Implementation of dynamic load system in direct driven hydraulics test bench
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-05-16
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
55
Series
Abstract
In off-road mobile machinery, hydraulics are commonly used due to their high power-to-weight ratio, robustness, and affordability. Major disadvantage of traditional hydraulic systems is their generally poor energy efficiency, which increases emissions and increases operational costs. Also, in electric mobile machinery, operational times are negatively affected due to limited battery power. Such issues are major motivators for development of more energy efficient solutions in recent years. Typical research methods for novel hydraulic systems includes test bench and simulation of studied system. Experimental test bench is typically loaded with either mass or load cylinder, capable of generating static loads. However, due to work cycles in field usage, hydraulic systems are almost never statically loaded. Therefore, data generated by statically loaded test bench is not directly comparable to field usage. Ideally, test benches would include load system capable of inducing loads similar to field usage, which could produce energy efficiency results relevant to actual field operation. In this research dynamic load system was designed and implemented to direct driven hydraulic (DDH) test bench simulating mine loaders articulated steering system. Load system was tested with dynamic load reference simulating field usage and several static load situations to test system performance with high pressure and speed. System was first simulated before implementation and experimental testing were performed. Target values for static and dynamic load situations were defined. In dynamic loading, target was for measured pressure, integrated respect to time, to stay within 5 percentage points of integrated reference pressure. In static loading, pass ranges were defined as within 5 percentage points of target value for each test. Load system could perform dynamic loading in DDH circuit following reference profile with 93.4% accuracy, which fell 1.6 percentage points short of target value of 95%. Static loading tests stayed within defined target values until after 100 mm/s actuation speed and 200 bar pressure thresholds were surpassed in steering system. In simulation environment all test stayed within target values. Overall, load system showed clear functionality as intended in both cases, although not all target values were reached. Improvements to load system control and architecture were suggested.Hydrauliikkaa käytetään työkoneissa sen korkean teho-painosuhteen, kestävyyden ja edullisuuden takia. Perinteiset hydrauliikkajärjestelmät kärsivät huonosta energiantehokkuudesta, mikä lisää käyttökuluja sekä aiheuttaa merkittäviä päästöjä. Etenkin sähkökäyttöisissä työkoneissa huono hyötysuhde vaikuttaa toiminta-aikoihin negatiivisesti johtuen rajallisesta akkukapasiteetista. Näistä syistä energiatehokkaiden hydraulisten systeemien kehitys on ollut avainasemassa viime vuosina. Tyypilliset tutkimusmetodit koostuvat tutkittavan systeemin testipenkistä sekä simulaatiosta. Testipenkkien kuormittamiseen käytetään yleensä painoja tai kuormitussylinteriä, joilla generoidaan staattinen kuorma. Kummikin kenttäkäytössä työkoneiden hydrauliikkapiirien kokemat kuormat ovat harvoin staattisia epätasaisesta työsyklistä. Tämän vuoksi staattisesti kuormitetun testipenkin tuottama data ei ole suoraan verrattavissa kenttäkäyttöön. Ideaalisessa tapauksessa kuormitus simuloisi kenttäolosuhteita, jolloin testipenkin tulokset olisivat relevantteja työkoneen operaation kannalta. Tässä tutkimuksessa suunniteltiin ja implementointiin dynaamisesti säätyvä kuormitussysteemi kaivoslastaajan artikuloitua ohjausrunkoa simuloivaan, suorakäyttöhydrauliikkaa hyödyntävään testipenkkiin. Kuormitussysteemiä testattiin kenttäolosuhteita imitoivalla dynaamisella kuormitusreferenssillä sekä useilla staattisilla kuormitusreferensseillä, joilla testattiin systeemin toimivuutta isoilla kuormilla ja nopeuksilla. Systeemi simuloitiin ennen implementointia ja kokeellisia testejä. Tavoitearvot dynaamisille ja staattisille testeille määritettiin. Dynaamisissa testeissä tavoite oli mitatun paineen käyrän integraalin ajan suhteen pysyvän 5 prosenttiyksikön päässä integroidusta referenssipaineesta. Kaikille staattisille testeille määritettiin tavoite alueet 5 prosenttiyksikön sisälle referensseistä. Kuormitussysteemi kykeni tuottamaan suorakäyttöhydrauliikan sylintereihin kuorman 93.4 % tarkkuudella referenssiin verrattuna, mikä jäi 1.6 prosenttiyksikön päähän 95 % tavoitteesta. Staattisissa testeissä pysyttiin tavoitearvoissa 100 mm/s nopeuteen ja 200 bar paineeseen asti. Simulaatio ympäristössä kaikki testit onnistuivat. Kuormitussysteemi osoitti kyvykkyyttä dynaamisten ja staattisten kuormien toteutuksessa, vaikka kaikkia tavoitearvoja ei saavutettukaan. Systeemin arkkitehtuuriin ja ohjaukseen ehdotettiin parannuksia.Description
Supervisor
Kuosmanen, PetriThesis advisor
Calonius, OlofKajaste, Jyrki
Keywords
load system, energy efficiency, direct drive hydraulics, DDH