP02-040-34-D 4-20 mA
Suorakäyttöpiirien sähkömoottoreille syötetyn sähköenergian määrää mitataan Hiokin 3390 Power Analyzer -energiamittarilla. Mittari on kytketty moottorinohjaimille tuleviin johtoihin, jolloin sillä pystyy seuraamaan verkosta otettua sähkötehoa. Mittarilla mitattiin sähköverkon jännitettä sekä moottorinohjaimille menevää virtaa, minkä perusteella voitiin laskea kokonaisteho ja käytetty sähköenergia.
Akusta otettua sähköenergiaa perinteisen hydraulijärjestelmän tarpeisiin mitataan Altair Nanon Application Kit -sarjaan kuuluvalla Connection and Control Unit (CCU) -seuranta- laitteella. Seurantalaitteella pystyy valvomaan muun muassa akun kennokohtaisia jännit- teitä, akusta otettavaa virtaa ja akun varaustasoa. Lisäksi Altair Nanon BMS Service Tool - ohjelma mahdollistaa tiedonkeruun ja tietojen tallennuksen tiedostoon. Connection and Control Unit sisältää myös pääkytkimet akun kytkemiseksi virtapiiriin. Pääkytkimiä ohja- taan ulkopuolisella CAN-viestillä, joka muodostetaan tietokoneella IXXAT canAnalyzer3 Mini -ohjelmalla ja muutetaan CAN-viestiksi IXXATin CAN to USB -muuntimella.
Kaivinkonetta ohjataan PC-tietokoneella LabVIEW-ohjelmiston avulla. Bosch Rexroth tarjoaa LabVIEWiin valmiin ohjelmakirjaston EAL4LabVIEW (Easy Automation Library), jolla moottorinohjaimien hallinta ja ohjelmointi onnistuivat varsin helposti. Kirjaston val- miit ohjelmat mahdollistavat myös monien tietojen keruun moottorinohjaimilta. Tietokone on liitetty IP-yhteydellä moottorinohjaimiin. Anturisignaalien tiedonkeruu tapahtuu tieto- koneeseen liitetyllä National Instruments USB-6225 -tiedonkeruukortilla. Tietojen tallen- nus tiedonkeruukortilta tehdään samassa ohjelmassa LabVIEWissä.
Kuvassa 18 on esitetty kaaviokuva kaivinkoneen ohjaus- ja tiedonkeruujärjestelmästä.
Alimpana on tietokone, jolla ohjaus ja tiedonkeruu tapahtuu. Tietokoneessa on neljä ohjel- maa, joita tarvitaan moottorinohjaimien ohjaamiseen, tiedonkeruuseen, pääkytkimien oh- jaamiseen ja tehomittarin tiedonkeruuseen. Keskimmäisellä rivillä on laitteet, joihin tieto- koneella on liitytty ja ylimmällä rivillä on kaivinkoneessa olevat anturit ja moottorit sekä perinteisen hydrauliikan moottorinohjain ja hydrauliventtiilistö.
Ohjaustietokone USB-6225
tiedonkeruukortti
Labview Altair Nano BMS service tool
Hioki PW communicator IXXAT canAnalyzer3
mini Bosch Rexroth
moottorinohjaimet Pääpuomin
moottori
Kaivuvarren moottori
Kauhan moottori
Hioki 3390 tehomittari Altair Nano
CCU 6 x sylinterien
paineanturit
3 x sylinterien asema-anturit
Sevcon Gen4 moottorinohjain 3 x
paineakkujen paineanturit
Peak PCAN-USB
Danfoss PVG-32 CAN hydrauliventtiilistö
Kuva 18: Kaivinkoneen ohjaus- ja tiedonkeruujärjestelmän kaaviokuva.
4 Energiankulutuksen mittaukset
4.1 Testijärjestely
Energiankulutuksen mittaukset suoritettiin kaivinkoneella sisätiloissa tutkimushallissa (kuva 19). Erilaiset kaivuuliikesarjat ajettiin kaivinkoneella tietokoneohjatusti, jolloin vaih- telut eri mittausten välillä eivät olleet mahdollisia, toisin kuin jos mittaukset olisi tehty käsin kaivinkonetta ohjaamalla. Liikeratojen ohjelmoimiseksi tietokoneelle yksittäinen kaivusykli ajettiin läpi käsiajolla, minkä aikana puomiston sylinterien asematiedot tallennettiin tiedos- toon. Tämän jälkeen kaivuliike monistettiin tarvittavan monta kertaa automaattiohjauksen käyttämään ohjaustiedostoon. Näitä tiedostoja käytettiin referenssinä automaattiajossa käyttäen samaa referenssitiedostoa sekä suorakäyttöhydraulipiirin että perinteisen hyd- raulipiirin mittauksissa.
Kuva 19: Kaivinkone sijoitettiin tutkimushallissa lattialuukun reunalle, jolloin koneella voitiin suorittaa kaivuliikkeitä lattiatason alapuolellekin.
Koska kaivinkoneella tehtävät energiankulutusmittaukset suoritettiin sisällä tutkimushal- lissa noin 20 celsiusasteen lämpötilassa, mahdollistettiin tasaiset lämpötilaolosuhteet eri mittaussarjoille. Hydrauliöljyn lämpötila vaikuttaa öljyn viskositeettiin ja tämän kautta hyd- raulijärjestelmän energiankulutukseen. Jotta hydrauliöljyn lämpenemisen vaikutus mit- taustuloksiin voitiin minimoida, ennen jokaista mitattavaa testisykliä kaivinkoneella ajettiin läpi useampia testisyklejä ilman mittauksia. Näin kaivinkoneen hydraulijärjestelmä saatiin lämmitettyä lähelle käyttölämpötilaa, ennen varsinaisten mittausten aloittamista.
4.2 JCMAS-testisyklit
Energiankulutusmittauksissa käytettävät kaivusyklit tehtiin mukaillen japanilaista kaivin- koneiden polttoaineenkulutuksen vertailuun kehitettyä JCMAS H020:2007 -standardia (Japan Construction Mechanisation Association Standard). Kaivinkoneille erilaisia testi- syklejä on yhteensä neljä: kaivusykli, tasoitussykli, suoraan ajo ja tyhjäkäynti.[22] Koska testikaivinkoneessa suorakäyttöhydrauliikka on käytössä vain puomiston sylintereissä, tar- koituksenmukaisia testisyklejä ovat vain kaivusykli ja tasoitussykli.
Tela-ajo on kaivinkoneessa toteutettu perinteisellä hydraulijärjestelmällä, joten vertailua suorakäyttöiseen hydrauliikkaan ei sen osalta voitu tehdä. Pysähdyksissä sähkökäyttöinen kone ei välttämättä kuluta energiaa, sillä sähköiset hydraulijärjestelmät on helppo varustaa start-stop -automatiikalla, joka pysäyttää hydraulipumput, kun mitään liikkeitä ei käytetä.
Lisäksi kaivu- ja tasoitustöiden on arvioitu kattavan 75 prosenttia kaivinkoneen työnkuvasta sen käyttöiän aikana [23], joten ne ovat myöskin kiinnostavimmat tutkimuskohteet.
JCMAS testisyklit suoritetaan vakiokauhalla, suurimmilla moottorin kierroksilla ja niin nopeasti kuin mahdollista. Vähintään yhden hallintakahvan liikkeen pitää olla koko ajan maksimissaan. Kaivinkoneella ei standardin mukaan kaiveta maata, vaan liikkeet suorite- taan ilmassa ilman lisättyä kuormaa. [22] Kuvasta 20 nähdään kaivusyklille standardissa määritetyt kaivusyvyys ja kuormauskorkeudet, jotka ovat riippuvaisia kaivinkoneen vakio- kauhan tilavuudesta. Pienin kauha taulukossa on 0,28 m3 ja sille määritetty kaivusyvyys on 1 metri ja kuormauskorkeus 2 metriä. Tutkimuskaivinkoneen vakiokauha on kuitenkin rei- lusti tätä pienempi, arviolta alle 0,04 m3, joten taulukkoarvoja ei voida sellaisenaan soveltaa koneeseen.
Kuva 20: Kaivuliikkeelle määritellyt kaivusyvyys (vas) ja kuormauskorkeus (oik) kaivinko- neen kauhan koon mukaan.[22]
0,28 m3kauha on tyypillinen noin 8-9 tonnin painoiselle ympäripyörivälle kaivinkoneelle.
Esimerkiksi 8,6 tonnin painoisella JCB 85z-2 -kaivinkonemallin suurin kaivusyvyys on 3615 mm ja suurin kuormauskorkeus 4674 mm [24]. JCB Micron maksimi kaivusyvyys on puo- lestaan noin 1942 mm ja maksimi kuormauskorkeus 1790 mm[25]. Puomiston ulottuvuudet ovat siis karkeasti noin puolet ison koneen arvoista. Puomiston geometrialle järkevät kai- vusyvyys ja kuormauskorkeudet testisyklissä voidaan siis arvioida olevan noin puolet taulu- kon pienimmistä arvoista. Kaivusykli päätettiin näin tehdä 0,5 metrin kaivusyvyydellä ja 1 metrin kuormauskorkeudella.
Standardissa ohjeistetaan tekemään kaivusykli viisi kertaa yhtäjaksoisesti ja mittamaan kulutus tältä ajalta. Tämän jälkeen viiden kaivusyklin mittausjakso toistetaan viisi kertaa.
Kun tulokset on tallennettu jätetään nopein ja hitain sykli pois laskuista. Koska syklit tois- tettiin tietokoneohjatusti, olivat syklien kestot identtisiä. Tämän vuoksi nopeinta ja hitainta sykliä ei voitu todeta, vaan energiankulutus laskettiin keskiarvona kaikista viidestä mittauk- sesta.
Kuvassa 21 on esitetty kaivusyklin päävaiheet. Sykli alkaa kaivuliikkeellä, joka suorite- taan määritetyltä syvyydeltäd. Tämän jälkeen koneen ylävaunua käännetään 90 astetta si- vulle kuorman tyhjentämiseksi. Tyhjennys tehdään määritetylle kuormauskorkeudelle h.
Kuvan jälkeen on yksityiskohtaisempi selitys kaivusyklin vaiheista.
Kuva 21: JCMAS kaivuusyklin periaatepiirros. [22]
Kaivuusykli sisältää seuraavat liikkeet:
1. Aloitus Puomi on täysin ojennettuna. Kauha on alle 10 cm:n päässä kaivannon poh- jasta.
2. Vaakaveto Kaivuvarrella vedetään ja samaan aikaan pääpuomia nostetaan, kunnes kaivuvarsi on suorassa kulmassa maahan nähden. Kauhaa ei liikuteta, eikä sillä saa kos- kettaa maata ennen päätepistettä. Kauhan ja maan välillä pidetään 30 cm.
3. Kauhalla kauhaisu Kauhaa kipristetään, kunnes kauhan etupääty on vaakatasossa.
4. Nosto ja kääntö Kääntö ja nosto aloitetaan samaan aikaan. Ylävaunua käännetään, kunnes kauha ylittää estetangon.
5. Kauhan tyhjennys Pyörityksen lopettamisen jälkeen kauha tyhjennetään niin, että kauhankynnet tulevat samaan linjaan kaivuvarren ja kauhan niveltappien kanssa.
6. Paluu alkuasentoon Käännetään ylävaunu sekä ojennetaan pääpuomi ja kaivuvarsi alkuasentoon
Tasoitusliike suoritetaan myös täydellä nopeudella, niin nopeasti kuin mahdollista. Testissä käytetään vakiokauhaa. Kuvan 22 taulukosta nähdään tasoitusliikkeelle määritetyt tasoitus- pituudetL. Kuten kaivusyklissä myös tässä tapauksessa pienin mitta puolitetaan kaivinko- neen pienen koon takia. Tasoitusliikkeen pituutena testeissä käytetään siis 1,25 metriä.
Tasoitussykli toistetaan kymmenen kertaa yhtäjaksoisesti ja mitataan kulutus tältä ajalta.
Tämän jälkeen kymmenen tasoitusliikkeen mittausjakso toistetaan viisi kertaa. Jälleen no- pein ja hitain sykli jätettäisiin pois laskuista standardin mukaan, mutta tietokoneohjauksen takia syklit ovat saman mittaisia, jolloin kulutus lasketaan keskiarvona kaikista mittauk- sista.
Kuva 22: Tasoitusliikkeen periaatepiirros ja tasoitusliikkeen pituus L. Taulukossa on listat- tuna tasoitusliikkeen pituus erikokoisille kaivinkoneille määritteenä kauhan koko.[22]
Tasoitussykli sisältää seuraavat liikkeet:
1. Aloitus Puomi on täysin ojennettuna ojennettuna. Kauha on alle 10 cm päässä maan- pinnasta.
2. Tasoitusveto Kaivuvarrella vedetään ja samaan aikaan pääpuomia nostetaan, kunnes kauha on liikkunut määrätyn tasoitusmatkan. Kauhaa ei liikuteta suhteessa kaivuvar- teen, eikä ylävaunua käännetä sivulle. Kauhan ja maan välillä pidetään enintään 30 cm.
3. Paluu alkuasentoon Ojennetaan puomisto alkuasentoon.
4.3 Testisuunnitelma
JCMAS-standardia ei pystytä täysin noudattamaan, kuten aiemmassakin kappaleessa jo to- dettiin kaivuusyvyyden, kuormauskorkeuden ja tasoituspituuden osalta. Lisäksi ylävaunun kääntöliike jätetään pois kaivusyklistä, sillä koneen johdotukset sekä laboratorio-olosuhteet eivät mahdollista ylävaunun kääntöä 90 astetta. Kauha kuitenkin nostetaan määritellylle kuormauskorkeudelle ja kipataan tyhjäksi ylävaunua kääntämättä.
Kääntöliikkeen tekeminen ei myöskään toisi suurta lisäarvoa tutkimukselle, sillä ylävau- nun kääntö sekä puomin sivukääntö on varustettu edelleen perinteisellä
hydraulijärjestelmällä. Näin kulutustesteissä kääntöliike kuluttaisi saman verran energiaa sekä suorakäyttöhydraulijärjestelmää käyttäessä, että perinteistä hydraulijärjestelmää käyt- täessä. Kääntöliikkeen poisjääminen ei siis haittaa vertailua perinteiseen hydraulijärjestel- mään.
Kaivuusyklit suoritetaan JCMAS-standardin mukaan niin nopeasti, kuin koneella pystyy liikkeet suorittamaan. Koska testikoneen hydraulijärjestelmä on muokattu kokonaan uu- siksi, voivat käytetyt liikenopeudet poiketa hieman alkuperäisistä maksiminopeuksista. Pe- rinteisen hydraulijärjestelmän pumppua pyörittävän sähkömoottorin maksimikierrosluku oli 1800 k/min. Tämä vastaa hyvin dieselmoottorin tyypillisiä suurimpia työnaikaisia moot- torin pyörintänopeuksia. Koska hydraulipumppu on koneen alkuperäinen sen tuotto ja sy- linterien liikenopeudet ovat oletettavasti lähellä alkuperäisiä käytettäessä perinteistä hyd- raulijärjestelmää.
Näin ollen tässä tutkimuksessa suurimmalla kierrosluvulla suoritettavat energiankulu- tustestit tehtiin perinteisen hydraulijärjestelmän mahdollistamalla suurimmalla liikenopeu- della. Koska liikeradat automaattiohjausta varten tallennettiin käyttäen perinteistä hyd- raulijärjestelmää, suorakäyttöhydraulijärjestelmän sylinterien liikenopeudet testien aikana olivat referenssitiedoton määrittäminä samat kuin sylinterien nopeudet käytettäessä perin- teistä hydraulijärjestelmää. Suorakäyttöpiirin pumppujen tuotto mahdollistaisi hieman suuremmatkin liikenopeudet sylintereille, mutta erittäin suuret liikenopeudet voisivat olla käytännön kaivuutyössä vain haitaksi vaikeuttaen koneen hallintaa.
Kaikki mittaukset suoritetaan standardin mukaan täydellä liikenopeudella. Täyttä liike- nopeutta ei kuitenkaan kaivinkoneen työskentelyssä ajeta aina, sillä osa töistä tehdään pie- nemmillä kierrosluvuilla esimerkiksi työn tarkkuuden takia. Pienemmät työkierrokset sääs- tävät myös polttoainetta, mikäli suurinta mahdollista työtehoa ei tarvita. Koska haluttiin myös selvittää järjestelmän energiankulutus rauhallisemmalla kaivuunopeudella, tehtiin testit myös alennetulla liikenopeudella. Sopivaksi alennetuksi pumpun pyörimisnopeudeksi todettiin 1200 k/min, mikä tarkoittaa perinteisen hydraulijärjestelmän tapauksessa 2/3 pumpun maksimipyörintänopeudesta.
Taulukossa 4 on esitetty testisuunnitelma, jonka mukaan energiankulutusmittaukset teh- tiin. Kaivu- ja tasoitussyklit ajettiin läpi sekä suorakäyttöhydraulijärjestelmällä että perin- teisellä hydraulijärjestelmällä. Lisäksi kaikki mittaukset tehtiin sekä täydellä liikenopeu- della, että alennetulla liikenopeudella. Näin erilaisia mittausyhdistelmiä oli yhteensä 8 kpl ja, kun jokainen mittaus suoritettiin 5 kertaa, oli mittauksia yhteensä 40 kappaletta.
Taulukko 4: Testisuunnitelma, jonka mukaan energiankulutusmittaukset tehtiin.
Sykli Hydraulijärjes- telmä
Liikenopeus Mittauksia Syklien määrä
Kaivu Suorakäyttö Maksimi 5 5
Kaivu Suorakäyttö 2/3 maksimista 5 5
Kaivu Perinteinen Maksimi 5 5
Kaivu Perinteinen 2/3 maksimista 5 5
Tasoitus Suorakäyttö Maksimi 5 10
Tasoitus Suorakäyttö 2/3 maksimista 5 10
Tasoitus Perinteinen Maksimi 5 10
Tasoitus Perinteinen 2/3 maksimista 5 10
Lisäksi mitattiin suorakäyttöhydraulipiirin paineakkujen lataukseen käytetyn latauspum- pun energiankulutus sekä jatkuvasti pyörivänä, että älykkäällä ohjauksella varustettuna.
Älykäs ohjaus käynnisti pumpun vain tarvittaessa, kun paineakkujen paine putosi alle 6 baa- rin. Latauspumpun energiankulutus mitattiin tasausliikkeen aikana.
4.4 Liikesarjojen ohjelmointi
Tasoitus ja kaivuliikkeet ajettiin ensiksi yhden kerran läpi käsiohjauksella käyttäen kahta ohjauskahvaa. Käsiohjauksella suoritetun liikkeen aikana puomiston sylinterien asematie- dot tallennettiin tiedostoon. Tätä tiedostoa voitiin tämän jälkeen käyttää ohjaussignaalin muodostukseen, kun kulutusmittaukset tehtiin tietokoneohjatusti. Tallennettu sylinterien aseman referenssidata suodatettiin ja siistittiin sekä ohjelmallisesti että käsin, jolloin saatiin häiriötön referenssisignaali automaattiohjausta varten.
Kaikkiaan referenssiliikkeitä tallennettiin neljä kappaletta, sillä tasaus- ja kaivuliikkeille tarvittiin sekä maksiminopeuden että 2/3 maksiminopeudesta olevat liikkeet. Tasausliike tehdään standardin mukaan kymmenen kertaa jokaisella mittausjaksolla. Referenssiliikettä toistettiin täten energiankulutuksen mittausta varten kymmenen kertaa. Kaivuliikettä tois- tettiin puolestaan viisi kertaa. Koska sama tasaus- ja kaivuliike toistettiin ohjelmallisesti standardin vaatiman määrän kertoja, oli jokainen liike samanlainen.
Kuvassa 23 nähdään referenssinä käytetyt sylinterien asematiedot sekä tasoitusliikesar- jan aikana, että kaivuliikesarjan aikana. Kummassakin kuvaajassa liikkeet on suoritettu maksiminopeudella. Tasoitusliikesarjan kesto täydellä nopeudella oli noin 94 sekuntia ja alemmalla nopeudella 117 sekuntia. Kaivuliikesarjan kesto oli hieman lyhyempi vastaavien kestojen ollessa 76 sekuntia ja 85 sekuntia.
Suorakäyttöhydraulipiirien moottorien ohjaussignaali muodostettiin takaisinkytketyllä P-säädöllä. Erosuure laskettiin mitatun sylinterin asematiedon ja halutun sylinterin asema- tiedon eli referenssin perusteella. Tämän jälkeen moottorin haluttu kierrosnopeus laskettiin kertomalla erosuure sopivalla vahvistuksella. P-säätö oli riittävän nopea ja tarkka sähkö- energian kulutusmittauksia varten, sillä sylinterin aseman ei tarvinnut seurata viiveettö- mästi referenssiä.
Kuva 23: Puomiston sylintereiden ohjauksessa käytetty asematieto tasoitusliikkeiden (va- semmalla) ja kaivuliikkeiden (oikealla) aikana.
Sylinterin asento (mm) Sylinterin asento (mm)
5 Tulokset
Kun testisuunnitelman mukaiset 40 mittausta oli tehty, mittausdata siirrettiin Matlab- ohjelmistoon, jolla pystytiin laskemaan halutut tulossuureet ja esittämään tulokset graafi- sesti. Jokainen mittausjakso toistettiin viisi kertaa, jotta tuloksista saatiin laskettua kes- kiarvot. Seuraavaksi esiteltävät energiankulutukset onkin laskettu viiden mittausjakson tu- losten keskiarvosta.
Suorakäyttöhydraulipiirin energiankulutus on laskettu mittaamalla sähköverkosta otettu virta ja kertomalla se verkon jännitteellä. Näin on saatu hydraulipiirin hetkellinen teho. Kun hetkellinen teho integroidaan ajan suhteen, saadaan kulutettu sähköenergia selville. Perin- teisen hydraulipiirin energiankulutus on laskettu vastaavalla tavalla ja mittaamalla akusta otettua virtaa ja akun jännitettä.
5.1 Suorakäyttöhydraulijärjestelmän energiankulutus
Suorakäyttöhydraulijärjestelmän energiankulutukset tasaus ja kaivuliikkeen aikana on esi- tetty taulukossa 5. Energiankulutus oli tasausliikettä täydellä liikenopeudella tehdessä 1,25 kWh/h ja alennetulla liikenopeudella 13,8 % vähemmän eli 1,08 kWh/h. Kaivusyklin aikana energiankulutus oli täydellä nopeudella 1,32 kWh/h ja alennetulla nopeudella 8,5 % vähem- män eli 1,21 kWh/h. Kaivusyklin suurempi energiankulutus on luonnollista, sillä puomistoa liikutetaan pidemmän matkan ylös alas, jolloin se kerää enemmän potentiaalienergiaa.
Moottorinohjaimina käytetyt Bosch Rexrothin IndraDrive M sarjan invertterit syöttävät regeneroidun energian joko toisten moottoreiden sähköksi tai hävittävät sen jarruvastuk- sissa. Sähköverkkoon ei mittareiden mukaan syötetty sähkötehoa kaivu- tai tasausliikkeen aikana. Mikäli jarrutusenergia saataisiin säilöttyä ja käytettyä uudelleen, moottoreissa olisi- vat kulutuslukemat todennäköisesti vielä pienemmät.
Taulukko 5: Suorakäyttöhydraulijärjestelmän energiankulutusmittausten tulokset. Energian- kulutukset on listattu sekä pelkkien suorakäyttöpiirien osalta, että latauspumpun energian- kulutus mukaan luettuna. Latauspumpun energiankulutuksen on oletettu pysyvän samana sekä kaivu- että tasausliikkeen aikana.
Sykli Nopeus Energiankulutus kWh/h
Energiankulutus sis. latauspumppu, kWh/h
Tasaus Maksimi 1,25 1,36
Tasaus 2/3 maksimista 1,08 1,19
Kaivu Maksimi 1,32 1,43
Kaivu 2/3 maksimista 1,21 1,32
