Liikkuvien työkoneiden energiatehokkuuden parantaminen monikammiosylintereiden avulla

Abstract

Liikkuvissa työkoneissa hydrauliikkaa käytetään laajasti työliikkeiden tuottamiseen, koska hydraulijärjestelmillä voidaan toteuttaa suuria voimia vaativia liikkeitä helposti ja erinomaisella teho-painosuhteella. Hydraulijärjestelmien ongelmana on kuitenkin niiden heikko energiatehokkuus. Merkittävä osa energiahäviöistä syntyy tilanteissa, joissa virtausta kuristetaan venttiileissä sopivan paine- ja virtaustason saavuttamiseksi. Energiatehokkuuden parantaminen on tärkeää erityisesti liikkuvissa työkoneissa, joissa pienempi energiankulutus voi vähentää polttoaineenkulutusta, päästöjä ja sähköistetyissä koneissa tarvittavaa energiavaraston kokoa.

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan monikammiosylintereitä keinona parantaa liikkuvien työkoneiden hydraulisten lineaariliikkeiden energiatehokkuutta. Työssä käsitellään aluksi liikkuvien työkoneiden hydraulijärjestelmiä ja niissä syntyviä energiahäviöitä. Tämän jälkeen esitellään digitaalisen hydrauliikan periaatteita, digitaalisia venttiilejä sekä monikammiosylintereiden rakennetta ja toimintaa. Monikammiosylinterissä sylinterin tuottamaa voimaa voidaan säätää kytkemällä useita kammioita eri painelinjoihin. Näin sylinterin efektiivistä pinta-alaa voidaan muuttaa kuormitustilanteen mukaan, mikä vähentää jatkuvan kuristukseen perustuvan ohjauksen tarvetta. Lisäksi monikammiosylinterit voivat mahdollistaa kuormasta vapautuvan energian tehokkaan talteenoton esimerkiksi paineakkuihin tai muiden toimilaitteiden käyttöön.

Työssä tarkasteltujen tutkimusten perusteella monikammiosylintereillä voidaan saavuttaa merkittäviä energiatehokkuusetuja. Kolmikammiosylinteriä koskevassa kokeellisessa tutkimuksessa energiankulutus pieneni keskimäärin 33 prosenttia verrattuna kuormantuntevaan proportionaaliohjattuun hydraulisylinteriin. Tietyissä kuormitustilanteissa energiahäviöt vähenivät jopa 66 prosenttia. Nelikammiosylintereihin perustuvassa hybridikaivinkonetta käsittelevässä tutkimuksessa polttoainetehokkuus parani keskimäärin 34–50 prosenttia verrattuna perinteiseen vertailukoneeseen.

Tulosten perusteella monikammiosylinterit ovat lupaava ratkaisu liikkuvien työkoneiden energiatehokkuuden parantamiseen. Suurimmat hyödyt saavutetaan todennäköisesti silloin, kun monikammiosylinterit yhdistetään osaksi laajempaa energiatehokasta hydraulijärjestelmää. Järjestelmien käyttöönottoa rajoittavat kuitenkin komponenttimäärän kasvu, kustannukset sekä toimintavarmuuteen liittyvät haasteet.