Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Hydrauliska transformatorer i hjullastare
K. Heybroek
Emerging Technologies, Volvo Construction Equipment, Eskilstuna, Sweden
E-mail: [email protected]
Sammanfattning
Någon gång i mitten av nittonhundratalet introducerades de första hydrauliska anläggningsmaskinerna på marknaden.
Hydraulcylindern var nyckeln till många nya eller förbättrade konstruktioner och maskinkoncept. På grund av sin höga
effekttäthet och dubbelverkande funktion kunde lyftramverk och dylikt nu göras mycket smäckrare än tidigare. Eftersom
hydrauliken dessutom har fördelen av inbygd värmeöverföring kunde väldigt enkla och kostnadseffektiva
proportionalventiler användas för styrningen utan några egentliga problem med kylning. Problemen kunde man förstås se i
form av låg systemverkningsgrad, men vad spelade det för roll när bränsle är billigt?
Under senare år han elektrifiering av fordon och maskiner blivit en megatrend över hela världen. Inom fordonsindustrin
har detta framför allt återspeglats i allt mer integrerade elektromekaniska drivlinor. Denna trend har även gjort sig påminnd
inom anläggningsmaskiner men har där stött på en helt annan utmaning, nämligen aktueringen av linjära ställdon. Vid
elektrifiering av exempelvis en hjullastares drivlina är det naturligtvis frestande att även införa elektromekaniska linjära
ställdon med högre verkningsgrad och lägre komplexitet i åtanke. Tyvärr finns det vissa svårigheter med detta. I dag och
inom en överskådlig framtid är varken effekttäthet eller prestanda hos den elektromekaniska aktuatorn av tillräcklig
dignitet för att direkt kunna ersätta hydraulcylindern, varför en konverteing från elektrisk energi till mekanisk linjärrörelse
via hydraulik är fortsatt nödvändig oavsett elektrifieringsgrad på resten av maskinen.
Med denna bakgrund är naturligtvis ett alternativ till elektrifieringen att ge det nuvarande hydraulsystemet en
ansiktslyftning där systemverkningsgrad och förenklad systemarkitektur sätts i strörsta fokus. För att närma sig denna
utmaning, har så kallade "ventil-fria" teknologier börjat växa fram både inom den akademiska världen och ute i industrin,
men få av dessa har hittills introducerats på marknaden. Området för ventil-fria hydraulsystem är inriktat på lösningar som
minimerar eller helt eliminerar behovet av proportionella ventiler och därmed undviker strypförluster i samband med
flödesstyrning. Några exempel på sådana lösningar är: pumpstyrda system, digital-hydrauliska ställdon eller hydrauiska
transformatorer. I den här artikeln hand den sistnämnda undersöks närmare.
Studien som presenteras här bygger på två tidigare publikationer och avser att ge en översikt över hur ett
helhydrauliskt motion-control system baserat på hydrauliska transformatorer kan läggas ut för en hjullastare.
Systemet innefattar både drivlina och arbetshydraulik och i viss mån även hur dessa komponenter bör regleras för
bästa prestanda. Pappret beskriver kortfattat dimensioneringsprocessen, regleringen och ett resultat i form a
komponentval och en beräknad energibesparing.
Nyckelord: Hydrauliska transformatorer, sekundärreglerade hydaulsystem, hjullastare, CPR, hybrid
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
en relativt simpel modifiering av en konventionell
1
bent-axis maskin.
Bakgrund
I strävan efter att hitta de mest energieffektiva
hydraulsystemen har så kallade sekundärreglerade system
ibland
föreslagits
som
en
lovande
lösning.
Sekundärreglering är ett forskningsområde som har sitt
ursprung i det tidiga 80-talet [1], [2]. Men har även i
mycket senare publikationer påvisat lovande resultat i
både teori och praktik [3–5], då i synnerhet med avseende
Fig. 1: Innas hydrauliska transformator (IHT) Vä: ursprunglig
design. Hö: Senare design avsedd för personbilar
på roterande aktuatorer.
För
att
sekundärreglering
ska
vara
tillämplig
på
anläggningsmaskiner finns dock ett behov av lösningar för
hur linjära ställdon ska kontrolleras. Som bekant är den
kraft som produceras av en hydraulisk cylinder produkten
av den verksamma cylindareran och trycket. Ena
alternativet är alltså att variera cylinderarean, där det
kanske mest lovande koncpetet hittills utgörs av en
multi-kammarcylinder vars area görs stegvis variable
genom aktiv styrningen ett antal digitala ventiler [6].
Det
andra
alternativet
port
är
ansluts
(konstanttryckssystemet),
till
den
andra
fösörjningssidan
till
lastporten
(cylindern) och den tredje till lågtryckssidan (förhöjt
tanktryck). Genom att rotera ventilskivan erhålls ett
variabelt tryck och flödesförhållande mellan de tre
portarna idealt sätt med bibehållen effekt. Efter mer än tio
års förfining av teknologin har Innas presenterat en rad
koncept för hur transformatorn kan göras så effektiv som
möjligt. Den högra bilden i Figur 2 illustrerar en version
proportionalventiler kunna användas, men då med stora
som var avsedd för bruk i personbilar som publicerades i
effektförluster som konsekvens. Ett sätt att undvika
[12] och ytterligare en förfining presenterades i [13].
stypförluster
är
att
detta
ändamål
istället
införa
att
tre njurspår som vardera spänner över ca 120 grader. En
förstås
För
förstås
och lågtrycksnjure ersatts med en roterbar ventilskiva med
modulera
cylindertrycket.
är
I denna design har den vanliga ventilskivan med sin hög
skulle
en
hydraulisk
transformator. Det klassiska sättet att realisera en varierbar
1
Applikationen
hydraulisk transformator är att koppla samman två
hydraulmaskiner
varav
minst
en
har
variabelt
Applikationen som har studerats i detta papper är en stor
deplacement. Olika lösningar och styrprinicper har
hjullastare (33 ton) från Volvo CE, illustrerad i Figur 3. I
undersökts ett fleral gånger från tidigt 80-tal ända fram till
samtliga beräkningar har lastdata från verkliga körcykler
idag [7–9]. I närtid har även switchande linjärmekaniska
använts tillsammans med uppmätt komponentdata.
stegvis variabla transformatorer presenterats [10].
På grund av dess fysiska storlek, relativt dåliga
verkningsgrad och höga kostnad, har dock den hydraulisk
transformator ännu inte fått något riktigt genomslag i
industrin, förutom på några få nischmarknader.
Innas hydraulisk transformator (IHT) är ett begrepp som
syftar
till
att
lösa
svagheterna
hos
den
gamla
tvåmaskins-transformatorn. Konceptet bygger på att
transformeringen sker i en hydraulmaskin istället för två
separata. I den ursprungliga IHT designen [11], till vänster
i Figur 1, realiseras den variabla transformeringen genom
Fig. 2: Volvo L220 är applikationen som studerats
Simuleringsstudien som hänvisas till i detta papper [14],
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
[15] är avgränsad till enbart en typ av arbetscykel,
krävs insikter dels i transformatorns begränsningar men
nämligen den korta lastarcykeln. Som visas i Figure 3 så
även förståelse för hjulastarens verkliga användning. Som
är detta den vanligaste förekommande användningen för
ett exempel visar det grå området i Figure 5 det maximala
hjullastare, i synnerhet för större maskiner.
arbetsområdet för hjullastarens lyftfunktion. Utifrån en
analys av vilka delar av detta arbetsområde som verkligen
är användbart och med vetskapen om att IHT:n primärt
dimensioneras utifrån ett maxeffektbehov fås en grov bild
av vilka komponentstorlekar som kommer att krävas.
F
Reduced
range
F
eIncreased
range
Machine
tipping region
Q2
Q1
Q3
Q4
v
v
IHT power
target
Region
rarely used
Fig. 3: Korta lastar cykeln är målapplikationen
2
Increased
range
Reduced
range
Fig. 5: Lyftfunktionens arbetsområde och en grov
Föreslaget koncept
illustration av hur en IHT kan läggas ut för att möta
Systemet som har studerats är ett så kallat ”Common
behovet
pressure rail” system, som genom sitt energilager
Samtliga
Om transformatorerna dimensioneras för att transportera
aktuatorer dvs lyft, tilt, styrning och framdrivning drivs av
hela lastflödet i samtliga lastkvadranter så kommer relativt
hydrauliska transformator. Systemet illustreras i Figure 4.
stora maskiner att behöva användas. För att hålla nere
Transformatorerna som visas i hydraulschemat är alltså
storlekarna så kan i vissa fall cylindern köras i en
baserade på transfomatorkonceptet från Innas (IHT)
differentiell mod, se Figur 6. Denna möjlighet medför
frikopplar
försörjningsidan
från
lastsidan.
bättre driftspunkter uppnås och mindre transformatorer
kan användas givet specificerat effektbehov.
Fig. 4: Föreslaget hydraulsystem för hjullastaren.
3
Dimesionering
För att dimensionera det nya systemets komponenter så
Fig. 6: Ventilkonfiguration som tillåter cylindern att
köras i två moder, en normal och en differentiell mod.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Genom inspelad cykeldata och verkninsgradsdata för
hydraulkomponenterna
så
kan
energiåtgången/
energiåterförseln beräknas givet aktuell driftspunkt, samt
områdena i Figur 7 visar transformatorernas maximala
arbetsområde beroende på vilken av de två moderna som
utnyttjas för lyft- repsektive tilt-funktion. I bakgrunden
illustreras
återigen
arbetsområdet
för
Baseline range
SCS-Gear 1
SCS-Gear 2
SCS-Gear 3
Traction force
optimala komponentstorlekar välja. De röda och blå
dagens
hydraulsystem (lyftfunktionen i detta fall). Storleken på
bubblorna representerar hur mycket energi som spenderas
Vehicle speed
i arbetspunkten givet undersökt lastarcykel.
Fig. 8: Utlägg av framdrivningssystemet där
transformatorn driver två hydraulmaskiner som tillåter
tre växelsteg och därmed täcker hela arbetsområdet.
Figur 9 visar hur endast en väldigt liten del av det totala
arbetsområdet används under den korta lastarcykeln.
Komponenterna är utlagda för att klara maskinens totala
arbetsområdet,
men optimeringen av komponenter har
endast riktat in sig på användningen i kortcykellastning.
Detta innebär att vid högre hastigeter kommer förlusterna
gå upp och troligen överskrida förlusterna i den
konventionella drivlinan såvida inte en mekanisk lock-up
läggs till lösningen. Detta är något skulle kunna göras i en
fortsatt studie.
Fig. 7: Resulterande arbetsområde för lyftfunktionen
efter optimering av komponentstorlek med avseende på
minimal energiförbrukning under korta lastarcykeln.
Till framdrivningen så har hjullastarens mekaniska
transmissionen inklusive momentomvandlaren ersatts med
en
transformator
plus
två
hydraulmotorer.
Hydraulmotorerna är båda av samma storlek men har olika
mekaniska utväxling och kopplas in antingen var för sig
eller tillsammans. På detta sätt erhålls tre växelsteg vilket
ger ett tillräckligt utväxlingsförhållande för att möta
momentbehovet även klara av höga hastigheter. Det grå
området i bakgrunden till höger i Figur 8 representerar
arbetsområdet för dagens transmission.
Fig. 9: Korta lastarcykeln plottad på resulterande
transmissionsutlägg, som synes så används enbart
första växeln i denna cykel.
Systemets försörjningssida bygger på att en pump med
fast deplacement laddar högtryckssidan av CPR:n. Då
pumpen har ett fast deplacement är förbränningsmotorns
varvtal direkt proportionellt mot flödet ut ur pumpen.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Beroende på skillnaden mellan hur mycket flöde som tas
ut av lastsidan och hur mycket flöde som tillförs av
försörjningssidan kommer ackumulatorernas laddning och
därmed systemtrycket att ändras. Detta kommer då även
återspeglas i en momentförändring på förbränningsmotorn
som driver den fasta pumpen.
3
Simuleringsstudie
I simuleringen användes inspelade laster i form av krafter
och hastigheter på hydraulcylindrar och moment och
varvtal på hjulen. Detta ger givetvis bara en förenklad bild
av verkligheten då det nya systemet har helt andra
egenskaper än det ursprungliga systemet. I en fortsatt
Fig. 10: Laddningsgrad av ackumulatorer
studie bör därför även förarens ändrade beteende och dess
påverkan på exempelvis produktivitet tas i beaktande,
[16], [17].
Styrningen av försörjningssidan bygger på en mycket
enkel
regelbaserad
strategi,
där
två
styrgränser
i
ackumulatorernans laddning avgör om laddning ska göras
eller ej. Figur 10 visar hur detta kan se ut i den studerade
cykeln. Som synes här så arbetar ackumulatorerna inom
ett relativt snävt tryckområde, vilket återspeglas i det
moment som förbränningsmotorn kommer att känna av, se
Figur 11. Då maxtryck uppnås frikopplas railen från
pumpen genom att dess utflöde istället shuntas till tank
varvid belastningen av förbränningsmotorn går ner till i
princip noll. Varvtalet på förbränningsmotorn är en fri
variabel som här styrs av en regelbaserad strategi vilken
Fig. 11: Förbränningsmotorns momentbelastning
fokuserar på att motorn ska arbeta där den har som högst
verkningsgrad. Viktigt är dock att varvtalet samtidigt
måste vara tillräckligt högt för att pumpen ska hinna fylla
upp ackumulatorerna till en lagom nivå både så att man
klarar av effektuttaget utan att underskrida den nedre
styrgränsen och samtidigt inte riskerar att få för höga tryck
då energi återmatas till railen från lasten. Hur en optimal
styrning av försörjningssidan hos en seriehybrid ska gå till
är ett mycket intressant område för en framtida studie.
Exempelvis kan man tänka sig att den fasta pumpen byts
ut mot en variabel pump och på så vis erhålla en till
frihetsgrad i styrningen av förbränningsmotor, vilket har
Fig. 12: Förbränningsmotorns arbetsområde under
studerats i bland annat [18].
korta lastarcykeln flr det konventionella systemet (i
rött) och det nya systemet (i blått).
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Diagrammen i Figur 13-14 åskådliggör resultatet från
studien med avseende på energieffektivitet. Här kan man
tydligt kan se hur de totala förlusterna (i rött) har
reducerats kraftigt (~75% lägre) och därmed reducerat
energiåtgången med cirka 50% och ytterligare lite till
inräkat att det nya systemet bidrar till ett mer gynnsamma
driftsförhållanden för dieselmotorn. Värt att påpeka här är
dock att den verkningsgradsdata som har använts för
hydraulpumpar, motorer och transformatorer kommer från
Innas egna mätningar och har inte verifierats av författaren
av den här artikeln. Om medelförlusterna i verkligheten
skulle visa sig vara det dubbla mot vad som angivits här
skulle detta ändå ge en förlustreduktion av ca. 50% och en
energibesparing på ca. 35%.
4 Slutsatser
Det transformatorbaserade systemet medför 35-50%
förbättrad energieffektivitet i kortcykellastning. En ökad
Fig. 13: Energiflödet i den nya drivlinan. Angivna siffror är
grad av frikoppling erhålls, dels mellan försörjningsida
normaliserade motden totala lasteffekt (nettolast).
(dieselmotorn) och lasterna, men även mellan delsystemen
drivlina
och
arbetshydraulik.
Även
de
enskilda
funktionerna inom arbetshydrauliken är frikopplader från
varandra. Stor del av besparingen finns i drivlinesystemet
där stora förluster i momentomvandlaren har ersatts med
betydligt lägre förluster i en helt hydraulisk transmission.
Inom arbetshydrauliken så har de stora strypförlusterna
över ventiler reducerat pga införandet av transformatorer.
Som del av denna vinst medger det nya systemet
energiåtervinning av både potentiell och kinetisk energi.
Men allt detta kommer har ett pris. Dimensioneringen av
systemet visar på vilka nya komponenter som måste
tillföras och deras storlek. Totalt 1775cm3 installerad
hydrauliskt deplacement ska jämföras med dagens 240cm3
installerat deplacement. Utöver detta har även två stycker
100 liters ackumulatorer tillkommit.
Referenser
[1]
M.-C. Shih, “Untersuchung Einer
Zylinderansteuerung durch Hydro-Transformator
Fig. 14: Energiflödet i den nya drivlinan. Angivna siffror är
am Konstant Drucknetz,” Aachen University,
normaliserade motden totala lasteffekt (nettolast).
Aachen, 1984.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
[2]
G. Palmgren and J.-O. Palmberg, “Secondary
International Conference on Fluid Power,
Controlled Hydraulic Systems – A New Drive
SICFP’09, 2009.
Concept with Future Prospects,” in International
Fluid Power Exposition, IFPE’88, 1988.
[11]
P. A. J. Achten, Z. Fu, and G. E. M. Vael,
“Transforming Future Hydraulics: a New Design
[3]
L. Hartter, A. Birckett, T. Casciani, M. Pomerleau,
of a Hydraulic Transformer,” in Proceedings of the
and M. Subramaniam, “Series Hydraulic Hybrid
Fifth SICFP Linköping University, 1997.
System for Urban Vehicles,” in 7th International
Fluid Power Conference, 2010.
[12]
P. A. J. Achten, T. L. Van den Brink, J. W. Potma,
M. P. A. Schellekens, and G. E. M. Vael, “A
[4]
P. A. J. Achten, “A serial hydraulic hybrid drive
four-quadrant hydraulic transformer for hybrid
train for off-road vehicles,” NCFP, vol. 19, no. 2,
vehicles,” 2009.
pp. 515-521, 2008.
[13]
[5]
P. A. J. Achten and T. L. Van den Brink, “A
S.-an Liu, Y.-min Yao, T. Shang, Y. L. Chen, and
Hydraulic Transformer with a Swash Block
M. Miao, “Full hydraulic drive system of minitype
Control Around Three Axis of Rotation,” in 8th
loader based on secondary regulation technique,”
International Fluid Power Conference, 2012.
Journal of Jilin University, vol. 41, no. 3, pp.
665-669, 2011.
[14]
P. A. J. Achten, G. E. M. Vael, and K. Heybroek,
“Efficient hydraulic pumps , motors and
[6]
M. Linjama, H.-P. Vihtanen, A. Sipola, and M.
transformers for hydraulic hybrid systems in
Vilenius, “Secondary Controlled Multi-Chamber
mobile machinery,” in Wissensforum VDI, 2011.
Hydraulic Cylinder,” in The 11th Scandinavian
International Conference on Fluid Power,
[15]
K. Heybroek, G. Vael, and J.-O. Palmberg,
SICFP’09, June 2-4, 2009, Linköping, Sweden,
“Towards Resistance-free Hydraulics in
2009, vol. 1.
Construction Machinery,” in 8th International
Fluid Power Conference, 2012.
[7]
R. Kordak, “Hydrostatische Antriebe mit
Sekundärreglerung,” in Der Hydraulik Trainer,
[16]
R. Filla, A. Ericsson, and J.-O. Palmberg,
“Dynamic Simulation of Construction Machinery:
Band 6, Mannesmann Rexroth, 1989.
Towards an Operator Model,” IFPE 2005
[8]
K. Dluzik, “Entwicklung und Untersuchung
Technical Conference, pp. 429-438, 2005.
energiesparender Schaltungskonzepte für
Zylinderantriebe am Drucknetz,” RWTH Aachen,
[17]
T. S. von Baumgarten, H.-H. Harms, and T. Lang,
“Benchmarking Mobile Machines Considering
1989.
Operator Planning and Control Behaviour,” in The
[9]
K. Pettersson, K. Heybroek, P. Krus, and A.
12th Scandinavian International Conference on
Klintemyr, “Analysis and Control of a
Fluid Power, May 18-20, 2011, Tampere, Finland,
Complementary Energy Recuperation System,” in
2011.
8th International Fluid Power Conference, 2012.
[18]
[10]
B. Ayalew and S. K. Molla, “Power management
E. D. Bishop, “Digital Hydraulic Transformer –
strategies for a series hydraulic hybrid drivetrain,”
Approaching Theoretical Perfection in Hydraulic
Int. J. Powertrains, vol. 1, no. 1, pp. 93-116, 2011.
Drive Efficiency,” in The 11th Scandinavian