Simulation-based study on energy efficiency of different hydraulic actuators in forestry forwarder

Abstract

This master’s thesis focuses on the development of a dynamic hydraulic system model for a forestry machine using the Simscape simulation environment. The work is conducted in parallel with another thesis that has created a multibody model of the same machine. The objective of this thesis is to complement that mechanical model by providing a comprehensive simulation model of the machine’s hydraulic system.

Two different systems are modelled. They are a load sensing hydraulic system and a direct drive hydraulics system. The objective is to create systems that work precise with the multibody model movements. The systems are then compared by their energy usage and energy efficiency. The modelling work concentrates on a load sensing hydraulic system, where multiple actuators are operated simultaneously under varying load conditions. The system’s aim is to implement a control strategy that maintains constant actuator speeds regardless of load variations, while also minimizing the energy consumption of the system. Direct drive hydraulics system is modelled the simplest way. Closed-loop PID controllers are used to regulate the motion of the individual cylinders.

This thesis lays the foundation for simulation-based design and analysis of forestry machine hydraulics. The developed Simscape model serves as a platform for future research in control strategies, energy efficiency, and flow management. It also enables the study of system dynamics in various operating scenarios and facilitates the evaluation of component-level impacts on overall system performance.

Tässä diplomityössä kehitetään metsäkoneen hydraulijärjestelmän dynaaminen malli käyttäen Simscape-ohjelmistoa. Työ liittyy rinnakkaiseen diplomityöhön, jossa on laadittu metsäkoneen monikappalemalli, ja tämän työn tavoitteena on täydentää kokonaisuutta tuottamalla siihen hydraulijärjestelmän mallinnus. Hydraulimalli mahdollistaa metsäkoneen toimintojen, kuten nostolaitteiden ja muiden hydraulisesti ohjattujen komponenttien, käyttäytymisen analysoinnin ja optimoinnin simulaatioympäristössä.

Työssä mallinnetaan kaksi erilaista järjestelmää, jotka ovat kuormantunteva hydraulijärjestelmä sekä suorakäyttöhydraulijärjestelmä. Tavoitteena on luoda mallinnukset, jotka toimivat monikappalemallin liikkeiden mukaisesti mahdollisimman tarkasti. Näitä järjestelmiä vertaillaan keskenään niiden energiankäytön ja energiatehokkuuden mukaan. Mallinnuksessa keskitytään erityisesti kuormantuntevaan hydraulijärjestelmään, jossa useita sylintereitä ohjataan samanaikaisesti vaihtelevissa kuormitustilanteissa. Järjestelmän tavoitteena on toteuttaa ohjausratkaisu, joka pitää sylinterien nopeudet vakiona eri kuormituksilla sekä minimoi järjestelmän energiankulutuksen. Suorakäyttöhydrauliikan mallinnus luodaan yksinkertaisimmalla tavalla. Sylinterien ohjauksessa hyödynnetään suljetun säätösilmukan PID-säätimiä.

Työ tarjoaa lähtökohdat metsäkoneen hydraulijärjestelmän simulointipohjaiselle suunnittelulle ja säätöstrategioiden kehitykselle. Simscape-pohjainen malli luo perustan järjestelmän jatkokehitykselle, kuten ohjausalgoritmien optimoinnille ja virtauksen hallintaan liittyville tutkimuksille. Mallin avulla voidaan myös tutkia järjestelmän käyttäytymistä erilaisissa toimintatilanteissa ja arvioida eri komponenttien vaikutuksia kokonaisuuteen.