Liikkuvien työkoneiden hydraulisten lineaariliikkeiden energiatehokkuuden parantaminen

Abstract

Ilmastonmuutoksen takia paine kehittää ympäristöystävällisempiä työkoneita on ilmeinen. Hydraulisylintereillä toteutettavat lineaariliikkeet ovat merkittävimpiä energian kuluttajia, joten niiden kehittäminen energiatehokkaammaksi on keskeistä kehitettäessä tulevaisuuden liikkuvia työkoneita. Tässä työssä tutkitaan, millaisia vaihtoehtoja on olemassa, joilla voitaisiin korvata nykyisin käytössä oleva hydraulijärjestelmä ja saavuttaa parempi energiatehokkuus. Työn tutkimuskysymykset ovat: ”Millaisia vaihtoehtoja on lineaariliikkeiden hydrauliikan tehostamiseksi liikkuvissa työkoneissa ja miten ne toimivat?” sekä ”Miten järjestelmät vertautuvat keskenään ja mikä niiden kehitysaste on?”

Työ toteutetaan kuvailevana kirjallisuuskatsauksena. Teoriaosuudessa lähteinä käytetään vertaisarvioituja tieteellisiä artikkeleja ja konferenssijulkaisuja, työkonevalmistajien tuoteselostuksia sekä kirjallisuutta aiheesta. Lähteet etsitään pääasiassa ANDOR- Scopus- ja Google Scholar -tietokannoista. Teoriaosuudessa selvitetään nykyisin käytössä olevan hydraulijärjestelmän rakenne ja ominaisuudet, ja tutkitaan potentiaalisia korvaavia järjestelmiä, niiden toimintaperiaatetta ja ominaisuuksia.

Tutkimuksen perusteella on olemassa kolme erilaista korvaavaa järjestelmää, joilla lineaariliike voitaisiin toteuttaa energiatehokkaammin. Korvaavat järjestelmät ovat sähköhydraulinen toimilaite (EHA, engl. electro-hydraulic actuator), sähkömekaaninen toimilaite (EMC, engl. electro-mechanical actuator) ja sähkömekaaninen hydraulinen hybriditoimilaite (EMHA, engl. electromechanical-hydraulic hybrid actuator). EHA-järjestelmä perustuu jokaisen lineaariliikkeen eristämiseen omaksi hydraulijärjestelmäksi, jolloin liikettä kontrolloidaan moottorin pyörimisnopeutta tai pumpun tilavuutta säätämällä. EMC-ratkaisut perustuvat sähkömoottorin pyörimisliikkeen muuttamiseksi lineaariliikkeeksi ruuvin ja mutterin välityksellä. EMHA-ratkaisussa yhdistetään EMC ja hydrauliikka, jolloin pystytään kompensoimaan molempien järjestelmien heikkouksia.

Korvaavia järjestelmiä voidaan vertailla eri ominaisuuksien perusteella. Pelkästään energiatehokkuuden kannalta EMC:t olisivat paras ratkaisu, mutta ne kuitenkin kestävät huonosti iskuja ja soveltuvat huonosti suuremman tehotason ratkaisuihin, jolloin EHA olisi paras ratkaisu. EMHA-järjestelmä pyrkii hyödyntämään kummankin järjestelmän parhaat puolet, mutta se on vielä konseptitasolla, joten tarkempia johtopäätöksiä on vaikea tehdä.

Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan todeta, että esitetyillä ratkaisuilla on suuri potentiaali korvata perinteinen hydraulijärjestelmä liikkuvissa työkoneissa. EMC:n sovelluksella kuularuuvilla on jo toteutettu kaupallinen sovellus, ja EHA:akin on kokeiltu käytännön sovelluksissa lupaavin tuloksin. On siis odotettavissa, että esitettyjä järjestelmiä tullaan näkemään enenevissä määrin liikkuvissa työkoneissa tulevaisuudessa. Tällä hetkellä yksikään järjestelmä ei kuitenkaan pysty päihittämään kaikkia perinteisen hydraulijärjestelmän parhaita puolia. Tutkimuksen pohjalta seuraaviksi tutkimuskohteiksi voidaan asettaa ratkaisujen löytäminen, joilla EHA-järjestelmän ja kuularuuvien heikkouksia voitaisiin parantaa. EHA-järjestelmän kohdalla se tarkoittaa suodatuksen ja lämmön hallinnan parantamista, EMC-ratkaisuissa iskunkestävyyden parantamista. EMHA:n kohdalla ilmeisin jatkotutkimuskohde olisi sen soveltuvuuden tarkempi analyysi ja erilaisten ohjaus- ja mitoitusperusteiden luominen ja testaaminen.