Wyzwania związane z cyfryzacją i elektryfikacją w projektowaniu maszyn mobilnych

Zobowiązanie biznesu, aby ograniczać zmiany klimatyczne, owocuje wieloma inicjatywami w różnych branżach. Kraje, branże i korporacje przyjęły plany działań, aby osiągnąć określone cele środowiskowe. Na przykład pani Pernilla Bergmark, która była wówczas głównym badaczem ds. wpływu ICT (teleinformatyki) na zrównoważony rozwój w firmie Ericsson, przedstawiła dokument zatytułowany: „Zmniejszenie globalnych emisji o połowę do 2030 r. dzięki działaniom dla klimatu i technologiom cyfrowym" na Global Climate Action Summit.

W tym artykule omówiono kluczowe zagadnienia związane z elektryfikacją i cyfryzacją w projektowaniu maszyn mobilnych. Elektryfikacja przyczynia się do zrównoważonego rozwoju branży przez zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Cyfryzacja umożliwia producentom OEM optymalizację konstrukcji i wydajności maszyn, biorąc pod uwagę ograniczenia pojemności akumulatorów w porównaniu z zawartością energii w oleju napędowym.

Zrównoważony rozwój

Organy regulacyjne na całym świecie ustanawiają bardziej rygorystyczne normy emisji w trudnych warunkach, aby osiągnąć globalne cele w zakresie zrównoważonego rozwoju. EURO VI jest obecnie najwyższym standardem regulacyjnym, który wiele krajów już spełnia. Paliwa kopalne są głównym źródłem szkodliwych emisji, co zmusza producentów OEM do poszukiwania innych źródeł paliw, aby zachować zgodność z rosnącymi normami emisji.

Niektóre alternatywy wymagają minimalnej modyfikacji maszyny, a w innych przypadkach konieczne jest zaprojektowanie jej od nowa.

Zamienniki oleju napędowego, takie jak hydrorafinowany olej roślinny (HVO100), można mieszać z olejem napędowym w celu zmniejszenia emisji bez modyfikacji maszyny. Z drugiej strony akumulatory litowo-jonowe umożliwiają całkowite odejście od paliw kopalnych przy niemal zerowej emisji. Akumulatory litowo-jonowe zajmują jednak dużo miejsca w maszynie i wymagają regularnego ładowania. Ogniwa paliwowe zasilane wodorem zapewniają korzyści płynące z elektryfikacji przy większej gęstości energii niż akumulatory litowo-jonowe.

Wodorowe ogniwa paliwowe stanowią bardziej kompaktowe rozwiązanie niż akumulatory litowo-jonowe do zasilania większych maszyn, ale istnieją wyzwania związane z przechowywaniem i dystrybucją dużych ilości wodoru.

Parker Hannifin dostarcza modułowe rozwiązania w zakresie elektryfikacji, aby zaspokoić potrzeby klientów dotyczące alternatywnych źródeł energii. Gama globalnych falowników do pojazdów GVI i globalnych silników do pojazdów GVM mają kluczowe znaczenie w kontekście następujących rozwiązań:

• Przenośne falowniki GVI mają zakres roboczy 200–800 V, a trzy modele zapewniają prąd o natężeniu odpowiednio 360 A, 180 A i 108 A. Jako krytyczny element bezpieczeństwa zelektryfikowanych maszyn mobilnych falowniki GVI spełniają normy EN ISO13849 oraz ISO26262.
• Silniki mobilne GVM to silniki prądu przemiennego z magnesami trwałymi (PMAC) o zakresie roboczym dopasowanym do falowników GVI. Silniki GVM zapewniają szczytowy moment obrotowy 1430 NM, moc szczytową 409 kW i prędkość szczytową 9500 obr./min.

Cyfryzacja

Maszyny mobilne zużywają energię, ale tylko niewielka jej część przetwarzana jest na użyteczną pracę. Ważne jest, aby wiedzieć, ile energii jest zużywane podczas pracy maszyny i w jakim celu. Inżynierowie wykorzystują mapy energetyczne do analizy zużycia energii w każdej fazie cyklu roboczego. Proces ten umożliwia identyfikację strat energii i optymalizację projektu pod kątem sprawności energetycznej. Możliwe jest również zbadanie możliwości odzyskiwania energii w celu zmaksymalizowania żywotności akumulatorów w elektrycznych maszynach mobilnych.

Sercem rozwiązania cyfrowego jest mobilny system sterowania, który wykorzystuje oparte na modelu środowisko funkcyjne do łączenia szerokiej gamy czujników dyskretnych w celu realizacji rozwiązań bezpieczeństwa funkcjonalnego. Wyjście tych sterowników łączy się z urządzeniami inteligentnymi, które sterują układami elektromechanicznymi maszyny przy optymalnym zużyciu energii i w bezpiecznych granicach.

Oto niektóre z kluczowych produktów firmy Parker, które przyczyniają się do cyfryzacji maszyn mobilnych:

• Zawory mobilne VA to seria nowoczesnych zaworów o niższych stratach ciśnienia niż tradycyjne zawory z czujnikiem obciążenia, co zapewnia oszczędność energii. Inteligentne funkcje oprogramowania i pomiary indywidualne pomagają zwiększyć wydajność. Badania pokazują, że inteligentne zawory z indywidualnym pomiarem obniżają ciśnienie pompy o 11% i zmniejszają zużycie energii o 8,4% w porównaniu z tradycyjnymi zaworami z czujnikiem obciążenia przy tej samej wydajności maszyny.
• Pięć różnych modeli przenośnej pompy hydraulicznej P1M zapewnia wydatek 28–85 cm3. Wysokowydajny elektroniczny regulator wydatku dostarcza dokładnie taką ilość mocy, jaka jest potrzebna.

Synergia elektryfikacji i cyfryzacji

Elektryfikacja i cyfryzacja idą w parze przez optymalizację interakcji między układami elektromechanicznymi i hydraulicznymi. Dokładna ilość mocy potrzebna do działania funkcji hydraulicznej dostarczana jest zatem dokładnie wtedy, gdy jest potrzebna. Odzyskana energia służy do ponownego ładowania akumulatora w celu wydłużenia czasu pracy przed ponownym naładowaniem.

Każdy element zelektryfikowanej maszyny mobilnej spełnia własną funkcję. Korzyści można jednak zoptymalizować, łącząc te elementy w ujednolicony system zaprojektowany pod kątem współpracy. Na przykład skonfigurowane rozwiązanie ePump to wysoce wydajny system zawierający falownik, silnik i pompę hydrauliczną. ePump zapewnia wysoką dynamikę reakcji w szerokim zakresie sterowania prędkością i momentem obrotowym. Projektanci mogą zoptymalizować gęstość mocy w całym cyklu roboczym, a także wydajność chłodzenia cieczą w całym układzie.

Biorąc pod uwagę elastyczny układ maszyny, narzędzia programowe również mogą ułatwić projektowanie systemów. Na przykład przesyłanie energii elektrycznej jest wydajniejsze niż hydraulicznej. Dzięki temu można zastosować oddzielne silniki elektryczne na każdą oś maszyny mobilnej zamiast jednego silnika połączonego z obiema osiami.

Po oddaniu maszyny do eksploatacji sterowniki wykorzystują informacje z czujników temperatury, ciśnienia i przepływu w obwodach hydraulicznych i układzie elektrycznym, aby wygenerować zoptymalizowane dane wyjściowe sterujące silnikami elektrycznymi. Innymi słowy, cyfryzacja napędza system elektromechaniczny do obsługi hydrauliki w najbardziej energooszczędny sposób.

Partnerzy w dziedzinie elektryfikacji

Maszyny mobilne istnieją w tej samej podstawowej formie od dziesięcioleci, wykorzystując silniki wysokoprężne do napędzania pomp hydraulicznych. Przejście na elektryfikację to nowe terytorium dla wielu producentów OEM, którzy nie mają dogłębnej wiedzy na temat podzespołów ani dostępnych zasobów do zarządzania taką zmianą. W rezultacie potrzebują partnerów, którzy zapewnią niezbędną wiedzę fachową i skrócą czas wprowadzania na rynek zelektryfikowanych modeli maszyn mobilnych.

Firma Parker zajmuje się układami hydraulicznymi od 100 lat — przez ten czas zdobyliśmy specjalistyczną wiedzę w zakresie funkcjonalnego projektowania maszyn mobilnych. Gama produktów idzie w parze z doświadczeniem w projektowaniu układów, które działają jako całość, aby zapewnić cykl roboczy maszyn w wielu różnych zastosowaniach.

Rozwiązania firmy Parker obejmują wszystkie aspekty elektryfikacji i cyfryzacji maszyn mobilnych. Typowy projekt rozpoczyna się od dokładnej oceny celów klienta i wydajności istniejącej maszyny. Usługi firmy Parker obejmują prostą migrację z silników spalinowych na silniki elektryczne, a także mapowanie energii i analizę danych w celu zaprojektowania maszyny pod kątem optymalizacji zużycia energii.

Specjalistyczna wiedza firmy pochodzi z różnych branż, w tym z lotnictwa i astronautyki. Opierając się na zdobytym doświadczeniu, firma Parker opracowała modułowe elementy konstrukcyjne i uproszczone interfejsy sterowania, które można łatwo zastosować w maszynach mobilnych. W rezultacie możemy pomóc producentom OEM skrócić czas wprowadzania zelektryfikowanych maszyn na rynek.

Podsumowanie

Dążenie do osiągnięcia neutralności emisyjnej jest globalnym imperatywem, któremu poświęca się wiele uwagi w różnych branżach. Maszyny mobilne nie są wyjątkiem. Wielu producentów OEM opracowuje zelektryfikowane modele maszyn z silnikiem spalinowym.

Rozwiązania w zakresie elektryfikacji przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju, ale należy je łączyć z cyfryzacją, aby zmaksymalizować korzyści płynące z energooszczędnych projektów i skrócić czas wprowadzania na rynek.

Firma Parker ma wieloletnie doświadczenie w projektowaniu układów elektromechanicznych i hydraulicznych, a także wiedzę ekspercką w zakresie elektryfikacji i cyfryzacji udoskonalaną przez dziesięciolecia w różnych branżach.

Dzięki temu firma Parker to idealny partner we wspieraniu producentów OEM w procesie przechodzenia na elektryczne maszyny mobilne.

(gz)