Reducing Energy Consumption of Reach Truck Utilizing Hydraulic Energy Recovery Systems

Thumbnail Image

Files

isbn9789526069913.pdf (5.41 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-09-30
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

2016

Department

Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

136

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 174/2016

Abstract

In light of current ecological and legislative trends, there is a demand for more effective utilization of energy concerning both machines and processes. In many cases with mobile machinery, the incorporation of a system for recovering otherwise wasted energy is the most efficient solution for gaining a significant increase in energy efficiency. Majority of current energy recovery- and reuse systems are based on electric storages. However, hydraulic energy recovery systems can be more preferable when applied to a suitable machine- and work cycle type. In this thesis, the suitability of different types of energy regeneration systems for an electrically powered fork lift are investigated by means of analysis and simulation. Two of these systems are further investigated by designing and implementing them for measurements on a full scale reach truck test platform. Both of these systems take advantage of hydraulic accumulators as energy storage, one by directly diverting flow and the other with a hydraulic transformer. The research indicated that their efficiency and applicability depends heavily both on the machine type and on the machine's work cycle. The first system exhibits high efficiency in constant load cycles while the other is more effective in variable load cycles. In addition, it was found that the efficiency of the system best suited for constant loads is highly dependent on the preload pressure within the hydro-pneumatic accumulator. For this, an optimization routine based on analytical assessment of losses was created. In addition to the preload pressure optimization for any given work cycle, the presented routine can be used as an assessment tool for accumulator sizing. On the other hand, the transformer based recovery system adapted to different accumulator parameters with virtually no effect on the efficiency. The research also includes introduction and assessment of two new accumulator concepts for further improving the efficiency of the studied directly recovering system. The first concept reduces pressure gain while charging, which improves the system's efficiency when operating with constant loads while the other employs selectable piston areas for improved adaptation to the variations in the payload.

Sekä laitteiden että prosessien energiatehokkuuden parantamiselle on nykyisten trendien mukaisesti yhä enemmän tarvetta. Liikkuvien koneiden tapauksessa useimmiten tehokkain tapa parantaa energiatehokkuutta on lisätä laitteeseen järjestelmä ottamaan talteen muutoin häviöksi muuttuvaa energiaa. Nykyisin käytetyt talteenottojärjestelmät perustuvat useimmiten energian sähköiseen varastointiin. Sopivaan laitteeseen ja työsykliin sovellettuna energian talteenotto suoraan hydraulisessa muodossa voi kuitenkin olla tehokkaampaa. Tässä väitöskirjassa on analysoitu, ja kolmen järjestelmän osalta myös simuloitu, erityyppisten energiantalteenottojärjestelmien soveltuvuutta sähkökäyttöiseen hydraulitoimisella mastolla varustettuun trukkiin. Saatujen analysointitulosten perusteella valittiin jatkotutkimuksiin kaksi järjestelmää, jotka toteutettiin testialustana toimivaan työntömastotrukkiin mittauksia varten. Molemmat rakennetut järjestelmät hyödyntävät energiavarastonaan paineakkuja, mutta eroavat toisistaan tavassa siirtää hydraulista tehoa. Ensimmäinen järjestelmistä perustuu paineakun lataustilavuusvirran suoraan ohjaamiseen. Toisessa järjestelmässä puolestaan hyödynnetään hydraulista muunninta, joka mukauttaa lataustilavuusvirran ja paineen suhteen kulloiseenkin toimintapisteeseen sopivaksi. Tutkituista järjestelmistä ensimmäinen havaittiin tehokkaaksi ratkaisuksi vakiokuormilla ja jälkimmäinen taas vaihtelevilla kuormilla. Vakiokuormilla tehokkaaksi osoittautuneen järjestelmän hyötysuhteen todettiin riippuvan voimakkaasti paineakun esilatauspaineesta. Sen optimoimiseksi työssä luotiin analyyttiseen häviötarkasteluun perustuva simulointimalli, jota esilatauspaineen optimoinnin ohella voidaan hyödyntää myös paineakkujen tilavuusmitoituksessa. Muuntimeen perustuva järjestelmä puolestaan mukautui erilaisiin paineakkuparametreihin erittäin hyvin. Talteenottojärjestelmien lisäksi työssä esitellään kaksi uutta paineakkukonseptia, joilla on mahdollista edelleen kasvattaa energian suoraan talteenottoon perustuvan järjestelmän hyötysuhdetta. Ensimmäinen näistä on suunniteltu vähentämään paineen nousua latauksen aikana ja toinen mukautumaan kuormaan hyödyntämällä kaasupuolen muuttuvia pinta-aloja.

Description

Supervising professor

Pietola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Kajaste, Jyrki, D.Sc. (Tech), Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Keywords

Hydraulic recovery, energy efficiency, hydraulic accumulator, Hydraulinen talteenotto, energiatehokkuus, paineakku

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6991-3

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG