Tillskott av hydrauleffekt från traktorns kraftuttagsaxel

Transkript

1 Linköpings universitet Avdelningen för fluida och mekatroniska system Examensarbete Civilingenjörsutbildning i maskinteknik Hösten 2018 LIU-IEI-TEK-A 19/03322-SE Tillskott av hydrauleffekt från traktorns kraftuttagsaxel -Konceptstudie av externa pumpar för såmaskiner Emil Lindborg Olof Stridsberg Handledare: Samuel Kärnell IEI, Linköpings universitet Johan Söderberg Väderstad AB Anders Nilsson Väderstad AB Examinator: Liselott Ericson IEI, Linköpings universitet Linköpings universitet SE Linköping ,

2

3 Abstract This is a master thesis from Linköpings University with an emphasis on mobile working hydraulic systems. This thesis was conducted at and in collaboration with Väderstad AB with the premise to make it easier for smaller tractor s and tractor s with small hydraulic pumps installed to drive bigger and more advanced planters. The seed machine Spirit and the precision planter Tempo have been studied with focus on the fertilizer fan and augers. The machines are dragged behind a tractor and are hydraulically powered from the tractor s built in hydraulic pump. The project covers a study of concepts with the aim to expand the hydraulic capacity by installing a pump which is driven by the tractor s power take-off. The goal was to present different solutions for how the concepts could be designed. The different concepts were compared and evaluated from a performance, energy efficiency and economic perspective. The purpose of this concept study was to present a solution which through further development can be suggested as an addon option for customers with smaller tractors. This thesis contains a theory section where mobile hydraulic systems, tractor s and the above-named seed machine and planter are treated. The concepts are based on the theory and a method for generating and creating concepts is described. All concepts are studied in the simulation software Hopsan. Reference systems based on the current design of the planters were modelled in Hopsan together with disturbances. The models were validated through different experimental tests and were later used to evaluate the concepts. Through the concept study eleven different concepts had to undergo the tests in order to see how they deal with disturbances and how well they can achieve the goals. The ability to obtain a predetermined rotational speed for the fan and to do it with high efficiency at a low cost was considered as essential performance for this project. The concepts with closed-loop control proved to be the best from a performance perspective. Systems with pumps with variable displacement had the highest efficiency and the concepts with fixed displacement pumps are the most inexpensive alternatives. As a result of a display of variation of performance in different areas a model where the customers themselves can choose which parameters are important was made. The model, together with the input from the customers, can then present the concept which is the most suitable for the task. iii

4 iv

5 Sammanfattning Detta är ett examensarbete på masternivå vid Linköpings universitet med inriktning mot mobila hydraulsystem. Arbetet utfördes i samarbete med Väderstad AB med utgångspunkten att försöka göra det lättare för traktorer med liten installerad hydrauleffekt att driva större och mer krävande såmaskiner. Väderstads såmaskin Spirit och precisionssåmaskin Tempo studerades med fokus på gödningsfläkt och tillhörande omrörningsskruvar. Maskinerna kopplas baktill på en traktor och drivs hydrauliskt av traktorns inbyggda hydraulpump. Arbetet behandlar en konceptstudie för att utöka traktorns hydrauliska kapacitet genom att installera ett externt pumpsystem som drivs av traktorns kraftuttagsaxel. Målet var att presentera olika konceptlösningar på det externa pumpsystemet för att sedan jämföra och utvärdera dem för att komma fram till det alternativ som står sig bäst ur ett prestandamässigt, energieffektivt och ekonomiskt perspektiv. Syftet var att de framtagna koncepten ska kunna vidareutvecklas till förslag som tillval till kunder vid inköp av ovan nämnda såmaskiner. Arbetet innefattar en förstudie där teori om såmaskiner och traktorer behandlas, en konceptgenereringsfas och simuleringar i simuleringsverktyget Hopsan. Referensmodeller för såmaskinerna modellerades tillsammans med olika störningar. Modellerna validerades genom tester och användes för att utvärdera de framtagna koncepten. Totalt genererades elva koncept som fick genomgå tester för att se vilka som hanterar störningar bäst och uppnår förutbestämda mål. Konceptens förmåga att hålla ett bestämt varvtal, hålla ner kostnaden och samtidigt ha en god verkningsgrad är parametrarna som ansågs vara väsentliga i detta projekt. De koncept med återkopplade system visade sig ha bäst prestanda och hade lättast att hålla det bestämda varvtalet. System med pumpar med variabelt deplacement hade den högsta verkningsgraden och de enklare koncepten med pumpar med konstant deplacement är de mest kostnadseffektiva alternativen. I och med att de elva koncepten uppvisade varierande prestanda för olika förutsättningar konstruerades en viktningsmodell där kunden själv får gradera hur viktiga hen tycker egenskaperna är och således erhålla den konceptlösning som lämpar sig bäst för uppgiften. v

6

7 Tack Vi vill börja med att tacka Väderstad AB som gjorde utförandet av detta examensarbete möjligt. Ett stort tack riktas till våra handledare Johan Söderberg på Väderstad och Samuel Kärnell på Linköping universitet som har svarat på våra frågor, förklarat och stöttat oss hela vägen. Vidare vill vi tacka vår chef Anders Nilsson som har övervakat projektet och alltid varit tillgänglig och sist men inte minst vår examinator Liselott Ericson. Ytterligare vill vi tacka Jenny Lindström och Mike Thorén för korrekturläsning. Linköping, januari 2019 Emil Lindborg och Olof Stridsberg vii

8

9 Innehåll 1 Introduktion Problembakgrund Syfte och mål Frågeställningar Avgränsningar Metod Förstudie Konceptgenerering Beräkningar och simuleringar Praktiska prov Förstudie Mobila hydraulsystem Konstantflödessystem Konstanttrycksystem Lastkännande system Traktorteori Hydraulsystem Kraftuttagsaxel Växellåda Styrning Systembeskrivning av såmaskiner Tempo L Spirit Modellering och simulering Referensmodell Tempo Spirit Validering Tempo Spirit ix

10 x Innehåll 4 Konceptstudie Konceptgenerering Fas Fas Fas Kostnadkalkyl Testgenomförande Utvärdering och viktningsmodell Resultat Varvtal Verkningsgrad Kostnadskalkyl Viktningsmodell Energianalys Diskussion Modellering i Hopsan Konceptgenerering De framtagna koncepten Kommentarer på resultatet Slutsats 57 Litteraturförteckning 59 A Hydraulschema Tempo L 61 B Simuleringsmodell Tempo L 63 C Hydraulblock Spirit 65 D Testgenomförande 67

11 Nomenklatur p Tryckdifferens Pa ɛ Ställtal - η Verkningsgrad - η hm Hydraulmekanisk verkningsgrad - η vol Volymetrisk verkningsgrad - µ Viskös friktion Nms/rad ω Vinkelhastighet rad/s ρ Densitet kg/m 3 A Area m 2 C Läckkoefficient - C q Flödeskoefficient - D Deplacement m 3 /varv d Diameter m M ut Effektivt utmoment N m n Varvtal varv/s P Effekt W p Tryck Pa p l Lasttryck Pa p p Pumptryck Pa q Flöde m 3 /s q e Effektivt flöde m 3 /s xi

12 xii Innehåll q l Lastflöde m 3 /s q p Pumpflöde m 3 /s q ut Verkligt flöde ut m 3 /s T Moment N m CV T KKL LS P T O V AB Continiously Variable Transmission Konstruktionskriterielista Load-Sensing/Lastkännande Power Take-Off Väderstad AB

13 Kapitel 1 Introduktion 1.1 Problembakgrund Dagens moderna traktorer är utrustade med en variabel hydraulpump för drift av både den interna och externa hydrauliken. Baktill på traktorerna finns uttag monterade som används för styrning av tillkopplade redskap. Uttagen är dubbelverkande och tillåter således oljeflödet att styras i båda riktningarna. Olika traktormodeller har olika stora pumpar och antalet uttag varierar. I vissa fall kan traktorns motoreffekt och dragkraft vara tillräcklig för att driva avancerade såmaskiner men att den hydrauliska effekten är för liten. Detta är särskilt ett problem i vändtegen där ekipaget vänder. Pumpen och antalet uttag kan uppdateras i efterhand men det är kostsamt. Detta projekt genomfördes i samarbete med Väderstad AB där uppgiften var att utöka den hydrauliska kapaciteten genom att installera en extern pump som drivs av traktorns kraftuttagsaxel, även kallat PTO från engelskans Power Take-Off. Detta kan ses som en fortsättning på Niklas Sjögrens examensarbete för energieffektivisering av hydraulsystem, där en av slutsatserna var att ett externt pumpsystem kopplat till traktorns PTO minskar flödesbehovet och kan vara värt att undersöka vidare [16]. Den externa pumpen ska fungera som ett fristående system som ska avlasta traktorns hydraulpump genom att hjälpa till att stilla såmaskinernas behov av olja. På så sätt minskas kraven på traktorn och gör det lättare för mindre traktormodeller att driva mer krävande jordbruksmaskiner. 1.2 Syfte och mål Målet med arbetet var att genom teoretiska beräkningar, simuleringar och praktiska prov presentera olika koncept för hur den hydrauliska kapaciteten kan utökas genom att ansluta en extern pump till traktorns PTO-uttag. Simuleringar utfördes i Hopsan där ett viktigt mål var att skapa en modell som stämde bra överens med verklighetens såmaskiner. Olika störningar räknades in i syfte att garantera systemens stabilitet och förutsägbarhet. Koncepten jämfördes och utvärderades 1

14 2 Introduktion för att komma fram till det alternativ som står sig bäst ur ett prestandamässigt, energieffektivt och ekonomiskt perspektiv. För att den externa pumpen ska lämpa sig till olika traktorer och såmaskiner är det viktigt att den är skalbar. Syftet var att de framtagna koncepten ska kunna vidareutvecklas till förslag som tillval till vissa kunder vid inköp av maskiner från Väderstad AB. Ett annat mål var att presentera en viktningsmodell som ska fungera som ett underlag vid köp av PTO-pump. Modellen ska föreslå ett lämpligt pumpsystem beroende på såmaskin och användarkrav. 1.3 Frågeställningar Hur kan ett externt pumpsystem kopplat till en traktors power take-off konstrueras för att minska flödesbehovet för traktorn vid drift av såmaskiner? Hur kan de framtagna koncepten utvärderas genom att använda en viktningsmodell som underlag vid val av PTO-system? Kan traktorns energiförbrukning minskas vid installation av PTO-system? 1.4 Avgränsningar Arbetet avgränsades till att inte göra några stora förändringar på befintlig hydraulik på dagens såmaskiner eller traktorer. Såmaskinen Rapid studerades inte då dess hydrauliska uppbyggnad påminner om Tempo och skulle därför inte tillföra något ytterligare till projektet. Pumpen ska vara ett separat system och ska driva fläkten för gödningsutmatning och de hydrauliskt drivna gödningsomrörarna. Det är endast dessa av såmaskinernas funktioner som är relevanta för utvärdering av koncept som modelleras i Hopsan. Pumpens kostnad ska också vara inom rimliga gränser men kostnadsanalysen är endast översiktlig. Endast klassisk hydraulik med hög mognadsgrad inkluderas i konceptframtagningen, det vill säga att endast beprövad och tillförlitlig hydraulik studeras. Praktisk utvärdering av framtagna koncept utfördes inte då tid till detta saknades. Koncepten som studerades och analyserades anpassades till dagens såmaskiner och traktorer och tar ingen hänsyn till framtida utveckling av nya såmaskiner eller traktorer. Energianalysen utfördes endast för Tempomodellen. Traktorpumpens hydrauliska effekt analyserades för de funktioner som påverkar traktorpumpen nämnvärt under arbete. Det analyserades även hur mycket effekt varje koncept förbrukade.

15 1.5 Metod Metod Förstudie Arbetet inleddes med en förstudie där teorin om mobila hydraulsystem, traktorer och såmaskiner från Väderstad AB presenteras. Information om de olika såmaskinerna hämtades från interna dokument inom Väderstad Konceptgenerering I konceptframtagningen användes arbetssättet presenterat enligt Liedholms Systematisk konceptutveckling [10]. Denna metod är uppdelad i tre faser; konstruktionskriterielista, funktionsanalys och etablering av koncept. I konstruktionskriterielistan utförs en state of art analys. Där undersöktes det om liknande problem har lösts tidigare och om konkurrenter redan har en färdig produkt. Krav och önskemål på produktens egenskaper formulerades i en konstruktionskriterielista som sedan användes som grund för funktionsanalysen. Funktionsanalysen beskriver vad produkten ska göra och hur det ska göras. Detta inleddes med en black box modell och sedan genererades tekniska principer som sammanställdes i ett funktionsträd. Utifrån funktionsträdet etablerades koncept som granskades och förbättrades. Slutligen utvärderades koncepten och de bästa lösningarna valdes för vidare studier Beräkningar och simuleringar Såmaskinerna Tempo och Spirit modellerades i simuleringsverktyget Hopsan. Dessa modeller validerades med kördata för att erhålla tillfredsställande prestanda som överensstämmer med verkligheten. När modellerna ansågs vara tillförlitliga tillfördes olika störningar med avsikt att analysera modellernas stabilitet. Slutligen modellerades de valda PTO-koncepten och kopplades samman med referensmodellen. Det kompletta systemet simulerades och resultatet utvärderades. En viktningsmodell konstruerades där användarens krav, val av såmaskin och hastigheten på PTO-axeln fungerar som indata. Modellen ger utifrån detta förslag på ett pumpsystem som lämpar sig bäst för uppgiften Praktiska prov Praktiska prov genomfördes på såmaskinerna när de stod stilla. Relevant information samlades in och användes för att validera simuleringsmodellerna.

16 4 Introduktion

17 Kapitel 2 Förstudie Detta kapitel behandlar teorin om vanliga hydraulsystem inom traktorer tillsammans med information om jordbruksmaskiner för att få förståelse för hur systemen fungerar och samverkar. Modellerna i kapitel 3 och koncepten som introduceras i kapitel 4 baseras på teorin beskriven här. 2.1 Mobila hydraulsystem Det finns en rad hydraulsystem som tillämpas i en rad olika applikationer så som industrier och mobil hydraulik. Detta arbete fokuserar på de mobila hydraulsystemen i allmänhet och drivning av externa funktioner i synnerhet. Ett kännetecken för mobila hydrauliksystem är att de ofta behöver driva flera funktioner med endast en installerad pump. Detta gör det till ett kompakt och kostnadseffektivt system. I och med att funktionerna sällan kräver maximal effekt samtidigt är det möjligt att konstruera systemet så att den sammanlagda uteffekten för funktionerna är högre än den installerade pumpeffekten [6]. Ett annat kännetecken är att de mobila hydraulsystemen ofta arbetar under tuffa förhållanden och har en odefinierad körcykel till skillnad från den industriella hydrauliken. Detta gör att både tryck och flöde varierar med tiden och mellan olika funktioner. Inom jordbruket är produktivitet, förarkomfort, säkerhet och miljöskydd viktiga egenskaper [14]. I detta avsnitt beskrivs och jämförs några av de vanliga mobila hydrauliksystem som används i dagens traktorer och jordbruksmaskiner. De delas in i tre kategorier; konstantflödessystem, konstanttrycksystem och lastkännande system Konstantflödessystem Ett konstantflödessystem utgörs av en pump som vanligtvis har fast deplacement och en riktningsventil med öppet-centrum, exempel på detta går att se i figur 2.1a. Konstantflödessystem kallas därför även för öppet-centrum-system. En pump med fast deplacement levererar konstant flöde som via riktningsventilen kan styras 5

18 6 Förstudie på tre olika sätt. I sitt neutralläge tillåts olja flöda direkt från pump till tank. När riktningsventilen styrs åt vardera håll stryps det öppna centrumet åt och pumptrycket ökar. Anslutningen pump-cylinder och cylinder-tank öppnas och när pumptrycket överstiger lasttrycket öppnas en backventil och flöde levereras till cylindern [3][5]. Konstantflödessystem är det vanligaste systemet i mobila applikationer [11]. De är enkla att konstruera, robusta och kostnadseffektiva. Ett problem med dessa system är lastinterferens. När lasttrycket ökar på en funktion kan hastigheten av en annan kontinuerlig funktion påverkas [4]. Då riktningsventilen är i sitt neutralläge och när tunga laster körs med låg hastighet måste överflödig olja strypas bort och då omvandlas mycket av pumpeffekten till strypförluster. Detta medför stora energiförluster för öppet-centrum-system, se figur 2.1b. Flödet i systemet är inte bara beroende av det öppna centrumets area utan också av lasten. Detta kallas lastberoende och kan göra systemet svårt att styra för en oerfaren operatör. I och med att det är lasttrycket som styrs och därmed accelerationen av cylindern kan det lastberoende beteendet även vara en fördel. En annan fördel är att det ger systemet en hög dämpning, vilket är en bra egenskap för att dämpa oscillationer vid hantering av tunga laster [4]. Oscillationer försämrar produktiviteten för såmaskiner då stora variationer i fläktvarvtal kan ge en ojämn utmatning. (a) Bild från Olof Olsson och Karl-Erik Rydberg [12] som visar ett konstantflödessystem med två laster och en pump med fast deplacement. Riktningsventilen har ett öppet centrum där olja kan flöda direkt till tank. (b) Tryck-flödesdiagram för konstantflödessystem. C1 representerar förlusterna för last A och C2 fölusterna för last B. D motsvarar de strypförluster som uppkommer i det öppna centrumet. Figur 2.1: Illustration av ett konstantflödessystem med tillhörande tryckflödesdiagram.

19 2.1 Mobila hydraulsystem Konstanttrycksystem I ett konstanttrycksystem levererar istället pumpen det flöde som behövs för att hålla ett konstant tryck och är därför oberoende av lasttrycket, exempel på detta går att se i figur 2.2a. På så vis kan problemet med lastinterferens undvikas och systemet blir lättare att styra. Riktningsventilen har i sitt neutralläge ett stängt centrum, därför kallas systemet också stängt-centrum-system. Även i neutralläget levererar pumpen flöde, detta för att kompensera för förluster och behålla ett konstant tryck. När riktningsventilen flyttas levereras flöde till cylindern och pumpens deplacement ökar. För att bibehålla den konstanta trycknivån ökar således flödet ut ur pumpen. Detta system är också lastberoende, flödet är beroende av både riktningsventilens position och lastens storlek, och har därför hög dämpning [3]. I konstanttrycksystem används oftast en pump med variabelt deplacement och ställbart tryck, detta gör att komplexiteten ökar något i jämförelse med konstantflödessystem. Verkningsgraden är bra då lasttrycket är lika stort som pumptrycket, se figur 2.2b, och styrbarheten ökar eftersom lastinterferens kan undvikas [4]. För att ett konstanttrycksystem ska vara energieffektivt bör den konstanta trycknivån väljas efter högsta lasttryck. Stora tryckförluster uppkommer när lasttrycket ligger under systemtrycket. Om lasttrycken är kända och relativt konstanta kan pumpens kapacitet anpassas och då fungerar systemet optimalt. (a) Konstanttryckssystem med en variabel pump och ett stängt centrum i riktningsventilen. Bild från Olof Olsson och Karl-Erik Rydberg [12]. (b) Tryck-flödesdiagram för konstanttryckssystem. C1 och C2 motsvarar de förluster som sker över ventilen. Figur 2.2: Illustration av ett konstanttrycksystem med tillhörande tryckflödesdiagram.

20 8 Förstudie Lastkännande system Marknadens krav på bättre styrbarhet, verkningsgrad och flexibilitet har gjort att utvecklingen av mobila hydraulsystemen styrs mot lastkännande system [6]. Dessa system kräver mer komplexa komponenter i jämförelse med konventionella hydraulsystem och är därför dyrare. Huvudkomponenterna i ett lastkännande system är vanligtvis en variabel pump med inställbar tryckdifferens och en lastkännande ledning, se figur 2.3. Ledningen känner av lasttrycket och ställer in pumptrycket därefter. Trycket anpassas hela tiden för att ligga på en nivå precis över det högsta lasttrycket. För att övervinna förluster i slangar och ventiler används vanligtvis en tryckdifferens på omkring bar [4][9]. Riktningsventilen har ett stängt centrum och i neutralläget känner ledningen av tanktrycket och ställer in pumptrycket till tanktryck plus tryckdifferens. När riktningsventilen flyttas och lasten ansluts känner istället ledningen av lasttrycket och på samma sätt ställs pumptrycket till lasttryck plus tryckdifferens. Figur 2.3: Lastkännande system med variabel pump och riktningsventiler med stängt centrum. Den streckade linjen representerar den lastkännande ledningen som återkopplar trycket. Bild från Olof Olsson och Karl-Erik Rydberg [12]. Om endast en last ska köras är ett lastkännande system lastoberoende och väldigt energieffektivt, se figur 2.4a. När flera laster körs samtidigt är endast den tyngsta lasten lastoberoende och de lättare lasterna kommer drabbas av lastinterferens. Detta problem kan undvikas genom att ansluta tryckkompensatorer för att hålla ett konstant tryckfall över varje riktningsventil. En tryckkompensator tillsammans med en riktningsventil gör det möjligt att hålla ett konstant flöde för varje ventilposition. Ett konstant flöde gör att lasten kan köras oberoende av lasttrycket. Olika laster kan då styras utan att vara lastberoende och undvi-

21 2.2 Traktorteori 9 ka lastinterferens. Detta ger systemet mycket bra styregenskaper men också låg dämpning. I och med att pumpen i ett lastkännande system får information via det återkopplade trycket finns risk för instabilitet om systemet utsätts för en yttre störning [4]. (a) Tryck-flödesdiagram för ett lastkännande system. C1 och C2 motsvarar de förluster som sker över ventilen. (b) Tryck-flödesdiagram för ett lastkännande system med två laster och två pumpar. Figur 2.4: Tryck-flödesdiagram för lastkännande system med en eller två pumpar 2.2 Traktorteori De första traktorerna användes mest för att dra jordbruksmaskiner för bearbetning av jorden och för att skörda. Under 1920-talet insåg amerikanerna att det även går att använda traktorer till att bära redskap [13]. Denna upptäckt gjorde det möjligt att använda redskap monterade på traktorn och utvecklingen för traktortillverkarna gick mot att ta fram en anordning som kopplar samman traktor med redskap. Denna utvecklingsperiod gav upphov till de nu standardiserade trepunktslyften. Monterade redskap måste lyftas vid transport och sänkas vid arbete. Detta skedde först manuellt men i takt med progressionen av större traktorer och redskap blev det snart omöjligt att göra för hand. Först testades elektriska och pneumatiska system men sedan tog hydrauliken med alla dess fördelar över. Idag är hydraulik en del av alla traktorns viktiga funktioner [14]. I följande avsnitt behandlas teori om traktorer som är relevant för detta projekt Hydraulsystem I dagens moderna traktorer används olika hydraulsystem beroende på traktorns motoreffekt. I de lägre effektklasserna är det vanligt med konstantflödessystem och vid högre effekt är lastkännande system med variabel pump det mest förekommande alternativet. Det blir också vanligare med lastkännande system där en

22 10 Förstudie pump med fast deplacement används. Det spås att i framtiden kommer det att finnas system där pumpar och ventiler styrs elektroniskt vilket kommer ersätta lastkännande system. Det finns flera namn för den här typen av system men principen är densamma; alla pumpar och ventiler är elektroniskt variabla och pumpen styrs på ett sätt som gör att utflödet matchar precis det flöde som funktionerna behöver. På så sätt kan tryckdifferensen minskas från 25 bar, som är ett vanligt ansatt tryckdifferens för lastkännande system, till ungefär 10 bar. I detta projekt används benämningen flödesmatchning. Användning av denna typ av system gör att energieffektiviteten ökar och problemen med instabilitet vid återkoppling kan undvikas [14]. För att pumpen ska vara stabil så måste det finnas ett läckflöde i ledningen som ställer pumptrycket, exempel på storleken i detta flödet för olika traktorer presenteras i figur 2.5. Figur 2.5: Flödet i ledningen till styrningen av en lastkännande variabel pump. Bild från Johan Söderberg [17] Kraftuttagsaxel Baktill på traktorn finns en extra kraftförsörjningsmöjlighet, ett kraftuttag även kallat Power Take-Off (PTO). Kraftuttaget överför effekt från traktorns dieselmotor och används för att driva separata arbetsredskap. Den vanligaste typen av kraftuttag är kopplingsoberoende och de kan monteras oavsett drivlina och kan användas både när traktorn körs eller står stilla. För mobila hydraulsystem kan kraftuttaget användas för att driva en hydraulpump som ingår i det hydraulsystem som är anpassat till påbyggnadens funktion [18]. Uttagen kan köras med varvtalet 540 och 1000 varv/minut vid nominellt varvtal på traktorns dieselmotor. På moderna traktorer finns även 540E och 1000E där traktorn kan sänka motorhastigheten och behålla varvtalet och på så sätt öka effektiviteten.

23 2.2 Traktorteori 11 Figur 2.6: Baktill på en Fendt 516 Vario. Bilden visar PTO-axeln, den fria returen och ett av flera dubbelverkande uttag Växellåda Då traktorer används för att dra stora laster, efterfrågas transmissioner som kan överföra stora moment vid stillastående och låga hastigheter. Traditionellt löses detta med mekanisk transmission. Denna har dock nackdelen att, det exempelvis, vid stor last och uppförsbacke är det mycket svårt att växla till högre växel utan att helt tappa hastighet, stanna och tvingas börja om från stillastående. Detta beror på stor last eller markfriktion och låg rörelsemängd vid låg hastighet. För att åtgärda detta har traktortillverkare, med flera, strävat efter steglösa transmissioner, Continiously Variable Transmissions (CVT)[13]. Det finns två huvudsakliga kategorier av CVT som används till traktorer: mekanisk och hydraulisk. Den mekaniska har bättre verkningsgrad men saknar förmågan att ha utväxling noll. Den hydrauliska har sämre verkningsgrad men förmågan att ha utväxling noll. Den vanligaste transmissionen i moderna traktorer är dock en power-split transmission av hydromekanisk variant, som kombinerar de bästa

24 12 Förstudie egenskaperna från de två olika transmissonerna[13]. En hydromekanisk power-split transmission fungerar genom att en hydrostatisk transmission är parallelt inkopplad med mekaniska planetväxlar, exempel på detta går att se i figur 2.7. Detta ger ett högt tillgängligt moment vid låga hastigheter samt steglös uppväxling. Figur 2.7: En hydro-mekanisk power split transmission från Karl Erik Rydberg [15]. Då traktorn färdas över ett fält kan operatören välja en hastighet som fordonet ska framföras med. Detta gör att traktorns styrsystem kan optimera varvtalet på dieselmotorn och utväxlingen i växellådan för att minska bränsleförbrukningen och utsläppet av växthusgaser. Då operatören önskar att köra med så lågt varvtal som möjligt är det svårt att uppskatta vilket varvtal motorn håller och därmed vilket varvtal PTOn håller. Därför kan operatören även välja att motorn ska hålla ett specifikt varvtal, i de driftfall som kräver ett specifikt varvtal, till exempel på PTOn Styrning Operatören styr traktorns motorvarvtal, hydraulflöde, PTO med mera, från förarhytten. Såmaskinernas olika funktioner styrs genom att operatören ställer in flödet. När flödet till funktionerna inte når upp till det efterfrågade behöver motorvarvtalet ökas. I flera av dagens jordbrukstraktorer är det dock vanligare att systemet själv känner av det tryck och flöde redskapen behöver och då behöver operatören inte aktivt ingripa. Det finns även traktorer med tillval som gör så att operatören kan programmera sekvenser som redskapen sedan utför på kommando. VAB erbjuder även ett system som övervakar, visar fläktvarvtal och lufttryck i utmatningssystem med mera. Jordbruksindustrin går mot ett allt mer automatiserat arbete där traktorn kör på autopilot och följer en förprogrammerad rutt med hjälp av GPS. Allt arbete sker automatiskt och det enda som krävs för att detta ska fungera är att en operatör sitter på förarstolen och övervakar.

25 2.3 Systembeskrivning av såmaskiner Systembeskrivning av såmaskiner Tempo och Spirit kommer i olika storlekar och med olika tillval av extrautrustning anpassade till jordbrukarens behov. Att fläktarna på såmaskiner drivs hydrauliskt motiveras med att traktorn redan har en inbyggd hydraulpump och att det är smidigt att använda sig av den hydrauliska effekt man redan besitter. Anslutningar mellan pumpar, ventiler och motorer kan vara stålrör eller slangar vilket gör att den hydrauliska effekten kan transporteras överallt på maskinen och detta ger en viss frihet att placera fläktarna var som helst och därmed få en ren insugsluft. På detta sätt slipper man även att använda kraftöverföringsaxeln som kan vara en säkerhetsrisk för användaren. Detta tillsammans med faktumet att hydraulik ger en hög effekt med kontrollerbarhet är en klar fördel [14]. Dessutom kan en hydrauliskt driven pump tillsammans med passande ventiler styra flera funktioner. Nedan följer en kortare beskrivning av de aktuella såmaskinernas huvudsakliga koncept och hur de fungerar. Figur 2.8: En Tempo L i arbete. Bild från vaderstad.com [20].

26 Förstudie Tempo L Tempofamiljen är Väderstad ABs nyaste tillskott till såmaskinsparken. Dess främsta säljargument är sådd med hög precision vid hög överfartshastighet. Huvudenheten bär gödningsmedel som matas fram av två stycken hydrauliskt drivna skruvar som ligger i botten av gödningstråget. Gödningen drivs ut genom slangar med tryckluft och slungas ner i spåret som skapas av gödningsbillarna. Tryckluften genereras av en hydrauliskt driven motor i fronten av huvudenheten. Bak på huvudenheten sitter en två-delad vingenhet monterad med mekaniskt länkage samt en stor, dubbelverkande cylinder som kan lyfta vingenheten eller trycka ner den mot marken. Vingenheten har även två cylindrar som kan trycka den mot marken, eller vika den på mitten vid transport. Uppe på vingenheten sitter en hydrauliskt driven fläkt som producerar tryckluft till vingen. På vingenheten sitter radenheterna monterade. Beroende på maskinens storlek kan upp till 24 radenheter vara monterade. Varje individuell enhet har en hydraulisk cylinder för att styra trycket mot marken och säkerställa efterfrågat sådjup. På varje enhet sitter en elmotor som driver singuleringsenheten som ser till att fröna matas ut med rätt frekvens. Fröet transporteras från sålådan, som sitter uppe på radenheten, genom singuleringsenheten och drivs med tryckluft ner i såfåran som skapats av såbillarna. Central fill har som funktion att mata frön en centralt monterad sålåda till varje enskild radenhet. Observera att denna funktion är under utveckling och finns därför inte med i figur 2.9. Figur 2.9: Tempo L med 16 radenheter från Väderstad AB. Bild från hemsida [20]

27 2.3 Systembeskrivning av såmaskiner Spirit Såmaskinen Spirit är designad för att så vid hög hastighet med hög precision i lätta jordar. På ramen sitter sålådan på 5000 liter som innehåller frön och gödning i separata fack. Fram på sålådan sitter den hydrauliskt drivna fläkten som förser maskinen med tryckluft. Nedanför fläkten sitter luftreglagen monterade som styr luftflödet till de olika funktionerna. I botten av sålådan sitter en hydrauliskt driven skruv som matar gödning från sålådan ut i slangarna. Gödningen drivs sedan genom slangarna av tryckluften och placeras i jorden av gödningsbillarna. Fröna matas ut av elektriska motorer i slangar med tryckluft som tar dem till såbillarna. Bak på ramen sitter de hydrauliskt fällbara vingarna. Fram på vingarna sitter eventuella förredskap, som till exempel en tallriksharv, som är hydrauliskt tryckstyrd. Centralt, ovanför vingen sitter fördelarhuvudet som tar fröna och tryckluftströmmen och fördelar dem jämnt ut till såbillarna. Bak på vingarna sitter såbillarna monterade i hydrauliskt tryckstyrda sektioner. Inom varje sektion sitter såbillarna individuellt monterade med fjädring för att följa fältets konturer. På varje såbill sitter två såtallrikar som skär ner i jorden och skapar en såfåra där fröna placeras. Efter såtallrikarna sitter packarhjulet som täcker igen såfåran. På vingarnas sidor sitter fällbara, hydrauliskt manövrerade markörer. Biodrill är en monterbar såmaskin för småfröiga grödor som kan monteras på VABs maskiner. Anledningen att montera en Biodrill på en Spirit är för att kunna så flera olika grödor vid en överfart. Observera att Biodrill inte är monterad i figur Figur 2.10: Spirit 600 Combi från Väderstad AB. Bild från vaderstad.com [19].

28 16 Förstudie

29 Kapitel 3 Modellering och simulering Hydraulsystemen för såmaskinerna Tempo och Spirit modellerades i simuleringsverktyget Hopsan utgående från de interna hydraulschemana som finns på Väderstad. Hopsanmodellerna är en förenklad representation av hydraulsystemen där endast funktioner som är relevanta för test och utvärdering av koncept inkluderades. Simuleringar genomfördes för att se hur maskinerna beter sig under arbete. När modellerna ansågs överensstämma med hur verklighetens såmaskiner fungerar tillfördes störningar för att analysera systemens dynamiska egenskaper. Tester utfördes på såmaskinerna för att inhämta data som validerade simuleringsmodellerna. Referensmodellerna användes sedan för att testa hur de framtagna koncepten fungerar i samverkan med såmaskinerna. 3.1 Referensmodell Målet med referensmodellerna var att de ska efterlikna såmaskinernas hydraulsystem så bra som möjligt. Data från de kontinuerliga funktionerna i modellerna, som flödesåtgång, trycknivåer och varvtal på motorerna, överensstämmer med testdata från Väderstad. För att simulera de diskreta funktionerna användes olika arbetscykler för de olika maskinerna. Ekvationerna som används i detta kapitel är tagna från Formelsamling i hydraulik och pneumatik [1] Tempo I referensmodellen för Tempomaskinen ingår funktionerna; såfläkt, generator, gödningsfläkt med omrörare, central-fill och lyftcylindern. Den teleskopiska bakaxeln, det hydrauliska stödbenet, cylindrarna för att justera radenheterna och vingfällningscylindrarna modelleras inte på grund av att de inte påverkar traktorpumpen nämnvärt under arbete. Såmaskinernas flödesbehov är som högst i vändtegen och därför är de funktioner som då är aktiva inkluderade i modellen. Central-fill funktionen var inte en del av dagens Tempo men planeras vara i framtiden och finns därför med i modellen. Dimensionen och kördata för den funktionen är en upp- 17

30 18 Modellering och simulering skattning från ett tidigare test. Referensmodellen i sin helhet kan ses i figur 3.1. Komplett hydraulschema för Tempo L ses i bilaga A. En större bild av figur 3.1 finns att se i bilaga B. Figur 3.1: Referensmodellen för Tempo L tagen från Hopsan. I modellen används en lastkännande pump med en tryckdifferens på 20 bar som är dimensionerad för att kunna leverera det efterfrågade flödet. Pumpen är kopplad till de fem ovan nämnda arbetsfunktionerna tillsammans med en tryckkompensator och en fast strypning. Tryckkompensatorn ser till att få ett konstant tryckfall över strypningen och därmed hålla ett konstant flöde. För att få pumptrycket att ställas in efter den funktion som kräver det högsta trycket används växelventiler i serie på den lastkännande ledningen. Två funktioner kopplas till ventilen och den inloppsanslutning som har det högsta trycket blir automatiskt utloppet som sedan kopplas till nästa funktion och växelventil. Lyftcylindern modelleras med en hydraulcylinder och en 4/3 lastkännande riktningsventil. Hydraulcylinderns areor beräknas efter angiven innerdiameter och kolvstångsdiameter enligt ekvation för cirkelns area. Cylindern verkar på en massa med vikten 3000 kg vilket är en estimering av den vikt som lyfts. Till massan är en kraft på 30kN ansluten som ska motsvara tyngdkraften. Data för cylinderns rörelse under arbete fungerar som insignal till riktningsventilen. Två olika arbetscykler testas, en långsam och en snabb. Den långsamma ska simulera arbete på en åker med långa rader där lyftcylindern inte aktiveras så ofta och den totala tiden är 950 sekunder. Den snabbare cykeln är 390 sekunder lång och ska motsvara en åker med kortare rader och fler radbyten. Lyftcylinderns arbetscykler kan ses i figur 3.2.

31 3.1 Referensmodell 19 (a) Snabb arbetscykel. (b) Långsam arbetscykel. Figur 3.2: Cylinderposition för de två arbetscyklerna. Slaglängden är 0.26 meter och vid vändtegen utförs cylinderns längsta rörelse. Observera skillnaden i längd på x-axeln. Fläktarna och generatorn modellerades med hydrauliska motorer som är kopplade till roterande trögheter. För att få det flöde motorerna behöver enligt mätdata som presenteras i tabell 3.1 beräknas den strypningsarea som tryckkompensatorn håller ett konstant tryckfall över. Tryckfallet är inställt på 10 bar. 2 q = C q A ρ (p 1 p 2 ) (3.1) Tabell 3.1: Den mätdata som användes för att validera referensmodellen. Fläktvarvtal [rpm] Tryck [bar] Flöde [l/min] Såfläkt Generator Gödningsfläkt Central-fill Utifrån mätdata i tabell 3.1 och ekvationerna 3.2 och 3.3 beräknades den volymetriska verkningsgraden η volm. Ställtalet ɛ m = 1 eftersom motorerna inte är variabla. q em = ɛ m D m n m 1 η volm (3.2) η volm = D mn m q em (3.3) q em är det effektiva flödet in i motorerna, D m är deplacementet och n m är varvtalet. Verkningsgraden inkluderas i modellen genom att räkna ut en läckkoefficient, C, för varje motor enligt ekvation 3.4.

32 20 Modellering och simulering C = (q em q ut ) p (3.4) p är trycket över motorn och q ut är det verkliga flödet ut. För att få rätt varvtal vid givet tryck och flöde beräknas den viskösa friktionen för de roterande trögheterna enligt ekvation 3.5 där ɛ m och η hmm = 1. T = µω M ut = ɛ md m 2π pη hmm = µ = D m 2π p w (3.5) Strypningarna till de olika funktionerna kan varieras för att styra varvtalet på fläktmotorerna men i och med att beräkningarna utfördes för stationära punkter enligt tabell 3.1 så kan verkningsgraden och den viskösa friktionen avvika för andra driftpunkter. Gödningsfläkten modellerades i serie med en on/off-ventil och två omrörare. Insignalen till ventilen startar och stänger av omrörarna som är aktiva fyra sekunder varje minut. För central-fill funktionen användes data från ett tidigare test där en motor med ett deplacement på 10 cm 3 /varv användes för uppnå en rotationshastighet på 4300 varv per minut. Verkningsgraden ansattes till 90 % och med hjälp av ekvation 3.2 kunde flödet som motorn kräver räknas ut. Ett tryck på 100 bar ansågs vara rimligt och därefter följdes samma beräkningsgång som tidigare Störningsmodellering För att kunna simulera momentet som själva gödningsfläkten utvecklar på fläktmotorn estimerades en modell. Initialt ansätts att momentet är direkt beroende på motorns varvtal, då ekvationen för rotationseffekt beskrivs P = T ω T = P ω (3.6) Två olika körfall för gödningsfläkten studerades, ett med material i luftflödet och ett utan. För varje fall finns mätdata på varvtal, tryck, flöde och effekt. Genom att iterera olika polynom i Matlab med minsta kvadratmetoden erhålls ett andragradspolynom som efterliknar var och en av de två fallen. Polynomet skrivs på formen T = Cω 2 (3.7) Två konstanter, C, erhålls för de två fallen. Funktionen implementerades i Hopsan och ger tillfredsställande prestanda, speciellt vid stationära förhållanden. Då tröghetsmomentet är inkluderat i andra komponenter i Hopsanmodellen går det att bortse från det i denna delkomponent. Dock går det inte att göra övergångar från att bara köra luft till att ha material i luftströmmen och därför går det inte att se de eventuella dynamiska effekter det kan medföra.

33 3.1 Referensmodell Energiförbrukning Den hydrauliska effekten mäts direkt efter traktorpumpen och integreras över de två arbetscyklerna. Med den nya central-fill funktionen implementerad i referensmodellens blir den totala energiförbrukningen för den snabba arbetscykeln 16.8 MJ med ett toppvärde på oljeflödet runt 228 liter per minut. Den långsammare har en total energiförbrukning på 39.0 MJ och ett toppflöde på 222 liter per minut. För att uppnå detta höga flöde som krävs i vändtegen ställs höga krav på traktorns hydraulpump. Genom att koppla ur den del av modellen PTO-koncepten ska driva, det vill säga gödningsfläkten med tillhörande omrörare, minskar toppvärdet av oljeflödet från 222 till 177 liter per minut. I kapitel 5.5 redogörs det för hur energiförbrukningen ändras när en PTO-pump kopplas in för att avlasta traktorn Spirit Modellen för Spirit koncentreras till den del som är relevant för PTO-pumpen att köra, nämligen den del med de kontinuerliga funktionerna. Det hydraulblock som studeras och modelleras ses i bilaga C. Fläkt och skruv är kopplade i serie tillsammans med en flödesregulator som används för att styra hastigheten på skruven. I regulatorn finns en tryckkompenserande ventil som adderar ett mottryck på 15 bar. Parallellt med detta finns en enkelriktad cylinder, mittvaggan, som inte finns med i modellen utan enbart modelleras som flödesförluster. Hydraulblocket försörjs av ett dubbelverkande uttag där också olja länkas av för att driva två funktioner i ett annat block. Det andra hydraulblocket aktiveras endast i vändtegen och därför behöver olja tillföras till den efterföljande harven och såbillarna som arbetar kontinuerligt. Dessa funktioner anpassar sig efter marken och både tar och släpper olja allt eftersom underlaget varierar. Den olja som länkas av modelleras som en störning med oregelbundna flödesförluster. Modellen i sin helhet kan ses i figur 3.3. Figur 3.3: Referensmodellen för Spirit tagen från Hopsan.

34 22 Modellering och simulering Tabell 3.2: Arbetsintervall för fläkt och skruv. Fläkt Skruv Varvtal [varv/min] Deplacement [cc/varv] Tryckdifferens [bar] Upp till 45 Figur 3.4: Fläkten i fronten på Spirit. Bild från vaderstad.com [19]. Fläkten och skruven dimensionerades för den större maskinen Spirit 8-900C och modellerades på samma sätt som tidigare med hydrauliska motorer kopplade till roterande trögheter. Data för funktionernas arbetsintervall användes för att beräkna läckkoefficient och viskös friktion enligt ekvation 3.4 och 3.5 där beräkningarna initialt utfördes utifrån en stationär punkt i intervallet. En tryckbegränsningsventil inställd på 50 bar placeras innan skruven för att skydda mot för högt tryck. För att styra hur mycket som ska flöda till skruven modelleras en tryckkompensator och en variabel strypning. Strypningsarean bestämmer flödet som ska passera till skruven och därmed hastigheten. Den överflödiga oljan från fläkten går via tryckkompensatorn till tank. Referenstrycket sätts till 15 bar Störningsmodellering Parallellt med fläkten och skruven modelleras en tryckkompensator och en variabel strypning som ska representera det flöde som länkas av till den efterföljande harven och såbillarna. Här räknas även flödet till mittvaggan in och de totala flödesförlusterna uppskattades variera inom intervallet 2-6 l/min. För att simulera oregelbundna förluster varierades stryparean med hjälp av vitt brus.

35 3.1 Referensmodell 23 Figur 3.5: Variationer i flödet som går till mittvaggan, efterharven och såbillarna. Luftflödet kan fördelas till de olika utmatningssystemen för utsäde, gödning och biodrill. Tre lastfall för fläkten studeras; bara luft till utsäde, luft till utsäde och gödning och till sist luft till utsäde, gödning och biodrill. För var och en av fallen finns mätdata på trycket innan och efter fläkten och på tanktrycket för olika rotationshastigheter på fläkten. Med samma metod som i avsnitt och momentekvationen 3.8 fås även här tillfredsställande resultat. Luftflödet fördelas med hjälp av Airbalance systemet som sitter i fronten av maskinen, se figur 3.6. Luftfördelningen justeras manuellt med analoga spakar och därmed finns inget behov av en dynamisk modell utan det modelleras istället som tre statiska lastfall. M ut = ɛ md m 2π pη hmm (3.8) Figur 3.6: Bild som visar Airbalance systemet som gör det möjligt att fördela och optimera luftflödet till de olika utmatningssystemen. Bild från ett internt dokument inom Väderstad.

36 Modellering och simulering Validering Referensmodellerna validerades genom olika tester på maskinerna när de stod stilla. Med tillgång till flödesmätare, tryckgivare och ett bärbart elektronisk mätinstrument samlades data in för olika körningar, dessa data går att läsa i bilaga D. För att kunna validera varje enskild funktion i modellen genomfördes flera tester med olika kör- och lastfall. Flöde, tryckdifferens och varvtal för motorerna är den primära data som användes för att försäkra att dimensionering och beräkningar för de olika funktionerna är korrekta. För att validera modellen som helhet jämfördes data från testkörning och modell för samma mätpunkter. Det utfördes även ett stegsvarsexperiment för att undersöka systemets tröghet och dynamiska egenskaper. (a) Flödesmätare mellan traktor och Spirit. (b) Mätinstrument och Airbalance systemet. Figur 3.7: Mätutrustning för Spirit.

37 3.2 Validering Tempo En Tempo L med 24 radenheter kopplades till en Fendt 828 Vario. Testkörningar utfördes när maskinen stod stilla med fokus på gödningsfläkt och tillhörande omrörare. HMG 3000 från Hydac mätte trycket före och efter fläkt, varvtal på fläkt och tanktryck. Vid traktorn fanns en flödesmätare och en tryckgivare. Först genomfördes tester där endast fläkten arbetade. Traktorn skickade ett flöde från 10 till 50 liter per minut och data från tryckgivaren och mätinstrumentet samlades in. Samma testkörning genomfördes en gång till fast nu även med skruven i arbete. Mätdatan från när endast gödningsfläkten arbetade användes först till att justera läckkoefficienten för fläkten. Driftpunkten valdes för ett flöde på 50 liter per minut och detta gav ett nytt varvtal och tryckdifferens och följaktligen ett nytt läckflöde. Trycket innan och efter fläkten från testkörningen var högre än i modellen. För att trycket i modellen bättre skulle efterlikna mätdatan modellerades en strypning mellan den on/off-ventil som styr skruvarna och tank. Strypningsarean justerades med bra resultat. För att validera skruvarna användes mätdatan från den andra testkörningen. Trycket över skruvarna visade sig vara lägre i verkligheten så en ny läckkoefficient beräknas och resultatet för valideringen visas i figur 3.9. Figur 3.8: Modellen för Tempos gödningsfläkt och omrörare där mätpunkterna för testerna visas som lila cirklar. Även fläktvarvtalet mättes.

38 26 Modellering och simulering (a) Från första testkörningen när endast fläkten arbetar. (b) Samma mätpunkter och nu även med skruven i arbete. Figur 3.9: Validering för tempomodellen där fläktvarvtalet, trycket innan fläkten och trycket efter fläkten visas. De blåa linjerna motsvarar information från mätningar och de i orange från simuleringar.

39 3.2 Validering 27 För att se hur trögt systemet är i jämförelse med modellen utförs ett stegsvarsexperiment där flödet fungerar som insignal. Stegsvaret undersöks för varvtal och tryck och det visade sig att modellen svarade alldeles för långsamt gentemot mätdata. För att få en snabbare svarstid i modellen minskades masströgheten för gödningsfläkten och resultaten visas i figur 3.10 och Det går att observera oscillation i de uppmätta stegsvaren. Dessa beror på insvängningar i traktorns reglering av hydraulpump och ventil. Detta beteende visar sig inte i simuleringarna då en ideal flödeskälla användes. Figur 3.10: Stegsvar för tempomodellen som visar gödningsfläktens varvtal för olika steg i flöde.

40 28 Modellering och simulering (a) Trycket innan fläkten. (b) Trycket efter fläkten. Figur 3.11: Stegsvarsexperiment där beteendet för trycket innan och efter fläkten iakttas.

41 3.2 Validering Spirit En Spirit 900C kördes stillastående för olika fall. Först genomfördes tester utan att skruven var igång. Två lastfall testades, ett när endast luft gick till utsäde och ett när luften gick till både utsäde och gödning. I och med att maskinen stod stilla så aktiverades inte efterharv eller såbillar. För att få med de flödesförlusterna i testerna monterades en kran som ger möjlighet att öppna upp och ge ett konstant flöde till de funktionerna. De två lastfallen testades med öppen och stängd kran. Med samma metodik genomfördes ytterligare körningar när skruven också arbetar. För varje fall mättes flöde ut från traktorn, tryck innan och efter fläkt, varvtal på fläkt, tryck innan skruven och tanktryck. Vid utförandet av de första testerna användes analoga manometrar vilket ger en viss osäkerhet angående mätnoggrannheten. Figur 3.12: Modellen för Spirit från Hopsan där mätpunkterna för testerna visas som lila cirklar. Även fläktvarvtalet mättes. Insamlat data från testkörningen jämförs mot samma mätpunkter i referensmodellen. Först justeras läckkoefficienten och den viskösa friktionen för motorerna. Initialt gjordes beräkningar för en stationär punkt i arbetsintervallet som kan ses i tabell 3.2, nu används istället erhållna värden på varvtal, flöde och tryck över motorerna. Tanktrycket hade väldigt små variationer så ett medelvärde sätts in i modellen. Jämförelse mellan testkörning och simulering kan ses i figur 3.13 och figur 3.14.

42 30 Modellering och simulering Figur 3.13: Jämförelse mellan modell och mätdata där varvtalet på fläkten, trycket innan fläkten, trycket efter fläkten och trycket innan skruven studeras. Figur 3.14: Mätdata för trycket innan skruven och varvtal validerar modellen. Tester och simuleringar utfördes med ett flöde på 50 liter per minut.

43 3.2 Validering 31 Under testkörningen genomfördes ett stegsvarsexperiment för att undersöka hur systemet svarar när flödet ändras. Mätinstrumentet HMG 3000 från Hydac kopplades in för att visa varvtalet och trycket innan fläkten. Flödet stegades från 20 till 60 l/min. Datan från testerna exporterades och kunde sedan jämföras med referensmodellen. Det konstaterades att modellen svarade för snabbt på ändringar i insignalen så masströgheten justerades för fläkten. Detta sänkte modellens svarstid och resultatet kan ses i figur Figur 3.13 visar att simuleringen ger ett något högre varvtal för lägre flöden och det framgår även i figur 3.15a. Detta beror på att fläkten är modellerad för ett högre flöde på 50 l/min. Likaså visar figur 3.14 att skruven är modellerad för en hastighet på 300 varv per minut.

44 32 Modellering och simulering (a) Jämförelse för varvtalet när flödet stegas från 20 till 50 liter per minut. (b) Stegsvar som visar trycket innan fläkten för variationer på flödet. Figur 3.15: Stegsvarsexperiment där varvtalet och trycket innan fläkten undersöks.

45 Kapitel 4 Konceptstudie För att generera koncept på ett systematiskt sätt användes en metod av Liedholm [10]. Liedholm delar upp konceptstudien i 3 faser, varje fas uppdelad i 4 underfaser. Fas 1: 1. Formulera problemet 2. Undersöka state of art 3. Undersöka genomförbarhet 4. Upprätta konstruktionskriterielista (KKL) Fas 2: 1. Etablera black box modell 2. Etablera tekniska principer 3. Etablera transformationssystem 4. Etablera funktionsmedelträd Fas 3: 1. Skapa koncept 2. Förbättra koncept 3. Utvärdera och välj koncept 4. Korrigera och komplettera KKL 33

46 34 Konceptstudie 4.1 Konceptgenerering Fas Problemformulering Vad är problemet? VABs såmaskiner (Tempo L) har större hydrauleffektefterfrågan än vad de flesta traktorer klarar av att leverera. Vem har problemet? Bönder med tillräckligt dragstarka traktorer med för liten hydrauleffekt. Mål Ha ett rimligt system som genererar hydrauleffekt från PTO-axeln. Undvik Kraftigt ökat underhållsbehov Kraftigt minskad livslängd på maskinen Ökad säkerhetsrisk för användaren Begränsningar Volym och vikt Varvtal och momentbegränsningar på PTO-axeln Kostnad Begränsad förmåga att styra traktorns varvtal Hålla sig inom givna tryck och flödesbegränsningar för såmaskinen

47 4.1 Konceptgenerering Konstruktionskriterielista Funktion 1A Omvandla mekanisk effekt till hydraulisk effekt Krav Funktionsbestämmande egenskaper 2A Trycket ska inte överstiga traktorns/såmaskinens maxtryck Krav 2B Applicerbart på minst tre maskiner Önskemål 2C Systemet skall vara skalbart Önskemål 2D Låg känslighet för orenligheter Önskemål 2E Vikten och volymen ska hållas ner Önskemål Bruktidsegenskaper och säkerhet 3A Enkelt underhåll Önskemål 3B Låg komplexitet Önskemål 3C Minimera energiförluster Önskemål 3D Lätt att installera Önskemål 3E Säker att använda Krav Ekonomiska egenskaper 4A Låg kostnad Önskemål State of art Uttag av effekt från PTO-axeln finns som färdiga produkter på några av VABs maskiner, både mekaniskt och hydrauliskt driven fläkt. Dock har dessa bedömts som icke optimala. Andra tillverkare av såmaskiner har PTO-pump som fästs direkt på traktorn och kopplas på PTO-axeln och har ett flöde från 20 till 65 l/min [2][7][8]. Moderna traktorer har hydraulsystem med tillräcklig kylning och flödeskapacitet för att driva de flesta såmaskiner, dock kan de ha problem med att driva Tempo L Rimlighetsanalys Projektet att göra en konceptstudie med avsikt att ta fram ett antal koncept och jämföra dessa i validerade modeller av respektive maskin bedöms vara rimligt att genomföra.

48 36 Konceptstudie Fas Black box En black box (BB) som beskriver huvudfunktionen sätts upp. Att omvandla mekanisk effekt, rotationshastighet och moment, till hydraulisk effekt, tryck och flöde. Figur 4.1: Black box Denna black box delas sedan upp i 3 mini black boxar. I den första BBn är inputen mekanisk effekt, n 1 T 1, som transformeras om till n 2 och T 2, det vill säga en form av växellåda. Detta sänds som input i nästa BB som transformerar mekanisk effekt till hydraulisk effekt, p 1 och q 1. Detta skickas slutligen in i den sista BBn som transformerar till p 2 och q 2 som är justerade så att det är rätt tryck och flöde för att driva angivna funktioner med den hastighet och effekt som efterfrågas. Figur 4.2: Black boxar Funktions/medel-träd Ett funktions/medel-träd enligt Liedholms metod [10]. Rektanglar som innehåller en diagonal linje motsvarar funktioner och de rektanglar som saknar dessa motsvarar medel/lösningar. Längst upp i trädet finns den huvudfunktion som erhölls ur black box i bild 4.1. Under huvudfunktionen uppträder huvudmedlet och i detta fall de koncept som ska etableras. Under konceptet finns transformationsfunktioner som motsvaras av de tre mini black boxar som kan ses i figur 4.2. Utifrån från detta träd har olika kombinationer av funktioner och lösningar genererat fram totalt 11 olika koncept.

49 4.1 Konceptgenerering 37 Figur 4.3: Funktions/medel-träd med funktioner och alternativa medel/lösningar Fas 3 Konceptbeskrivning I detta avsnitt följer en kortare beskrivning av de framtagna koncepten utan inbördes ordning. Sammanlagt har elva koncept generats fram och för enkelhetens skull kallas de koncept 1 till 11. Koncept 1 Det första och enklaste konceptet består av en pump med konstant deplacement som kopplas direkt till de modellerade såmaskinerna. Operatören styr varvtalet på fläkten och därmed lufttrycket i maskinen genom att styra motorvarvtalet på dieselmotorn. Koncept 2 En pump med konstant deplacement kopplas till en 4/2 riktningsventil med öppet centrum där operatören styr ventilsliden och således hur mycket flöde som ska skickas till motorerna. Den överflödiga oljan går till tank.

50 38 Konceptstudie (a) Koncept 1 (b) Koncept 2 Figur 4.4: Koncept 1 och 2 som de ser ut i Hopsan. Koncept 3 En pump med konstant deplacement kopplas via variabel strypning till såmaskinerna. Operatören styr strypningsarean för att fläkthastigheten ska bli korrekt. Koncept 4 En pump med konstant deplacement kopplas till en tryckkompenserande ventil som håller ett konstant tryckfall över en variabel strypning. Strypningsarean beror på det varvtal operatören vill att fläktarna ska ha och arean justeras därefter för att ge det efterfrågade flödet enligt 3.1. (a) Koncept 3 (b) Koncept 4 Figur 4.5: Koncept 3 och 4.

51 4.1 Konceptgenerering 39 Koncept 5 Här kopplas en pump med konstant deplacement till en 2/2 riktningsventil där operatören bestämmer varvtalet och således flödet genom ventilen. Riktningsventilens position sätts genom att ta felet mellan det efterfrågade varvtalet från operatören och det återkopplade varvtalet från gödningsfläkten. Figur 4.6: Koncept 5 Koncept 6 En pump med variabelt tryckstyrt deplacement används tillsammans med samma metod som i Koncept 5 där en 2/2 riktningsventil styr flödet till såmaskinernas funktioner. Pumpens referenstryck ansätts till 200 bar. För att kompensera för förluster i variabla tryckstyrda pumpar modelleras en konstantflödesventil från pumpen direkt till tank, med ett flöde på 1 liter per minut. Detta förlustflöde modelleras på samma sätt i andra koncept med samma typ av pump. Figur 4.7: Koncept 6

52 40 Konceptstudie Koncept 7 Huvudledningen består av en tryckstyrd variabel pump som förser fläktmotorn med flöde. Parallellt med huvudledningen kopplas en styrledning in. Styrledningen tar ett konstant flöde direkt från traktorn och trycket sätter referenstrycket på pumpen i huvudledningen. Trycket i styrledningen styrs av en variabel strypning som ställs av det efterfrågade varvtalet på fläkten som ges av ekvationerna 3.1 och 3.8. Figur 4.8: Koncept 7. Uträkningen av mottrycket vid on/off ventilen utförs endast i tempomodellen. Koncept 8 Detta koncept fungerar på samma sätt som Koncept 7 dock med den stora skillnaden att flödet till styrledningen tas från huvudledningen. Koncept 9 En pump med variabelt deplacement kopplas till såmaskinerna via en strypning. Strypningsarean justeras med hjälp av operatörens efterfråga på fläktvarvtal. Trycket direkt efter strypningen blir pumpens referenstryck. Koncept 10 En pump med variabelt deplacement modelleras på samma sätt som Koncept 5 och Koncept 6 med en 2/2 riktningsventil som p-regleras tillsammans med operatörens inställningar. Skillnaden här är att trycket efter ventilen återkopplas till pumpen som referenstryck.

53 4.1 Konceptgenerering 41 Figur 4.9: Koncept 8 (a) Koncept 9 (b) Koncept 10 Figur 4.10: Koncept 9 och 10. Koncept 11 En variant av flödesmatchning där en pump med variabelt deplacement används och deplacementet styrs direkt av det efterfrågade fläktvarvtalet och motorvarvtalet. På detta sätt styrs pumpen helt elektroniskt och utflödet matchar det flöde funktionerna kräver precist enligt ekvation 3.2 och 4.1. q ep = ɛ p D p n p η volm (4.1)

54 42 Konceptstudie Figur 4.11: Koncept 11

55 4.2 Kostnadkalkyl Kostnadkalkyl För att kunna jämföra de olika konceptens kostnad gjordes ett antal antaganden om komponenters kostnad med hjälp av erfarna ingenjörer på VAB, vilket presenteras i tabell 4.1. Tabell 4.1: Tabell som visar de antagna kostnaderna för enskilda komponenter. Komponenter Liten [SEK] Stor [SEK] Pump med konstant deplacement 1500 Tryckbegränsningsventil Open-center- 3/2-slidventil 2000 Konstantflödesventil 1500 on/off kran 500 2/2-slidventil Pump med variabelt deplacement 5000 Genom att använda värdena presenterade i tabell 4.1 går det att ge varje koncept en kostnad, vilket presenteras i tabell 4.2. Tabell 4.2: Tabell som visar den totala kostnaden för de elva koncepten. Pump Komponenter Totalkostnad [SEK] Koncept 1 Konstant Koncept 2 Konstant 3/2-slidventil 3500 Koncept 3 Konstant Kran 2000 Koncept 4 Konstant Konstantflödesventil 3000 Koncept 5 Konstant 2/2-slidventil återkopplad 3100 Koncept 6 Variabel 2/2-slidventil återkopplad 6600 Koncept 7 Variabel Kran 5500 Koncept 8 Variabel Konstantflödesventil + kran 7000 Koncept 9 Variabel Kran 5500 Koncept 10 Variabel 2/2-slidventil återkopplad 7000 Koncept 11 Variabel I denna analys exkluderas kostnad för till exempel kylare, tank, filter, varvtalsmätare, anslutningar och så vidare, då dessa komponenter förväntas användas i samtliga konfigurationer. Ingen hänsyn tas till utvecklingskostnad. 4.3 Testgenomförande De framtagna koncepten implementerades i referensmodellen för Spirit och den del av Tempomodellen som består av gödningsfläkt och omrörare. Ett efterfrågat

56 44 Konceptstudie varvtal på både fläktar och skruvar ansattes och konceptens beteende iakttogs då traktorvarvtalet, skruvarnas arbete och andra störningar varierades. Två enkla körcykler togs fram, en för traktorns dieselmotor och en för skruvarna. Körcykeln för traktorns dieselmotor ska motsvara en kvadratisk åker där två av sidorna är plana, en är uppför och en nedför. När traktorn framförde på plant underlag låg motorvarvtalet på 1900 varv per minut. Uppför och nedför har extremfall på motorvarvtalet använts på 2000 respektive 1400 varv per minut. Detta för att lättare se hur koncepten tacklar problemet med varierande varvtal. I verkligheten ser åkrar någorlunda annorlunda ut och differensen för varvtalet är mindre. I simuleringarna kördes traktorn endast ett varv i den imaginära kvadraten och det tar 12 minuter. Körcykeln kan ses i figur 4.12a. För Tempomodellen användes även en körcykel för omrörarna. Omrörararna var aktiva fyra sekunder varje minut så en körcykel med samma längd, 12 minuter, togs fram och visas i figur 4.12b. Skruven i Spirit är alltid igång och simulerades därför inte med någon egen körcykel. (a) Körcykel för varvtalet för traktorns dieselmotor. (b) Omrörarna är aktiva i fyra sekunder per minut. Figur 4.12: Körcykel för traktorns motorvarvtal och tempomodellens skruv som används när modellerna ska simuleras. Figur 4.13: Illustration av såmaskinernas körcykel

57 4.4 Utvärdering och viktningsmodell 45 Verkningsgraden för Hopsanmodellerna beräknas i simuleringarna där en effektsensor mäter effekten, P in, direkt efter pumpen. För motorerna används en momentsensor där värdena multipliceras med vinkelhastigheten och får då effekten enligt P ut = T ω (4.2) För fallet med Tempomaskinen där två skruvar arbetar adderas dess effekt och ger den totala uteffekten. Sedan beräknas verkningsgraden. 4.4 Utvärdering och viktningsmodell Resultatet av de fyra simuleringarna importeras till Excel, där de data som är intressanta är fläktvarvtal och verkningsgrad för de olika koncepten. Då inställningarna och regleringen av de olika koncepten inte är optimal tas ingen hänsyn till det faktiska varvtalet som fläkten roterar med, utan hur stora variationerna i fläktvarvtalet är. Därför används Excel-funktionen STDEVPA som ger standardavvikelsen för fläktvarvtalet för varje koncept. Den minsta standardavvikelsen väljs som täljare för divisionen med samtliga standardavvikelser vilket ger ett relativt resultat mellan 0 och 1, alltså en varvtalskvot. Verkningsgraden bearbetas genom att medelvärdet för varje koncept räknas ut. Det högsta medelvärdet väljs som nämnare i divisionen med samtliga medelvärden vilket ger ett relativt värde mellan 0 och 1 i en verkningsgradkvot. Varje koncept utvärderas även efter kostnaden som räknades fram i stycke 4.2. Den minsta kostnaden sätts som täljare i den division som sedan ställs upp med varje koncepts kostnad i nämnaren. Detta ger en relativ kostnadskvot mellan 0 och 1. Det kan vara svårt att jämföra konceptens prestanda i förhållande till varandra eftersom koncepten kan visa sig vara bra på olika saker. Det är flera faktorer som spelar in när det bästa konceptet ska koras, och dessa faktorer har olika stor betydelse för kundens behov. På grund av detta presenteras en viktningsmodell som ska fungera som ett underlag vid köp av en ny PTO-pump. Genom att låta kunden själv ange vad hen tycker är viktiga egenskaper för pumpsystemet så kommer viktningsmodellen föreslå den lösning som lämpar sig bäst för uppgiften. Användaren väljer hur viktiga de tre olika parametrarna är för att till sist räkna ut ett betyg. Summan av vikterna är lika med 10. Betyget räknas ut genom att addera resultaten multiplicerade med respektive vikt enligt betygsekvationen nedan. Betyg = (V iktning varvtal Resultat varvtal ) +(V iktning verkningsgrad Resultat verkningsgrad ) +(V iktning kostnad Resultat kostnad )

58 46 Konceptstudie

59 Kapitel 5 Resultat Koncepten har testats tillsammans med referensmodellerna för Tempo och Spirit. Nedan följer en sammanställning av de resultat som anses vara de mest relevanta för kunderna. 5.1 Varvtal Figur 5.1a och 5.1b visar att vid varierande pumpvarvtal är koncept 5 bäst, och vid konstant pumpvarvtal är koncept 5 och 6 bäst på att hålla konstant fläktvarvtal, för både Tempo och Spirit. (a) Varierande varvtal (b) Konstant varvtal Figur 5.1: Resultatet för konceptens förmåga att hålla konstant varvtal när dieselmotorns varvtal varierar (till vänster) och är konstant (till höger). Mindre är bättre. Observera att skalan på y-axeln är logaritmisk. 47

60 48 Resultat För att illustrera de erhållna resultaten för olika körfall exemplifieras koncept 2 i figur 5.2 och här går det att se hur fläktvarvtalet varierar under de olika körcyklarna i Spirit och Tempomodellen. Det viktiga är inte att varvtalet är nära det efterfrågade, 3200 varv/min för Spirit och 4400 varv/min för Tempo, utan att varvtalet är konstant. (a) Koncept 2 med Spiritmodellen vid körcykel med konstant varvtal. (b) Koncept 2 med Spiritmodellen vid körcykel med varierande varvtal. (c) Koncept 2 med Tempomodellen vid körcykel med konstant varvtal. (d) Koncept 2 med Tempomodellen vid körcykel med varierande varvtal. Figur 5.2: Resultatet för koncept 2 i Spirit- och Tempomodellerna med konstant och varierande motorvarvtal.

61 5.2 Verkningsgrad Verkningsgrad I figur 5.3 går det att se att verkningsgraden är bättre för de koncept med variabel pump. (a) Varierande varvtal (b) Konstant varvtal Figur 5.3: Resultatet för konceptens verkningsgrad under olika körcykler. Större är bättre. 5.3 Kostnadskalkyl Figur 5.4 visar hur mycket de olika koncepten kostar. Det billigaste konceptet är koncept 1. Figur 5.4: Resultatet för kostnadskalkylen för de olika koncepten. Mindre är bättre. 5.4 Viktningsmodell Genom att ta resultaten från varvtal, verkningsgrad och kostnad kombinerat med viktningsmodellen, presenterad i 4.4, och ansätta viktparametrar går det att få ett resultat baserat på vilket koncept som är bäst utifrån olika perspektiv. Exempel på detta visas i figur 5.5a då koncepten undersöks i Tempomodellen med konstant