Flow compensation using hydraulic accumulator in direct driven hydraulic differential cylinder application and effects on energy effciency

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-05-16
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
90+12
Series
Abstract
In this thesis, a novel hydraulics system, direct driven hydraulics (DDH), with a sizing error is investigated. The system consists of two separate gear type pumps which are jointly connected to a servomotor via a common axis and gearbox. The sizing error is caused by a mismatch in the ratio of the pump nominal size and flow rate of each cylinder chamber. This mismatch causes excess pressure to form in the B-chamber of the cylinder, which reduces the energy efficiency and reliability of this system. A hydraulic accumulator implemented between the B-side pump and cylinder is proposed as a solution to this issue. A Matlab/Simulink model is created, which is utilized for finding the optimal accumulator parameters for the highest energy efficiency. The friction forces of the cylinder is measured in order to get accurate position estimates. Since the DDH system is valveless, the leakage through the pumps greatly effects the pressure levels in this system. In order to get accurate pressure estimation, this leakage is measured and a linear model that fits the data is estimated. Based on the simulation results, a hydraulic accumulator with the nominal size of 0.7 liters and precharge pressure of 10 bar is selected and installed into the system. The energy efficiency of this system is measured at temperatures ranging between -10 C and +20 C. The results shows that the accumulator is a viable solution and that energy efficiency is improved. The greatest efficiency is found at room temperature, and for this reason the ability of this system to internally heat the oil is measured. These results indicate that waste heat is not generated sufficiently fast. Finally, different sizing errors are simulated with the Simulink model in order to investigate the negative impact of different errors. These results indicate that a sizing error of 2-5 % causes no excess pressure. An error larger than this can be mitigated by implementing the hydraulic accumulator, as suggested by this thesis.

I detta arbete undersöks ett nytt hydrauliskt system, direkt driven hydraulik (DDH), med ett dimensioneringsfel. Detta system består av två kugghjulspumpar, som är direkt kopplade till en servomotor via en gemensam axel och växellåda. Dimensioneringsfelet orsakas av en obalans i kvoten av de nominella pumpstorlekarna i jämförelse med det förväntade flödet från respektive cylinderkammare. Denna obalans ger upphov till ett högre tryck i cylinderns B-kammare, vilket leder till försämrad energieffektivitet och stabilitet. För att förminska detta problem implementeras en hydraulisk ackumulator, vars syfte är att absorbera det överflödiga trycket, mellan B-sidans pump och cylinderkammare. En simuleringsmodell konstrueras i Matlab/Simulink för att finna de optimala ackumulatorparametrarna ur en energieffektivitetssynvinkel. Cylinderns friktionskrafter mäts för att få en träffsäker estimering av cylinderkolvens position. Pumparnas interna läckage mäts, och en regressionsmodell körs för att erhålla en mer träffsäker modell över tryckbildningen i detta system. Baserat på simuleringsresultaten väljs en hydraulisk ackumulator vars nominella storlek är 0,7 liter med ett förladdningstryck på 10 bar. Denna installeras till systemet, vars energieffektivitet utvärderas vid temperaturer från -10 C till +20 C. Resultaten från denna mätning indikerar att effektiviteten är som störst vid rumstemperatur. Därför utförs ytterligare experiment angående systemets förmåga att internt uppvärma olja med överloppsvärme. Resultatet från detta visar att denna överloppsvärme inte är tillräcklig. Slutligen undersöks effekten av olika dimensioneringsfel med hjälp av simuleringsmodellen. Slutsatsen av detta är att ett fel på 2-5 % inte orsakar nämnvärda problem. Fel större än detta kan åtgärdas med hjälp av en hydraulisk ackumulator, vilket detta arbete visar.
Description
Supervisor
Pietola, Matti
Thesis advisor
Minav, Tatiana
Keywords
direct driven hydraulics, energy efficiency, hydraulic accumulator, pump control
Other note
Citation