Investigation of direct driven hydraulics implementation to differential cylinder driven systems

Abstract

In this thesis, the requirements and implementations of a pump-controlled differential hydraulic cylinder circuit have been investigated. The type of hydraulic system is direct driven hydraulics (DDH), which is one subcategory of electro-hydrostatic actuators (EHA). The aim is to propose a circuit capable of meeting the basic functionality of load-lifting industrial applications and operating with better energy efficiency than a traditional valve-controlled hydraulic system. The research has focused on finding out which valves and control methods are required to create an energy-efficient system so that the system maintains sufficient driving stiffness in all load situations. Also, the circuit must be able to regenerate both the kinetic and potential energy of the load. Different valve types have been investigated such as: asymmetrical flow compensation valves, load-holding valves, and safety valves. In addition, the filtering of the DDH system has been studied, and various solutions are evaluated.

The simulation model of the DDH system is created with MATLAB / Simulink software. The simulation results have been used to analyse the circuit's performance to ensure the best energy efficiency and system functionality. In addition, various efficiencies as well as energy consumption, have been calculated for the system from the simulation results, and research objectives for future experimental work have been defined. The different efficiencies determined from the results were: the system's total efficiency, the regeneration efficiency, and the system's total efficiency during the reuse of regenerated energy. For future experimental tests of the proposed circuit, a test system was designed, which uses Beckhoff's measurement and control system.

Actively controlled proportional flow control valves have been selected to compensate the flow rate of the proposed DDH circuit, which opens with control logic identifying the operating quadrant. The load holding system consists of pilot-operated check valves that are opened with an actively controlled pilot pressure line. The system's highest efficiency, with energy reuse and a load of 1145 kg, was calculated to be 85.4%, resulting in the regeneration efficiency of 58.4%. Research has shown that the proposed circuit is potentially capable of operating in a high-performance load-lifting application, energy efficiently, and safely. Thus, the construction of a test system has begun to obtain measurement results. Both to validate the results of this study and to improve the simulation model's accuracy.

Tässä diplomityössä on tutkittu pumppuohjatun differentiaali hydraulisylinteripiirin vaatimuksia ja toteutustapoja. Hydraulijärjestelmän tyyppi on suoravetoinen hydrauliikka (DDH), joka on yksi sähköhydrostaattinen toimilaitteiden (EHA) alaluokka. Tarkoituksena on esittää piiri, joka pystyy täyttämään kuormaa nostavien teollisuus sovellusten perusvaatimukset ja toimimaan paremmalla energiatehokkuudella kuin perinteinen venttiiliohjattu hydrauliikkajärjestelmä. Tutkimuksessa on keskitytty selvittämään mitä venttiilejä ja ohjausmenetelmiä vaaditaan energiatehokkaan järjestelmän luomiseksi, siten että järjestelmä säilyttää riittävän ajojäykkyyden kaikissa kuormitustilanteissa. Lisäksi piirin on kyettävä talteen ottamaan sekä kuorman kineettistä että potentiaalista energiaa. Tutkittavana on ollut erilaiset venttiilityypit kuten: epäsymmetrisen virtauksen kompensointiventtiilit, kuormanhallintaventtiilit ja varoventtiilit. Lisäksi on tutkittu DDH-järjestelmän suodatusta ja arvioitu erilaisia ratkaisuja.

DDH-järjestelmän simulointimalli luodaan MATLAB / Simulink-ohjelmistolla. Simulaation tuloksia on käytetty piirin suorituskyvyn analysointiin, parhaan energiatehokkuuden ja järjestelmän toiminnallisuuden takaamiseksi. Lisäksi simulaatiotuloksista on laskettu järjestelmälle eri hyötysuhteet sekä energiankulutus, ja on määritetty tutkimustavoitteet tulevaisuuden kokeelliselle työlle. Tuloksista määritettyjä eri hyötysuhteita olivat: järjestelmän kokonaishyötysuhde, talteenottohyötysuhde ja kokonaishyötysuhde talteen otetun energian uudelleenkäytön aikana. Ehdotetun piirin tulevia kokeellisia testejä varten on suunniteltu testijärjestelmä, joka käyttää Beckhoff:in mittaus-ja ohjausjärjestelmää.

Ehdotettu DDH-piirin tilavuusvirran kompensointiin on valittu aktiivisesti ohjatut proportionaaliset virtauksen säätöventtiilit, jotka avautuvat toimintakvartaalin tunnistavalla ohjauslogiikalla. Piirin kuormanhallintajärjestelmä koostuu ohjattavista vastaventtiileistä, joita avautuvat aktiivisesti ohjatun ohjauspainelinjan avulla. Järjestelmän suurimman hyötysuhteen, energian uudelleenkäytöllä ja kuormituksella 1145 kg laskettiin olevan 85,4%, jolloin talteenottohyötysuhde oli 58.4%. Tutkimus on osoittanut, että ehdotettu piiri pystyy potentiaalisesti toimimaan korkeaa suorituskykyä vaativissa kuormaa nostavassa sovellutuksessa, energia tehokkaasti ja turvallisesti. Täten testijärjestelmän rakentaminen on aloitettu mittaustulosten hankkimiseksi. Sekä tämän tutkimuksen tulosten varmentamiseksi ja simulointimallin tarkkuuden parantamiseksi.