Tradiční mechanické a hydraulické systémy používané při zemních pracích nebo v zemědělství se díky novým požadavkům zákazníka postupem času mění na elektrohydraulické systémy. Stroje vybavené těmito systémy jsou schopny zajistit větší efektivitu práce, bezpečnost, vytíženost stroje i snadnost údržby.
Při návrhu těchto těžkých strojů se stále více využívá modelování a simulace. Výrobce tak může testovat virtuální stroj a kontrolovat všechny jeho požadované funkce, což je podstatně ekonomičtější než zkoušet skutečné prototypy. Jednotné prostředí pro modelování elektrických, elektronických, mechanických a hydraulických systémů může podstatně ulehčit celý vývojový proces těchto strojů. V následujícím článku je uvedena implementace elektrohydraulického systému s využitím vývojových a simulačních nástrojů MATLAB a Simulink americké firmy The MathWorks.
Vývoj stavebních a zemědělských strojů prodělává postupně významnou změnu, kdy se konvenční mechanické a hydraulické systémy mění na elektrohydraulické. Požadavky na uvedené stroje lze rozdělit do dvou základních skupin. Na jedné straně jsou zde požadavky na emise spalovacího motoru, které jsou stále přísnější a v zorném poli je i úroveň hluku. Do druhé skupiny lze zařadit požadavky zákazníků, což jsou hlavně produktivita navrhovaného stroje, bezproblémová údržba a doba provozuschopnosti stavebního stroje. Příkladem pro implementaci elektrohydraulického sytému mohou být charakteristiky zvedání a náklonu lžíce těžkého stavebního stroje.
Kolový nakladač
Abychom plně využili výhody elektroniky instalované do těžkého stavebního stroje, je třeba požadavky z obou již zmíněných skupin při vývoji řešit současně, nikoliv odděleně. Příkladem takového návrhu může být kolový nakladač zeminy. Zde může elektrohydraulická jednotka ovládat například pohyb lžíce nabírající zeminu. Relativně pomalu se posouvá plná lžíce v horní poloze, tak aby náklad nepadal na zem. Pohybuje-li se lžíce blízko nad zemí ve fázi nabírání materiálu, může být její pohyb rychlejší a razantnější. Těmito rozdíly v rychlostech pohybu se cyklus při nakládání materiálu zkracuje, což zákazník ocení. Lze tedy říci, že elektronika v systémech nakladače vede k optimalizaci jeho činnosti a tím i ke zvýšení jeho výkonu. Obtížnost vývoje u již zmíněného kolového nakladače lze ukázat na tzv. V-cyklu, který lze charakterizovat následovně: lžíce nakladače proniká do hromady štěrku, s plnou lžící se nakladač otáčí a blíží se k nákladnímu automobilu. Při tom se lžíce současně zvedá, aby řidič do připravené korby vysypal náklad. Cyklus se několikrát opakuje a současně se mění poloha jednotlivých ramen kloubového mechanismu, čemuž odpovídá i činnost hydraulického systému. V popsaném procesu je třeba brát v úvahu komplexní interakci sil působících na lžíci, které se přenášejí do jednotlivých ramen a táhel mechanismu i do hydraulického systému. Výkon stroje je určen parametry těchto systémů, které se vzájemně neustále dynamicky ovlivňují a děje které zde vznikají jsou vysoce nelineární. Výsledné vlastnosti elektrohydraulického systému stroje do značné míry určují elektronické řídicí jednotky, které při práci stroje ovlivňují chování každého z uvedených systémů.
Tradiční vývojový proces u těchto strojů probíhá tak, že jednotlivé systémy jsou navrhovány odděleně včetně jejich optimalizace. Příkladem může být například jeden z klíčových parametrů hnacího systému, kterým je přenos tažné síly do pohonu kol. Oddělený vývoj systémů nakonec vede k jejich prostému propojení. Jednoduše řečeno v hydraulickém systému vzniká síla, která působí přes hydraulický válec na mechanické ústrojí tak, že lžíce se zvedá. Uvedené rozbory jsou typicky statické s heuristikou založenou na zkušenostech, ale nikoliv na dynamice vzájemného působení jednotlivých systémů. V průběhu tradičního vývojového procesu výkon stroje závisí na optimalizací jednotlivých systémů a jejich částí a je těžké předem určit, jak dalece bude výsledný výkon kolového nakladače navrhovanými parametry ovlivněn. Nejistota tohoto způsobu návrhu má také vliv na splnění požadavků zákazníka. Typický způsob, jak zajistit správnou činnost stroje v dynamickém prostředí je stavět fyzické prototypy navrhovaných strojů, kdy při zkouškách jsou poprvé pohromadě všechny hardwarové součásti systému. Pokud stroj nepracuje podle zadaných požadavků, je třeba provést změny v mechanických a hydraulických částech systémů. Výsledkem jsou zvýšené ekonomické náklady díky výrobě nových součástí a tím i neúměrné časové nároky.
Model Based-Design
Abychom se vyhnuli dříve popsaným problémům, je v zájmu vývojových oddělení stále více využívat modelování a simulaci. Řada výrobců využívá vlastní software pro simulaci mechanických nebo hydraulických systémů. Jedná se většinou o specializované programy určené pro jednu oblast (mechanismy, hydraulika, atd.) a často nemají vazbu na ostatní vývojový software. Program pro návrh hydraulického systému většinou nelze použít znovu při návrhu propojeného mechanického sytému. Při přenosu dat mezi oběma systémy mohou vznikat chyby a simulací odděleného sytému nelze postihnout vlivy, které mezi systémy vznikají. Nelze tedy ani vybrané parametry systémů společně optimalizovat a tak určit výsledný výkon navrhovaného stroje.
Schematické znázornění elektrohydraulického systému kolového nakladače
Východiskem pro komplexní návrh stroje s několika systémy najednou (mechanický, hydraulický nebo elektrický) je použití společného simulační prostředí. V tomto prostředí jsou k dispozici všechny parametry navrhovaných systémů a lze je tedy optimalizovat. Celý stroj je možné ověřit i se zahrnutím vzájemných dynamických vlivů. Výhodou návrhu pomocí Model Based-Design jeho opětovná využitelnost, snadné vyhledávání chyb a nalezení konečného výkonu stroje. Při simulaci lze vyzkoušet i několik variant řešení. Přínos metody je také ekonomický, protože po ověření modelu je třeba postavit pouze jeden skutečný prototyp navrhovaného stroje.
Konstrukce uchycení lžíce kolového nakladače, Z-vahadlo
Jedním z vývojových prostředků pro vývoj v této oblasti je sytém MATLAB-Simulink. Jedná se o produkt americké společnosti The MathWorks. Pro Model-Based Design nabízí prostředí Simulink, v jehož prostředí se celý návrh provádí. Prostředí MATLABu je univerzální prostředí pro vědeckotechnické výpočty s účinnou grafikou a s možností vytvářet uživatelské aplikace v jednoduchém programovacím jazyce s množstvím ladicích nástrojů.
Konstrukce Z-vahadla modelovaná z bloků knihovny SimMechanics
Simulink je rozsáhlá nadstavba MATLABu, která slouží k simulaci dynamických systémů. Dynamický systém představuje uživatelem vytvořené grafické schéma sestavené z aktivních bloků s nastavitelnými parametry. Takto definovaný systém lze ve stadiu návrhu simulovat v simulačním čase. Simulink obsahuje několik knihoven s různými typy bloků pro spojité, diskretní a hybridní systémy. Simulink umožňuje simulovat rozsáhlé lineární i nelineární systémy a subsystémy, k dispozici je řada parametrů usnadňujících analýzu zkoumaného modelu. Kromě základních bloků lze využít také specializované knihovny, kdy pro návrh mechanických systémů slouží nadstavba SimMechanics obsahující bloky tuhých těles, kloubů, prismatických vedení, senzorů, atd. K návrhu hydraulických systémů slouží nadstavba SimHydraulics, což je další specializovaná knihovna bloků určená pro práci v prostředí Simulinku.
Výhodou je jednotné návrhové prostředí a možnost propojení několika profesních oblastí v jediném modelu. Výsledkem je komplexní posouzení chování navrhovaného stroje. Další výhodou je ekonomická úspornost vývojového procesu, kdy pro prvotní návrh stroje není třeba vyrábět jednotlivé části mechanismu. Navíc lze model z tohoto vývojového prostředí využít při vývoji dalších strojů a v různém stádiu jejich vývojového procesu.
Další informace o produktech a cenové politice pro školství najdete na adrese firmy HUMUSOFT s.r.o. |