Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Modelování elektrohydraulických systémů těžkých strojů (část 1)

Modelování elektrohydraulických systémů těžkých strojů (část 1)

Sameer M. Prabhu, Jeff Wendlandt, John Glas, Tom Egel

Článek přibližuje problematiku návrhu elektrohydraulického manipulačního systému moderního těžkého pracovního stroje podle jeho modelu s použitím vývojových a simulačních nástrojů Matlab a Simulink.

1. Úvod

Tradiční mechanické a hydraulické systémy těžkých strojů používaných při zemních pracích nebo v zemědělství se v důsledku nových požadavků uživatelů postupem času mění na elektrohydraulické systémy. Stroje vybavené elektrohydraulickými systémy nabízejí větší efektivitu práce, větší bezpečnost a snazší údržbu, a tím také celkově menší podíl vynucených prostojů na úhrnné době života stroje.

Při návrhu moderních těžkých pracovních strojů se ve stále větší míře využívá modelování a simulace. Výrobce tak může testovat virtuální stroj a na něm kontrolovat, zda a jak jsou splněny všechny funkce požadované zadáním. Jde o postup podstatně ekonomičtější, než zkoušet reálné, fyzické prototypy. Prostředkem, který může významně zkvalitnit a zjednodušit celý takto pojatý vývojový proces, je jednotné prostředí pro společné modelování elektrických, elektronických, mechanických a hydraulických systémů Matlab – Simulink, produkt americké společnosti The MathWorks.

2. Tradiční způsob vývoje

S tím, jak se jejich konvenční mechanické a hydraulické systémy mění na elektrohydraulické, prochází konstrukce stavebních a zemědělských strojů postupně významnou změnou. Požadavky na uvedené stroje lze rozdělit do dvou základních skupin. Na jedné straně jsou požadavky na emise spalovacího motoru, které jsou stále přísnější a kde je předmětem mj. i úroveň hluku. Do druhé skupiny lze zařadit požadavky zákazníků, což jsou hlavně produktivita navrhovaného stroje, bezproblémová údržba a maximální doba provozuschopnosti stavebního stroje. Vhodně se elektrohydraulický systém může uplatnit např. při ovládání pracovní lžíce stavebního stroje určeného k manipulaci např. se zeminou, štěrkem a podobnými materiály.

K plnému využití přínosů elektroniky instalované do těžkého stavebního stroje je třeba požadavky z obou již zmíněných skupin brát při vývoji stroje v úvahu současně, nikoliv odděleně. Jako příklad zvolme kolový nakladač (obr. 1), u něhož elektrohydraulická jednotka ovládá zdvih a náklon pracovní lžíce. Obtížnost návrhu zmíněného kolového nakladače vyplývá z tzv. V-cyklu stroje, jehož charakteristický průběh je takovýto:

  • lžíce nakladače proniká do hromady např. štěrku,

  • nakladač s plnou lžící se otáčí a pojíždí k nákladnímu automobilu, přičemž se lžíce současně zvedá, aby řidič stroje do připravené korby vysypal její obsah,

  • po vysypání lžíce se nakladač otáčí a přejíždí zpět k hromadě štěrku za současného pohybu lžíce směrem dolů.

Během cyklu, který se s menšími odchylkami mnohokrát opakuje, se různě mění poloha jednotlivých ramen kloubového mechanismu způsobem odpovídajícím činnosti hydraulického systému. Při konstruování stroje je třeba brát v úvahu komplexní interakci sil působících na lžíci, které se přenášejí do jednotlivých ramen a táhel mechanismu i do prvků hydraulického systému. Výkon stroje je určen parametry těchto systémů, které se vzájemně neustále dynamicky ovlivňují, přičemž probíhající děje jsou významně nelineární. Výsledné vlastnosti elektrohydraulického systému stroje jsou do značné míry určeny vlastnostmi elektronických řídicích jednotek, které při práci stroje ovlivňují chování každého z uvedených systémů.

Tradičně jsou stroje uvažovaného typu vyvíjeny tak, že jejich jednotlivé systémy jsou navrhovány odděleně, a to včetně optimalizace jejich konstrukce. Příkladem může být jeden z klíčových parametrů hnacího systému, kterým je přenos především tlačné síly do pohonu kol. Odděleně zkonstruované systémy se v konečné fázi tradičně vypracovávaného návrhu stroje spolu propojí. Jednoduše řečeno, v hydraulickém obvodu systému vzniká síla, která působí přes hydraulický válec na mechanické ústrojí tak, že lžíce se podle potřeby pohybuje nahoru či dolů.

Analýzy prováděné při tradičním způsobu navrhování stroje jsou typicky statické s heuristikou založenou na zkušenostech, ale nikoliv na dynamice vzájemného působení jednotlivých systémů. Při tradičním způsobu vývoje tudíž závisí výkon stroje na dosažené míře optimality jeho jednotlivých systémů a jejich částí a je obtížné předem určit, jak dalece jednotlivé návrhové parametry ovlivní výslednou výkonnost kolového nakladače. Tradiční způsob, jak zajistit správnou činnost stroje v dynamickém prostředí, je proto stavba fyzických prototypů navrhovaných strojů, kdy všechny hardwarové součásti systému jsou poprvé pohromadě teprve při zahájení zkoušek prototypu. Pokud stroj nepracuje podle zadaných požadavků, musí se v mechanických a hydraulických systémech prototypů udělat změny. Výsledkem jsou nárůst nákladů vynucený výrobou nových součástí a neúměrné prodlužování doby potřebné na vývoj.

3. Návrh s použitím modelu

3.1 Přednosti metody
Aby se vyhnuli uvedeným problémům, měli by výrobci strojů, resp. jejich vývojová oddělení, co nejvíce využívat modelování a simulaci. Mnozí z nich k simulování mechanických nebo hydraulických systémů využívají svoje vlastní programové produkty. Většinou jde o specializované programy určené pro jednu oblast (mechanismy, hydraulika atd.), které často nemají vazbu na ostatní vývojový software. Program pro návrh hydraulického systému převážně nelze použít znovu při návrhu propojeného mechanického systému apod. Při přenosu dat mezi oběma systémy mohou vznikat chyby a simulací odděleného systému nelze postihnout vlivy, kterými na sebe systémy navzájem působí. Nelze tedy předem společně optimalizovat ani vybrané parametry systémů, ani výsledný výkon navrhovaného stroje.

Východiskem umožňujícím komplexní návrh stroje obsahujícího současně několik systémů odlišné fyzikální podstaty (mechanický, hydraulický a nebo elektrický) je použití společného simulační prostředí, v němž jsou k dispozici všechny parametry navrhovaných systémů, které lze optimalizovat. Přednostmi takového návrhového postupu s použitím modelu, tzv. model based design, jsou opětovná využitelnost sestaveného modelu, snadné vyhledávání chyb, možnost stanovit výkon stroje jako celku, navzájem porovnávat několik variant řešení atd. Přínos metody je i ekonomický, protože po ověření stroje v podobě modelu stačí postavit pouze jeden skutečný prototyp navrhovaného stroje.

3.2 Prostředí Matlab – Simulink
Jedním z vývojových prostředků vhodných k použití v dané oblasti je systém Matlab – Simulink od firmy The MathWorks. Programový systém Matlab je univerzální prostředí pro vědeckotechnické výpočty s účinnou grafikou a s možností vytvářet uživatelské programy úlohy v jednoduchém programovacím jazyce s množstvím ladicích nástrojů.

Program Simulink je rozsáhlá nadstavba systému Matlab, která se využívá k simulování dynamických systémů. Obsahuje několik knihoven s různými typy bloků pro spojité, diskrétní a hybridní systémy. Spolu se základními bloky lze využít také specializované knihovny. Pro navrhování mechanických systémů je určena nadstavba SimMechanics, obsahující bloky tuhých těles, kloubů, prizmatických vedení, senzorů atd. Obdobně pro modelování hydraulických systémů se volí nadstavba SimHydraulics, další specializovaná knihovna bloků určená pro práci v prostředí Simulink.

4. Hlavní systémy stroje a nástroje k jejich modelování

4.1 Elektrohydraulický systém lžíce
Navrhovaný systém, v daném případě uchycení lžíce nakladače, tvoří mechanismus složený z pák a otočných kloubů, který je spojen na jedné straně s tělem nakladače a na druhé s jeho lžící. Mechanismus má dva stupně volnosti a je ovládán dvěma hydraulickými válci – jeden lžíci zvedá a druhý ovládá její náklon. Na výstupu hydraulického čerpadla poháněného motorem jsou ventily regulující zvedání a náklon lžíce. Řidič ovládá pohyby mechanismu pákami z kabiny nakladače. Páky jsou spojeny s elektronickým řídicím modulem obsahujícím algoritmus, který vyhodnocuje povely a ovládá hydraulické čerpadlo a řídicí ventily tak, aby se celý mechanismus zakončený lžící pohyboval podle požadavků řidiče. Elektromechanický systém ovládání lžíce uvažovaného kolového nakladače je schematicky znázorněn na obr. 2.

4.2 Mechanický systém lžíce
Na kolovém nakladači je použito mnoho navzájem spojených ramen, která tvoří známé tzv. Z-vahadlo (Z-bar). Uspořádání mechanismu je jednoduché při schopnosti přenášet velké síly. Znázorňuje je obr. 3. Hlavními částmi Z-vahadla jsou zvedací rameno s ovládacím hydraulickým válcem, otočně ukotveným k rameni v bodě K, a páka pro natáčení lžíce s příslušným hydraulickým válcem, jež je spojena s ramenem. Vzájemná spojení zajišťuje celkem devět otočných spojů, přičemž celý systém lžíce je spojen s tělem nakladače v otočných bodech A a Y.

4.3 Nástroje k modelování
Pro modelování mechanismu a hydraulických částí je dále použito společné programové prostředí Simulink spolu s dalšími nástroji pro modelování fyzických systémů. Jde o produkty umožňující vytvářet modely odrážející fyzikální podstatu systémů s využitím grafického jazyka založeného na propojování a parametrizaci formou grafických bloků. Navzájem propojenými simulačními produkty jsou v daném případě nástroje SimDriveline, SimHydraulics, SimMechanics a SimPowerSystems. Každý z těchto produktů má rozhraní, které ho propojuje s ostatními prostřednictvím signálů, senzorů, akčních členů a zdrojů.

Dynamický model Z-vahadla je vytvořen s použitím dosud méně známého nástroje SimMechanics. V tomto prostředí uživatel může prostřednictvím bloků, v nichž vymezuje tuhá tělesa a otočné spoje, modelovat i prostorové (3D) mechanické systémy. Do bloků je třeba zadat hmotnost jednotlivých částí, hmotové momenty setrvačnosti a souřadnicové systémy. Klouby umožňují vzájemný pohyb mezi tělesy. Jejich různé druhy jsou předem připraveny v knihovnách bloků. Hmotové informace a rozměry týkající se Z-vahadla lze do bloků nástroje SimMechanics dodat ze systému CAD. Pohon kloubového mechanismu mohou zajišťovat namodelované senzory a akční členy ve spolupráci s bloky z prostředí Simulink.

(dokončení v příštím čísle)

Obr. 1. Kolový nakladač
Obr. 2. Schéma elektromechanického systému ovládání lžíce kolového nakladače
Obr. 3. Konstrukce uchycení lžíce kolového nakladače (Z-vahadlo)

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde