doktorska disertacija goran gr
TRANSCRIPT
-
SVEUILITE U RIJECI TEHNIKI FAKULTET
PRILOG ISTRAIVANJU MODELIRANJA HIDROSTATSKE TRANSMISIJE NA UMSKOM VOZILU
Doktorska disertacija
Goran Gregov
Rijeka, 2012.
-
SVEUILITE U RIJECI TEHNIKI FAKULTET
PRILOG ISTRAIVANJU MODELIRANJA HIDROSTATSKE TRANSMISIJE NA UMSKOM VOZILU
Doktorska disertacija
Goran Gregov
Mentor: Red. prof. dr. sc. Dubravka Siminiati, mag. ing. mech.
Rijeka, 2012.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
I
Predgovor
Ovom prigodom se elim zahvaliti svima koji su pomogli u izradi ove doktorske
disertacije. U prvom redu mentorici red. prof. dr. sc. Dubravki Siminiati na vodstvu i
strunom usmjeravanju, kao i na korisnim sugestijama na predloeni rukopis disertacije.
Ujedno bi se elio zahvaliti svima koju su financijski te savjetima i radom sudjelovali u
izvedbi eksperimentalnog dijela doktorske disertacije. Upravi Tehnikog fakulteta i
vodstvu Zavoda za konstruiranje u strojarstvu na neophodnoj financijskoj pomoi.
Voditelju znanstvenog projekta ''Konstrukcija i optimizacija prijenosnika snage'' red.
prof. dr. sc. Borisu Obsiegeru u sklopu kojeg su izvedena istraivanja. Dodatno bi se
zahvalio zaposlenicima tvrtke ''3.MAJ-MID''-Rijeka, na strojnoj obradi mehanike
konice, gosp. Mili Tomiu iz tvrtke ''Hansa Flex''-Zagreb, zaposlenicima tvrtke
''Hidel''-Rijeka, te tvrtkama ''Balaena''-Rijeka, ''Tibo-3.MAJ''-Rijeka i ''Hittner''-
Bjelovar.
Takoer se zahvaljujem na suradnji, doc. dr. sc. Marijanu unjaru s umarskog
fakulteta u Zagrebu, svim profesorima i asistentima s Zavoda za konstruiranje u
strojarstvu Tehnikog fakulteta u Rijeci kao i ostalim kolegama s fakulteta.
Veliku zahvalnost dugujem i svojoj obitelji, roditeljima i bratu koji su mi bili
potpora kroz kolovanje i ivot. Najveu zahvalnost dugujem svojoj djevojci Irini na
dugogodinjoj potpori i vjeri u mene u svakom ivotnom trenutku.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
II
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
III
Saetak
U ovoj doktorskoj disertaciji izraen je numeriki model i sprovedena analiza
hidrostatske transmisije za umsko vozilo tzv. skider. Poznato je da su to vozila s
ekstremno tekim uvjetima vonje po neravnom i nagnutom umskom tlu te da se danas
u skidere preteito ugrauje mehanika transmisija. Mogunost uporabe hidrostatske
transmisije temeljena je na ope poznatoj injenici o ekonominosti takvog rjeenja.
Analiza je provedena na temelju razvijenog numerikog modela uporabom metoda
bijele, crne i sive kutije. Zbog specifinosti hidrostatske transmisije, analiziranog vozila
i mogunosti kojima se raspolagalo u laboratorijskim uvjetima, metoda bijele kutije
omoguila je isto teorijski pristup. Preciznost metode crne kutije uvelike je ovisila o
laboratorijskim mjerenjima, dok je metoda sive kutije dala realne rezultate i omoguila
visok stupanj openitog pristupa rjeavanju hidrostatske transmisije. Za numeriku
analizu crne i sive kutije uporabljena je metoda umjetnih neuronskih mrea. Ispravnost
modela dokazana je na postojeem skideru s mehanikom transmisijom. Analiza je
pokazala da je za pogon hidrostatskom transmisijom na takvom skideru potrebno 40%
manje snage. Uteda energije bila bi i vea da se umjesto uljne koristi vodena
hidraulika, to je takoer dokazano. Ovim je radom dokazana opravdanost uporabe
hidrostatske transmisije ne samo zbog utede energije ve i doprinos u zatiti okolia sa
stajalita emisije tetnih plinova, zagaenja i sabijanja umskog tla. Ne manje znaajno
je i injenica da se razvijeni numeriki model moe koristi i za regulaciju hidrostatskog
sustava to na vozilu s vrlo zahtjevnom eksploatacijskom tehnologijom znai sigurnost i
komfor korisnika.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
IV
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
V
Summary
In this dissertation a numerical model was developed and analysis was carried out
on hydrostatic transmission for a forest vehicle so-called skidder. It is known that these
vehicles have extremely difficult driving conditions on uneven and sloping forest terrain
and that nowadays mechanical transmissions are predominantly mounted in the skidder.
The possibility of apply of the hydrostatic transmissions is based on the general well-
known fact about the economy of such solutions. The analysis was carried out on the
basis of the developed numerical model using the methods of white, black and gray box.
Because of the specificity of the hydrostatic transmission, the analyzed vehicles and
opportunities which have been used in laboratory conditions, the method enabled the
white box is purely theoretical approach. The precision of black box method largely
depended on the laboratory measurements, while the gray box method gave accurate
results and provide a high level of general approach to solving the hydrostatic
transmission. For the numerical analysis with black and gray boxes the method of
artificial neural networks has been used. Validity of the approach is demonstrated on
existing skidder with mechanical transmission. The analysis has demonstrated that for
the hydrostatic drive transmission in such a skidder takes 40% less power. Energy
savings would be greater if tap water instead of oil hydraulics is used, which is also
demonstrated. This work established the validity of use of hydrostatic transmissions not
only to save energy, also contribute in protecting the environment from the standpoint
of emissions and pollution of soils. No less significant is the fact that the developed
numerical model can be used in control of the hydrostatic system that for the vehicle
with very demanding technology exploitation means safety and comfort of the user.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
VI
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
VII
Sadraj
1. Uvod .......................................................................................................................... 1
2. Problematika i cilj istraivanja ................................................................................. 6
2.1 umsko vozilo skider ......................................................................................... 6
2.1.1 Razvoj i podjela umskih vozila ................................................................. 7
2.1.2 Razvoj umskih vozila u Hrvatskoj .......................................................... 10
2.1.3 Razvoj hidrostatske transmisije na umskim vozilima ............................. 11
2.1.4 Tehniko-tehnoloke znaajke skidera ..................................................... 13
2.2 Prijenosnici snage na mobilnim pogonima ...................................................... 16
2.2.1 Prijenosnici/pretvarai snage i gibanja ..................................................... 16
2.2.2 Mehanika transmisija .............................................................................. 19
2.2.3 Hidrostatska transmisija ............................................................................ 21
2.2.4 Hidrostatsko-mehanika transmisija ......................................................... 24
2.3 Dosadanji naini modeliranja hidrostatske transmisije .................................. 27
2.4 Cilj istraivanja ................................................................................................ 37
3. Matematiki model hidrostatske transmisije ......................................................... 42
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
VIII
3.1 Jednadba dinamike tlaka ................................................................................. 42
3.2 Matematiki model hidraulike pumpe ............................................................ 47
3.3 Matematiki model hidromotora ...................................................................... 49
3.4 Matematiki model hidraulikih cijevi ............................................................. 51
4. Matematiko modeliranje nelinearnih sustava ........................................................ 53
4.1 Model bijele kutije ............................................................................................ 54
4.2 Model crne kutije .............................................................................................. 55
4.3 Model sive kutije .............................................................................................. 56
4.4 Umjetne neuronske mree ................................................................................ 57
4.4.1 Bioloki neuron .............................................................................................. 59
4.4.2 Umjetni neuron ............................................................................................... 60
4.4.3 Uenje umjetne neuronske mree .................................................................. 62
4.4.4 Vrste umjetnih neuronskih mrea .................................................................. 65
4.4.5 Vieslojna unaprijedna neuronska mrea ....................................................... 65
4.4.6 Dinamika NARX neuronska mrea .............................................................. 67
5. Eksperimentalna ispitivanja ................................................................................. 71
5.1 Laboratorijski hidrauliki sustav ...................................................................... 71
5.1.1 Hidrauliki agregat .................................................................................... 72
5.1.2 Hidromotor ................................................................................................ 75
5.1.3 Mehaniko tarna konica .......................................................................... 75
5.2 Mjerna oprema .................................................................................................. 78
5.2.1 Mjerni ureaj ............................................................................................. 78
5.2.2 Osjetnik tlaka i temperature ...................................................................... 79
5.2.3 Osjetnik brzine vrtnje ................................................................................ 80
5.3 Metodologija i rezultati mjerenja ..................................................................... 81
6. Numeriko modeliranje i simulacija hidrostatske transmisije ............................... 86
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
IX
6.1 Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije na principu bijele kutije ...... 86
6.1.1 Numeriki model hidraulike pumpe ............................................................ 89
6.1.2 Numeriki model hidromotora ....................................................................... 90
6.1.3 Numeriki model hidraulikih cijevi ............................................................. 91
6.1.4 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu bijele
kutije ....................................................................................................................... 93
6.2 Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije na principu crne kutije ...... 105
6.2.1 Numeriko modeliranje crne kutije pomou vieslojne unaprijedna neuronske
mree ..................................................................................................................... 106
6.2.2 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu crne
kutije pomou vieslojne unaprijedna neuronske mree ...................................... 108
6.2.3 Numeriko modeliranje crne kutije pomou NARX dinamike neuronske
mree ..................................................................................................................... 113
6.2.4 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu crne
kutije pomou NARX dinamike neuronske mree ............................................. 113
6.3 Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije na principu sive kutije ...... 117
6.3.1 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu sive
kutije ..................................................................................................................... 120
7. Skider s hidrostatskom transmisijom .................................................................... 123
7.1 Dinamiki model optereenja skidera ............................................................. 124
7.2 Proraun optereenja skidera ECOTRAC 120V ............................................ 128
7.3 Izbor komponenata hidrostatske transmisije za skider ECOTRAC 120V ...... 134
7.4 Simulacija hidrostatske transmisije za skider ECOTRAC 120V .................... 138
8. Zakljuak .............................................................................................................. 145
9. Budua istraivanja ............................................................................................... 149
Popis literature .............................................................................................................. 154
Popis oznaka i simbola ................................................................................................. 161
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
X
Popis slika ..................................................................................................................... 165
Popis tablica .................................................................................................................. 169
ivotopis ........................................................................................................................ 170
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
1
1. Uvod
Razvitak vozila za radove u umi datira iz 50-ih godina prolog stoljea. Isprva su
to bili uglavnom adaptirani traktori kojima se drvena graa izvlaila iz ume i ukrcavala
na vozila za transport do mjesta prerade. Zbog loih radnih karakteristika adaptiranih
traktora razvijaju se specijalizirani umski zglobni traktori tzv. skideri. Rad skidera
odvija se jednim krajem tovara odignutim od tla i oslonjenim na stranji kraj vozila, dok
se drugi kraj tovara vue po tlu. Prouavanjem povijesnog razvoja te trenutnog razvoja i
proizvodnje skidera u svijetu i Republici Hrvatskoj, dolazi se do zakljuka da veina
skidera koristi mehaniku transmisiju. Glavni nedostaci mehanike transmisije su
skokovita promjena prijenosnog omjera zbog mjenjaa koji radi na principu zupastog
prijenosa, mali omjer snage po jedinici mase, slaba fleksibilnost i nemogunost
regulacije to direktno utjee na proklizavanje kotaa skidera te sabijanje umskog tla.
Sabijanje umskog tla utjee na korijenov sustav biljaka to je glavni uzrok smanjenja
rasta biljaka.
Primjena hidrostatske transmisije kod vozila omoguuje postizanje velikih snaga i
momenata s ureajima malih dimenzija. Takoer se ostvaruje kontinuirano varijabilna
transmisija unutar cijelog radnog podruja, pri emu daje najbolje prijenosne omjere
izmeu pogonskog motora i kotaa to poveava dinamike performanse i smanjuje
potronju goriva. Naglasak na toj injenici je upravo danas u vrijeme poveane skrbi o
utedi energenata te zatite okolia smanjenjem emisije tetnih plinova (CO2 i NOx).
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
2
Hidrostatskom transmisijom se mogu ostvariti veliki momenti pri malim brzinama
vrtnje to utjee na smanjenje proklizavanja kotaa skidera te rezultira manjim
sabijanjem umskog tla.
Skider je uglavnom namijenjen za vonju umskim tlom to predstavlja najvei
izazov kod konstruiranja hidrostatske transmisije iz ega proizlazi osnovna motivacija
istraivanja ove disertacije. Razlog tome je to osim nagiba koje vozilo mora svladati
postoji neravna povrinska struktura umskog tla s udubinama, izboinama i
preprekama. Zbog toga se javlja nejednoliki moment optereenja na kotaima skidera
to direktno utjee na nejednoliko optereenje hidrostatske transmisije. Kao rezultat
toga, javljaju se velike vrne vrijednosti tlaka radne tekuine to utjee na pojavu buke u
radu te oteenja komponenata to bitno smanjuje njihovu pouzdanost u radu i trajnost.
Pojava nejednolikog momenta optereenja zahtijeva izradu numerikog modela
hidrostatske transmisije kao nelinearnog sustava. Takav zahtijevan reim rada mogue
se optimirati, a numeriki model potom implementirati na elektroniki sustav za
regulaciju. Prema tome rezultati simulacije razliitih reima rada, omoguilo bi da se za
kritine reime rada s optimiranim parametrima (npr. tlak i protok) sprijee neeljeni
efekti kao to su vrni tlakovi.
Metodologija istraivanja zapoinje izradom numerikog modela koristei
poznate matematike jednadbe koje opisuje dinamiku hidrostatske transmisije tzv.
model bijele kutije. Cilj izrade ovakvoga modela je ostvariti teorijsku simulaciju
hidrostatske transmisije te dokazati prednosti i mane ovakvog modela. Nedostaci
modela bijele kutije proizlaze iz potrebe poznavanja svih parametara i veliina sustava
to je kod nelinearnih sustava kao to je hidrostatska transmisija vrlo komplicirano.
Zbog toga slijedi izrada numerikog modela hidrostatske transmisije na principu crne
kutije. Model crne kutije se promatra kao potpuno nepoznat sustav, a nepoznati
parametri modela se predviaju koristei podatke dobivene eksperimentalnim
mjerenjima. Model se predvia za odnos ulaznih i izlaznih podataka to kod modela
hidrostatske transmisije predstavlja razliku tlaka (ulazni) i brzine vrtnje (izlazni)
hidromotora. Za rjeavanje modela crne kutije hidrostatske transmisije odabire se
metoda umjetnih neuronskih mrea koja podrazumijeva kreiranje modela sposobnog da
procesuira informacije, analogno aktivnostima ovjekovog mozga. Prednost neuronskih
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
3
mrea je njihova sposobnost uenja koja im daje prirodna svojstva pri modeliranju
realnih sustava u odnosu na klasine sustave koje je potrebno programirati te velika
brzina rada i tonost. Nakon izrade numerikog modela hidrostatske transmisije na
principu bijele i crne kutije proizlazi pretpostavka da bi se njihovom kombinacijom
ostvarili bolji rezultati i realnija dinamika sustava. Kod modela sive kutije poznati e se
dijelovi modelirati na principu bijele kutije, dok e se nepoznati dijelovi modela (model
optereenja hidromotora) modelirati ili bolje reeno predviati na principu crne kutije.
Za validaciju numerikih modela hidrostatske transmisije koristiti e se
laboratorijska eksperimentalna mjerenja. Laboratorijski hidrauliki sustav sastavljen je
od hidraulikog agregata spojenog s hidromotorom preko elastinih cijevi te ventila za
ogranienje tlaka s kojim je definiran maksimalni tlak sustava. Optereenje hidromotora
se ostvaruje pomou mehaniko tarne konice, koja ima mogunost nejednolikog
koenja. Mjerna oprema se sastoji od osjetnika za mjerenje tlaka, temperature i brzine
vrtnje te mjernog ureaja. Promjena reima rada odnosno dinamike hidromotora ostvarit
e se pomou nejednolikog koenja hidromotora. Ovakvim nainom provoenja
eksperimenta eli se simulirati moment optereenja koji se javlja na kotau skidera kod
vonje neravnim umskim tlom ime se ostvaruje veza izmeu laboratorijskog
hidrostatskog sustava i stvarnog hidrostatskog sustava skidera.
Izraeni numeriki model hidrostatske transmisije e se primijeniti kod simulacije
hidrostatske transmisije skidera ECOTRAC 120V proizvoaa ''Hittner''-Bjelovar.
Skider ECOTRAC 120V ima mehaniku transmisiju te e se njegovi tehniki podaci i
radne karakteristike koristiti kod prorauna optereenja skidera. Na temelju dobivenih
rezultata predloit e se komponente hidrostatske transmisije. Nakon odabira
hidraulikih komponenti provesti e se simulacija hidrostatske transmisije s novo
dobivenim parametrima i usporediti e se dobiveni rezultati snage s eksperimentalno
izmjerenim rezultatima snage skider ECOTRAC 120V. Pretpostavilo se da bi za iste
parametre skidera hidrostatskom transmisijom bilo potrebno uloiti manje energije iz
ega proizlazi manja potronja goriva pogonskog motora i manja koliina ispunih
plinova.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
4
Rad je tematski podijeljen na devet poglavlja. Prvim poglavljem se uvodi u
problematiku umskih vozila i hidrostatske transmisije kako bi se ukazalo na motivaciju
autora za istraivanje u tom podruju.
U drugom poglavlju detaljno je opisana podjela umskih vozila te princip rada
umskog vozila skider i njegov razvitak u svijetu i Hrvatskoj. Opisane su njegove
tehniko-tehnoloke znaajke te uporaba hidrostatske transmisije na umskom vozilu. U
nastavku su opisane vrste prijenosnika snage i gibanja te princip rada od ega su se
detaljnije obradili mehaniki, hidrostatski i mehaniki-hidrostatski prijenosnici. Dane su
prednosti i nedostaci mehanike transmisije iz ega proizlazi zakljuak koritenja
hidrostatske transmisije umjesto mehanike. Hidrostatska transmisija je detaljno
opisana: njen princip rada, regulacija te ugradnja u vozila. Zbog odreenih nedostataka
hidrostatske transmisije proizlazi rjeenje kombinacije mehanike i hidrostatske
transmisije to je takoer opisano. U nastavku poglavlja je dan pregled dosadanjih
nain modeliranja hidrostatske transmisije te cilj istraivanja.
U treem poglavlju detaljno je opisan matematiki model sustava hidrostatske
transmisije. Sustav se ralanjuje na podsustave te su zasebno opisani matematiki
modeli hidraulike pumpe, hidromotora i hidraulikih cijevi.
etvrto poglavlje sadri prikaz matematikog modeliranja nelinearnih sustava.
Opisane su tri vrste modeliranja na principu bijele, crne i sive kutije. Navedene su
prednosti i nedostaci za svaki model te je opisana metoda umjetnih neuronskih mrea
koja se koristi za rjeavanje crne kutije. Dana je usporedba biolokog i umjetnog
neurona, vrste umjetnih neuronskih mrea te princip uenja mrea. U nastavku je jo
opisana vieslojna unaprijedna neuronska mrea i dinamika NARX neuronska mrea.
Peto poglavlje opisuje eksperimentalno ispitivanje u Laboratoriju za hidrauliku i
pneumatiku Tehnikog fakulteta Sveuilita u Rijeci. Opisan je princip rada
laboratorijskog sustava te koritena mjerna oprema. Na kraju poglavlja je opisana
metodologija mjerenja te su dani rezultati mjerenja.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
5
U estom poglavlju detaljno je opisan nain izrade numerikog modela
hidrostatske transmisije na principu bijele, crne i sive kutije. Koriten je programski
paket Simulink i MATLAB (programiranje neuronskih mrea). Simulacijom izraenih
numerikih modela se moe zakljuiti da se modelom bijele kutije dobivaju dobri
rezultati ali je potrebno poznavanje svih parametara sustava to nije bilo mogue. Iz te
injenice proizlazi potreba za izradom modela crne kutije koji daje bolje rezultate ali su
neki dijelovi dinamike sustava neprecizni. Zbog toga se razvija model sive kutije kojim
se eliminiraju prethodni nedostaci te se dobiva realna dinamika modela hidrostatske
transmisije.
U sedmom poglavlju napravljena je simulacija hidrostatske transmisije za skider
ECOTRAC 120V. Slijedi opis dinamikog modela optereenja skidera na temelju kojeg
se proraunavaju momenti optereenja skidera. Iz dobivenih momenta optereenja
proraunava se sustav hidrostatske transmisije te se odabiru komponente sustava.
Proveden je simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije skidera iz ega
proizlazi 40% vea snaga u odnosu na rezultate snage iz eksperimentalnih mjerenja na
skideru ECOTRAC 120V [1]. Takoer je provedena simulacija s promjenjivim
momentom optereenja kotaa i simulacija regulacije brzine vrtnje ovisno o promjeni
volumena pumpe i hidromotora.
Osmo poglavlje donosi zakljuak u kojem je dan osvrt na izraene numerike
modele hidrostatske transmisije i dobivene rezultate simulacije. U posljednje devetom
poglavlju opisani su smjerovi buduih istraivanja te su spomenute prednosti i nedostaci
vodene hidraulike. Proveden je i simulacija numerikog modela s hidrostatskom
transmisijom na skideru uporabom vode kao radne tekuine te je dokazana uteda
energije.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
6
2. Problematika i cilj istraivanja
Naslov rada ''Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije na umskom
vozilu'' odredio je problematiku istraivanja hidrostatske transmisije za vozilo koje ima
jedno od najzahtjevnijih reima rada kombiniran s brojnim ogranienjima. Cilj
istraivanja bio je izrada numerikog modela koji bi bio univerzalan pristup modeliranju
hidrostatske transmisije openito, a pri tome bio i baza za automatizaciju sustava.
2.1 umsko vozilo skider
ume su najvee prirodno bogatstvo na svijetu. ovjeku je za ivot potreban
kisik, a uma sa svojim drveem i ostalim biljkama najvei je proizvoa kisika na
svijetu. Stoga, ume zasluuju da im se posveti velika pozornost.
ovjek je vezan uz umu od samih poetaka ljudske civilizacije. uma mu je
sluila za zadovoljavanje osnovnih ivotnih potreba kao to su drvo za ogrjev i graevni
materijal. Razvoj drutvene zajednice doveo je do poveanja potreba za drvom to je
utjecalo na svijest o potrebi odravanja umskih ekosustava, poumljavanja novih
povrina i gospodarenja umama. Na osnovu navedenih potreba drutva, razvija se
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
7
umarstvo s ciljem ouvanja uma i njene ekoloke stabilnosti kao i sustavnog
organiziranja, reguliranja koritenja uma te razvoja tehnike i tehnologije izvoenja
umskih radova [1].
2.1.1 Razvoj i podjela umskih vozila
Eksploatacijom uma naziva se radni proces koji obuhvaa skup djelatnosti
vezanih za dobivanje drva. Sastoji se od sjee i izradbe te transporta drva s polufazama
privlaenja i prijevoza drva [2]. Pod privlaenjem smatra se micanje cijelih stabala ili
dijelova (deblo, drvni sortiment) od mjesta sjee i izrade do pomonog stovarita.
Privlaenje se moe izvriti na razne naine i razliitim sredstvima. U prolosti
privlaenje se obavljalo uporabom ljudske ili ivotinjske snage te koritenjem
vodotokova i sile gravitacije na nagnutim terenima. Razvoj tehnike koji je napredovao u
20. stoljeu, omoguio je razvoj mehanikih sredstava za privlaenje drva (sl. 2.1) [1].
Slika 2.1 Tehnologija privlaenja drva po tlu [1]
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
8
Mehaniziranje privlaenja drva u umama zapoinje 50-ih godina prolog stoljea
primjenom velikoserijskih poljoprivrednih traktora. U poetku su radili bez prilagodbi
za privlaenje jednostavnim prihvatnim napravama. Zbog tehnikih zahtijeva za
izvoenje radova privlaenja u umskim terenskim uvjetima, poljoprivredni traktori
dodatno se opremaju zatitnim konstrukcijama i vitlima za rad u brdskim uvjetima ili
prikolicama s dizalicama za privlaenje u proredima nizinskih predjela. Prednost
opremanja traktora vitlima je njihovo kretanje samo po traktorskim vlakama ime se
smanjuje oteenje umskog tla i mladih stabala. Traktor sa postavljenim vitlom na
stranjem kraju ne mora zauzeti poloaj uz posjeeno stablo ili izraene drvne
sortimente prilikom formiranja tovara jer radom vitla postoji mogunost privitlavanja
stabla, debla ili drvnog sortimenta od mjesta sjee i izrade do traktora na vlaci. Ovako
opremljeni poljoprivredni traktori za umske radove nazivaju se adaptirani
poljoprivredni traktori [3].
Adaptirani poljoprivredni traktori za privlaenje drvnih sortimana pokazali su
nezadovoljavajue radne karakteristike kao to su: velike dimenzije i veliki polumjer
kruga okretanja vozila, slaba uzduna stabilnost te veliko optereenje stranje osovine
pri privlaenju tovara. Poljoprivredni traktori imaju 2/3 ukupne mase praznog traktora
na stranjoj osovini to se dodatno poveava ugradnjom vitla na stranji kraj traktora.
Pri privlaenju drva, prevelika optereenja na stranjoj osovini uzrokuju poremeaj
stabilnosti adaptiranih poljoprivrednih traktora i smanjenje njihove vune sposobnosti.
Zbog navedenih nedostataka adaptiranih poljoprivrednih traktora za potrebe
privlaenja drva razvijaju se specijalizirani umski zglobni traktori skideri (eng.
skidder). Skider se prema normi ISO 6814:2000 (Machinery for forestry Mobile and
self-propelled machinery Terms, definitions and classification) definira kao umsko
zglobno samohodno vozilo za privlaenje stabala ili dijelova stabala. Rad privlaenja
drva odvija se jednim krajem tovara odignutim od tla i oslonjenim na stranji kraj
vozila, dok se drugi kraj tovara vue po tlu. Osnovne znaajke svih umskih zglobnih
traktora su zglobna konstrukcija vozila, etiri pogonska kotaa i optereenje prednje
osovine oko s 2/3 ukupne mase praznog skidera. Navedene tehnike znaajke skidera su
omoguile njihovu bolju okretljivost te bolje radne znaajke u uvjetima eksploatacije
uma.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
9
Osim opremanja umskog zglobnog traktora vitlom (eng. cable skidder) razvijaju
se i razliite konstrukcije prihvata (utovara) drva: s hvatalom okrenutim prema dolje
(eng. grapple skidder) i s hvatalom okrenutim prema gore te dizalicom za utovar drva
(eng. clam-bunk skidder) (sl. 2.1) 1. Dogradnjom dizalice i poluprikolice s tovarnim
prostorom iza zgloba nastaje forvarder (eng. forwarder). Primjenom forvardera nastaje
novi nain privlaenja drva. Za razliku od skidera koji vue drvo po tlu s jednim
odignutim krajem, kod forvardera drvo se nalazi utovareno na vozilu pa se tada govorio
o izvoenju drva [1].
Povijesni razvoj skidera zapoinje ve 1881. godine i to razvojem skidera na parni
pogon. ''Dolber i Carson Lumber Co. (Kalifornija)'', prvi patentiraju skider s parnim
pogonom, po imenu ''Gypsy''. Skider je sastavljen od vertikalnog cilindrinog kotla za
proizvodnju pare koji se zagrijavao loenjem drva pri emu je para opskrbljivala
cilindre za pokretanje kotaa skider, a drva su se privlaila pomou ueta. Razvojem
motora s unutranjim izgaranjem zapoinje njihova ugradnja i u skidere. Godine 1924.
napravljen je prvi skider s pogonom na sva etiri kotaa tzv. ''Duplex'' koji je na
stranjem kraju ima dodatno ue za pomo pri vonji u skliskim uvjetima. Godine 1943.
''Hyster'' razvija skider ''Caterpillar D7'' s vitlom za privlaenje. Prvi znaajan uspjeh
upotrebe skidera pri privlaenju drva iz ume do ceste, postigao je ''Harrison Pulpwood''
1950. godine. Prvi skider s prednjim pogonom bio je ''Blue Ox'', 1952. godine kanadske
tvrtke ''KVP'' s vitlom i ''A-frame'' konstrukcijom. Tvrtka ''Timberland Machines''
godine 1956. proizvodi skider imena ''Timberskidder''. Bio je to najpopularniji skider u
svijetu za privlaenje drva. Pokretao ga je ''Chrsyler-ov'' V8 benzinski motor s 200 KS,
a bio je vrlo efikasan za privlaenje drva na velike udaljenosti. ''Osa'' i ''Volvo''
proizvode seriju skidera, 1960. godine imena ''Little Bear'' s kabinom i hidraulikim
amortizerima. Skider ''Log All Feller'' iz 1968. godine je prvi skider koji osim
privlaenja ima funkciju sjee drva pomou pile koja je bila sastavni dio vozila dok je
model ''Timberjack 480'' iz 1990. godine prvi skider s hvatalom koji je uz hvatanje drva
mogao svladavati neke od najstrmijih terena [4]. Do 1990. godine, svi skideri su imali
mehaniku transmisiju, od kada zapoinje razvoj skidera s hidrostatskom transmisijom,
te tako nastaju skideri ''Tigercat'' i ''Morgan Silva''.
1 U daljnjem tekstu ovog rada nazivom skider e se podrazumijevati umski zglobni traktor s vitlom.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
10
Dananji najpoznatiji svjetski proizvoai skidera su: ''John Deer'', ''Tigercat
Forestry'', ''Caterpillar'', ''Franklin Equipment'', ''Allied Systems'', ''KMC'', ''Komatsu
Forest'', ''Silvatech (Morgan Skidder)'', ''Prentice'', itd.
2.1.2 Razvoj umskih vozila u Hrvatskoj
Koritenje skidera u Hrvatskoj zapoinje 1968. godine. U prigorskim i brdskim
predjelima Hrvatske za privlaenje drva prvenstveno se upotrebljavaju skideri s
kotaima opremljeni vitlom. Ve 1971. godine i prvi forvarderi ulaze u hrvatsko
umarstvo. Prema brojnosti skidera, vrijeme njihove primjene moemo podijeliti na
razdoblje intenzivnog mehaniziranja do 1986. godine te razdoblje odravanja potrebnog
broja skidera. U Hrvatskoj je 1995. godine drvo privlailo 188 adaptiranih
poljoprivrednih traktora, 270 zglobnih traktora, 23 forvardera te 43 traktora s
poluprikolicom. Danas u Hrvatskoj radi oko 300 skidera, vei dio u vlasnitvu
''Hrvatskih uma'' d.o.o Zagreb, a preostali u vlasnitvu privatnih poduzetnika [5]. Od
ukupnog broja skidera, pedesetak pripada u skupinu srednjih skidera do 5 tona. Srednji
skideri su namijenjeni za privlaenje drva iz prorednih sastojina te se odlikuju malim
dimenzijama i velikom okretljivou. Krajem 80-ih godina prolog stoljea zajednikim
radom umarskih strunjaka i znanstvenika, zapoela je konstrukcija prorednog skidera
s ciljem zamjene adaptiranih poljoprivrednih traktora prikladnim mehaniziranim
sredstvom za radove privlaenja drva. Proizvodnja domaeg prorednog skidera
ECOTRAC V zapoela je u tvornici ''Tomo Vinkovi''-Bjelovar, a nakon prestanka
proizvodnje u 90-im, obnovljena je njihova proizvodnja u tvornici ''Metalservis''-
Bjelovar, koja se danas naziva ''Hittner''-Bjelovar. ''Hittner'' danas uspjeno proizvodi
dva modela skidera: model ECOTRAC 55V ukupne mase 3,6 t koji spada u skupinu
srednjih skidera i model ECOTRAC 120V ukupne mase 7,2 t koji spada u skupinu
velikih skidera (sl. 2.2a).
U Hrvatskoj su konstruirana i proizvedena jo dva modela skidera. Tijekom 80-ih
godina u mehaniarskoj radionici tadanjeg umskog gospodarstva Vrbovsko,
proizvedeno je 10 komada skidera SILVA S-101 koji spadaju u skupinu velikih skidera.
Godine 1999. zapoinje razvoj srednjeg skidera u tvrtki ''3. MAJ TIBO''-Rijeka, kao
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
11
unaprjeenje dotadanji srednjeg skidera ECOTRAC V. Godine 2002. proizveden je
skider TIBOTRAC, a njegova sljedea generacija predstavljena je 2005. godine [6]. Uz
to TIBOTRAC je prvi hrvatski skider na biodizelsko gorivo (sl. 2.2b).
(a) (b)
Slika 2.2. Skideri ECOTRAC 120V i 55V (a) i Skider TIBOTRAC (b)
2.1.3 Razvoj hidrostatske transmisije na umskim vozilima
Danas na svjetskom tritu skidera dominiraju tri velika proizvoaa: ''John
Deere'' i ''Timerjack'' u Sjevernoj Americi te ''Caterpillar'' u Europi. Svi njihovi modeli
skidera koriste mehaniku transmisiju isto kao i skideri proizvedeni u Hrvatskoj
ECOTRAC i TIBOTRAC. Koritenje mehanike transmisije u navedenim skiderima
proizlazi iz tradicionalnog inenjerskog pristupa pri konstruiranja transmisije iako je
poznato da bolje radne karakteristike skideri postiu koritenjem hidrostatske
transmisije. Prvenstveno se to odnosi na smanjenje oteenja umskog tla, manju
potronju goriva pogonskog motora te smanjenje emisije ispunih plinova. Novi
zakonski propisi biti e izazov za skidere s mehanikom transmisijom.
Glavni nedostaci mehanike transmisije su skokovita promjena prijenosnog
omjera zbog mjenjaa koji radi na principu zupastog prijenosa te mali omjer snage po
jedinici mase. Navedeni nedostaci se mogu eliminirati koritenjem hidrostatske
transmisije pomou koje se ostvaruju velike snage/momenti s ureajima malih
dimenzija te kontinuirano varijabilna transmisija unutar cijelog radnog podruja, pri
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
12
emu pogonski motor radi u optimalnim uvjetima ime se postie manja potronja
goriva te smanjenje emisije ispunih plinova. Sljedea prednost koritenja hidrostatske
transmisije kod umskih vozila je manje proklizavanja kotaa to bitno smanjuje
sabijanje tla, a time i manje oteivanje korijenovog sustava biljaka. Arnup [7] navodi
da je kod klizanja kotaa dodirni tlak na tlo do pet puta vei nego nominalni tlak. Vee
sabijanje tla kod pojave klizanja kotaa se moe objasniti dugotrajnim djelovanjem
pritiska na istoj povrini tla. Smanjenje klizanja kotaa postie se uporabom lanaca na
kotaima, sustavom protiv proklizavanja ili pomou hidrostatske transmisije [8] pri
emu se usklauje zakretni moment i brzina vrtnje svakog kotaa. Kod hidrostatske
transmisije mogua je preciznija regulacija brzine vrtnje s obzirom na zahtijevani
moment na kotaima nego to je to sluaj kod mehanike transmisije.
Skidere s hidrostatskom transmisijom poinju razvijati dvije kanadske tvrtke. Prva
je ''Tigercat Industries of Brantfors (Ontario)'' sa svojim prvim modelom skidera 620 s
hidrostatskim pogonom na sva etiri kotaa. Model 620 pokree Cummins 6CT 8.3
dizelski motor od 215 KS s Bosch Rexroth hidrostatskim sustavom. Dananji Tigercat
skideri (sl. 2.3a) koriste hidrostatsku transmisiju s elektronikom regulacijom te na
principu hibridnih vozila akumuliraju energiju prilikom koenja [9]. Druga Kanadska
tvrtka koja se bavi razvojem skidera s hidrostatskom transmisijom je ''Morgan Silva
Com (British Columbia)'' dananjeg naziva ''International Silvatech Industries''.
Silvatech skideri koriste hidrauliku transmisiju s patentiranim raunalnim upravljanjem
(hydraulic logic box). Takvi skideri imaju pogon na sva etiri kotaa pri emu svaki
kota ima zasebnu varijabilnu hidrauliku pumpu koja opskrbljuje hidromotor to
reducira klizanje kotaa te osigurava dobar kontakt kotaa i tla pri svim vremenskim
uvjetima [10]. Osim navedenih tvrtki hidrostatska transmisija se koristi i u skiderima
tvrtke ''Kootenay Manufacturing'' te harvesterima tvrtke ''Komatsu Forest'' [11].
U Hrvatskoj se trenutno proizvode samo dva modela skidera tvrtke ''Hittner'', i to
oba s mehanikom transmisijom. Iako se u Hrvatskoj ne proizvode skideri s
hidrostatskom transmisijom, u susjednoj Sloveniji je razvijen i proizveden skider
WOODY s hidrostatskom transmisijom i daljinskim upravljanjem [12, 13].
Hidrostatskom transmisijom se upravlja pomou raunala koje omoguuje kontrolu i
regulaciju pedeset razliitih parametara. Raunalo za vrijeme vonje samostalno
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
13
kontrolira brzinu, ubrzanje i koenje skidera ovisno o broju okretaja motora i poloaju
papuice gasa to daje idealni omjer brzine i momenta optereenog skidera (sl. 2.3b).
(a) (b)
Slika 2.3. Skider Tigercat 630D (a) i Skider WOODY 110 (b)
2.1.4 Tehniko-tehnoloke znaajke skidera
Danas u svijetu postoje mnogobrojni proizvoai skidera, ali ovu obitelj vozila
moemo definirati odreenim tehnikim i konstrukcijskim znaajkama te nainom rada
koji su istovjetni za veinu tipova. Osnovni podaci o skideru su: masa vozila, dimenzije
vozila, nain upravljanja, vrsta prijenosa snage, broj i dimenzije kotaa, pritisak u
gumama i teina tovara.
Osnovna masa skidera je ukupna masa potpuno opremljenog skidera s punim
spremnikom goriva i vozaem prosjene mase od 75 kg. Konstrukcijska rjeenja su
takva da je prednja osovina skidera optereena s 2/3 ukupne mase. Takva raspodjela
mase skidera je potrebna zbog naina rada i osiguravanja dobre uzdune stabilnosti
skidera. Pri privlaenju drva, odignuti kraj tovara se oslanja na stranji dio skidera te se
dinamika optereenja prednje i stranje osovine izjednaavaju ili su vea na stranjoj
osovini, to ovisi o poloaju i veliini drva u tovaru te nagiba terena. Granini tovar koji
e skider moi privlaiti je stoga odreen doputenim optereenjem stranje osovine,
kutom uzdune stabilnosti i ostvarivom vunom silom [14].
Podvozje skidera je sastavljeno od dva odvojena okvira. Prednji dio skidera ima
ugraen prednji most s kotaima, motor, mjenja, razvodnik pogona i kabinu, sve
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
14
uvreno na prednji dio okvira podvozja. Na stranjem su okviru podvozja takoer
preko poluosovina postavljeni kotai, ali i potrebna umska nadogradnja vitlo, zatitna
daska, horizontalni i vertikalni valjci vitla (sl. 2.4). Prednji i stranji okvir su spojeni
zglobno s mogunou gibanja zgloba pomou hidraulikih cilindara samo u
horizontalnoj ravnini. Zglobom se ostvaruje lake upravljanje skiderom u terenskim
uvjetima te manji polumjer kruga okretanja ime se poboljava kretnost vozila.
Kinematika hodnog mehanizma skidera je takva da u zaokretu stranji kotai prate
prednje kotae. Poveanje bone stabilnosti skidera pri radu na nagibu ili prelaskom
preko povrinskih prepreka, omogueno je kutnim zakretanjem prednje osovine. [1].
Slika 2.4. Prikaz skidera Caterpillar 535B [15]
Pogonski dio ini motor s unutranjim izgaranjem, najee etverotaktni dizelski
motor. Sustavom transmisije (mehanika ili hidrostatska) prenosi se snaga od motora na
sve kotae pri emu se ostvaruje poveanje zakretnog momenta. Sustav mehanike
transmisije se sastoji od spojke, mjenjaa, razdjelnika pogona, diferencijala na svakoj
osovini te planetnog ili zavrnog reduktora na svakom kotau. Ovisno o masi skidera,
ugrauje se ili tarna spojka ili hidrodinamika spojka. Sustav hidrostatske transmisije se
sastoji od spojke, hidrostatskog sustava (mjenjaa) razliitih izvedbi te planetnog
reduktora na svakom kotau.
Kabina Odrivna daska
Prednji most Stranji most
Zatitna daska
Vitlo
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
15
Kabina skidera se izvodi sa zatitnom konstrukcijom (zatitni okvir i zatitna
mrea) koja u svrhu sigurnosti vozaa pri prevrtanju vozila ili udaru predmeta (grana,
trupac) mora zadovoljiti stroge kriterije odreene ISO normama. Na prednjem dijelu
vozila se nalazi odrivna daska koja slui za uhrapavanje drvnih sortimenata na
stovaritu, uklanjanje prepreka ili za popravak traktorskih vlaka. Na stranjem dijelu
skidera se ugrauje vitlo. Vitlo se odabire na osnovu potrebne nazivne vune sile i
ukupne teine vozila. Nazivna vuna sila vitla u pravilu nije vea od teine vozila.
Sputanjem u tlo stranje daske (sidrenje skidera) mogue je ostvariti vee vune sile
vitla od teine skidera. Pogon vitla moe biti mehaniki ili hidrauliki. Osnovni dijelovi
vitla su bubanj, vodilice ueta (horizontalni i vertikalni valjci ili koloture) i kuite vitla.
Zatitna daska se naziva prihvatno-zatitna daska jer se na kraju privitlavanja na njoj
prihvaaju trupci i odie se prednji kraj trupaca od tla, a pri privlaenju titi kotae i
stranje osovine skidera.
Radni ciklus skidera ini vonja od pomonog stovarita do sjeine, okretanje
vozila i vezanja tovara te privlaenje trupaca vozilom do stovarita. Skideri imaju
ogranienu primjenu jer se racionalno mogu upotrijebiti u sjeinama s velikom sjenom
gustoom. Zbog manjeg obujma tovara, skiderima je potreban vei broj turnusa za
privlaenje cjelokupnog izraenog drvnog obujma sa sjeine to bi slobodnim
kretanjem vozila dovelo do velikih oteenja tla. Prednost skidera s vitlom je da vozilo
ne treba doi do svakog izraenog sortimenta ve s odreene udaljenosti moe
privitlavati po tlu drvni sortiment do stranje zatitno-prihvatne daske. Ovom
tehnologijom rada, omogueno je kretanje skidera iskljuivo po sekundarnim umskim
prometnicama. Ta tehnologija zahtijeva dobru gustou umskih cesta kako bi se
omoguila prihvatljiva udaljenost privlaenja, ali i da izvozni pravci omoguavaju
izbjegavanje velikih nagiba terena i omoguavajui dobru nosivost tla za prolaz vozila.
Sekundarne umske prometnice se ovisno o stanju tla i terenskim uvjetima moraju
izgraditi strojevima za zemljane radove (traktorski putevi) ili nastati viekratnim
prolaskom skidera (traktorske vlake). S druge strane, kretanje skidera po traktorskim
putovima i vlakama dovodi do znatnih oteenja tla na samim vlakama uslijed velikog
broja prolazaka te gubitka proizvodne povrine i oteenja stabala uz vlaku. Oteenja
tla umske vlake se oituju u nastanku kolotraga i sabijanju tla to moe utjecati na
razvoj i rast biljaka [1].
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
16
2.2 Prijenosnici snage na mobilnim pogonima
2.2.1 Prijenosnici/pretvarai snage i gibanja
Pod pojmom prijenosnika snage prema [16] podrazumijeva se strojni sklop
izmeu pogonskog i radnog stroja sastavljen od najmanje tri lana koji obavljaju
transformaciju gibanja i energije pogonskog stroja, prilagoenih radnom stroju, a na ije
sve glavne lanove djeluju konani okretni momenti.
Pogonski strojevi su takvi strojevi koji pretvaraju jednu vrstu energije u drugu.
Tipini primjer ove grupe strojeva jesu: elektromotori vodene, plinske i parne turbine,
vjetrenjae, parni strojevi te motori s unutranjim izgaranjem. Radni strojevi su takvi
strojevi koji dobivenu snagu od pogonskih strojeva ili ivih bia pretvaraju u rad.
Tipini primjeri za ovu grupu strojeva jesu: vozila, valjaoniki stanovi, pumpe, alatni
strojevi itd. Pogonski stroj bilo koje vrste karakterizira sposobnost davanja neke snage
P, odnosno okretnog momenta T pri odreenoj kutnoj brzini tj. produkt okretnog
momenta i brzine vrtnje jest raspoloiva snaga pogonskog stroja potrebna radnom stroju
da bi odreenom brzinom obavio neki rad.
Ako je pogonski stroj motor s unutranjim izgaranjem, maksimalni je okretni
moment ogranien koliinom zraka koja se moe usisati za jedan okretaj motora da bi
pritom izgorjela odreena koliina goriva. Time je potpuno ogranien maksimalni
okretni moment za neku konstrukciju i sustav napajanja motora. Takoer je ograniena i
brzina vrtnje ovakvih strojeva. Slinom analizom moe se i kod drugih vrsta pogonskih
strojeva konstatirati ogranienost podruja veliina okretnog momenta i brzine vrtnje,
bez obzira na maksimalno raspoloivu snagu izvedene konstrukcije pogonskog stroja.
Radni strojevi s druge strana trebaju imati na raspolaganju okretni moment i brzinu
vrtnje u irokim granicama, a to im pogonski strojevi ili uope ne mogu dati ili im daju
u vrlo uskim granicama. Zbog toga proizlazi potreba ugradnje ureaja izmeu
pogonskog i radnog stroja koji bi omoguio da pogonski stroj radi u optimalno uskim
podrujima momenta i brzina, a da se ove veliine radnom stroju daju u mnogo irim
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
17
Ulazna mehanika
energija
, T
Izlazna mehanika
energija
Rotacijsko gibanje , T
Linearno gibanje
v , F
podrujima (granicama). Takve ureaje zovemo prijenosnicima snage i gibanja ili
pretvaraima (momenta i brzine) [16].
Slika 2.5. Pretvorba energije i gibanja u mehanikim prijenosnicima snage
Prijenosnici se mogu podijeliti s vie aspekata:
1. Prema nainu prijenosa okretnog momenta razlikujemo sljedee prijenosnike:
mehaniki prijenosnici kod kojih se moment prenosi mehaniki na dva osnovna
naina, trenjem i oblikom s neposrednim i posrednim dodirom pogonskog i
gonjenog lana, hidrauliki i pneumatski prijenosnici kod kojih se okretni
moment prenosi uz pomo tekuina odnosno plinova (veinom pod tlakom) i
elektrini prijenosnici kod kojih se okretni moment prenosi elektrinim putem.
2. S obzirom na promjenjivost prijenosnog omjera razlikuju se:
prijenosnici s konstantnim prijenosnim omjerom koji su konstruirani za samo
jedan prijenosni omjer i prijenosnici s promjenjivim prijenosnim omjerom gdje
se promjena prijenosnog omjera moe obavljati stupnjevano ili kontinuirano. U ovu
grupu spadaju i prijenosnici s vremenskim i stalno promjenjivim prijenosnim
omjerom, s unaprijed odreenim zakonitostima toka promjene koji mogu biti
razliiti prema nainu prijenosa okretnog momenta.
3. Prema tome dominira li prijenos snage i gibanja ili samo gibanja postoje:
prijenosnici snage i prijenosnici gibanja.
Takoer postoje i kombinirani prijenosnici (npr. kombinacija mehanikih i hidraulikih
ili mehanikih i elektrinih prijenosnika) koji se u novije vrijeme sve vie ugrauju u
hibridna vozila.
Kad se radi o prijenosnicima s konstantnim prijenosnim omjerom, gotovo
iskljuivu primjenu imaju mehaniki prijenosnici jer su ekonomski najpovoljniji, kako
pri projektiranju i proizvodnji tako i u eksploataciji. Robusni su i jednostavni za
Pretvorba
energije i gibanja
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
18
odravanje u svim uvjetima okoline. Ukoliko je nain prijenosa obodne sile oblikom
kao kod zupanih, lananih i remenskih zupastih prijenosnika, prijenosni omjer je
jednoznano odreen brojem zubi ozubljenih elemenata dok se kod remenskih i tarnih
prijenosnika sila prenosi trenjem, a prijenosni omjer ovisi o omjeru njihovih promjera.
Svi spomenuti mehaniki prijenosnici mogu se nai i u izvedbi prijenosnika s
promjenjivim prijenosnim omjerom koji za odreenu konstantnu brzinu vrtnje
pogonskog stroja opskrbljuju radni stroj razliitim brzinama vrtnje. To se odvija na dva
osnovna naina: skokovito i kontinuirano. Kada se radi o skokovitoj promjeni
prijenosnog omjera (vozila, alatni strojevi) u pravilu se radi o mehanikim
prijenosnicima, najee sa zupanicima (prijenos obodne sile oblikom). esto ih
zovemo i mjenjai. Kontinuirana promjena prijenosnog omjera postie se primjenom
mehanikih tarnih prijenosnika koji se jo zovu i varijatori, elektrinih prijenosnika te
hidraulikih (hidrostatski i hidrodinamikih) prijenosnika koji se jo esto nazivaju i
pretvaraima [16].
Hidrauliki prijenosnici razlikuju se ovisno o nainu pretvorbe energije. Tako
razlikujemo hidrostatske (volumetrike) prijenosnike koji prenose snagu putem
potencijalne energije te hidrodinamike prijenosnike koji prenose snagu putem
kinetike energije tekuine. Hidrodinamiki (hidrokinetiki) prijenosnik se sastoji od
pumpe vezane na pogonski stroj, turbine vezane na radni stroj te kuita kao reakcijskog
lana. Sva tri glavna elementa konstruktivno se nalaze u kompaktnoj izvedbi kao to je
prikazano na sl. 2.6.
Slika 2.6. Hidrodinamiki prijenosnik [17]
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
19
Hidrostatski prijenosnici (sustavi) prenose energiju posredstvom potencijalne
energije radne tekuine (promjena tlaka radne tekuine koja se ostvaruje neprestanom
promjenom volumena radnih komora hidrostatskih komponenti). Udio kinetike
energije pri tome je vrlo mali (manji od 0,5%). U daljnjem radu, analizirati e se samo
hidrostatske sustave i prijenosnike za koje se esto upotrebljava i naziv hidrauliki
sustavi odnosno hidrauliki prijenosnici [18, 19]. Takoer se pod nazivom hidrostatski
ili hidrauliki sustavi podrazumijevaju sustavi koji za radnu tekuinu koriste ulje (uljna
hidraulika).
Ugradnjom prijenosnika snage u vozila ostvaruje se optimalan rad motora s
unutranjim izgaranjem u svim reimima vonje vozila odnosno promjenom
prijenosnog omjera izmeu izlaznog vratila pogonskog motora i kotaa vozila ostvaruje
se potreban moment i brzina vrtnje na kotau uz optimalni moment i brzinu vrtnje
motora s unutranjim izgaranjem. Sustav prijenosa momenta i brzine vrtnje od
pogonskog motora na kotae vozila naziva se transmisija. Ovisno o vrsti prijenosnika
snage, razlikuju se i vrste transmisije (mehanika, hidrostatska, itd.).
2.2.2 Mehanika transmisija
Klasina mehanika transmisija sastavljen je od (sl. 2.7) mehanike spojke,
mjenjaa, pogonske osovine, razvodnika pogona i diferencijala koji slui za prijenos
momenta pogonskog motora na kotae vozila. Promjena prijenosnog omjera mjenjaa
moe biti runa ili automatska. Kod klasinog runog mjenjaa, voza odvaja pogonski
motor od mjenjaa pomou spojke pritiskom na papuicu, pomicanjem ruice mjenjaa
odabire odreeni prijenosni omjer (brzinu) te otputanjem papuice spojke opet spaja
pogonski motor i mjenja. Osim mjenjaa moment se pogonskog motora jo mijenja
pomou diferencijala i planetnih reduktora ugraenih u kotaima vozila.
Zbog mjenjaa koji radi na principu zupastog prijenosa, kod mehanike
transmisije javlja se skokovita promjena prijenosnog omjera. Ovisnost vune sile i
brzine vozila o prijenosnom omjeru mjenjaa prikazan je u dijagramu na sl. 2.8, za
osobni automobil marke Volkswagen Passat sa est stupnjeva prijenosa [20]. Iz
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
20
dijagram je vidljivo da se pri niim stupnjevima prijenosa, gdje je prijenosni omjer vei,
ostvaruju vei momenti na kotaima vozila pri manjim brzinama vozila dok se kod viih
stupnjeva prijenosa postiu vee brzina vozila i manji moment na kotaima. Vidljiva je
nemogunost postizanja konstantne krivulje vune sile i brzine vrtnje ve je potrebna
stalna promjena prijenosnog omjera to je najvei nedostatak mehanike transmisije.
Slika 2.7. Sustav mehanike transmisije skidera [1]
Slika 2.8. Vuna sila i brzina vozila u ovisnosti o prijenosnom omjeru [20]
Ako se mehanika transmisija usporedi s drugim vrstama transmisije tada ima
prednosti kao to su relativno jednostavna konstrukcija, lagano odravanje i upravljanje
te relativno nisku cijenu. Nedostaci mehanike transmisije su mali omjer snage po
jedinici mase, dimenzije su joj ograniene te ima vrlo slabu mogunost regulacije .
Brzina vozila [km/h]
Vu
na si
la [k
N]
1. Brzina
2. Brzina
3. Brzina4. Brzina
5. Brzina 6. Brzina
Sila otpora [kN]
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
21
2.2.3 Hidrostatska transmisija
Ureaji pomou kojih se prenosi snaga od pogonskog do radnog stroja, a koji rade
na principima hidrostatike zovu se hidrostatski prijenosnici. Hidrostatski prijenosnici se
koriste kod mobilnih, industrijskih i zrakoplovnih sustava gdje je potrebno ostvariti
velike snage s ureajima malih dimenzija. Ovakvi sustavi su jednostavni, imaju
pouzdanu kontrolu, fleksibilnost, izvrsne dinamike karakteristike i dobru uinkovitost
te mogunost linearnog/rotacijskog gibanja s velikim silama/momentima. Iz ovog je
vidljiva jasna prednost u odnosu na druge vrste prijenosa kao to su mehaniki ili
elektrini. Kao transmisija na vozilima hidrostatski prijenosnik ima brojne prednosti.
Promjena brzine je kontinuirana, jednostavno je upravljanje ima jednostavnu promjenu
smjera gibanja, brzina je za oba dva smjera gibanja ista, a elementi se podmazuju
pomou radne tekuine. Nadalje, postoji konstrukcijska sloboda kod slaganja
hidraulikih elemenata u prostoru jer se veza izmeu pumpe i hidromotora u kotaima
ostvaruje pomou krutih ili elastinih cijevi, bez obzira na njihov relativni poloaj.
Takoer je mogue ostvariti kontinuirano varijabilnu transmisiju (HCVT) 2 unutar
cijelog radnog podruja pri emu se ostvaruju optimalni prijenosni omjeri izmeu
pogonskog motora i kotaa to smanjuje potronju goriva i poveava dinamike
performanse. Nedostaci HCVT su neto nii stupnjevi iskoristivosti u odnosu na
mehanike prijenosnike to je posebno izraeno kod maksimalnog tlaka sustava te
minimalnog volumena hidromotora ili pumpe. Nedostaci svih hidrostatskih sustava su
kompresibilnost radne tekuine, promjena viskoziteta radne tekuine s promjenom
temperature i tlaka te visoki zahtjevi za istoom radne tekuine. Iz navedenih
nedostataka se moe zakljuiti da je veina negativnih karakteristika hidrostatskih
sustava vezana uz radnu tekuinu (ulje).
Hidrostatska transmisija se kao i svi ostali hidrostatski sustavi temelji na
Pascalovom zakonu. Kod transmisije vozila najee se koristi zatvorena izvedba
hidrostatskog sustava (hidrostatski mjenja) koji je prikazan na sl. 2.9.
2 HVCT Hydraulics Continuosly Variable Transmission
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
22
Slika 2.9. Hidrostatski mjenja [21]
Hidrostatska transmisija se uglavnom izvodi s pumpom i hidromotorom
promjenjiva protoka koji imaju mogunost promjene volumena radnih komora, a to
direktno utjee na protok radne tekuine. Iz toga slijedi i nekoliko naina regulacije
brzine vrtnje hidromotora (sl. 2.10). Prva je s promjenom volumena pumpe, druga s
promjenom volumena hidromotora, a trea s promjenom volumena i pumpe i
hidromotora. Kod regulacije brzine vrtnje hidromotora s promjenom volumena pumpe i
hidromotora, brzina se prvo poveava, poveanjem protoka kroz pumpu, a onda
smanjenjem protoka kroz hidromotor.
Slika 2.10. Regulacija brzine vrtnje hidromotora
REGULACIJA PUMPOM
REGULACIJA HIDROMOTOROM
Ap
HPP
HMT HPQ
HMn
HPQ
HPP Ap
HMT
POVEANJEM QHP SMANJENJEM QHM
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
23
Pogon kotaa vozila s hidrostatskom transmisijom konstrukcijski se moe izvesti
na nekoliko naina. Prvi nain, a ujedno i najjednostavniji je konstrukcija pumpe i
hidromotora u istom kuitu (sl. 2.11a) pri emu se pogonski moment odvodi na kotae
preko diferencijala s dodatnom redukcijom u kotaima. Drugi nain je s pumpom koja
pogoni dva hidromotora vezanih na reduktore kotaa (pogon vozila na dva kotaa), (sl.
2.11b) a trei nain je onaj koji se koristi za pogon vozila na sva etiri kotaa pri emu
pumpa pogoni hidromotore ugraene u kotae vozila s planetnim reduktorom (sl.
2.11c).
(a) (b) (c)
Slika 2.11. Izvedbe pogona kotaa vozila s hidrostatskom transmisijom
Iz navedenih konstrukcijskih varijanti pogona kotaa s hidrostatskom
transmisijom, vidljiva je kombinacija hidrostatskog prijenosnika s mehanikim
prijenosnicima. Kod hidrostatske transmisije, hidrostatski prijenosnik je skoro uvijek u
kombinaciji s nekim mehanikim prijenosnikom. Razlog tome je dodatno poveanje
prijenosnog omjera izmeu pogonskog motora i kotaa te poveanje iskoristivosti, a iz
ega proizlaze razna konstrukcijska rjeenja hidrostatsko-mehanike transmisije, to je
opisano u sljedeem poglavlju.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
24
2.2.4 Hidrostatsko-mehanika transmisija
Kod radnih vozila kao to su vozila za zemljane radove, poljoprivredna vozila,
umska vozila te industrijske i rudarske dizalice, zahtijeva se visoka produktivnost s
visokim stupnjem iskoristivosti pri irokom rasponu brzina vrtnje. Navedene kriterije
najbolje ispunjava hidrostatska transmisija pomou koje se ostvaruju veliki momenti pri
malim brzinama vrtnje te kontinuirana promjena prijenosnog omjera. Meutim, kod
veih brzina vrtnje, hidrostatska transmisija ima manji stupanj iskoristivosti zbog
viskoznog trenja, pada tlaka kroz hidraulike elemente te relativno malog momenta.
[22, 23].
U cilju poveanja ukupne uinkovitosti pri veim brzinama vrtnje razvija se
hidrostatsko-mehanika transmisija s grananjem snage (eng. Power Split Transmission
PST ili Power Split Drive). Usporedba uinkovitosti obine hidrostatske transmisije i
hidrostatsko-mehanike transmisije (PST) prikazana je u dijagramu (sl. 2.12).
Slika 2.12. Ukupna uinkovitost obine hidrostatske i PST transmisije [22]
Poveanje ukupne uinkovitosti transmisije, ostvaruje se pomou grananja snage
(momenta) kroz hidrostatski i mehaniki prijenosnik. Pri niim brzinama vrtnje snaga se
prenosi preko hidrostatskog prijenosnika zbog njegove dobre upravljivosti, a kod viih
brzina vrtnje koristi se mehaniki prijenosnik zbog njegovog velikog stupnja
iskoristivosti. Idealni prijenos snage kroz hidrostatski i mehaniki dio, hidrostatsko-
mehanike transmisije (PST) prikazan je u dijagramu (sl. 2.13).
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Stup
anj i
skor
istiv
osti
[-]
Brzina vonje v/vmax
Hidrostatska transmisija PST
2. Brzina1. Brzina
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
25
Slika 2.13. Prijenos snage kod hidrostatsko mehanike transmisije
Prema James Kress-u [24] definicija hidrostatsko-mehanike transmisije s
grananjem snage (PST) glasi: prijenosnik snage ulaznu mehaniku energiju pretvara u
mehaniku i hidrostatsku energiju koju prije izlaza iz prijenosnika zbraja i pretvara u
mehaniku energiju (sl. 2.14).
Slika 2.14. Grananje snage hidrostatskog mehanikog prijenosnika
Osnovna ideja je grananje ulazne snage u dva dijela pri emu se jedan dio prenosi
pomou varijabilnog hidrostatskog prijenosnika, a ostali dio snage pomou mehanikog
prijenosnika s konstantnim prijenosnim omjerom koji ima vei stupanj iskoristivosti
[24]. Nakon grananja, dijelovi snage se zbrajaju u diferencijalnom ili planetnom
prijenosniku. Za ulaznu brzinu in na planetnom prijenosniku se javljaju dvije brzine,
jedna je konstantna a druga je varijabilna iz ega proizlazi varijabilna izlazna brzina
out. U skladu s konstrukcijom PST samo se dio snage pretvara u hidrostatskom
prijenosniku [25] pa je ukupna uinkovitost vea od uinkovitosti samog hidrostatskog
prijenosnika [26]. Pretpostavi li se da je omjer grananja snage 70% kroz mehaniki
prijenosnik i 30% kroz hidrostatski prijenosnik s uinkovitosti mehanikog prijenosnika
Mehanika transmisija
Hidrostatska transmisija
100
Rel
ativ
na sn
aga
[%]
Brzina vozila vmax
Grananje snage
Kontinuirano varijabilni prijenosnik
Zbrajanje snage Mehanika snaga
(vratilo)
Ulazna snaga
Izlazna snaga
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
26
od 95% i uinkovitosti hidrostatskog prijenosnika od 80%, proizlazi ukupna
uinkovitost od 0,7*0,95+0,3*0,8=0,905 = 90,5%. Hidrostatsko- mehanike transmisije
s grananjem snage se moe podijeliti na tri osnovne izvedbi: Input coupled, Output
coupled, (sl. 2.15) i Bridge type. Postoje jo mnogobrojne konstrukcijske izvedbe PST
koje se razlikuju od proizvoaa do proizvoaa.
Slika 2.15. Hidrostatsko mehanika transmisija s grananjem snage (Output coupled)
Princip rada hidrostatsko-mehanike transmisije s grananjem snage, konstrukcije
izvedbe kao Output coupled, (sl. 2.15) zapoinje od pogonskog motora koji pokree
sunani zupanik planetnog prijenosa te prenosi moment na planetne zupanike spojene
s izlaznim vratilom preko vodila to predstavlja mehaniki prijenosnik. U isto vrijeme
se preko planetnih zupanika prenosi dio momenta na vijenac s unutarnjim ozubljenjem
koji pokree hidrauliku pumpu tj. hidrostatski prijenosnik. Nakon toga, slijedi zbroj
momenta preko para zupanika od kojih je manji spojen s vratilom hidromotora a vei s
izlaznim vratilom.
Hidrostatsko-mehanika transmisija s grananjem snage se poinje koristiti
devedesetih godina prolog stoljea kod poljoprivrednih traktora. Koritenjem PST
smanjuje se proklizavanje kotaa zbog kontinuirane promjene prijenosnog omjera, a
ujedno se postie i vei stupanj iskoristivosti. Godine 1995. tvrtka ''Fendt'' predstavlja
prvi veliki traktor s PST transmisijom i to model 926 Vario. Osim Fendt Vario, danas na
tritu postoje jo dva konstrukcijska rjeenja PST za standardne poljoprivredne
MOTOR
, HPHP T
, MM T , MehMeh T
, HMHM T
, 00 T
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
27
traktore. To su ''S-Matic'' CVT/CVX prijenosnik tvrtke ''Steyr'' i ''Eccom'' tvrtke ''ZF''.
Ove transmisije trenutno se ugrauju u traktore Case-IH i Case-Steyr kao i u traktore
''John Deere'' i ''Deutz-Fahr'' [27].
2.3 Dosadanji naini modeliranja hidrostatske transmisije
Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije, tema je mnogih istraivanja u
zadnja etiri desetljea. Razvijanje prvih numerikih modela hidrostatske transmisije
zapoinje kasnih etrdesetih godina prolog stoljea. U ranim sedamdesetim godinama,
osnovni model je bio izveden kao sustav u cjelini te nije postojao nain za objanjenje
dinamike pojedinanih elemenata sustava. Ovakvi modeli se mogu nai u klasinim
hidraulikim udbenicima kao to su Merritt [28] i Watton [29]. Pri tome se nisu
uzimale u obzir dvije komponente sustava, dinamika pogonskog motora (motor s
unutranjim izgaranjem) i dinamika kose ploe varijabilne hidraulike pumpe. Iako se
pogonski stroj ne smatra dijelom hidrostatske transmisije njegov utjecaj na sustav je
vrlo bitan jer oscilacije brzine pogonskog motora direktno utjeu na hidrauliku pumpu.
Razvoj numerikog modela motora s unutranjim izgaranjem zapoinje kasnih
ezdesetih godina. Feit 1966. godine razvija model dizelskog motora. Numeriki model
benzinskog motora napravljen je 1975. godine iako se znaajan doprinos razvijanju
njegovog modela dali Moskwa i Hedrich 1987. godine. Numeriki model dinamike
kose ploe pumpe prvi razvijaju Zeiger i Aker 1985. godine radi ega se mogu smatrati
pionirima tog podruja [30].
Ukljuivanje dinamike pogonskog motora i kose ploe u hidrostatsku transmisiju
tek se odnedavno koristi. Znaajan rad objavljuje Huhtala [31] 1996. godine kojim
predstavlja model hidrostatske transmisije sastavljen od dizelskog motora, varijabilne
pumpe i varijabilnog hidromotora. Za numeriki model dizelskog motora autor koristi
Feitov model koji predstavlja sustav drugog reda. Dinamika kose ploe pumpe i
hidromotora je takoer ukljuena ali kao sustav prvog reda. Osim toga, autor takoer
uzima u obzir i gubitke nastale unutarnjim i vanjskim curenjem radne tekuine. Kao i
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
28
kod tradicionalnog modela, tlak u elastinoj cijevi koja spaja pumpu i hidromotor
modelira se kao volumen s odreenim modulom elastinosti. Huhtala takoer ukljuuje
interakciju kotaa i ceste te dinamiki model vozila pri simulaciji vonje vozila.
Usporedbom rezultata simulacije i eksperimentalnih mjerenja moe se zakljuit dobro
podudaranje. Kako god, ovakav model se temelji na pojednostavljenom dinamikom
modelu koji uzima u obzir empirijski dobivene vrijednosti za odreivanje dinamike
dizelskog motora te promjenu volumena pumpe i hidromotora bez opisa ponaanja
takvog sustava.
Razvoju numerikog modela hidrostatske transmisije uvelike su pridonijeli
Manring i Luecke [32] 1998. godine koji razvijaju model hidrostatske transmisije sa
zatvorenim krunim tijekom. Model je definiran kao sustav treeg reda, a uzima u obzir
dinamiku pumpe i hidromotora te tlaka u elastinoj cijevi. Model daje bolji uvid u
dinamiku kose ploe pumpe nego Huhtalov model. Nadalje, ovakav model ne zahtijeva
empirijske vrijednosti te se gotovo svi parametri modela mogu odrediti iz geometrije
elemenata u sustavu. Meutim, model pretpostavlja konstantni broj okretaja pumpe iz
ega proizlazi da pogonski stroj ima konstantan broj okretaja bez obzira na optereenje.
Osim toga, autori ne daju nikakvu validaciju modela tako da se ne moe zakljuiti
opisuje li dobro njihov model stvarni sustav hidrostatske transmisije.
Daljnjem istraivanju hidrostatske transmisije doprinose Prasetiawan [30] 2001.
godine sa Sveuilita u Illinoisu (SAD) te Lennevi [33] sa Sveuilita Linkping
(vedska). Istraivanja na Sveuilitu u Illinoisu [34, 35, 36] i Linkpingu [37, 38]
rezultirala su mnogim disertacijama i znanstvenim radovima. Laboratorij u Illinoisu
razvija simulator transmisije vozila za zemljane radove (eng. Earthmoving Vehicle
Powertrain Simulator - EVPS). EVPS je sastavljen od elektromotora koji predstavlja
pogonski stroj te od tri hidromotora (sl. 2.16). Varijabilna hidraulika pumpa
opskrbljuje hidromotore konstantnog volumena pri emu su izmeu pumpe i
hidromotora ugraeni ventili za regulaciju protoka. Optereenje hidromotora simulira
hidraulika pumpa koja tlai radnu tekuinu kroz tlani ventil, pa se njegovom
regulacijom postie promjena optereenja. Dobra poklapanja rezultata i simulacije
eksperimentalnih mjerenja dobivenih Prasetiawanovim modelom prikazana su na sl.
2.17.
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
29
Slina laboratorijska istraivanja provedena su i na Sveuilitu Linkping. Razlika
je u tome to se koristi varijabilni hidromotor umjesto tri fiksna hidromotora kao u
opisanom sluaju. Elektromotor je takoer pogonski stroj koji pomou servo-ventila
simulira rad dizelskog motora dok je hidromotor spojen na simulator optereenja.
(a) (b)
Slika 2.16. Shematski prikaz EVPS-a (a) i laboratorijski simulator EVPS-a (b) [30]
Slika 2.17. Usporedba simulacijskih rezultat i eksperimentalnih mjerenja prema
Prasetiawanovom modelu hidrostatske transmisije [30]
Numerikim modeliranjem hidrostatske transmisije jo se bavi Jedrzykiewicz [39,
40] koji razvija numeriki model u programu Simulink koristei osnovne matematike
jednadbe koje opisuju hidrostatsku transmisiju. Lauvli i Lund [41], 2010. godine u
svom magistarskom radu (Sveuilite Agder) simuliraju rad hidrostatske transmisije
koristei komercijalne programske pakete SimulationX i SimHydraulics te razvijaju
vlastiti numeriki model u Simulinku. Eksperimentalna mjerenja su provedena na
Hidromotor
Pumpa
EM
Optereenje
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
30
laboratorijskom sustavu prikazanom na sl. 2.18. Iz dobivenih rezultata zakljuiti da se
programom SimulationX dobivaju puno bolji rezultati nego programom SimHydraulics.
Rivas (Sveuilite Linkping) [42] 2009. godine je u svojoj disertaciji koristio gotovi
komercijalni programski paket AMESim za simulaciju rada vozila s hidrostatskom
transmisijom od pogonskog motora do kotaa pri emu simulira i sustav regulacije za
takvo vozilo. Koritenjem gotovih programskih paketa dobiva se dobro poklapanje
simulacijskih i eksperimentalnih rezultata. Njihova prednost je u jednostavnom
koritenju jer korisnik ne mora poznavati matematike jednadbe koje opisuju
hidrauliki sustav. Nedostaci su to od korisnika zahtijeva poznavanje realnih
parametara hidraulikih komponenti i to programski paketi ne objanjavaju dobro
ponaanje pojedinanih hidraulikih elemenata u sustavu.
Slika 2.18. Laboratorijski sustav hidrostatske transmisije prema Lauvi i Lundu [41]
Osim navedenih autora, numerikim modeliranjem hidrostatske transmisije jo se
bave Sang Gyum Kim [43] koji razvija model hidrostatske transmisije s upravljanjem za
asfaltno vozilo s valjkom (eng. Tire Roller) te Zavadinka i Krik [44] koji simuliraju
rad vozila za zemljane radove s hidrostatskom transmisijom koristei Simulink. Rad se
temelji na osnovnim matematikim jednadbama koje opisuju dinamiku vozila bez
eksperimentalne validacije dobivenih rezultata. Razvoju numerikog modela vozila s
hidrostatskom transmisijom za zemljane radove pridonijeli su i Carter [45], Wu [35],
Kiencke, Nielsen [46] i Rill [47].
Veina navedenih autora pri modeliranju hidrostatske transmisije koristi poznate
matematike jednadbe koje opisuju dinamiku hidraulikih komponenti. Takav model
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
31
se jo naziva i bijela kutija za iju je simulaciju potrebno poznavanje svih parametara i
veliina sustava to predstavlja odreene probleme jer je sustav hidrostatske transmisije
nelinearan. Razvojem raunala te numerikih algoritama poinje se koristiti modeliranje
hidrostatske transmisije kao modela crne kutije koji se temelji na ulaznim i izlaznim
vrijednostima odnosno radnih parametara realne hidrostatske transmisije. Takav nain
numerikog modeliranja koristi Nevala [48] koji razvija regulacijski sustav protiv
proklizavanja kotaa umskog vozila koristei Fuzzy logiku3.
Slika 2.19. Rezultat usporedbe simulacijskih i eksperimentalnih mjerenja [11]
Isti princip koristi i Carlsson [11] 2006. godine pri modeliranju hidrostatske
transmisije umskog vozila forvarder tvrtke ''Komatsu Forest''. Carlsson mjeri brzinu
vrtnje i pad tlaka na pumpi i hidromotoru te upravljaki signal na pumpi i hidromotoru
pomou kojega odreuje kut kose ploe za vrijeme vonje vozila po umskom tlu.
Sustav prvo modelira kao crnu kutiju pri emu mu se javlja loe poklapanje
simulacijskih i eksperimentalnih podataka. Nakon toga razvija model na principu sive
kutije s procjenom momenta na kotaima, a ostale komponente sustava izraunava
3 Fuzzy logika (eng. Fuzzy Logic) Neizrazita logika ili ''zamuena logika'' slui za opis nepouzdanih podataka i znanja, autor Lofty Zadeh, Univ. of California, Barkeley, 1965.
Tlak
[bar
] B
rzin
a pu
mpe
[rpm
] B
rzin
a hi
drom
ot. [
rpm
]
Vrijeme [s]
Vrijeme [s]
Vrijeme [s]
Eksp. mjerenja Simulacija
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
32
pomou osnovnih matematikih jednadbi. Takvim modelom dobiva poklapanje
rezultata simulacije i eksperimentalnih mjerenja tlaka u cijevi, dok za brzine vrtnje
pumpe i hidromotora ima odstupanja (sl. 2.19). Razlog tome je uporaba linearne metode
(ARX model) pri rjeavanju nelinearnog sustava kao to je to hidrostatska transmisija te
odreenih problema kod eksperimentalnih mjerenja.
Razvojem numerikih modela hidrostatske transmisije te elektrohidraulikih
sustava dolazi do razvoja numerikog upravljanja i regulacije putem elektronikih
komponenti. Prvi upravljako regulacijski sustavi hidrostatske transmisije bili su
hidrauliko mehaniki sustavi. esti primjer koji se i danas koristi je regulacija protoka
hidraulike pumpe pomou hidraulikog cilindra ovisno o tlaku u cijevima (sl. 2.20).
Dovoenjem upravljakog ulja na prikljuak x1, usisna strana pumpe je B, a tlana A.
Kada se upravljako ulje dovede na prikljuak x2 situacija je obrnuta. Kada su tlakovi x1
i x2 isti, klip regulacijskog cilindra je rastereen, a protok pumpe jednak je nuli.
Regulacijskim vijcima podeava se najvei protok pumpe.
Slika 2.20. Hidrauliko mehaniki regulator protoka pumpe
Razvojem elektrohidraulike dolazi do razvoja proporcionalnih i servo hidraulikih
sustava. Prednost koritenja ovakvih sustava je mogunost regulacije tlaka, protoka i
smjera protoka elektrinim putem. Elektrohidrauliki proporcionalni/servo-sustavi su
nelinearno-dinamiki sustavi koji su pojednostavljeno reeno sastavljeni od
hidraulikog proporcionalnog/servo ventila, hidraulikog cilindra i vanjskog
optereenja (sl. 2.21). Servoventilom se upravlja pomou kontrolnog signala (strujnog
signala) s ime se definira smjer i koliina protoka radne tekuine odnosno hidrauliki
proporcionalni/servo-ventil je veza izmeu kontrolera i aktuatora.
x1 x2A B
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
33
Proporcionalna/servo hidraulika nije tema ovoga rada, ali je takoer treba
spomenuti jer u dananje vrijeme predstavlja vrlo vano podruje hidraulike. Sustavi
hidrostatske transmisije se izvode bez razvodnog ventila pa se ne moe rei da su to
proporcionalni ili servo sustavi, iako se upravljanje hidrostatske transmisije odvija
putem elektronike.
Slika 2.21. Elektrohidrauliki proporcionalni sustav [49]
Zbog nelinearne dinamike hidraulikog servo sustava, razvijeni su razni
numeriki modeli samog sustava te modeli sustava regulacije. Neki od autora koji su
pridonijeli razvoju numerikog modeliranja servo-sustava su Reuter [50] koji koristi
rekurzivnu metodu procjene greke za odreivanje parametara u bilinearnom
kanonikom obliku. Ovakav princip ima odreene probleme kod konvergencije ako
poetne vrijednosti nisu dovoljno dobre. Da bi se izbjegao ovakav problem Jelali i
Schwarz [51] koriste modificirani rekurzivni varijabilni algoritam s linearnim
integracijskim filtrom za obradu vrijednosti mjerenja. Zavrni model hidraulikog servo
sustava je predstavljen u kanonskom obliku. Drugi nain rjeavanja nelinearnih sustava
je koritenje neuronskih mrea s ime se bave Anyi [52]. Park i Lee [53] kod modela s
jednoradnim cilindrom koriste metodu modificiranog signala koji bi eliminira efekt
histereze. U podruju regulacije servo-sustava uvelike su dali svoj doprinos Dutton i
Groves [54] koristei adaptivnu kontrolu kod regulacije valjaonikog stroja te Kugi [55]
i Pedersen [56].
Kontoler Elektrino pojaalo Propor.
elektromagPropor. ventil Aktuator
Komponente proporcionalne tehnike
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
34
Veina publikacija vezanih za regulaciju hidrostatske transmisije, usmjereni su na
regulaciju brzine aktuatora odnosno hidromotora. Da bi se postigao ovaj cilj koriste se
razliite izvedbe upravljakih sustava. U poecima se koristio klasini PID (eng.
Proportional-Integral-Differential) kontroler i lead-lag kompenzator. Nakon toga,
slijedi koritenje adaptivnih i robusnih upravljakih sustava pa sve do koritenja fuzzy
logike i neuronskih mrea.
Lee i Wu [57] razvijaju samopodesivi adaptivni upravljaki sustav za regulaciju
brzine vrtnje za tri razliita sustava hidrostatske transmisije. Prvi sustav se sastoji od
pumpe varijabilnog volumena te hidromotora konstantnog volumena (PVMF)4, drugi
sustav od pumpe konstantnog volumen i hidromotora varijabilnog volumena (PFMV)5,
a trei sustav gdje su i pumpa i hidromotor s varijabilnim volumenom (PVMV)6.
Samopodesivi adaptivni upravljaki sustav kombinira parametre procjene i tehnike
pole-placement. Za parametre procjene koristi se rekurzivni algoritam najmanjeg
kvadratnog odstupanje (eng. Recursive Least Square RLS) s promjenjivim
vremenskim faktorima. Rezultati simulacije i eksperimenta se dobro poklapaju za
regulacijski sustav varijabilne pumpe i hidromotora konstantnog volumena dok se za
druga dva sustava rezultati ne poklapaju (sl. 2.22).
(a) (b) (c)
Slika 2.22. Usporedba simulacijskih i eksperimentalnih rezultata a adaptivnim
upravljakim sustavom za: PVMF (a), PFMV (b) i PVMV (c) s dva razliita optereenja
hidromotora [57]
4 PVMF (eng. Pump Variable Motor Fixed) Pumpa s promjenjivim volumenom, a hidromotor s konstantnim volumenom 5 PFMV (eng. Pump Fixed Motor Variable) Pumpa s konstantnim volumenom, a hidromotor s promjenjivim volumenom 6 PVMV (eng. Pump Variable Motor Variable) Pumpa s promjenjivim volumenom i hidromotor s promjenjivim volumenom
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
35
Lennevi i Palmberg [58] koriste-linearno kvadratnu Gaussovu (eng. Linear
Quadratic Gaussian LQG) metodu za regulaciju brzine kotaa vozila s hidrostatskom
transmisijom. Sustav se sastoji od pumpe varijabilnog volumena pogonjene pogonskim
strojem i hidromotora s varijabilnim volumenom. Regulator je napravljan za praenje
referentne brzine i eliminiranje vanjskih smetnji. Usporedbom simulacijskih i
eksperimentalnih rezultata dokazala se prednost koritenje LQG metode pomou kojom
se ostvaruje optimalna regulacija sustava za sve reime rada ali pod uvjetom da je
sustav linearan. Unaprjeenju ovakvog sustava pridonose Anderson i Moore [59]
koristei Loop Transfer Recovery (LTR) metodu.
Del Re [60] predlae sustav nelinearne regulacije za varijabilnu pumpu i
hidromotor. Zakljuuje da je poeljno koristiti regulaciju volumena pumpe ovisno o
optereenju hidromotora. U sluaju da se sustav sastoji od vie aktuatora odnosno
hidromotora, ovakav nain regulacije ne bi bio mogu. Kod sustava s vie aktuatora
Huhtala [31] predlae upravljanje s vie ulaznih vrijednosti u sustav. Upravljanje je
podijeljeno u dvije razine kao to je prikazao na sl. 2.23. Prva razina (gornja) odreuje
upravljake vrijednosti za drugu razinu (donju) koja regulira rad dizelskog motora,
pumpe i hidromotora. To se postie pomou metode fuzzy logike koja klasificira
povratni signal i trenutnu brzinu hidromotora u funkciju trokutastog oblika nakon ega
se upravljaki signali predviaju za svaki aktuator ovisno o njihovoj brzini. To znai da
sustav upravljanja mora osigurati referentnu brzinu neovisno o optereenju. Za ovakav
sustav regulacije autor predlae PI regulator koji su definirani putem fuzzy logike.
Meutim, autor ne predstavlja usporedbu simulacijskih rezultata s eksperimentalnim
mjerenjima tako da je upitna ispravnost ovakvog regulacijskog sustava.
Slika 2.23. Shematski prikaz regulacijskog sustava prema Huhtalu [31]
Prva
razina
upravljanja
Hidrostatska
transmisija
Regulacija diz. motora
Regulacija pumpe
Regulacija hidromotora
eljena brzina
Trenutna brzina+
+
+
-
-
-
-
G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije
36
Doprinos razvoju regulacijskog sustava hidrostatske transmisije dao je i Njabeleke
[61] koji koristi H metodu za regulaciju brzine vrtnje hidromotora pomou
hidraulikog ventila. Slino, kao i kod drugih sustava hidrostatske transmisije, autor je
dokazao da dinamika sustava znaajno ovisi o uvjetima rada, zbog ega sustav
regulacije mora biti vrlo robustan da bi mogao izraunati razlike nastale promjenom
reima rada sustava. Rezultati prikazani u radu dokazuju da ovakav regulacijski sustav
ostvaruje vrlo dobre rezultate tj. vrlo dobro poklapanje kontrolnog signala i dobivene
brzine vrtnje hidromotora. Njebeleke u svom radu [62] takoer primjenjuje metodu
fuzzy logike koristei programsku aplikaciju SOFLC pomou kojeg regulira brzinu
vrtnje hidromotora.
Prasetiawan u svojoj disertaciji koristi LQG metodu za regulaciju brzine vrtnje
hidromotora odnosno kotaa vozila za zemljane radove. Razvojem sustava upravljanja
vozila za zemljane radove bave se i Zhang i Alleyne [63]. Za kraj jo treba spomenuti
rad Rabboa i Tutunjia [64] koji lineariziraju model hidrostatske transmisije kao ARMA7
model te koriste rekurzivni identifikacijski model kao regulacijski sustav. Dobivaju
dobro poklapanje simulacijskih i eksperimentalnih rezultata, iji je shematski
laboratorijski sustav prikazan na sl. 2.24.
Slika 2.24. Shematski prikaz laboratorijskog sustava hidrostatske transmisije [64]
7 ARMA (eng. Autoregressive moving average) model je statiki pristup rjeavanju problema
D/A A/D
Optereenje
Osjetnik brzin