Suorakäyttöhydraulisen järjestelmän energiatehokkuuden mittaus ja simulointi.

Because of the tightening emission regulations, reduction of the energy consumption is one of the main development goals of mobile work machinery. Electrification and hybridization are key methods in this process. In mobile work machinery often major amount of the engine’s mechanical power is first converted to hydraulic, which is transmitted and converted back to mechanical power of the actuators. For this reason, the energy efficiency of the hydraulic system has a significant impact on the energy consumption of the machinery. Usually, the energy efficiencies of hydraulic systems are low compared to mechanical or electro-mechanical alternatives. This is mainly because of the throttling losses in directional control valves, where the energy is dissipated and converted into heat. In direct drive hydraulic system, the hydraulic actuator is directly controlled with the rotational speed and direction of electrically operated hydraulic pump. This eliminates the throttling losses in control valves enhancing the energy efficiency of the system. In this research the energy efficiency of a direct drive hydraulic system was measured and simulated. The measurements were executed in a test bench which was used for load lifting and lowering. Three different loads and velocities were used to study how they affect the energy efficiency. Besides the experimental measurements, a simulation model of the system was created. The goal was to create a realistic model which can be used for energy efficiency analysis and future research work with the system. The load and velocity had a remarkable effect on system’s energy efficiency. The best total efficiency of the system was 82 % in load lifting cycle of lowest velocity and highest load. During the same cycle, 79 % of system’s mechanical power was available for regeneration. The worst total efficiency of the system was 44 % with lowest load and highest velocity. This cycle also required positive input power from the servomotor during load lowering. The differences between simulated and measured results were 0…5 % in most cycles. The measurement results revealed a remarkable energy saving potential of direct drive hydraulic system. The efficiency’s strong dependency on load and velocity shows the importance of component sizing according to the operational requirements. While the typical energy efficiencies of conventional hydraulic systems are around 35 %, the direct drive hydraulics would allow remarkable energy savings in mobile work machinery.Tiukentuvien päästömääräysten myötä energiankulutuksen vähentäminen on nykyään eräs tärkeimmistä työkoneiden kehitystavoitteista. Tästä syystä työkoneiden sähköistäminen ja hybriditeknologiat ovat kasvattaneet suosiotaan viime vuosina. Työkoneissa usein suuri osa moottorin mekaanisesta tehosta muutetaan ensin hydrauliseksi, jolla teho siirretään ja muutetaan takaisin toimilaitteiden mekaaniseksi tehoksi. Tästä syystä hydraulijärjestelmien hyötysuhteella on oleellinen vaikutus koko työkoneen energiankulutukseen. Yleisesti hydraulijärjestelmien hyötysuhteet ovat matalia verrattuna mekaanisiin tai sähkömekaanisiin järjestelmiin. Tämä perustuu pitkälti ohjausventtiileissä tapahtuviin kuristuksiin, jossa suuri osa energiasta muuttuu hukkalämmöksi. Suorakäyttöhydraulisessa järjestelmässä hydraulista toimilaitetta ohjataan suoraan sähkökäyttöisen hydraulipumpun pyörimisnopeudella ja -suunnalla. Tällöin päästään eroon ohjausventtiileissä tapahtuvista kuristuksista. Tässä työssä mitattiin ja simuloitiin suorakäyttöhydraulisen järjestelmän energiatehokkuutta. Mittaukset tehtiin koepenkissä, jota käytettiin kuorman nostoon ja laskuun. Työssä tutkittiin kolmen eri kuorman ja nopeuden vaikutusta järjestelmän energiatehokkuuteen. Energiatehokkuutta mitattiin kokonaishyötysuhteen lisäksi järjestelmän eri osakomponenteille. Mittausten lisäksi järjestelmästä tehtiin simulaatiomalli Matlab/Simulink-ohjelmistolla. Tavoitteena oli tehdä järjestelmästä realistinen simulaatiomalli, jolla voidaan tehdä energiatehokkuustarkasteluja, ja jota voidaan käyttää järjestelmän jatkotutkimukseen ja kehitykseen. Kuormalla ja nopeudella havaittiin olevan suuri merkitys järjestelmän hyötysuhteeseen. Järjestelmän paras hyötysuhde 82 % saavutettiin nostovaiheessa suurimmalla kuormalla ja pienimmällä nopeudella, mikä on todella hyvä arvo hydraulijärjestelmälle. Saman syklin aikana kuorman laskuvaiheessa 79 % kuorman potentiaalienergiasta oli talteen otettavissa. Järjestelmän huonoin hyötysuhde nostovaiheessa oli 44 % pienimmällä kuormalla ja suurimmalla nopeudella. Tämän syklin aikana myös kuorman laskuun vaadittiin moottorilta avustusta. Järjestelmästä saatiin tehtyä tarkka simulaatiomalli, jossa järjestelmän mekaniikka- ja hydrauliikkamalli toimivat vuorovaikutuksessa. Simuloitujen ja mitattujen hyötysuhdearvojen erot olivat useimmissa tilanteissa 0…5 %. Mittaustulokset osoittavat, että suorakäyttöhydraulisella järjestelmällä on mahdollista saavuttaa erittäin korkeita hyötysuhteita. Hyötysuhteen vahva riippuvuus toimintapisteestä osoittaa, että komponenttien mitoitus suhteessa toimintapisteeseen on tärkeää. Perinteisillä hydraulijärjestelmillä hyötysuhde voi olla 35 %:n luokkaa, johon verrattuna mitatut hyötysuhteet ovat merkittävästi korkeampia. Työkonekäytössä suorakäyttöhydrauliikalla voitaisiin vähentää energiankulutusta merkittävästi