Ympäristöystävälliset

Transkriptio

1 Ympäristöystävälliset tulevaisuuden työkoneet Vesihydrauliset mobilekoneet ja niiden älykäs kunnonvalvonta Water hydraulic mobile machines with intelligent condition control Suomen Akatemian tutkimusohjelma, KITARA, päätösseminaari Kari T. Koskinen

2 2

3 TTY/IHA Tampereen teknillinen yliopisto, Hydrauliikan ja automatiikan tiik laitos 3 6 professuuria (Fluid Power Automation) Henkilöstö n. 100 Suomen Akatemian tutkimuksen huippuyksikkö - koko laitos GIM älykkäiden koneiden tutkimusryhmä TUTKIMUSRYHMÄT: Älykkäät koneet (GIM) LABORATORIOT: Mobilehydrauliikka Raskaslaboratorio Digitaalihydrauliikka ITER-tutkimus Mobilehydrauliikan laboratorio Vesihydrauliikka ja korkeapaineiset vesijärjestelmät Älykkäiden koneiden testihalli Hydrauliikan kunnonvalvonta Virtuaalitekniikoiden laboratorio Lentokonehydrauliikka Öljyanalyysilaboratorio Reaaliaikasimulointi ja virtuaalitekniikat Dieselmoottorin ruiskutusjärjestelmät Opetuslaboratorio Etäyksiköt: Nosto- ja siirtotekniikka, Hyvinkää Kunnonvalvonta, Rauma Vesihydrauliikka, elintarvike- ja pakkaussovellukset, Valkeakoski

4 Liikkuvien työkoneiden kriittiset kohdat ympäristön kannalta 4 Vuodot Päästöt Maaperän vauriot Melu / tärinä Energiasäästö Komponenttien kulumisen minimointi Kunnonvalvonta ja diagnostiikka Älykkäät ohjausjärjestelmät

5 5 Energian säästö Suunnittelun perusratkaisut Kuormantuntevat järjestelmät Esim. metsäkone Älykäs ohjaus Polttoainekulutuksen optimointi Sekundäärisäätö ja energian talteenotto Esim. satamanosturit Elektroniikan ja tietotekniikan mahdollisuudet

6 6 Hydraulijärjestelmien ohjaus / etäohjaus Etäohjattavat koneet Valvomo vs. kannettava Kaupallisia järjestelmiä Bobcat (käynnistys, ajovoimansiirto, työliikkeet, 700m) RCM Harvester Harveri (metsien esiharvennukseen) Sandvik Automine (kaivoskoneiden etäohjaus / koneet toimivat osin itsenäisesti)

7 7 Geneeriset älykkäät koneet (GIM) GIM (Generic Intelligent Machines) - perustettu (2005) - Yhteistyö TKK /ATL ja TTY/IHA - Tavoite: Tutkia ja kehittää menetelmiä ja teknologioita tulevaisuuden älykkäisiin työkoneisiin ja palvelurobotteihin. - Suomen Akatemian tutkimuksen huippuyksikkö (

8 8 Autonomisten koneiden ohjausarkkitehtuuri Worksite Autonomous machine Co-operation between machines Perception and decision-making Highest level control Communication between machines Higher level control Navigation Path planning Machine Subsystem Integration of subsystems Control of subsystem High level control Distributed system Diesel Low level control Feedback Torque / velocity Control of regulating unit Type of motor Regulating g unit Rotation speed

9 Etäohjattu työkone 9 Pääkomponentit Vakiotilavuuspumppu 2x22.5 l/min Diesel-moottori 20hp Proportionaali venttiilit x 6, Q n =40l/min,dp n =2.5bar, 25b LS-paine On/off venttiilit x 3, (lukkoventtiilit puomille ja kauhalle, valittavissa ½ pumppu) Sähköisesti ohjattu paineenrajoitusventtiili Hydraulimoottorit 4x326.3cm 3 Linux-pohjainen ohjaus -ja monitorointimoduli Robustit I/O modulit, CAN-väylä Langaton ohjaus radiomodeemeilla Sähköinen kaasu Ohjauspyörä

10 Vesihydrauliikka ja muut ympäristöystävälliset nesteet 10 Vesihydrauliikka Ympäristöystävällisyys Vuodot Paloturvallisuus Väliaineen saatavuus ja sen kustannukset Väliaineen fyysiset ominaisuudet Pienet virtaushäviöt, puristuvuus Erikoissovellukset (elintarviketeollisuus, ITER jne..) Muut ympäristöystävälliset nesteet Kasviöljyt, bioöljyt HFA-, HFB- ja HFC-nesteet

11 11 Vesihydrauliikan sovelluskohteita Kaivosteollisuus Paperiteollisuus Elintarviketeollisuus ITER Terästeollisuus

12 Vesihydrauliikan tulevaisuuden haasteet 12 Luotettavuus Veden laatu / puhtaus Komponenttien elinikä ja huolto Säädettävyys Säädettävät komponentit Ohjausjärjestelmät Hinta Materiaalien valinta Valmistusmenetelmät

13 Konsortio KITARA-projekti: Vesihydrauliset mobilekoneet ja niiden älykäs kunnonvalvonta TTY / IHA TTY / MOL TKK / Koneensuunnittelu Tavoitteet Tutkia ja kehittää menetelmiä vesihydrauliikan soveltamiselle mobilekoneissa Lisätä vesihydraulikomponenttien elinikää järjestelmissä Kehittää älykäs kunnonvalvontajärjestelmä vesihydraulisille mobilekoneille 13

14 Tavoitteet (jatkuu ) KITARA-projekti: Vesihydrauliset mobilekoneet ja niiden älykäs kunnonvalvonta Optimoida vesihydraulijärjestelmän energiahyötysuhde ja suorituskyky Kehittää suunnitteluvaihtoehtoja mobilehydrauliikkaan käyttäen vesihydrauliikkaa Tutkimusalueet Vesihydrauliikan komponentit Ohjaus ja säätötekniikat Kunnonvalvonta Materiaalit Tribologia Ohjausryhmässä h mukana : Hytar Oy Metso Paper Millidyne Oy Rocla 14

15 15 Kunnonvalvonta / diagnostiikka Paineet 180 Valvomo Paine A Paine B Paine e [bar] Tavoitteet WLAN / LAN Värähtely Estää vikatilanteiden synty Rajoittaa tehoa ja toimintoja Aika [s] vaurioiden tai lisävaurioiden estämiseksi Järjestelmän tilan ohjaamiseen data-analyysin perusteella Huolto ja korjaustoimenpiteiden suorittaminen i i ennen iisompaa vauriota i Kiihty yvyys [m/s2] Internet 2 0 Serveri (Tietokanta, WWW serveri) Aika [s] Älykäs Käyttöliittymä (WWW kunnonvalvontajärjestelmä selain) Datan analysointimenetelmät Datan analysointi (d t esikäsittely (datan ikä itt l ja j luokittelu)

16 16 Kunnonvalvonta / diagnostiikka Älykkäät datan analysointimenetelmät Raakadatan esikäsittelyyn Olennaisen tiedon karsiminen raakadatasta Parantaa myös luokittelun tulosta Wavelet, tilastolliset tunnusluvut, Pääkomponenttianalyysi jne Esikäsitellyn datan luokitteluun Normaali / vika Vian taso Ennuste Itseorganisoituva kartta, Tukivektorikone jne

17 Datan analysointimenetelmien soveltaminen käytäntöön 17 Proportionaalinen luistiventtiili Vuoto Tiivisterikko venttiilin pesän tiivisteessä 4 eri tasoa / tiivistettä Sylinteri (32/16-500) Sisäinen vuoto Vaurio sylinteriputkessa tai kulunut/vaurioitunut tiiviste Kuristin toimilaiteporttien välissä 3 eri tasoa (0.5 / 1.0 / 2.0 l/min) Sekvenssin maksimin mukaan valittu

18 18 Vesihydrauliikan pumppututkimus Tutkimuksen lähtökohtana oli tarve selvittää edellytykset vesihydrauliselle säätyvätilavuuksiselle pumpulle ja painetason nostolle Veden ominaisuudet ovat voitelun kannalta huomattavan erilaiset verrattuna öljyyn Viskositeetti alempi ja paineviskositeettikerroin alempi Voitelukalvon paksuus pienempi Kuluminen Lisääntyvät vuodot Vierintälaakereita ei voi käyttää

19 19 Testilaitteisto Vuoto ja kalvon paksuus riippuvat toisistaan Mittaukset ovat tarpeen Koelaitteisto käytössä laboratoriossa Mitataan voitelukalvon paksuutta ja mäntään kohdistuvia sivuttaisvoimia Sädesuhde r i /r o 0.53 Hydrostaattinen tasapaino q=0.729

20 20 Mittaustuloksia 15 m] thickness [u film 10 K1 5 K2 K3 Av Min time [s] Paine vaikuttaa kalvon paksuuteen huomattavasti kulman muutosta enemmän Onko muutos todellinen vai kengän muutoksista johtuvaa? Paine kasvaa -> vuoto kasvaa (vaatii lisää mittauksia) Teräskengän muodonmuutoksista on tutkimuksia Cubic fitting, 10 MPa 0 deg 10 deg Kitkakerroin teräksen ja PEEK:in välillä on noin 0.1 vesivoidellussa tilanteessa Mitattu kitkakerroin on huomattavasti pienempi Hydrostaattinen laakerointi Vesikalvo friction coefficient [- ] rpm

21 21 Materiaalitutkimus (TTY/MOL)

22 22 Tribologiatutkimus (TKK/Koneensuunnittelu) Kulumistutkimukset Sylinterien tiivistys ja kitkatutkimus Elementtimenetelmän t l soveltaminen pumpun liukukengän vuotojen, painekenttien ja jännitysten t laskentaan

23 23 Liikealusta ja työkonesimulaattori Tutkimuskohteena venttiilien ominaisuudet, säätöalgoritmit ja sylinterien synkronointi Hydrauliikka 6 SSH AQ70S 40/ sylinteriä 6 proportionaaliventtiiliä Fenner-koneikko, 90 l / min, 140 bar Mekaniikka on valmistettu itse Ohjausmalli tehty Simulinkillä Ohjaus xpc Targetin välityksellä Grafiikka OGRElla Monitori Kypäränäyttö

24 KITARA-projekti: Vesihydrauliset mobilekoneet ja niiden älykäs kunnonvalvonta Akateemisia tuloksia 24 2 väitöskirjaa (+2 valmisteilla) 3 diplomityötä (+2 valmisteilla) 19 konferenssiesitelmää Lehtiartikkeleita Seminaariesitelmiä Tavoitteena soveltaa projektissa hankittua tietämystä esim. kevyiden vesihydrauliikkaa hyödyntävien työkoneiden kehityshankkeissa.

25 25 Purdue University, USA

26 26 KIITOS! Professori Kari T. Koskinen Tampere teknillinen yliopisto (TTY) Hydrauliikan ja automatiikan laitos (IHA)