Energy efficiency of a digital hydraulic multi-pressure actuator for use in load-lifting applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-08-17
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
80
Series
Abstract
The purpose of this thesis is to determine the energy efficiency of the digital hydraulic multi-pressure actuator (DHMPA) for use in load-lifting applications. In order to accomplish this, three different characteristic efficiencies are defined; traditional, total, and regeneration efficiency. The traditional efficiency represents a comparable figure to that in traditional hydraulic systems. However, it does not consider energy regeneration, and thus, does not reflect the true efficiency of the DHMPA. Therefore, the total efficiency considering the regeneration, is defined. Furthermore, the regeneration efficiency describes how efficiently load-mass potential energy can be restored to the system. In addition, novel digital hydraulic technologies are reviewed and the operation of the DHMPA unit is studied. The efficiency figures are determined based on experimental measurement results. The test setup consists of pump unit, load-lifting test rig and the DHMPA. Measurements are done with a separate data acquisition system and the data acquired is analysed in MATLAB. Measured quantities are pressures, flow rates, positions, and temperatures of the system during the 500-cycle lifting-lowering test of the 1180 kg load-mass. The collected data is used for calculating the energy balance of the system, which can then be used for determining the three characteristic efficiencies of the system. In addition, the system performance is evaluated based on this data. The results show that the DHMPA is feasible for use in load-lifting applications. However, some unexpected errors occurred in the positioning of the load-mass. Nevertheless, the performance can be improved by careful tuning and dimensioning of the DHMPA components. Although the system performance requires further investigation, the energy-efficiency is highly competitive to that of conventional hydraulic systems. The traditional efficiency was 128%, yielding approximately 3-4 times lower energy consumption than the traditional systems. The total efficiency exceeded 63%, which is remarkably higher than that of traditional systems. Furthermore, the potential energy from the load-mass could be regenerated with efficiency of 80%. Therefore, this study showed that the DHMPA has a significant energy-saving potential in load-lifting applications. However, in order to optimize the system performance and efficiency, a further study will be needed.

Tämän diplomityön tarkoituksena on määrittää digitaalihydraulisen monipainejärjestelmän (DHMPA) hyötysuhde kuormaa nostavia sovelluksia varten. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi, kolme ominaista hyötysuhdelukua määritetään: perinteinen, kokonais- ja talteenottohyötysuhde. Perinteinen hyötysuhde antaa vertailukelpoisen luvun perinteisten hydraulijärjestelmien kanssa. Se ei kuitenkaan ota huomioon talteenotettua energiaa, eikä siten kuvasta järjestelmän todellista hyötysuhdetta. Tämän vuoksi määritetään kokonaishyötysuhde, joka huomioi energian talteenoton. Talteenottohyötysuhde puolestaan kuvaa, kuinka tehokkaasti massan nostoon sidottu potentiaalienergia voidaan ottaa takaisin järjestelmään. Lisäksi esitellään muita uusia digitaalihydrauliikan sovelluksia sekä perehdytään tarkemmin DHMPA:n toimintaan. Hyötysuhdeluvut määritetään kokeellisten mittaustulosten avulla. Testijärjestelmä koostuu hydraulikoneikosta, massaa nostavasta testipenkistä sekä DHMPA-yksiköstä. Mittausdata kerätään erillisellä tiedonkeruujärjestelmällä ja se analysoidaan MATLAB-ohjelmistolla. Mitattavia suureita ovat järjestelmän paineet, tilavuusvirrat, asemat sekä lämpötilat 500-askelisen, 1180 kg:n massaa nostavan ja laskevan testiohjelman aikana. Näiden tietojen avulla määritetään järjestelmän energiatase, josta puolestaan voidaan johtaa halutut hyötysuhdeluvut. Lisäksi näiden tietojen avulla voidaan arvioida järjestelmän toimintaa ja suorituskykyä. Tulokset näyttävät, että DHMPA-yksikköä voidaan soveltaa kuormaa nostavissa sovelluksissa. Testiajon aikana esiintyi kuitenkin odottamattomia asemavirheitä. Näitä virheitä voidaan minimoida virittämällä ja mitoittamalla järjestelmä huolellisesti. Vaikka tämä vaatiikin lisätutkimusta, voidaan todeta, että DHMPA:n hyötysuhde on hyvin kilpailukykyinen perinteisiin järjestelmiin verrattuna. Perinteinen hyötysuhde oli 128%, mikä tarkoittaa noin 3-4 kertaa pienempää energian kulutusta tavanomaisiin järjestelmiin verrattuna. Kokonaishyötysuhteeksi saatiin yli 63%, joka on merkittävästi parempi kuin perinteisten järjestelmien. Massan potentiaalienergia kyettiin ottamaan talteen 80% hyötysuhteella. Tutkimuksen avulla osoitettiin, että DHMPA voi tarjota huomattavan energiansäästöpotentiaalin massaa nostaviin järjestelmiin. Lisätutkimusta kuitenkin tarvitaan suorituskyvyn ja hyötysuhteen optimoimiseksi.
Description
Supervisor
Pietola, Matti
Thesis advisor
Kajaste, Jyrki
Keywords
digital hydraulics, multi-pressure actuator, energy-efficiency, load-lifting
Other note
Citation