In this thesis the energy consumption in a mini-excavator equipped with valve controlled
hydraulics is studied. The diesel engine in this excavator has earlier been replaced with an electric motor powered by a battery pack. The electric motor powers the twin hydraulic pump which feed the hydraulic valves in the system. The control of the valves was automated during testing to ensure repeatability. The procedure and movements used when measuring the consumption was based on the standard JCMAS H 020.
The measurement system which was built for the testing monitored the energy as it flows through
the machine. The intake of electric energy from the battery pack was the first step recorded. Then
the output from the motor was monitored. The hydraulic pump was equipped with flow and
pressure measurement for recording the hydraulic output. The valves and the hoses connecting to the hydraulic cylinders received one pair of pressure sensors. This pair of sensors was installed on the outlets on the valve controlling one of the cylinders. The cylinders were equipped with pressure sensors on their inlets and position sensors mounted directly on the cylinder rods.
The results from the tests show that the efficiency of the electric motor along with the controller
was over 80%. The hydraulic pump also proved to be just as efficient. Of the energy received by
the pump and fed to the valves in the system just under 20% of it is found as input to the cylinders.
The energy fed to the cylinders is partly used for overcoming the inner resistance of the cylinders.
The output from the cylinders actually used for moving the mechanism of the digging arm was 5%
of the electrical input from the battery pack.
The valves in the excavator consume energy while controlling the flow directed to the cylinders.
Pressure mismatch of the loads is compensated with increased throttling which leads to high energy
use. The energy consumed in the valves is turned into heat.I detta arbete studeras energikonsumtionen i en mini-grävmaskin med ventilkontrollerade
funktioner. Denna grävmaskin hade istället för sin ursprungliga dieselmotor en elmotor som drevs
med batterier. Elmotorn drev i sin tur en dubbelpump som matade ventilsystemet. Kontrollen av
ventilerna skedde fjärrstyrt och automatiserat. Själva utförandet av mätningen av
energikonsumtionen följde standarden JCMAS H020 där rörelserna som grävarmen utförde var
definierade. Rörelserna var förprogrammerade för att säkra om att dessa går att upprepa. Nya tester
kan då utföras med uppdaterade system och jämföras med resultaten från testerna utförda i detta
arbete.
Instrumenteringen av den studerade grävmaskinen baserade sig på observationen av energin som
flödar genom systemet. Första steget är elenergin som tas från ackumulatorena och konverteras till
mekanisk energi som driver hydraulpumparna. Intaget från ackumulatorerna var instrumenterad
likaså utgången från motorn. Flödet och trycket ur hydraulpumparna som matar ventilsystemet
mättes därefter. På ventilbordet var ett par av utgångarna till hydraulcylindrarna utrustade med
tryckmätning. Med denna mätning kunde tryckförlusterna i slangarna till cylindern mätas och
förbrukningen av energi i detta steg uppskattas. Hydraulcylindrarna var utrustade med
tryckmätnign på ingångarna och positionsmätning direkt på cylinderstången.
Effektiviteten hos elmotorn och tillhörande kontroller var god, medan testerna utfördes varierade
belastningen men trots det uppvisade detta steg en verkningsgrad som var över 80%.
Hydraulpumparna var också effektiva deras verkningsgrad höll sig också över 80%. Av den energi
som hydraulpumpen mottog matades under 20% in i cylindrarna. Av denna andel energi gick det
ännu åt en del för att övervinna intern friktion och till att arbeta mot det inre motståndet i
cylindrarna. En del av detta inre motstånd kommer från att ventilerna begränsade flödet som
återvände från cylindrarna. Av den energi som togs ur batteripaketet fanns då slutligen 5% kvar
som användes till att övervinna yttre belastningar.
Energin som konsumerades när rörelserna utfördes av maskinen förvandlades till värme i
hydrauliksystemet. När samtida rörelser utfördes med flera funktioner ökade effektbehovet i
systemet. Skillnader i trycknivåer ledde till att mera energi konsumerades då flödet maste strypas i
ventilerna.
