Energieffektiv hydraulik – Systemlösningar för förlustminimering

Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
Energieffektiv hydraulik – Systemlösningar för
förlustminimering
Karl-Erik Rydberg
Fluida och mekatroniska system, Inst. för ekonomisk och industriell utveckling, Linköpings universitet
E-mail: [email protected]
Sammanfattning
Utvecklingen av hydrauliska komponenter och systemkoncept har de senaste decennierna haft ett tydligt fokus
på energieffektivitet och styrbarhet. Med dagens komponenter, såsom elektriskt styrda pumpar, motorer och
ventiler samt elektroniska styrsystem har hydraul-teknikens flexibilitet väsentligt ökats, vilket gett unika
möjligheter att bygga energieffektiva hydraulsystem med god styrbarhet. Implementeringen av energieffektiva
system är dock inte enkel, eftersom det krävs att systemkonceptet noggrant matchas mot maskinens/fordonets
primärdrivkälla, arbetscykel och prestandakrav samt att hydrauliken integreras med systemets mekaniska
enheter så att friktionsförlusterna minimeras.
I denna artikel analyseras några systemlösningar för mobila och industriella applikationer med avseende på
deras energibesparingspotential. Konventionella system jämförs med energieffektiva system och både
ventilstyrda och pumpstyrda mobila system studeras. Industriella systemlösningar diskuteras, speciellt den
energibesparingspotential som moderna försörjningsenheter erbjuder. Användning av ackumulatorer för
energilagring och energiåtervinning samt hydraulvätskans inverkan på systemverkningsgraden, är ytterligare
exempel på områden som behandlas. Analyserna visar att ett flertal applikationer har en energibesparings–
potential på 20 – 50 %, jämfört med konventionella systemlösningar. I vissa industrisystem kan försörjningsenheter med varvtalsreglerade fasta pumpar och ackumulatorbatteri ge energibesparingar på upp till 80 %.
Nyckelord: Energieffektiva hydraulsystem, Systemförluster, Varvtalsreglerade pumpar, Ventilkoncept,
Ackumulatorer, Hydraulvätskor.
1. Inledning
tillämpningar där man lyckats att radikalt minska
förlusterna och därmed minimera energi–
förbrukningen.
Energieffektiv hydraulik har utvecklats under ett
flertal decennier. Nya komponenter och system–
koncept har ständigt sett dagens ljus. Styrning av
pumpar, motorer och ventiler sker idag oftast med
elektriska signaler, vilket har bidragit till en stark
utveckling av digitala styrsystem. Denna utveckling
har gett den hydrauliska systemtekniken en kraftigt
ökad flexibilitet och lett till unika systemlösningar.
Fortfarande finns det dock relativt få praktiska
För optimal energireduktion krävs att samtliga
förluster, flödes-, tryck- och mekaniska förluster
minimeras. Används ackumulatorer för energilagring
och återvinning måste även ackumulatorns termiska
förluster beaktas. En förutsättning för att kunna
uppnå en potentiell förlustminimering är att
systemkonceptet och komponentvalet är väl anpassat
till arbetsuppgiften.
1
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
För att minimera energiförbrukningen hos ett
hydraulsystem krävs en kartläggning av de ingående
komponenternas förlustbidrag. Energieffektivitet
handlar inte enbart om att minimera komponent–
förlusterna, utan också om att realisera ett
systemkoncept som minimerar pumpens energi–
förbrukning vid till exempel lastsänkning.
!v =
1+ ! q ! ! p
(1+ ! q ) ! (1+ "pLS / pL1 )
(1)
där κq = qL2/qL1 och κp = pL2/pL1. Högsta lasttrycket
är pL1.
De relativa ventilförlusterna i % redovisas i Fig. 2.
2. Mobila ventilstyrda system
Arbetshydrauliken i tunga fordon och arbetsmaskiner
utgörs nästan undantagslöst av ventilstyrda system.
En väsentlig fördel med ventilstyrning är att en pump
kan användas för samtidig drivning av flera laster.
Den största nackdelen är betydande ventilförluster,
speciellt vid stora skillnader i lasttryck hos lasterna.
Fig. 2: Ventilförluster s f a lastflödesförhållande, med lasttryckförhållande, ΔpLS och max lasttryck som parametrar.
2.1 Förlustanalys - ventilstyrda system
Samtidig drivning av två lyftlaster, system enl. Fig. 1.
Figur 1 visar de dominerande förlusterna i ett mobilt
lastkännande hydraulsystem med variabel pump.
Applikationen är ett lyftaggregat, till ex en lastbils–
kran.
Figuren visar att för lasttryckdifferensen ΔpLS=25 bar
varierar ventilförlusterna från 11% till 46%, vilket
ger ett medelvärde på 28%. För ΔpLS=10 bar blir
ventilförlusternas medelvärde 22%. En sänkning av
ΔpLS från 25 till 10 bar ger således en energi–
besparing på ca 6% vid samtidig drivning av två
lyftlaster.
Appliceras teorin på ett verkligt system, en
vikarmskran, HIAB 07, erhålls för en typisk
lyftrörelse det resultat som redovisas i Fig. 3.
Fig. 1: Dominerande förluster i ventilstyrt hydraulsystem.
Av figuren framgår att systemets verkningsgrad för
lyftlaster har ett medelvärde på ca 35%. För en
komplett arbetscykel med tomgångsförluster blir
energieffektiviteten väsentligt lägre, ca 20%.
En analys av ventilförlusterna hos systemet i Fig. 1,
vid samtidig drivning av två lyftlaster, visar att
förlusterna beror av förhållandet mellan de två
lastflödena, lasttryckförhållandet, högsta lasttrycket
samt lasttryckdifferensen, ΔpLS (=pp–pLmax). Ventilverkningsgraden kan uttryckas enligt sambandet,
Fig. 3: Cylindertryck och ventilförluster för vertikal lyftrörelse
med vikarmskran.
En intressant iakttagelse i figur 3 är att kranens
cylindrar är dimensionerade så att lasttrycken (pL1,
2
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
pL2) är tämligen lika, oberoende av lyfthöjd. Ökas
vipparmens utskjut ytterligare minskar avståndet
mellan lasttrycken. Effekten av kranens dimen–
sionering är således att ventilförlusterna minimeras
vid samtidig drivning av de två lyftlasterna.
2.2 Förlustminimering
hydraulsystem
i
mobila
ventilstyrda
Minskad lasttryckdifferens. För det i figur 1
beskrivna
systemet
finns
en
betydande
energibesparingspotential. Elektronisk styrning av
pump och manöverventiler, genom så kallad
flödesmatchning innebär att skillnaden mellan
pumptryck och högsta lasttrycket kan minskas från
25 bar till ca 10 bar. Ett systemkoncept som utnyttjar
denna teknik är Bosch Rexroth’s Electrohydraulic
Flow Matching (EFM) system, se Fig. 4.
Fig. 5: Ventil-koncept med sänkavlastningsfunktion.
I applikationer som kräver cylindermonterade last–
hållningsventiler är det dock inte trivialt att realisera
sänkavlastning. Med den lasthållningsventil som Bo
Andersson presenterade 2009, se referens [1], erhålls
helt hydraul-mekanisk sänkavlastning, vilket innebär
att konventionella manöverventiler kan användas och
lasthållningsventilen kräver ingen separat styr–
ledning. Ventil-konceptet och dess inverkan på
pumpeffekten redovisas i Fig. 6.
Fig. 4: Electrohydraulic Flow Matching (EFM), Bosch Rexroth.
För hydrauliskt styrda lyftaggregat uppges detta
system ge en energibesparing på 10-15% för en
typisk arbetscykel. Alltså ett högre värde än det som
fås för enbart lyftrörelsen, enligt figur 2.
Fig. 6: Reducerad pumpeffekt med sänkavlastande last–
hållningsventil för styrning av lastbilskran, [1].
Mikael Axin, referens [2], har studerat olika ventil–
koncept för energieffektivisering. Med en speciell
typ av tryckkompensator till varje manöverventil
kommer dessa att fungera som flödesdelare och
lasttryckdifferensen kan minskas till ca 10 bar.
Exempel på en sådan systemlösning visas i Fig. 7.
Sänkavlastning är ett synnerligen effektiv sätt att
minska energiförbrukningen i alla typer av
hydrauliskt styrda lyft-system. Införs ventil–
funktioner för sänkavlastning, alltså att lastsänkning
sker utan tillförsel av pumpflöde, kan pumpens
energiförbrukning minskas med ytterligare 15-25%
vid en typisk arbetscykel för en lastbilskran.
Kompletteras ventilsystemet i figur 7 med
lasthållningsventilen, 3G-LHV, [1] bör energi–
besparingen uppgå till 20-30% för en typisk kran–
applikation.
Sänkavlastning implementeras primärt genom att
separera manöverventilernas meter-in och meter-out
strypningar. Exempel på sådana ventil-koncept
redovisas i Fig. 5.
3
ure build up [31]. A review of solutions to the flow matching problem in
flow control systems using traditional compensators has been made by
Djurovic3.inTHE
[32]. 3G LHV CONCEPT.
3.2.2 3.1
Flow
Control
using
Flow Sharing Compensators
The
3G LHV
circuit.
There are alternatives to address this flow matching problem without
The 3G LHV
conceptorissensors
a new to
circuit
arrangement
that
adding additional
components
the system.
The key
is is
to primarily developed to be used in
systems
withload
manually
operated
valves
without
implicate
the highest
pressure
into thedirectional
compensator
and thus
get the need of any additional pilot
the flowpressure
sharing behaviour
described in
section
3.1.2. The
hose or electrical
signal
between
thecompensators
directional valve and the load holding circuit.
than act as relief valves instead of reducing valves and all valve sections
med see
flödesdelande
kompensatorer
will work Flödesstyrning
against the highest load pressure,
figur 3.5. This has been
studied in, for example, [22] and [33].
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
Varvtalsreglerade fasta pumpar är betydligt bättre
energieffektivitet än deplacementreglerade, speciellt
vid del-belastning. Fig. 9 visar skillnaden i
verkningsgrad mellan en axialkolvpump med fast
deplacement och en variabel pump med samma
max-deplacement. För de i diagrammet markerade
driftpunkterna avger pumparna samma effekt och
verkningsgraden är för den varvtalsreglerade pumpen
91% och för den deplacementreglerade 85%.
3G LHV
Figure 8. The 3G LHV circuit.
Figure 3.5
Simplified schematic of a flow control system using flow
Källa:pressure
Mikael Axin:
Fluid Power
Systems
, LIU-TEK-LIC-2013:29,
sharing
compensators.
The
system for
canMobile
also beApplications
realized with
flow
Linköpings
universitet,
aprildownstream
2013.
sharing
compensators
placed
of the directional valves.
Fig. 7: Energieffektivt ventilstyrt hydraulsystem, enl. [1], [2].
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2015
Linköpings universitet, 16-17 mars
Utbalansering av egenvikt är ytterligare en metod
som ger en potentiell minskning av energi–
förbrukningen hos lyftaggregat. Tekniken har
tidigare använts i skogsmaskiner och grävmaskiner
men inte bedömts vara tillräckligt kostnadseffektiv.
För industritruckar, speciellt höglager-truckar, har
hydraulisk balansering med ackumulator gett
synnerligen goda resultat. Exempel på detta visas i
Fig. 8.
26
Fig. 9: Verkningsgrader för varvtals- respektive
deplacementreglerad axialkolv pump.
Valet av elmotor har också en betydande inverkan på
energieffektiviteten. Synkrona reluktans-motorer
(SRM) har högre verkningsgrad än konventionella
induktions-motorer (ACM), se Fig. 10.
Fig. 8: Exempel på balanseringssystem för truckar.
3. System med elmotordrivna pumpar
Hydraulpumpar som drivs av elmotorer med konstant
varvtal är fortfarande den vanligaste primärenheten
för industriella applikationer. Utvecklingen av
elmotorer och styrsystem (frekvensomriktare) har
under de senaste åren lett till dramatiska förändringar
av såväl prestanda som kostnader. Idag är därför
varvtalsreglerade elmotorer som driver pumpar med
fast deplacement den mest kostnadseffektiva
lösningen.
Fig. 10: Energieffektivitet för varvtalreglerad SR-motor
respektive AC-motor.
En applikation där potentialen hos varvtalsreglerade
pumpar med fast deplacement kan utnyttjas till fullo
är linjär-enheter. För tunga drifter är den
elektro-hydrauliska enheten (EHA) betydligt
energieffektivare än motsvarande elektro-mekaniska
enhet (EMA), vilket framgår av Fig. 11.
4
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
för det i figur 12 beskrivna systemet är 20 – 80 %
beroende på industriapplikationen. Jämfört med
konventionella system minskar kylbehovet och även
underhållet.
4. Pumpstyrda system - transmissioner
Hydrostatisk transmission i serie med en mekanisk
växellåda av ”power-shift” typ, är en vanlig typ av
drivlina i arbetsmaskiner. Fördelen med detta
koncept är enkelhet och styrbarhet. Förlusterna i en
sådan drivlina är dock relativt stora, vilket framgår
av Fig. 13.
Fig. 11: Jämförelse mellan EMA och EHA linjär-enheter.
Förutom högre verkningsgrad har EHA-enheten
lägre vikt och lägre kostnad än EMA. EHA är också
enklare att komplettera med säkerhetsfunktioner.
Försörjningsenheter för industrihydraulik är ett
annat område där användningen av varvtalsreglerade
pumpar väsentligt kan förbättra energieffektiviteten.
För konstanttrycksystem har tryckreglerade variabla
pumpar tidigare varit den vanligaste pumptypen.
Genom att byta ut sådana pumpar mot varvtals–
Fig. 13: Dominerande förluster i hydrostatisk drivlina.
reglerade fasta pumpar kan energiförbrukningen
minskas drastiskt. I Fig. 12 visas en synnerligen
Ett sätt att förbättra drivlinans energieffektivitet och
energieffektiv
försörjningsenhet
för
tunga
öka utväxlingsområdet är att integrera mekaniken
industridrifter.
med hydrostatiken så att man får en parallell
Energieffektiv försörningsenhet för industridrifter
överföring av hydrostatisk och mekanisk effekt, så
Ackumulatorbatteri
Försörjningsenhet –
kallad hydraul-mekanisk ”power-split” transmission.
Konstanttrycksystem
Den här typen av transmissioner har funnits på
för industridrifter
marknaden i många år, men först under senare tid har
man börjat utveckla mer avancerade power-split
Intermittent
Intermittent
drift
drift
transmissioner. Ett exempel på en sådan
()*+,-.#/%01-$23%043
EM
EM
EM
n
n
transmissions-typ, visas i Fig. 14.
np
p
!"#$%&' p
Frekvensomriktare
456
!"#$%&'(&)*
+,!-.!#/01&2()'/&#/3/(3*4/#)56(&)*/7&(8/
&*("9%3(":;/8<:%365&$355</:%&="*/:"93##&*9/
3*:/:"73("%&*9/6*&(>
Tankaggregat med
filtersystem och kylare
(HYDAC OXiStop)
-*/&*("9%3(":/?"[email protected]%3*"/'%"="*(#/:&%"$(/
$)*(3$(/7&(8/(8"/[email protected]&"*(/3&%>
A8&#/?"3*#/(83(/(8"/(3*4/$3*/@"/:"#&9*":/
B)%/(8"/:&BB"%"*(&35/)'"%3(&*9/=)56?"/3$(6355</
*"":":;/%":6$&*9/&(#/#&C">/A8"/'6?'/B5)7/
%3("/&#/*)(/&?')%(3*(/B)%/(8"/(3*4/:"#&9*>
A8"/B56&:/%"3$8"#/3/="%</5)7/93#/3*:/73("%/
$)*("*(>
A83*4#/()/(8"/?"[email protected]%3*";/78&$8/4""'#/(8"/
B56&:/D=3$66?/'3$4":D;/&(/&#/35#)/')##&@5"/()/
&*#(355/(8"/01&2()'/&*/"E(%"?"5</:6#(</)%/
86?&:/"*=&%)*?"*(#>
Karl-Erik Rydberg
Hydraulikdagar 2015
Linköpings universitet, 16-17 mars
+,!-./)BB"%#/(8%""/#(3*:3%:/#&C"#/B)%/3/
:&BB"%"*(&35/)'"%3(&*9/=)56?"/6'/()/FG/5&("%#>/
-::&(&)*355<;/$6#()?"%/#'"$&B&$/#)56(&)*#/
$3*/@"/%"35&#":>
Fig. 12: Energieffektiv försörjningsenhet för
0'(&)*355<;/(8"/01&2()'/$3*/@"/"H6&''":/
7&(8/%"(6%*/5&*"/B&5("%;/)BB5&*"/B&5("%;/73("%/I/)&5/
$))5"%/3*:/:&BB"%"*(/#&C"#/B)%/'&'"/I8)#"/
$)**"$(&)*>
A<'&$35/'%3$(&$35/"E3?'5"
konstanttrycksystem.
H1(7%-,)1(#1;#*#'9+-*.")&#:-%,,
69,$%8#+*$*I
,)6%/3:=3*(39"#
J"1K#-*$%I
LM=#"N8)(
O-%,,.-%I
LP=#/*>(,$*""%+#:1K%-I
<==#QR
S);;%-%($)*"#71".8%I <L3M#"
4)"#71".8%#-%+.&$)1(#$9:)&*""9#/9#*#;*&$1-#1;#<=
>(&-%*,%+#1)"#,%-7)&%#");%#+.%#$1
Tankaggregatet är försett med ett effektivt
filtersystem och kylare, vilket säkerställer lång
livslängd och minimalt underhåll. Energibesparingen
? @=#A#"%,,#1B92%(#&1($%($#*(+
? -%+.&%+#&1($*8)(*$)1(#)(2-%,,)1(#C,1")+D#")E.)+D#
2*,%1.,F#/%&*.,%#1;#&"1,%+#,9,$%8#/9#
8%8/-*(%
">9>/
!"#$%!
&'()*+,-"-)*.-,/.0!
"#$%&'()*+*,)*'
#122345,-6789:;<=-::>
-*.*/0#
123!4567839!:!;53:5<
-*.*/=>
123!4567839!:!;53:827
"#'*(#*'[email protected]@@ABC$=DAD0E
H0DLO¿OWHUV\VWHPV#K\GDFFRP
J;GGG/5&("%
G%+.&%+#(1),%#+.%#$1#-%+.&%+#&*7)$*$)1(#/9#
&1($)(.1.,#+%2*,,)(2
KGG/
5&("%#
DA%3:&(&)*35D
+,!-./01&2()'/012/
T9:)&*"#2*,#
FRQWHQW•
T9:)&*"#2*,
&1($%($I#U#L#A
Fig. 14: Hydraulmekanisk ”power-split” transmission, [3], [4].
!""#$%&'()&*"#+%$*)",#*-%#,./0%&$#$1#&'*(2%3
!"
5
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
Fördelarna med konceptet i figur 14 är hög
verkningsgrad inom ett stort varvtalsområde och att
utväxlingsområdet för överföring av max effekt kan
göras mycket stort och att enheten utgör en
komplett
”automat-växellåda”.
Den
främsta
nackdelen är att transmissionen kräver en avancerad
styrning med en synnerligen snabb deplacement–
reglering av hydraul-maskinerna.
sådant system belyses i Fig. 16.
5. Hybridsystem för tunga fordon
Fig. 16: Energiåtervinning med parallell-hybrid i lastbil.
Motivet för att använda hybriddrifter i tunga fordon
är främst att kunna lagra bromsenergi och sedan
kunna använda den energin för acceleration.
Energibesparings-potentialen hos ett hybridsystem
blir därmed starkt beroende av fordonets
hastighetsprofil. När en acceleration snabbt åtföljs av
en
retardation
(inbromsning)
uppnås
max
energibesparing. Hastighetsprofilens inverkan på
energibesparingen för en 40 tons lastbil redovisas
schematiskt i Fig. 15.
För en specifik körcykel (Urban Driving Schedule,
Fig. 16) beskrivs i figuren hur den totala broms–
energin fördelas på friktion, dieselmotor och
hydraulsystem. Av den totala bromsenergin kan
endast 51 % tas till vara av hydraulsystemet, vilket
ger en återvinningsverkningsgrad på 21 %, som är
direkt proportionell mot energibesparingen. Om de
stora friktionsförlusterna minskas så att 60 % av den
totala bromsenergin kan lagras i hydraulsystemet
skulle energibesparingen uppgå till ca 30 %.
Ovanstående exempel belyser vikten av att minimera
förlusterna i drivlinans samtliga komponenter, vilket
krävs för att kunna maximera energieffektiviteten.
En av de mest energieffektiva hybrid-drivlinor som
idag finns på marknaden är RUNWISE från Parker,
se Fig. 17.
Fig. 15: Energiåtervinningspotential s f a hastighetsprofil för
hybriddrift av tung lastbil.
Som framgår av figur 15 minskar energibesparingen
snabbt när tiden för konstantfart ökar. För att uppnå
en potentiell energibesparing hos fordon som körs
med relativt stor andel konstantfart krävs oftast en
komplett omkonstruktion av hela drivlinan.
En befintlig drivlina som kompletteras med ett
parallellt system, hydraulmaskin och ackumulator,
alltså en parallell-hybrid, ger oftast en tämligen
blygsam energibesparing, 10 – 20 %. Exempel på ett
Fig. 17: Parker’s hydraulmekaniska serie-hybrid RUNWISE.
Med RUNWISE-systemet monterat i tunga sopbilar
(40 ton) har uppmätts bränslebesparingar på upp till
50 % för en specifik körcykel. Medelvärdet för
6
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
mätningar på flera sopbilar ligger på 43 % mindre
bränsleförbrukning. Ytterligare fördelar med
hybridsystemet är att man ökat sopbilarnas produk–
tivitet och minskat underhållskostnaderna.
ackumulator (40 liters) med tidskonstanten τw = 58 s,
vid den mest fördelaktiga volymändringsderivatan
har en termisk verkningsgrad på ca 95 % när
störfrekvensen är fs = 0,01 Hz. Frekvensen ger en
period-tid på 100 s, vilket är ett ganska representativt
värde för tunga fordon.
6. Ackumulatorer och hydraulvätskor
Under senare år har det blivit allt vanligare att
använda ”lättvikts”-ackumulatorer i hybrid-system.
Sådana ackumulatorer har ett hölje i komposit–
material som ger betydligt bättre värmeisolering än
ett metall-hölje. Därmed kommer ackumulatorns
termiska tidskonstant att öka. För tidskonstanten τw =
116 s kan i figur 18 ses att verkningsgraden nu ökat
till 97 % vid frekvensen fs = 0,01 Hz. Ökad
tidskonstant har alltså en positiv inverkan på
verkningsgraden för stör-frekvenser högre än den
kritiska frekvensen. Det finns dock en nackdel
med ”lättvikts”-ackumulatorer och det är att energi–
lagringskapaciteten minskar ju mer värmeisolerande
material som omger gasen i ackumulatorn.
Några av de mest betydelsefulla maskinelementen
vid konstruktion av energieffektiva hydraulsystem är
tveklöst ackumulatorn och hydraulvätskan, [6], [7].
Det är därför av största vikt att karakteristiken hos
dessa komponenter beaktas vid system-designen.
6.1 Hydrauliska ackumulatorer
Hydrauliska ackumulatorer är förlustbehäftade och
de dominerande förlusterna är termiska, orsakade av
värmeflöde mellan gas och omgivning, [6].
Ackumulatorns
termiska
verkningsgrad
är
frekvensberoende, alltså hur snabbt en arbetscykel
(fyllning och tömning) genomlöps. Verkningsgraden
har sitt lägsta värde störfrekvensen gånger
ackumulatorns termiska tidskonstant (τw) är lika med
1,0, alltså när –
6.2 Hydraulvätskor
Hydraulvätskans fysikaliska egenskaper definieras av
dess viskositet, viskositetsindex, kompressions–
modul, densitet, smörjande egenskaper, skjuvsta–
bilitet, livslängd mm. De ur förlustsynpunkt
viktigaste vätskeparametrarna är viskositet och
viskositetsindex. Hydraulvätskans livslängd bestäms
främst av dess stabilitet. Speciellt skjuvstabiliteten är
viktig eftersom den påverkar filmuppbyggnaden i
tätspalter (smörjförmågan) samt läckflöde och
tryckförluster i systemet.
ωs[rad/s]*τw[s] = 1,0
eller fs[Hz]*2π*τw[s] = 1,0
Diagrammet i Fig. 18 visar verkningsgradens
frekvensberoende men även hur de termiska
förlusterna påverkas av hur snabbt ackumulatorns
vätskevolym ändras (volymändringens tidsderivata)
samt ”hålltiden” mellan fyllning och tömning.
Hydrauliska ackumulatorer - Karakteristik
Termisk verkningsgrad för ackumulator
(V
V0 =
p1
p0
1/ n
&p #
1 ' $$ 1 !!
% p2 "
Den parameter som i huvudsak styr förlusterna i
komponenter och ledningssystem är viskositeten, [7].
Vilken viskositet som ska väljas för att maximera
verkningsgraden hos ett hydraulsystem är en
frågeställning som inte har något enkelt svar.
Viskositetens inverkan på förlusterna beror nämligen
på de enskilda komponenternas drifttillstånd, såsom
flöde, tryck och varvtal. Dessutom måste tempera–
turens inverkan på viskositeten beaktas.
n = 1,5–2,5
Komposithölje
!w = 116 s
Metallhölje
!w = 58 s
#s [rad / s] !" w [s] = 1.0
Ökas ackumulatorns termiska tidskonstant (!w) ökar ackumulatorns cykelverknings–
grad för störfrekvenser
högre än dentidskonstantens
kritiska frekvensen (vid
min-verkningsgrad)
Fig. 18: Termiska
inverkan
på
Karl-Erik Rydberg
ackumulatorverkningsgraden.
Hydraulikdagar 2015
Linköpings universitet, 16-17 mars
Drifttillståndets inverkan på ”bästa” viskositeten för
Diagrammet visar att för en konventionell blås–
7
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 16 - 17 mars, 2015
en hydraul-pump belyses i Fig. 19.
tioner med varvtalsreglerade fasta pumpar kan ge
energibesparingar på upp till 80%.
Hydrauliska drivlinor och hybridsystem –
Hydraul-mekaniska transmissioner (power-split) ger
lägre mekaniska förluster än hydrostat-transmission i
serie med växellåda.
Ackumulatorer
och
hydraulvätskor
–
Lättvikts-ackumulatorer (komposithölje) ger högre
cykel-verkningsgrad
än
ackumulatorer
med
metallhölje för störfrekvenser som är högre än den
kritiska frekvensen (min verkningsgrad).
Hydraulvätskans viskositet vid arbetstemperatur är
avgörande för systemverkningsgraden. För att
fastställa lämplig viskositet krävs en detaljerad
analys av komponentförlusternas viskositetsberoende.
Viskositetsindex väljs för att klara komponenternas
gräns-viskositeter inom specificerat temperatur–
intervall.
Fig. 19: Pumpverkningsgrader s f a viskositet vid pumpvarvtalen
500 respektive 3000 rpm.
Figuren visar att höga pumpvarvtal kräver låg
viskositet för att maximera verkningsgraden. Det
omvända förhållandet gäller vid ökat tryck, då ska
viskositeten ökas, [7].
8. Referenser
Kraven på hydraulvätskans viskositetsindex (VI)
bestäms främst av gräns-viskositeter (min och
max-viskositet) som gäller för de i systemet ingående
komponenterna, [7]. Även förväntade variationer i
drift–temperatur och dess inverkan på viskositeten
måste beaktas.
[1] Bo R. Andersson: Energy Efficient Load Holding
7. Slutsatser
Hydromechanical
Valve. SICFP’09, Linköping, 2-4 juni 2009.
[2] Mikael Axin: Fluid Power Systems for Mobile
Applications.
LIU-TEK-LIC-2013:29,
Linköpings
universitet, april 2013.
[3] K. Pettersson: Design Automation of Complex
Tranmissions.
Lic-avhandling,
LIU-TEK-LIC-2013:54, Linköpings universitet, 2013.
Mobila ventilstyrda system – Variabel pump och
ventilsystem som medger elektronisk flödes–
matchning minimerar ventilförlusterna. Sänkav–
lastning ska kunna utnyttjas även i applikationer som
kräver
cylindermonterade
lasthållningsventiler.
Balansering av ”dödvikt” kan med fördel tillämpas i
lyftaggregat. Tillämpas alla dessa åtgärder är en
energibesparingspotential på 30-50 % möjlig att nå.
[4] L. V. Larsson, K. V. Larsson: Simulation and Testing
of Energy Efficient Hydromechanical Drivelines for
Construction Machinery. Examensarbete, LIU-IEI-TEK–
A-14/01882-SE, Linköpings universitet, 2014.
[5] K-E. Rydberg: Energy Efficient Hydraulic Hybrid
Drives. SICFP’09, June 2-4, 2009, Linköping, Sweden.
[6] K-E. Rydberg: Hydraulic Accumulators as Key
Components in Energy Efficient Mobile Systems. ICFP’05,
Industriella elmotordrivna system – Fast pump och
varvtals-reglerad elmotor (SRM) ger väsentligt bättre
energieffektivitet än deplacementreglerad pump.
Elektro-hydrauliska
linjärenheter
(EHA)
är
energieffektivare och robustare än elektro-mekaniska
(EMA). Försörjningsenheter i industriella applika–
Hangzhou, China, April 5-8, 2005.
[7] K-E. Rydberg: Hydraulic Fluid Properties and their
Impact on Energy Efficiency. SICFP’13, June 3-5, 2013,
Linköping, Sweden.
8