Successfully reported this slideshow.
Paper 02
Anläggningsmaskiner:
Hydrauliksystem i multidomäna miljöer
Reno Filla
VOLVO WHEEL LOADERS AB, ESKILSTUNA, SWEDEN
...
Denna artikel har publicerats som:
Filla, R. (2003) “Anläggningsmaskiner: Hydrauliksystem i multidomäna miljöer”.
Hydrauli...
1 Inledning
Så kallad "Virtual Prototyping" är ett etablerat steg i utvecklingen av bl a person- och
lastbilar. I det pågå...
För att snabbt och effektivt fylla skopan måste operatören med hjälp av reglagen hitta
rätt balans mellan skoprörelsen (so...
Figur 2. Kort lastarcykel vid grusbank (indelad i faser enligt [6])
Utöver detta måste lyftrörelsen och maskinrörelsen var...
transmissionen, instrumentpanelen och det kompletta fordonet. Därmed finns de flesta
mätvärden redan tillgängliga resp kan...
Figur 3. ”Harmonidiagram” för en lugn kortcykel (med cykelfaser enligt Figur 2)
Flera provningar har visat att körmönstret...
ningar med flera professionella förare har visat att alla kunde köra väldig repetitivt,
även då längre uppehåll gjordes me...
Figur 6. Effektbalansen mellan hydraulik och drivlina
Nackdelen med att betrakta effektbalansen är dock att detta inte ger...
Det bör dock beaktas att verkningsgradsmappen gäller för steady-state körning av
motorn. Av samma anledning är det vridmom...
Att använda färg som tredje dimension i ”harmonidiagrammet” ger möjlighet till
närmare betraktelser kring maskinens dynami...
Referenser
[1] Filla, R. and Palmberg, J.-O. (2003) “Using Dynamic Simulation in the Develop-
ment of Construction Machine...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Anläggningsmaskiner: Hydrauliksystem i multidomäna miljöer

48 views

Published on

I hjullastare och liknande maskiner konkurrerar arbetshydrauliken och drivlinan om dieselmotorns vridmoment. Balansen mellan dessa tre system präglas av en hög dynamik, vilket är en avgörande skillnad mot vad som är fallet i person- och lastbilar. Bedömning av hur väl denna balans kan upprätthållas och kontrolleras är huvudpunkten i förarens subjektiva bedömning av en maskins körbarhet.
I artikeln diskuteras möjligheter till en objektiv kvantifiering av körbarhet. En mätmetod presenteras samt nya sätt att visualisera denna så viktiga balans mellan maskinens delsystem.

http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-13371

Published in: Technology
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Anläggningsmaskiner: Hydrauliksystem i multidomäna miljöer

  1. 1. Paper 02 Anläggningsmaskiner: Hydrauliksystem i multidomäna miljöer Reno Filla VOLVO WHEEL LOADERS AB, ESKILSTUNA, SWEDEN Sammanfattning I hjullastare och liknande maskiner konkurrerar arbetshydrauliken och drivlinan om dieselmotorns vridmoment. Balansen mellan dessa tre system präglas av en hög dynamik, vilket är en avgörande skillnad mot vad som är fallet i person- och lastbilar. Bedömning av hur väl denna balans kan upprätthållas och kontrolleras är huvudpunkten i förarens subjektiva bedömning av en maskins körbarhet. I artikeln diskuteras möjligheter till en objektiv kvantifiering av körbarhet. En mätmetod presenteras samt nya sätt att visualisera denna så viktiga balans mellan maskinens delsystem.
  2. 2. Denna artikel har publicerats som: Filla, R. (2003) “Anläggningsmaskiner: Hydrauliksystem i multidomäna miljöer”. Hydraulikdagar 2003, Linköping, Sverige, 3-4 juni 2003. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-13371 (Internätlänk refererar till en Teknisk Rapport av originalartikeln)
  3. 3. 1 Inledning Så kallad "Virtual Prototyping" är ett etablerat steg i utvecklingen av bl a person- och lastbilar. I det pågående forskningsprojektet ”Multidomänsimulering av komplexa system i fordon” är fordonet en hjullastare, vars körbarhet skall studeras med hjälp av dynamisk simulering [1]. Utmärkande för detta fordon är att det består av ett antal delsystem i olika domäner, t ex mekanik, hydraulik och elektronik. "Multidomän- simulering" innebär att delsystemen, som i en verklig maskin är kopplade till varandra, även kopplas i simuleringen och simuleras parallellt. Bland anläggningsmaskinerna framstår hjullastaren som synnerligen ”multidomän” i och med att arbetshydrauliken och drivlinan i varje ögonblick konkurrerar om dieselmotorns vridmoment (som ju är begränsat). Balansen mellan dessa två system präglas av hög dynamik, vilket är en avgörande skillnad mot vad som är fallet i de ovannämnda person- och lastbilar. Figur 1. Överföringsvägar i en hjullastare (ECU = Electronic Control Unit, styrenhet) Ett exempel på ett kritiskt fall kan ses i Figur 1. Där visas hur de viktigaste systemen i en hjullastare är kopplade och vilka beroenden som finns vid skopfyllnaden. Motorns vridmoment kan ta två olika vägar. En väg går genom hydraulpumparna, cylindrarna och lastaggregatet fram till redskapet, där momentet åstadkommer skoprörelserna "bryt" och "lyft". Vridmomentets andra väg är genom momentomvandlaren, växellådan och axlarna ner till hjulen, där funktionerna "inträngning" och "drag" åstadkoms. I praktiken delas motorns vridmoment upp på dessa två överföringsvägar, och just vid fyllnadsfasen, dvs när skopan är i grushögen, får man en stark koppling mellan delsystemen, nästan som en kortslutning: Dragkraften mellan hjulen och marken skapar en kraftvektor i motsatt håll på skopskäret, vilken i sin tur interagerar med bryt- och lyftmomentet. Händelseförloppet är beroende på karaktären hos motor, hydraulik, transmission, maskingeometri, yttre last, hanteringsfall – och föraren. I en bra balanserad maskin kommer systemen att interagera på ett harmoniskt sätt vid en förarmanöver eller vid ändring av yttre last.
  4. 4. För att snabbt och effektivt fylla skopan måste operatören med hjälp av reglagen hitta rätt balans mellan skoprörelsen (som kontrolleras med lyft- och tiltspakarna) och inträngningen (som sköts med gaspedalen). Detta kan vara mer eller mindre svårt beroende på maskinens karaktär. I användandet av en hjullastare finns det naturligtvis fler avgörande aspekter än skopfyllnadsfasen, och alla aspekter ställer egna krav på balansen i momentfördelningen och påverkar förarens totala intryck av maskinens körbarhet. Dessutom finns det betydligt fler hanteringsfall än att bara lasta grus. En optimal maskin är lättkörd i varje fas i alla dessa hanteringsfall, men hur kvantifierar man detta? Hur omsätter man människans subjektiva intryck till produktmål, som sedan måste avvägas mot t.ex. krav på bränsleeffektivitet? Finns det ett samband med prestanda eller är detta ett konkurrerande produktmål? Historiskt innebar optimering av det kompletta systemet mycket provning, vilket är både dyrt och tidskrävande. Idag finns det effektiva verktyg för att simulera kopplade system i olika domäner [2]. Produktbolagen inom Volvo CE använder dessa för att bygga detaljerade modeller av kompletta fordon [3][4][5]. På sikt kommer simulering att användas alltmer för optimering och verifiering av maskinegenskaper i tidiga faser av utvecklingsprojekt. Provningens uppgift kommer då mest att bestå av validering i senare skede. Men oavsett metod, antingen simulering av en virtuell maskin eller provning av en fysisk prototyp, så måste egenskaperna, som ska undersökas, vara kvantifierbara. Denna artikel beskriver en mätmetod för en indirekt kvantifiering av körbarhet och introducerar nya sätt att visualisera resultaten. 2 Undersökt körcykel och mätmetod Hjullastare används för många olika arbeten, framförallt de mindre modellerna. Med ökad maskinstorlek överväger dock karaktären av en produktionsmaskin, dvs lastaren ingår i en större produktionsprocess och har en specifik uppgift, som skall klaras av tillförlitligt och effektivt. I denna artikel betraktas lastning av granulärt material i en sk ”kort lastarcykel”, vilket är ett av de vanligaste hanteringsfallen för en produktionsmaskin. Figur 2 visar en sådan kort lastarcykel, indelad i faser enligt [6]. Som skrivits i förra avsnittet är skopfyllningen (fas 1 i Figur 2) en kritisk fas där balansen mellan motor, arbetshydraulik och drivlinan är avgörande för den upplevda körbarheten, men även den upplevda prestandan. Liknande gäller t ex för reverseringen (fas 4 i Figur 2), dock finns det här ingen samverkan mellan hydraulik och drivlina, utan de konkurrerar om motorn vridmoment för att åstadkommer var sin funktion (fortsatt lyftrörelse resp reversering). Förenklad kan man säga att det är en kraftbalans vid skopan i fas 1 och en momentbalans vid motorn i fas 4, som måste etableras.
  5. 5. Figur 2. Kort lastarcykel vid grusbank (indelad i faser enligt [6]) Utöver detta måste lyftrörelsen och maskinrörelsen vara balanserade: När föraren lämnar grushögen startar lyftrörelsen och pågår hela vägen fram till lastmottagaren. Det mest ekonomiska körsättet är att reversera lagom mycket så att skopan är i precis rätt höjd i början av fas 6. Om maskinen går för fort (eller lyftrörelsen går för långsamt) behöver föraren vänta vid lastmottagaren innan skopan kan lyftas över korgens kant och tömmas. Går lastaren för långsam (eller lyftrörelsen går för fort) har skopan redan hunnit upp innan maskinen ens har nått lastmottagaren. Körcykeln tar alltså onödig lång tid. En professionell förare kommer i praktiken att undvika båda fallen genom att lägga reverseringspunkten (fas 4) i ett optimalt avstånd från såväl lastmottagare och grusbank. Detta beteende kan utnyttjas för att i samband med andra (mer traditionella mätmetoder) få en indikering av maskinens körbarhet (och prestanda): – Hastighets/rörelsebalansen åskådliggörs genom att mäta maskinens position och lyfthöjd sfa tid. – Moment/effektbalansen vid motorn fås genom att mäta motormoment, moment till drivlinan och moment till hydrauliken. – Kraftbalansen vid skopan kan beräknas ur momentbalansen. Moderna anläggningsmaskiner innehåller ett nätverk av givare och elektroniska styrenheter, som var och en är avsedd för ett speciellt delsystem och som är kopplade till en gemensam databuss. I Figur 1 visas det styrenheterna till motorn, hydrauliken,
  6. 6. transmissionen, instrumentpanelen och det kompletta fordonet. Därmed finns de flesta mätvärden redan tillgängliga resp kan beräknas utgående från kontinuerligt loggade data. Vid behov av större noggrannhet är det dock lämpligt att komplettera med speciella givare. Exempelvis kan dragkraften beräknas via varvtalsskillnaden över momentomvandlaren, dess karakteristik och utväxlingarna i transmissionen och axlarna. Vid tillverkningen av konvertrar tillåts dock konverterns karakteristik att variera inom en viss tolerans. Vill man utesluta påverkan av dessa variationer på mätresultatet kan momentgivare användas. För att få en snabb indikering på maskinens körbarhet och den efterfrågade harmonin mellan delsystemen är det dock fördelaktigt att använda så många av de redan via databussen tillgängliga mätsignalerna som möjligt. Detta gäller särskild i utvecklingsprojekt, där långa riggtider kan vara ett hinder för ännu ej etablerade mätmetoder. Visserligen kan förarens subjektiva intryck fortfarande inte mätas och även en kvalitativ intervju direkt efter körningen kommer aldrig att kunna bli objektiv, för föraren kan ha svårt att artikulera intrycket, vill inte vara för kritiskt eller saknar referens. Istället vänder den nedan föreslagna mätmetoden på problemet genom att låta personen själv köra maskinen så att cykeltiden minimeras men körningen fortfarande upplevs som lugn och harmonisk. Cykeln körs i referensmaterial (t ex sorterat grus), på en standardbana och enligt en körfallskatalog där alla delmoment beskrivs. Den erhållna körsträckan tillsammans med cykeltiden är då ett objektivt och kvantifierbart mått för maskinens ”inre harmoni”, dvs hur väl balanserade rörelserna, momenten och krafterna är. 3 Visualisering av rörelsebalansen Genom att mäta maskinens körsträcka och lyftarmsvinkel sfa tid kan på ett nytt sätt rörelsebalansen åskådliggöras (Figur 3). I diagrammet syns hur maskinrörelsen koordineras med lyftrörelsen, framförallt i fas 1 (skopfyllning) och fas 6 (tömning). Lyftrörelsen pågår nästan hela vägen fram till lastmottagaren (konstant lutning från början av fas 2 till slutet av fas 5), förutom en sista lilla bit, som föraren använder som säkerhetsmarginal. Hastigheterna kan tas hänsyn till genom att titta på de vita markörerna, som är inlagd med konstant tidsmellanrum. Man ser hur maskinen går långsammare i fas 1 och fas 6 (tätare avstånd mellan markörerna i diagrammet), medan den går med större hastighet på vägen till och från lastmottagaren.
  7. 7. Figur 3. ”Harmonidiagram” för en lugn kortcykel (med cykelfaser enligt Figur 2) Flera provningar har visat att körmönstret är likadant för samma förare, förutsatt att yttre faktorer som t ex material eller lastmottagarens position är konstant. En annan sådan faktor är sättet att fylla skopan. Vissa förare föredrar att fylla skopan längre ner i grushögen, vilket då leder till att reverseringspunkten måste läggas längre ifrån lastmottagaren. Andra använder skopan mer som en hyvel, vilket kan ta lite mer tid vid fyllningen; men eftersom man lämnar grushögen med större lyfthöjd kan reverseringspunkten flyttas fram, vilket kortar ner körtiden. Figur 4 visar 3 körningar där enda skillnaden är skopfyllnadstekniken: Figur 4. ”Harmonidiagram” för en lugn kortcykel (3 olika skopfyllnadstekniker) I varje fall lyckas föraren att lägga reverseringspunkten rätt i förhållande till lastmottagaren, så att skopan är på exakt samma höjd vid samma position. Undersök-
  8. 8. ningar med flera professionella förare har visat att alla kunde köra väldig repetitivt, även då längre uppehåll gjordes mellan körtillfällena.. Metoden har visat sig ger möjlighet till en objektivare maskinutvärdering än det traditionella sättet, där det (i brist på annat) lades för mycket vikt på subjektiva bedömningar. 4 Moment- och effektbalansen vid motorn I Figur 1 visades att motorns vridmoment (eller effekt) kan överföras via två olika vägar: genom hydrauliken eller genom drivlinan. I praktiken är det alltid en blandning, för båda delsystem används samtidigt. Som tidigare skrivit är balansen mellan hydrauliken och drivlinan framförallt viktig i kritiska faser som skopfyllning och reversering. Genom att använder sig av moment- och varvtalssignalerna från motor och transmissionen kan en snabb och relativ noggrann mätning göras, utan att extra givare behöver installeras. En möjlighet till utvärdering av de vunna mätdata är att visa drivline- och hydrauleffekt sfa tid (Figur 5). Genom att indela tidsaxeln i faser enl Figur 2 får man en koppling till ”harmonidiagrammet” (Figur 3). Ett annat sätt att åskåd- liggöra balansen mellan hydraulik och drivlina visas i Figur 6. Figur 5. Effektfördelning på hydraulik och drivlina (cykelfaser enligt Figur 2) För att visualisera tidsaspekten kan Figur 6 modifieras så att datapunkterna ges en färg beroende av tillhörighet till en cykelfas. Då blir det exempelvis tydligt att punktmolnet vid maxeffekts-linjen tillhör skopfyllnadsfasen.
  9. 9. Figur 6. Effektbalansen mellan hydraulik och drivlina Nackdelen med att betrakta effektbalansen är dock att detta inte ger en återkoppling om tillståndet i motorn. Undersökning av t ex motorstopp eller optimering av verkningsgraden kräver att betrakta moment och varvtal, snarare än effekt. I Figur 7 har motorns moment-varvtal-diagram indelats i moment-varvtals-intervaller, som har färgats beroende på hur ofta motorn kördes i denna intervall under hela körcykelns förlopp: Figur 7. Motorutnyttjande under körcykelns förlopp Dessutom har motorns verkningsgradsmapp (svart) och kurvor med konstant motoreffekt (vit) lagts in. Diagrammet visualiserar hur motorn utnyttjas under körningen och kan ge stöd i optimeringen av komponent- och systemutlägget.
  10. 10. Det bör dock beaktas att verkningsgradsmappen gäller för steady-state körning av motorn. Av samma anledning är det vridmomentet, som motordatorn rapporterar, inte helt korrekt vid acceleration. En närmare undersökning visar att motorn används i bara ungefär hälften av tiden under statiska förhållanden (Figur 8), varför angivelser av moment (från motordatorn) och verkningsgrad bör tas med försiktighet. Figur 8. Motoracceleration under körcykelns förlopp Figur 9. ”Harmonidiagram” med motoracceleration
  11. 11. Att använda färg som tredje dimension i ”harmonidiagrammet” ger möjlighet till närmare betraktelser kring maskinens dynamiska beteende och förarens körsätt. I Figur 9 har exempelvis motoraccelerationen åskådliggjorts. Andra intressanta mätdata är aktuellt motorvarvtal, gaspedalvärde (begärt varvtal), avvikelse aktuellt från begärt varvtal och maskinhastighet. 5 Slutsatser och diskussion Körbarheten av hjullastare är svår at mäta direkt, men mha en körfallskatalog, som definierar körsättet, och några enkla mätningar kan en objektivare maskinutvärdering göras än med det traditionella sättet, där det (i brist på annat) lades för mycket vikt på subjektiva bedömningar. Ett stort potentiellt användningsområde är undersökning av ”what-if” scenarier, t ex undersökning av påverkan av byte till en momentomvandlare med annan karakteristik eller byte till en annan motor. På sikt kommer provningen att bli virtuell, dvs i tidiga faser av utvecklingsprojekt kommer simulering att användas alltmer för sådana undersökningar. Moderna hjullastarnas nätverk av givare och styrenheter kan i kombination med extra givare användas för att mäta grundläggande data, som ger information om maskinens ”inre harmoni”. Flera exempel på nya sätt att visualisera denna ”harmoni” har givits. Ett nästa steg bör vara att närmare undersöka onoggrannheten av det från motordatorn rapporterade vridmomentet under acceleration. Körsträckan i ”harmonidiagrammet” mäts idag via hjulvarvtalet. Detta introducerar fel när föraren kör för aggressivt, så att hjulen slirar (i körfallskatalogen anvisas föraren därför att undvika detta). Flyttas positionen där skopan fylls, introducerar detta ytterligare fel som gör körningarna svårare att jämföra. Lösningen är att använda mätutrustning som möjliggör en exakt positionsbestämning (t ex GPS). Sättet hur skopan fylls av olika förare bör undersökas närmare. För detta behövs en givare som anger skopans vinkelläge i förhållande till lyftarmen. Tack Arbetet, som bara till en bråkdel är redovisat i denna artikel, använder sig av och bygger på förslag, synpunkter och erfarenheter av många arbetskamrater vid Volvo CE i Eskilstuna. Att börja nämna enskilda personer leder troligtvis till en snöbollseffekt, men trots detta vill jag rikta ett särskilt tack till Lennart Strandberg, Lennart Skogh, Bo Vigholm, Allan Ericsson, … (bäst att avbryta, ni vet ju själva vilka ni är).
  12. 12. Referenser [1] Filla, R. and Palmberg, J.-O. (2003) “Using Dynamic Simulation in the Develop- ment of Construction Machinery”. The Eighth Scandinavian International Confer- ence on Fluid Power, Tammerfors, Finland, Vol. 1, pp 651-667, 7-9 maj 2003. http://www.arxiv.org/abs/cs.CE/0305036 [2] Larsson, J. (2001) “Concepts for Multi-Domain Simulation with Application to Construction Machinery”. Licentiate thesis, Division of Fluid and Mechanical En- gineering Systems, Department of Mechanical Engineering, Linköpings univer- sitet, Linköping, Sweden. [3] Larsson, J., Krus, P. and Palmberg, J.-O. (2001) “Modelling, Simulation and Vali- dation of Complex Fluid and Mechanical Systems”. The Fifth International Con- ference on Fluid Power Transmission and Control, Hangzhou, P.R. China, April 3-5, 2001. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.131.1091 [4] Ericsson, A. and Slättengren, J. (2000) “A model for predicting digging forces when working in gravel or other granulated material”. 15th European ADAMS Us- ers' Conference, Rome, Italy. http://www.mscsoftware.com/support/library/conf/adams/euro/2000/Volvo_ Predicting_Digging.pdf [5] Illerhag, H. and Sjögren, F. (2002) “Study of Driveline Functionality during Off- road Driving of an Articulated Hauler”. 15th European ADAMS Users' Confer- ence, Rome, Italy, Nov 15-17, 2000. http://www.mscsoftware.com/support/library/conf/adams/euro/2000/ Volvo_Driveline_Offroad.pdf [6] Strandberg, L. (2001) ”Körfallskatalog – Kort lastarcykel”. Internt dokument #SR01LS0032, Volvo Wheel Loaders AB. (Internätlänkar uppdaterade och verifierade den 17 augusti 2011

×