Simulation model development of electric heavy mobile machine
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2022-06-13
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
49
Series
Abstract
Diesel engine powered non-road mobile machines (NRMM) have been noted to be a considerable source of pollutant emissions. The diesel exhaust exposure has a harmful effect on human health, which is a problem especially for people working in mines. In underground mines, heavy machines powered by large diesel engines produce exhaust to the mine where an adequate ventilation is hard and expensive to arrange. A growing trend is that the powertrains of heavy mobile machinery including diesel engines are being replaced with hybrid or fully electric powertrains. Hydraulic systems have conventionally been used in heavy mobile machines. Usually, those hydraulic systems have had low efficiencies, caused by flow-throttling valve systems. One possible alternative for valve-controlled hydraulics is direct driven hydraulics, where the rotational speed and direction of the hydraulic pump is directly controlling the speed of the hydraulic actuator. This removes the throttling valves of the hydraulics, and thus increases the overall efficiency of the system. In this research, a real-time system level simulation model of an electric underground mining loader was developed. Mevea was used for the multibody simulation of the mining loader and Simulink was used to model steering, bucket, battery, and powertrain sub-systems. Direct driven hydraulics were used in steering and bucket systems. Mevea and Simulink were connected by using TCP/IP socket connection. The developed model was compared with a ready-made model of a diesel-powered mining loader, which had conventional solutions in steering and bucket hydraulics. Two different driving cycles were driven with both models. The first cycle was a route in the mine including an uphill slope and a downhill. The second cycle was a loading cycle where the mining loader loaded rocks to its bucket from a rock pile. The first cycle emphasized the advantages of an electric powertrain. Especially, the energy recovery in the downhill, where over 50 percent of the total energy used for other sections of the driving cycle were regenerated to the battery. The direct driven hydraulics in steering reduced the energy consumption as was expected. The direct driven hydraulics in bucket system showed potential. However, a hydraulic valve system for load holding must be added to the system before analyzing the system more. In the future, the created simulation model can be used to analyze an electric heavy mobile machine with the experimental test environment built in the fluid power laboratory of Aalto University.Raskaat työkoneet, jotka saavat käyttövoimansa polttomoottorista, ovat tunnetusti huomattava päästöjen lähde. Diesel-moottoreiden pakokaasut ovat haitallisia ihmisten terveydelle. Tämä on ongelma erityisesti maanalaisissa kaivoksissa, joissa tarvitaan raskaita työkoneita ja vaadittava ilmavaihto on usein vaikeasti toteutettavissa ja kallista. Kasvavaksi trendiksi on muodostunut polttomoottorin sisältävän ajovoimansiirron korvaaminen hybridiversiolla tai täysin sähköisellä versiolla. Hydrauliikkaa on perinteisesti käytetty raskaissa työkoneissa. Yleisesti hydrauliikkaa sisältävien järjestelmien hyötysuhteet ovat olleet matalia, johtuen ohjausventtiileiden kuristuksista. Eräs mahdollinen vaihtoehto perinteiselle venttiiliohjatulle järjestelmälle on suorakäyttöhydraulinen järjestelmä, jossa toimilaitteen liikkeen ohjaus tapahtuu ohjaamalla pumpun pyörimissuuntaa ja pyörimisnopeutta. Tällä tavalla kuristavat ohjausventtiilit voidaan poistaa järjestelmästä ja järjestelmän kokonaishyötysuhdetta saadaan parannettua. Tässä työssä kehitettiin järjestelmätason simulaatiomalli sähköiselle kaivoskuormaajalle. Simulointi toteutettiin reaaliaikaisella Mevea-ohjelmistolla, jota käytettiin kaivoskuormaajan monikappalesimulointiin. Simulink-ohjelmistolla mallinnettiin ohjauksen, kauhan, akun ja ajovoimansiirron osajärjestelmät. Suorakäyttöhydrauliikkaa käytettiin ohjauksen ja kauhan hydrauliikoissa. Mevea- ja Simulink-ohjelmistot yhdistettiin TCP/IP-rajapinnalla. Työssä kehitettyä mallia verrattiin dieselkäyttöiseen malliin, jossa ohjaus- ja kauhahydrauliikat olivat toteutettu perinteisellä venttiiliohjauksella. Molemmilla malleilla ajettiin kaksi erilaista ajosykliä. Ensimmäinen sykli oli reitti kaivoksessa, joka sisälsi ylämäen, tasaista, käännöksiä ja alamäen. Toisessa yksinkertaisessa ja lyhyemmässä syklissä kuormaaja kuormasi kauhaan kiviä kivikasasta. Ensimmäisen syklin tulokset korostivat sähköisen ajovoimansiirron hyviä puolia verrattuna dieselmoottorilla toimivaan ajovoimansiirtoon. Alamäessä yli 50 prosenttia muuhun reittiin kulutetusta energiasta kyettiin regeneroimaan takaisin akkuun. Suorakäyttöhydraulinen runko-ohjausjärjestelmä vähensi energian kulutusta moninkertaisesti verrattuna perinteiseen hydrauliikkaan. Kauhajärjestelmän suorakäyttöhydrauliikka osoitti mahdollista potentiaalia. Nykyiseen kauhajärjestelmään tulee kuitenkin lisätä kuormanlukitukseen venttiilijärjestelmä, jotta kauhan energian kulutusta voidaan analysoida paremmin. Tulevaisuudessa sähköisen kaivoskuormaajan simulointimallia voidaan käyttää yhdessä Aalto yliopiston hydrauliikan laboratorion kokeellisen testiympäristön kanssa analysoimaan sähköisen ja raskaan työkoneen suorituskykyä ja energiankulutusta.Description
Supervisor
Kuosmanen, PetriThesis advisor
Vepsäläinen, JariKajaste, Jyrki
Keywords
simulation, heavy mobile machine, electric working machinery, direct driven hydraulics