Materiaalinkäsittelykoneen nostopuomin hallittavuus suorakäyttöhydrauliikalla

Abstract

Yleisen ympäristötietoisuuden lisääntyessä ja lainsäädännön tiukentuessa on tarpeen tutkia perinteisten hydraulijärjestelmien korvaamista energiatehokkaammilla ratkaisuilla. Suorakäyttöhydrauliikka on yksi viime vuosina paljon kiinnostusta herättänyt energiatehokas järjestelmäratkaisu. Järjestelmän energiatehokkuus on tunnetusti lupaava, mutta sen hallittavuutta ei tunneta riittävästi raskaiden ja dynaamisten sovellusten osalta.

Tässä työssä tutkitaan, kuinka suorakäyttöhydraulinen järjestelmä soveltuu kiinteäpuomisen materiaalinkäsittelykoneen nostopuomin liikkeenohjaukseen, jolta vaaditaan hyviä dynaamisia ominaisuuksia: nopeaa reagointia, ennakoitavuutta, sujuvuutta ja tarkkuutta. Tutkimuksen päätavoitteena on selvittää, soveltuuko suorakäyttöhydrauliikka tämän konetyypin puomiston ohjaukseen hallittavuuden puolesta, jolloin perinteistä energiataloudellisemmat järjestelmätopologiat olisivat mahdollisia. Kiinnostavaa on, millainen hallittavuus saavutetaan verrattuna perinteiseen järjestelmään.

Työn aluksi selvitetään perinteisen venttiiliohjauksen sekä suorakäyttöisen hydraulijärjestelmän osalta oleellinen teoria. Tarkastelussa ovat venttiiliohjatut säätötilavuusjärjestelmät, tilavuusvirtaohjatut suorakäyttöjärjestelmät, hydraulipumppujen ohjaus ja sähkömoottoreiden vektoriohjaus. Hallittavuudelle määritellään vertailtavat suureet, jotka ovat mitattavissa. Venttiiliohjatulla järjestelmällä varustetusta koneesta mitataan esimerkkimittaukset, joista saadaan pohjataso hallittavuudelle. Työssä kehitetään Simulink-mallit materiaalinkäsittelykoneen nostopuomin nosto- ja laskuliikkeen simulointia varten sekä perinteiselle venttiiliohjatulle järjestelmälle että suorakäyttöhydrauliselle järjestelmälle. Simulointimallin osakomponentit validoidaan venttiiliohjatun järjestelmän mallilla suhteessa tehtyihin mittauksiin. Validoituja osakomponentteja käytetään suorakäyttöhydraulisessa mallissa luotettavien simulointitulosten saavuttamiseksi. Lisäksi suorakäyttöhydrauliseen järjestelmään mallinnetaan sähkömoottori, sähkömoottorin ohjaus ja hydraulipumppu.

Suorakäyttöhydraulista järjestelmää simuloidaan ja järjestelmän hallittavuutta analysoidaan paineiden ja sylinterin aseman käyttäytymisestä. Lopuksi suoraohjattua järjestelmää simuloidaan samoilla ohjaussignaaleilla, jotka mitattiin järjestelmän validointia varten. Ohjauksen tuottamaa vastetta verrataan mitattuun venttiiliohjatun järjestelmän tuottamaan vasteeseen hallittavuuden näkökulmasta.

Simuloinneista saadaan tuloksena arvio suorakäyttöhydraulisen järjestelmän hallittavuudesta materiaalinkäsittelykoneessa. Tuloksena esitetään myös suorakäyttöhydraulisen järjestelmän hallittavuuden vertailu perinteisen liikkeenohjauksen hallittavuuteen. Simuloinnin tuloksista osoitetaan, että suorakäyttöhydraulisen järjestelmän hallittavuus soveltuu materiaalinkäsittelykoneen nostopuomin liikkeenhallintaan. Tuloksista havaitaan, että suorakäyttöhydraulisen järjestelmän hallittavuus nosto- ja laskuliikkeen aloituksessa, liikkeen aikana ja liikkeen pysäytyksessä on hyvää. Liikkeen aloituksessa suorakäyttöhydraulinen järjestelmä reagoi venttiiliohjattua järjestelmää nopeammin. Liikkeen lopetukset ovat sulavia. Laskuliikkeen aikainen sujuvuus puolestaan vaatii vielä jatkokehitystä, koska liikkeen aikana esiintyy venttiiliohjattua järjestelmää suurempaa värähtelyä.