Sähköistetyn kaivoskoneen työhydrauliikan hyötysuhteen parantaminen

Abstract

Tässä diplomityössä pyritään kehittämään sähköistetyn kaivoskoneen työhydrauliikan hyötysuhdetta hydraulipumpun ja sitä pyörittävän moottorin ohjausstrategian kehittämisellä. Ohjausstrategian tavoitteena on saada energiasäästöjä, minkä avulla voidaan kasvattaa sähkökäytön toiminta-aikaa. Työ tehdään osana EU-rahoitteista MasterMine-hanketta, jonka yhtenä osa-alueena sähköistetään kaivoskone. Sähköistettävä kaivoskone on rusnauskäyttöön varusteltu jäykkäpuominen kaivinkone säätötilavuuksisella hydraulipumpulla. Ohjausstrategia rakennetaan retrofit-ajatusta noudattaen hyödyntämällä mahdollisimman paljon koneen alkuperäistä järjestelmää ja komponentteja ohjaukseen tarvittavien parametrien saamiseksi ja toimintojen toteuttamiseksi. Työn tuloksena on hydraulipumpun kierroslukuohjaus. Kierroslukuohjauksella pyritään tuottamaan hydraulipumpulla pyydetty tilavuusvirta mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella säätämällä sitä pyörittävän sähkömoottorin kierroslukua. Ohjausstrategian toimivuus pyritään osoittamaan simulointiohjelman avulla. Työn tuloksia verrataan alkuperäisen järjestelmän parametreilla simuloituun vertailusimulointiin. Simulointiparametrien tiedot on tallennettu vastaavan kaivoskoneen CAN-väylän datakeruulla varsinaisessa työkäytössä. CAN-väylädataa analysoitiin ja niiden perusteella simulointiin luotiin kuormituskäyrät sekä kerättiin simulointiin muita parametritietoja. Ohjausstrategian onnistumista arvioidaan hyötysuhteen kehityksen sekä energiansäästön suhteen. Ohjausstrategian avulla hydraulipumpun hyötysuhde kasvoi yli 7 % ja energiankulutus väheni yli 8 %.

Lisäksi työssä kerrotaan erilaisista työkoneiden sähköisistä voimansiirtojärjestelmistä sekä esitellään työssä käsiteltävä kone ja sen työhydrauliikkajärjestelmää.

This thesis aims to improve the efficiency of the work hydraulics of an electrified mining machine by developing a control strategy for a hydraulic pump and the motor that drives it. The goal of the control strategy is to achieve energy savings, which can extend the operating time of the electric drive. The work is part of the EU-funded MasterMine project, one aspect of which involves electrifying a mining machine. The machine being electrified is a stiff-boom excavator equipped with a variable displacement hydraulic pump for crushing operations. The control strategy is developed following a retrofit approach, utilizing as much of the machine’s original system and components as possible to obtain the necessary parameters and implement the functions. The result of this work is the rotational speed control of the hydraulic pump. The aim of the speed control is to produce the required volumetric flow with the hydraulic pump as efficiently as possible by adjusting the rotational speed of the electric motor driving it. The effectiveness of the control strategy is demonstrated using simulation software. The results of the work are compared to a baseline simulation using the parameters of the original system. The simulation parameters are based on data collected from the CAN bus of a similar mining machine in actual operation. The CAN bus data was analyzed, and based on this, load curves were created for the simulation, along with other parameter data needed for the simulation. The success of the control strategy is evaluated in terms of efficiency improvement and energy savings. With the control strategy, the efficiency of the hydraulic pump increased by over 7%, and energy consumption decreased by over 8%.

Additionally, the thesis discusses various electric power transmission systems for work machines and presents the machine in question and its work hydraulic system.