Lastkännande hydraulik Spirit 600

Transkript

1 Lastkännande hydraulik Spirit 600 Ted Johansson Fluida och mekatroniska system Examensarbete Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling LIU-IEI-TEK-A--10/ SE

2 Sammanfattning Detta examensarbete är gjort för Väderstadverken AB i syfte att utreda om det är möjligt och vilka effekter det får att implementera lastkännande(ls) hydraulik på såmaskinen Spirit 600. För att kunna avgöra om Ls-hydraulik är lämpligt till såmaskinen har en prototyp byggts och testats med två traktorer. Testerna baseras även på mätdata för att kunna utvärdera hur hydrauliken beter sig. Av gjorda tester har det fastställts att Ls-hydraulik är en bra metod för att förbättra och förenkla hydraulsystemet. Då hydraulblocket till prototypen ej är lämplig för serieproduktion ur kostnads synpunkt har även två alternativa hydraulsystem tagits fram. Förslagen är baserade på användning av patronventiler. Fördelar med att bygga systemet med patronventiler är att dessa är billigare än slidventiler som används till prototypen och man kan göra unika block. Efter jämförelse med det befintliga hydraulsystemet kan man påvisa att användande av Lshydraulik kan bli billigare i konceptnivå.

3 Förord Denna rapport redogör för mitt examensarbete på Linköpings Tekniska Högskola, Instutitionen IEI, Fluida och mekatroniska system. Rapporten motsvarar 30 högskolepoäng och arbetet ägde rum mellan augusti 2010 och januari Arbetet innefattar fördjupning inom hydralik, mobila hydraulsystem. Specifikt har speciellt lastkännande hydraulik utretts. Själva arbetet har utförts för Väderstadverken AB i Väderstad. Handledare för detta arbete på Väderstadverken AB är Daniel Gunnarsson och Per Sjöström. Examinator och handledare på Linköpings universitet är Karl-Erik Rydberg. Varmt tack Till alla som bidragit till genomförandet av detta examensarbete. Speciellt tack till mina handledare och till Jörgen Ahlstrand. Slutligen ett stort tack till Väderstadverken AB för möjligheten att få göra detta roliga och intressanta examensarbete.

4 Innehållsförteckning VÄDERSTADVERKEN AB INLEDNING MÅLSÄTTNING AVGRÄNSNINGAR METOD PROBLEMDEFINITION Kravspecifikation Spirit(prototyp) Tester av prototyp TEORETISKA FAKTA ALLMÄNT OM SPIRIT BESKRIVNING AV HYDRAULSCHEMA FÖR SPIRIT Beskrivning av befintlig hydraulik(bild 1) Beskrivning av komponenter och funktioner LS HYDRAULIK LS HYDRAULIK SPIRIT STYRNING SÄKERHET Over-center ventil (lasthållningsventil) Slangbrottsventil HYDRAULBLOCK TILL PROTOTYP Hydraulschema ls-block SPECIFIKA KRAV PÅ HYDRAULPRESTANDA Tryckkompensering Justering av Såbilltryck och Vingtryck Beräkning av tryck vid chocklast av vinge RESULTAT HYDRAULSCHEMA TILL PROTOTYP Koppling prototyp Utrustning till prototyp Infästning ventilblock för prototyp FÖRENKLAD SPECIFIKATION PÅ PROGRAMVARA SIMULERING Simulering fläkt Resultat för simulering av fläkt Simulering av tryckåterkoppling för såbillar Resultat tryckåterkoppling RESULTAT FRÅN TESTER AV PROTOTYP Test av fläkt Tester av funktioner på Spirit VAL AV VENTILTYP/SYSTEMTYP TILL NY HYDRAULIK Förslag ventilmoduler Förklaring ventilmoduler Hydraulsysytem Hydraulsystem Övriga detaljer hydraulsystem Jämförelse nya hydraulsystem SLUTSATS FELKÄLLOR OCH PÅVISNINGAR FORTSATT ARBETE KÄLLOR... 61

5 6 BILAGOR BILAGA 1. MÄTNINGAR PÅ PROTOTYP MED FENDT BILAGA 2. SIMULERINGSMODELL BILAGA 3. TIDPLAN BILAGA 4. KOMPONENTLISTA FÖR PROTOTYP BILAGA 5. UTDRAG UR MANUAL(SÅBILLSTRYCK) BILAGA 6. UTDRAG UR MANUAL(VIKTÖVERFÖRING) BILAGA 7. UTDRAG UR MANUAL(INFÄLLNING) BILAGA 8. BILDER PÅ PROTOTYP BILAGA 8. BILDER PÅ PROTOTYP BILAGA 9. SAMTLIGA VENTILER... 75

6 Väderstadverken AB Väderstad-Verken startade 1962 då Rune Stark började tillverka jord-sladdar hemma på sin gård i Väderstad åt de östgötska bönderna. Före Rune Starks sladd användes träsladd men dessa slets ner så snabbt att Rune gjorde en i stål och detta var början till Väderstad-Verken AB. Efter detta har uvecklingen och produktsortimentet bara ökat och idag görs såmaskiner, ringvältar, kultivatorer, harvar mm. Ett inköp i det kanadensiska bolaget Seedhawk har medfört ett stort kunnande inom direktsådd. 2

7 1 Inledning Detta examensarbete är ett maskintekniskt arbete på 30 Högskolepoäng som görs för Väderstad-Verken AB räkning. Ett ls-system (lastkännande) skall tas fram till såmaskinen Spirit. Meningen är också att en prototyp ska bli klar för testning vid slutskedet Dagens såmaskin Spirit styrs via traktorns riktningsventiler och en kontrollbox, behov av en enklare installering och användning för operatören är nödvändig. Genom att använda Ls är förhoppningen att det skall bli enklare att använda maskinen och i framtiden också förenkla hydraulsystemet och reducera dess kostnader. Områden att undersöka med en ny lösning på hydraulförsörjning är: -Fördelar och nackdelar vad gäller användning med eller utan Ls. - Kombinationer med Ls och övriga lösningar bör också undersökas -Kostnader av det nya systemet kontra existerande skall även redovisas. - Vid användning av flera funktioner samtidigt, kommer de påverka varandra? -Säkerhetsaspekter bör även behandlas då autonoma rörelser av stora laster kan vara farligt för omgivningen. 1.1 Målsättning Målet med detta arbete är alltså att kunna ge ett förslag till Väderstad-Verken AB på hur Lssystemet skall se ut. Förslaget skall bestå av hydraulschema och beskrivning av ingående komponenter och systemets funktion, även ett kostnadskalkyl skall redovisas 1.2 Avgränsningar Prototypen som har använts är en såmaskin Spirit 600 med full utrustning, alltså crossboard och system disc är monterade. Till prototypen finns ett färdigt ls-block med 7 uttag och diverse funktioner som kan nyttjas. Befintliga hydraulcylindrar, sensorer, ackumulatortank och fläktmotor skall användas 3

8 1.3 Metod Några dagars praktik utfördes i produktionen av en Spirit 600. I produktionen följdes främst monteringen av Spirit. Praktiken bidrog stort till en bra inblick över hur maskinen är uppbyggd men gav främst en bra förståelse över montering och funktion av befintlig hydraulik. Efter praktiken gjordes en gemensam specifikation över vad som skall ingå i arbetet och en tidplan(se bilaga 3) över hur arbetet skall fördelas över tidsperioden. Själva arbetet inleddes med att analysera och förstå det nuvarande hydraulsystemets funktion samt även vad som kan förbättras och eventuellt förändras. Nästa steg i processen blev att analysera prototyp blocket som beställts till detta examensarbete. Efter att bestämt vilka funktioner som skall nyttjas från blocket gjordes ett hydraulschema(se bild 11) över hur det nya hydraulsystemet skall kopplas. Förslag till nytt hydraulsystem gjordes i samråd med Jörgen Ahlstrand från PMC HYDRAULICS AB vilka också tagit fram prototyp blocket. För att kunna styra maskinen krävdes en ny programvara, jag gjorde programspecifikationen efter önskemål och själva programmeringen gjordes av Jörgensen industrielektronik AB. Den sista etappen i arbetet blev att implementera det nya hydraulsystemet på en Spirit 600 och testa och finjustera den nya programvaran. 4

9 1.4 Problemdefinition Frågeställningarna nedan gäller för arbetet i stort. En mer detaljerad specifikation för prototypen redovisas under avsnitt kravspecifiktion Spirit(prototyp). Vad kan man göra med Ls-hydraulik och varför ska man använda det? Vilken maskin och utrustning ska systemet gälla för? Hur skall systemet se ut? -Vilka avgränsningar skall antagas? -Finns det några speciella krav för vissa funktioner vad gäller prestanda och säkerhet? -Finns det funktioner som skall nyttjas samtidigt och hur påverkar detta maskinen? -Skall vissa funktioner ske automatiskt? -Vilka funktioner kan ersättas med Ls-blocket? -Kan man reducera antalet komponenter? -Ska man använda en hybrid, alltså en kombination av Ls och traktorns riktningsventiler, är det möjligt överhuvudtaget? -Vad måste traktorn vara utrustad med, finns det någon skillnad på traktorernas prestanda vad gäller hydrauliken? -Vad behövs för att bygga en prototyp? -Kan det bli lättare att montera detta system? Fördelar nytt system -Blir systemet mer driftsäkert? -Är det lättare att använda? -Besvarar det kundernas önskemål? -Kommer det bli billigare? -Förslår kundattraktionen det nya priset? 5

10 1.4.1 Kravspecifikation Spirit(prototyp) Maskinen skall ha samma funktion som innan. Kraven på funktionerna är: Fläktmotorn skall hålla ett bestämt varvtal men skall också kunna regleras efter utsäde och traktor, kontroll kommer att göras med befintlig varvtalsmätare av induktiv modell. Vingarna skall inte gå att fälla upp om inte såbillar och system disc befinner sig i rätt läge. För kontroll av position kommer befintliga linjärgivare att användas. Trycket i vikcylindern skall kunna justeras och bibehållas, befintlig lösning med ackumulatortank kommer att användas. System disc, såbillar, vingar och crossboard skall kunna manövreras separat. Såbillarna, marktrycket skall vara justerbart vilket regleras med hydrauliken. Positionering av system disc skall göras automatiskt under arbetet alltså ett minne ska finnas för önskad position. Vid låglyft av maskinen alltså när man ska vända så ska lyftet av system disc och såbillar göras med en funktion(en knapp) och till ett önskat läge(förinställt). Markörerna ska kunna manövreras separat detta pågrund av eventuella hinder. Vid vändning under låglyftet skall markörerna dras in automatiskt och vid sänkning till arbete skall de gå ut igen. Hopfällning/utfällning av maskin ska helst göras automatiskt, en knapp skall användas, dock får inte en farlig situation uppstå. Funktionen skall vara enligt: först ska såbillarna och system disc positioneras till rätt läge, därefter ska vingarna fällas ihop/ut. System disc, såbillar, och fällcylindern får heller inte ändra position under arbetet alltså läckage i ventiler och dylikt får inte ske. 6

11 1.4.2 Tester av prototyp Nedan representeras de tester som bör göras på prototypmaskinen. Testerna ska göras med en tillkopplad traktor som kan anses vara av normal storlek. Normala driftfall ska efterliknas i möjligaste mån. De nedanstående mätfallen anses vara tillräckliga för att kunna göra en bra utvärdering av Lshydraulik på Spirit 600. Ventilblock: Tryck på inloppssidan och returen. Fläkt: Mäta mottryck på dränering för hydraulmotor. Om mottrycket i dräneringsslangen är över 10 Bar så finns det risk för att axeltätning i motor förstörs. Kontrollera fläktens varvtal vid körning mellan transportläge, låglyft och arbetsläge. Såbillar: -Kontrollera Billtrycket under arbete och vid manövrering av crossboard och system disc. -Hur mycket kommer billtrycket variera från önskat tryck? -Vad är lägsta tryck som kan fås på billtrycket? -Hur kommer billtrycket variera under normal körning? -Hur förändras billarnas position under körning? -Vad händer vid chocklaster? -Hur lång tid tar det att sänka billtrycket? Vingar Hur varierar trycket i vingcylindern? Crossboard Hur påverkas Ls hydrauliken då traktorns riktningsventil används samtidigt? 7

12 2 Teoretiska fakta 2.1 Allmänt om Spirit Spirit är en av Väderstadverkens modell på direktsåmaskin, denna modell är den som är bland de mest sofistikerade. Såmaskinen är gjord för jordar som kräver dubbel återpackning och resultatet av detta blir en jämn såbädd. Den dubbla återpackningen kommer av att det sitter bärhjul framför billarna och återpackarhjul bakom. Bärhjulen framför såbillarna är förskjutna i offset-läge, detta medför att maskinen får en jämn gång och därmed håller såbillarna djupet på alla jordar. Återpackningshjulen gör också att kärnor och frön får en direkt kontakt med jorden vilket gör att en snabb och felfri etablering fås. Spirit maskinen kan anpassas efter olika förhållanden med tre olika förredskap: Crossboard Heavy System Disc Aggressive System Disc Aggressive Crossboard Light Crossboard Heavy är bra att använda om man plöjt jorden innan. Crossboard-plankan hyvlar och jämnar ut plogtiltorna. System Disc Aggressive är lämplig att använda när åkern bearbetas med kultivator. Redskapet har två rader med tandade och koniska tallrikar vilka gör att skörderester blandas grundligt med jord i matjordens översta skikt. System Disc Aggressive Crossboard Light är bra för lantbrukare med varierande jordbearbetning, alltså med plöjd åker eller bara kultiverad. 8

13 2.2 Beskrivning av hydraulschema för Spirit 600. Bild 1, är det befintliga hydraulschemat 9

14 2.2.1 Beskrivning av befintlig hydraulik(bild 1) Manövrering av såaggregat: För att lyfta såaggregatet så skall ledning tre trycksättas och ledning 4 blir retur. Lyftstopp F skall vara i öppet läge och det hydrauliska låset H öppnas av trycket i ledning tre. Vid sänkning av aggregatet skall slang 4 trycksättas och slang 3 blir retur. Hydrauliska låset O öppnas av trycket i slang 4. Lyftstoppet F måste även var öppet. Variabla Strypningen N används för att begränsa hastigheten vid sänkrörelsen, detta för att skydda aggregatet. Blocket G är en variabel tryck och flödesoberoende trycksänkare vilket ger ett önskat statiskt tryck i cylindrarna vid kontakt med jorden. Manövrering av vingar: För att fälla vingarna trycksätts ledning 5 och ledning 6 fungerar som retur. On-off-ventilen (sänk och höjstopp) L förses i öppet läge och hydrauliska låset M öppnas av trycket i ledning 5. Den hydrauliska ackumulatorn A14 upprätthåller och ger det önskade trycket i vingcylindern vid drift. Mekaniska on-off ventilen R används för att justera trycket i ackumulatorn Hopvikning av vingar görs med tryck i ledning 6 och on-off ventilen skall vara i öppet läge. On-off ventilen L öppnar bara om såbillar och system disc befinner sig i rätt position, detta för att kollision kan ske. On-off ventilen L kan också manövreras manuellt, detta för att bonden alltid ska kunna komma hem från åkern. Manövrering av Crossboard: Justering av vinkeln för crossboard ändras genom att skifta omkastarventilen V18 och därmed ansluts crossboarden till traktorns riktningsventil. Genom att trycksätta ledning 6 höjs den och sänkning sker vid trycksättning av ledning 5. Fläkt Fläkten drivs med tryck i ledning 7, dränering av motor sker via slang 8 och ledning 9 är utloppet från motor och skall kopplas till fri retur. hydraulblocket T är gjort så att oljan från dräneringen kan välja väg till antingen traktorns riktningsventil eller till den fria returen. 10

15 Manövrering av Spirit i arbetsläge(arbete på fält med vingar utfällda): I detta läge sker manövreringen av system disc, såbillar och markörerna med ledning tre och fyra. Höjning av såbillar sker med tryck i ledning tre och retur i ledning 4. Hydrauliska låset H öppnas av trycket i ledning 3. Höjningen stängs av med on-off ventilen F när redskapet har nått rätt position. System disc går också på samma ledning förutsatt att on-off ventil C är öppen, vilken också bestämmer stänger av när redskapet nått rätt läge. Hydraullåset i block tre öppnas av trycket i ledning tre. Markörerna hänger också ihop med ledning 3 och åker alltid in när den är trycksatt. Sänkning sker med tryck i ledning 4 och retur i ledning tre. Hydrauliska låset O öppnas av tryck i ledning 4 och såbillar sänks. På samma sätt öppnas hydraullåsen B4, P och system disc sänks. Önskad markör skjuts ut genom att öppna någon av on-off ventilerna A,B och D Beskrivning av komponenter och funktioner Hydrauliska lås: Används då man vill säkerställa att oljan står stilla, bra att använda då tätheten hos en slidventil inte är tillräcklig. I Spirits fall vill man säkerställa att inte system disc och såbillar sjunker(under transport) eller lyfts upp(under arbete), för vingarna används låset för att bibehålla marktrycket. Låsen består av styrd backventil som går att öppna trots att den befinner sig i spärrläge. En sådan här ventil har en extra kolv som trycksätts med hjälp av ett yttre tryck. Vid icke aktiverad manöverkolv tätar kulan invändigt i huvudkolven. När manöverkolven aktiveras pressar den undan kulan från sitt säte, när detta görs sänks trycket bakom huvudkolven och manöverkolven kan med ett relativt lågt styrtryck förskjuta huvudkolven. Backventil med strypning(n): Om man vill ha fri strömning i ena riktningen genom en ledning men strypt i den andra kan dessa användas. På Spirit finns en sån här backventil med variabel strypning som används till såbillar, detta för att kunna reglera hastigheten vid sänkrörelse. Reglerventil (G): Detta block är en variabel tryckbegränsar med backventil. Den fungerar så att när såbillar sänks så stängs ventilen för det inställda trycket och vid lyftrörelse så går oljan genom backventilen. 11

16 2.3 Ls Hydraulik Ls står för load-sensing och på svenska innebär det lastkännande. Principen är att styra en variabel hydraulpump så att levererat flöde motsvarar behovet(lasten). Ls hydrauliken är mest gynnsam att använda när man har ett system med olika laster, flera laster med liknande förhållanden och om hydrauliken används sporadiskt. Genom att pumpen är variabel så anpassar den sig till om det är en tung eller lätt last men det är alltid den tyngsta lasten som bestämmer systemtrycket. Största förlusten med Ls är när systemet belastas med en last som kräver högt tryck men lågt flöde och en last som kräver lågt tryck men stort flöde(se bild 3). Minst förluster uppnås när man har en single last(se bild 2) vilken pumpen enkelt justerar sig efter eller om man har flera liknande. I bild 2, 3 och 4 illustreras effekten för olika driftfall, effekt är produkten mellan tryck och flöde. I figurerna illustreras den effekt som är ren förlust med röd färg och utnyttjad effekt är grön/blå. Ett jämförbart system är ett konstanttryckssystem bestående av en fast pump med en shuntventil. Pumpen levererar ett konstant flöde och ventilen, tryckbegränsaren håller ett förinställt tryck, alltså överflödig olja går direkt till tank. Ett konstanttrycksystem med fast pump anpassat för körning med flera laster får väldigt stora förluster om man kör single laster (se bild 4). Genom att titta på figurerna syns att stora förluster kan reduceras med lshydraulik. Det kan givetvis uppstå situationer då detta system har förluster men med ett förbrukar system bestående av flera funktioner som används sporadiskt är Ls-hydrauliken överlägsen. Bild 2 [3] Bild 3 [ 3] Bild 4 illustrerar förluster med ett konsttrycksystem som stundtals används till en last. [3] 12

17 2.4 Ls hydraulik Spirit 600 Önskemålen för framtidens Spirit är att underlätta handhavandet och uppnå en säker drift. Dagens maskin kan inte justera trycket i såbillarna eller för vingarna under drift se utdrag ur manual(se bilaga 6). För att justera billarnas tryck kan trycket släppas från traktorn men för att höja måste föraren gå ut och skruva på tryckreduceringsventilen. För att justera vingtrycket se uttdrag ur manual(se bilaga 7). Med detta system blir det krångligt att ändra sina inställningar då t.ex jorden ändras, föraren vill kunna finjustera sin maskin under drift eller byta utsäde snabbt. Ytterligare vill man förbättra följsamheten för billtryck och för viktöverföringen av vingar. Med dagens maskin följs inte marken optimalt av såbillar och vingar, trycket i systemen följer inte markens ändring. Vid körning över hinder, svackor, nivåskifte så ökar trycket kraftigt eller reduceras kraftigt. Det finns också stora risker för maskinskador i samband med hinder. Fläkten som förser frö-utmatningen med en luftström vill man också kunna justera och säkerställa att varvtalet hålls. Med dagens system så påverkas flödet till fläkten då samkörning görs med andra funktioner, tryckfallet över ventilen ändras och därmed tryck/flödes karakteristiken. Ett annat önskemål är att slippa den krångliga proceduren för att fälla ihop och ut maskinen(se bilaga8) och för att istället ha en automatisk hop/ut fällning. För att kunna möta dessa krav måste man ha ett hydraulblock med en konstanttryckkälla eller aktiv hydraulkälla(ls). Hydraulblocket ska göras så att man kan fördela ut oljan till önskad förbrukare med önskade egenskaper. Genom att ha en aktiv hydraulkälla kan man använda sig av automatiska funktioner och det ger förutsättningarna att kunna hålla och justera tryck. Med kompensering för ventilerna kan man hålla en tryck/flödeskarakteristik oberoende av samkörning med flera funktioner. Ändringar av position, tryck, och flöde kan enkelt göras från manöverpanelen eller en joystick utan att behöva dra i spakar och dylikt. Alternativen för att möta önskemålen är att använda traktorns dubbelverkande uttag för att förse ett block med olja. Detta skulle dock bli ett konstantrycksystem där överflödig olja shuntas tillbaka till tank, ledningen är ej dimensionerad för så stora flöden och responsen från traktorns pump är ej snabb. Traktorns Ls-uttag ska användas, stora flöden kan tas ut och Ls-ledningen är direkt verkande mot pump och därmed fås en snabb respons vid laständringar. 13

18 2.5 Styrning Can Can står för controller area network, systemet fungerar så att kommunikation sker mellan mikroprocessorbaserade moduler. Detta system är vad Väderstadverken AB använder för att styra sina maskiner. Alla enheter på en databus talar och förstår samma elektroniska språk. Kommunikationen sker genom två tvinnade ledningar(twisted pair), coaxial eller fiberoptiska kablar. De elektronikenheter som är anslutna till Canbus kallas noder. Varje nod har sitt unika IDnummer i systemet. I Väderstadverkens system kallas dessa noder för workstations Vid sändning och mottagning av signaler skickas meddelandena inte till unik adressat utan alla noder får informationen. Noderna känner dock igen sina egna budskap och reagerar på det, vilket ger stor flexibilitet när flera noder ansluts. I Väderstads Canbus system används en master i form av en så kallad controlstation(kontrollbox). PWM För att kunna styra olika ventiler krävs olika signaler. On-off ventiler kräver endast matning med likström. Proportionalventiler kräver PWM(Pulse width modulation) signal. PWM är en pulsbredd modifierad signal som har utseendet av en fyrkantsvåg(se bild 5) med justerbar pulsbredd. Denna signal gör att man kan skicka en signal som gör att man får en kontinuerligt justerbar effektmatning vilket behövs till en proportionalventil. Styrningen av pulsen görs med två parametrar, cykeltid och tillslagstid. Cykeltiden är konstant och väljs av användaren och den ska vara kort i förhållande till ventilens tidskonstanter. Styrsystemet ska bestämma tillslagstiden, alltså hur länge solenoiden ska vara tillslagen under varje cykel. Exempel: Om styrsignalen har en viss procent av maxeffekt så ska solenoiden vara tillslagen samma procent av cykeltiden. Bild 5 visar ett exempel på hur pwm-signalen kan se ut [4] 14

19 2.6 Säkerhet För att kunna garantera säkerhet vid slangbrott för vingarna finns alternativ lasthållningsventil och slangbrottsventil Over-center ventil (lasthållningsventil) Denna ventil är från början gjord för laster som går över center alltså man går från att trycka på lasten till att hålla den. I vanliga fall används den inom mobilindustrin för att säkerställa position av cylindrar vid slangbrott. Vanliga tillämpningar är t.ex. skylift,grävmaskiner och kranar. Funktionen är sådan att man ventilen öppnar bara om det finns ett styrtryck(se bild 6). Bild 6 visar principen för uppbyggnaden av en lasthållningsventil. [3] I denna figur syns tydligt att vid sänkande rörelse måste man ha ett tryck på minussidan för att ventilen ska öppna. Skillnaden på areorna A1 och A2 gör att ventilen ej rör sig med bara tryck på A1, givetvis måste fjädern anpassas. För lyftrörelsen går oljan obehindrat genom backventilen. Problem med Over-center ventil: När man använder sig av en tryckkompenserad manöverventil för att styra en over-center ventil kan sänkrörelsen bli svängig. Tryckkompenseringen medför att ett konstantflöde tillförs cylindern och styrtryck. Vid starten av sänkrörelsen kan styrtrycket sjunka så mycket att overcenter ventilen stängs, rörelsen bromsas upp och trycket ökar igen. Detta kan bli en cykel och rörelsen blir svängig. Svängning kan elimineras med en strypning. Att använda en over-center ventil istället för en slangbrottsventil har fördelen att man fortfarande kan manövrera maskinen vid slangbrott. För att manövrera med en slangbrotts ventil måste en ny slang kopplas på. 15

20 2.6.2 Slangbrottsventil En alternativ lösning till lasthållningsventilen är slangbrottsventil. Ventilen är betydligt billigare men kan ej justeras som en lasthållningsventil. Ventilens funktion är sådan att man anpassar den för ett maxflöde som används i systemet. Vid ett slangbrott så ökar flödet momentant och överstiger det inställda maxflödet vilket gör att ventilen stänger. Utformningen är sådan att flödet går över en fjäderspänd kägla. Över denna kägla sker ett tryckfall som är proportionell mot flödet. När tryckdifferensen blir tillräckligt stor över käglan så övervinner kraften på käglan fjäderns inspända kraft och ventilen stänger distinkt. Se bild 7 Bild 7 visar en typisk konstruktion av en slangbrottventil. [1] Slangbrottsventilen som bör användas till vingen är av typ inskruvningsbar, alltså man skruvar in den i anslutningen på cylindern. För att bestämma storleken på ventilen är tumregeln att multiplicera det maximala flödet med 1.5. För att bestämma maxflödet måste hastigheten på cylindern bestämmas. 16

21 2.7 Hydraulblock till prototyp Detta hydraulblock är framtaget för att kunna göra en utvärdering av användande av Lshydraulik till Spirit. Beställningen gjordes innan projektets början för att tid skulle finnas att montera det på maskinen. Blockets komponenter är från början delvis anpassade för de olika funktionerna på såmaskinen. Blocket med dess komponenter är gjort av Hawe hydraulik och är beställt av PMC HYDRAULICS AB. Riktningsventilerna är av typ slidventiler med ls-funktion Komponenterna/sektionerna till blocket är: PSV 41/200-3 (Ingångs-sektion, anslutning av tryck, retur och Ls-ledning ) - ZPL 32 (Övergång från storlek 3 till 2, ingångs-sektion till slidventiler) - A2 M 40/40/EA/3 (Sektion med slidventil och kompensator) - A2 H 40/40/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås) - A2 H 16/16/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås) - A2 H 40/40/ A150 FP1/EA/2 (Sektion med slidventil, kompensator, tryckbegränsare och tryckreglering) - A2 H 25/25/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås) - A2 H 25/25/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås) - A2 H 25/25/ A120 /EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator, tryckbegränsare) - E4 (Sektion ändplatta) -G12 (Spänning som solenoiderna skall förses med) A2 innebär att ventilen har inflödeskontroll. M,H är modell på riktningsventil(se bild 8). 40/40 anger vilket flöde ventilen är gjord för. EA innebär att ventilen kan manövreras elektrohydrauliskt och manuellt. /2 anger vilken storlek blocket har. DRH medför att ventilen är utrustad med ett hydrauliskt lås. 17

22 2.7.1 Hydraulschema ls-block Bild 8 är hydraulschemat för hydraulblocket som används till prototypen 18

23 PSV 41/200-3 (första sektionen) PSV står för leverans med olja under tryck, med hjälp av variabel pump (stängt centrum) Fyran står för att de tappade portarna P och R har beteckning G 3/4 UNF /16-12 UN- 2B (SAE-12, type PSV). Alltså tryckledningen har storlek ¾ tum och returledningen har 1 1/16 tum Ettan betyder att blocket har en integrerad tryckbegränsningsventil för det interna styrtrycket(pilottrycket). 200 betyder att det finns en justerbar tryckbegränsningsventil för arbetstrycket upp till 200bar. Trean förtäljer storleken på utgången till de efterföljande ventilerna. ZPL32 Är en övergång från en sektion med storlek tre till två. A2 M 40/40/EA/3 Ventilen har en inflödes kontroll(a2) och utseende M(se bilaga), när ventilen är oaktiv blir utlopp B ansluten till retur. 40/40 innebär att tryck och retursidan klarar ett flöde på 40 l/min. EA står för att ventilen kan manövreras elektro-hydrauliskt och manuellt. trean innebär att portarna är på en ½ tum. A2 H 40/40/EA/2 DRH Till skillnad från ventilen ovan så har denna ett hydraullås bestående av styrda backventiler och portarna har 3/8 tum. Utloppen A och B är anslutna till retur vid oaktiv ventil.. A2 H 16/16/EA/2 DRH Har samma utseende som förgående men är anpassad till ett flöde på 20 l/min. 19

24 A2 H 40/40/ A150 FP1/EA/2 Denna ventil är anpassad för ett maxflöde på 40 l/min. A150 står för att ventilen har en egen intern tryckbegränsare på 150 bar för port A. Denna tryckbegränsare/tryckregulator. FP1 är en elektriskt styrd proportionell cut-off ventil som används i kombination med tryckkompensatorn för att kunna reglera trycket. Med denna kombination kan trycket ut justeras mellan Bar. A2 H 25/25/EA/2 DRH Ventilen har en flödesbegränsning på 25 l/min. Utrustad med hydrauliskt lås A2 H 25/25/EA/2 DRH Utrustad med hydrauliskt lås och flödesbegränsning på 25 l/min. A2 H 25/25/ A120 /EA/2 DRH Denna ventil är anpassad för ett flöde på 25l/min och har en tryckbegränsare på 120 bar till port A. Har även ett hydrauliskt lås. E4- E4 står för vad för slags ändplatta det är till ventilblocket. E4 innebär att det finns en port T som är en intern returledning till tank som max får belastas med 10Bar. Det finns även en port Y som man kan koppla på en extern Ls-signal. Portarna har anslutningstyp G1/8. G12 Innebär att solenoiderna styrs med 12V likström. Varje ventil har en solenoid vilket innebär att två PWM signaler behövs för att reglera ventilen proportionerligt åt två håll. Ls-signal Varje styrsignal från ventilerna är ihopkopplade med en backventil(vippbräda) vilket gör att det högsta styrtrycket går till pumpen och därmed anpassas pumpen så att tillräckligt flöde fås. 20

25 2.8 Specifika krav på hydraulprestanda Önskade egenskaper hos ventiler. För att beräkna önskat flöde till funktionerna har jag antagit en tid på 5sek från hopdragen cylinder till max utslag. Då det maximala flödet krävs till cylinderns plussida har detta flöde beräknats. Flödet fås genom ekvationen: 2 d s q 4 t d =diameter på kolv s= slaglängd t= tiden för fullt utslag System Disc har en cylinder med diameter 95mm och slaglängd 264mm. Med dessa parametrar blir det önskade flödet 23 l/min Billaggregatets cylinder har en diameter på 70mm och slaglängd på 264mm. För manövrering används två cylindrar i mittesektionen för manövrering. Flödet till såaggregatet blir då 2x13 l/min vilket är 26l/min. Markörens cylinder har diameter 60mm och slaglängd 500mm. Flödet blir 17 l/min. Ritsmarkören har diameter 40/20mm och slaglängd 95mm vilket medför att det önskade flödet blir för rörelse upp 2.5l/min. Flödet för nedsättning av ritsmarkör blir: q 2 2 ( d1 d2 ) s 1.95 l 4 t / min Vingcylindern har diametern 110/60mm och slaglängd 1000mm och för att fälla ut på 20sek krävs det ett flöde på 28 l/min på plussidan. På minussidan blir det ett utflöde på 20 l/min. Fläktens flöde beräknas med: 1 q D m n m vol [2] D m = Deplacement n = varvtal på motor m vol = volymetrisk verkningsgrad, antar en låg verkningsgrad på 0.9. Detta medför att flödet blir 40 l/min med ett önskat maxvarvtal på 4600varv/min. 21

26 Tryckbegränsningar: Vingarna ska ha en tryckbegränsare till 120 Bar för att säkerställa att vinglås ej kan brytas sönder. Billaggregat bör ha en tryckbegränsare till 150 Bar för att undvika överbelastning. Det ska också finnas en funktion för att kunna justera och bibehålla trycket Tryckkompensering Alla ventiler är tryckkompenserade, detta innebär att man har ett konstant tryckfall över ventilerna oavsett last och flöde. Detta gör det enkelt att manövrera ventilen då flödet endast kommer att bero på styrsignalen. Det finns två olika kompenseringar antingen efter eller före ventilen, alltså vart tryckkompensatorn placeras (se bild 9). Före Efter pk Bild 9 visar illustrativt före och efter kompensering för ventilen(strypning i bild). [5] Till de utvalda ventilerna, sitter kompenseringen före ventilen. Efter-kompensering är mer komplex i blocket och därmed dyrare. Användning av För-kompensering medför att ett konstant tryckfall över ventilen fås. Vid de tillfällen då pumpen ej är tillräcklig eller flödesmättnad uppstår( flera funktioner används samtidigt) så kan den tyngsta lasten stanna. Se förklaring med ekvation: pk är förinställt tryck(fjäder). pk pl p 2 pk p2 p L Detta medför att: q L C q A s 2 2 ( p2 pl) Cq As ( pk) [2] Alltså tryckfallet över ventilen är konstant och flödet bestäms av utslaget på ventilen. Men om p p L p 1 k så kommer kompensatorn ställa sig max öppen och flödet kommer att minska proportionellt mot p 1 pl, p 1 = pumptryck. Detta gör då att tyngsta lasten stannar. 22

27 Det är dock inte troligt att detta kommer att ske då man generellt inte kommer att använda alla funktioner samtidigt. Mest olja som används är vid ihopfällning och då går det åt max 60 l/min enligt förra system. Dagens traktor pumpar har generellt större kapacitet men för att vara säker är det bra om traktorn har en kapacitet på 100 l/min Justering av Såbilltryck och Vingtryck För att ändra trycket till såbillarna måste man vid fallet sänkning av tryck släppa tillbaka en viss oljemängd alltså den komprimerade oljemängd som motsvarar trycksteget. Beräkningarna nedan ska ge en uppfattning om hur stort flödet blir för att kunna reducera trycket vid ett visst steg. För att säkerställa funktion antas att trycksteget ska ske på 1 sekund och steget ska gå från 100bar till 15bar. Slangen har dimension 3/8 tum och längden 4m. Cylindrarna har diameter 70mm och slaglängd 264mm För att beräkna erforderligt flöde till denna trycksänkning används kontinuitetsekvationen: q dv dt V e dp * [1] dt q =Erforderligt flöde för trycksteget dv = förändringen för volymen[m 3 /s]. Jag antar att Volymändringen är noll. dt V = Volymen för systemet, slang och cylinder[m 3 ] e = Kompressionsmodulen för oljan, vilken jag antar till 750 MPa. dp = Tyckändring(tryckderivata[Pa/s]). I detta fall blir dt dp dt *10 8,5 MPa / s V slang V cylinder 2 (3/8* ) * *4 m * * *0,264 m V tot 4 3 2,85*10 0,002 0, m q 0, *8,5*10 *60*1000 1,55 l 6 750*10 / min 23

28 För vingarna skall trycket justeras mellan 100 och 30 bar. Slangen är av dimension 1/2tum och 4 meter lång. Cylindern har diametern 110mm och slaglängd 1000mm. Detta medför att: V slang (1/ 2*0.0254) * *4 5,07*10 m V cylinder * * ,0095 m 4 3 V tot 4 3 5,07*10 0,0095 0,010 m dp dt *10 7 MPa / s q 0,010 6 *7*10 *60*1000 5,25 l 6 800*10 / min Detta innebär att Ls-ledningen för såbillarna måste släppa igenom ett flöde på 1,50l/min och vingens ls-ledning måste släppa igenom ett flöde på 5,25l/min. Om ledningarna inte klarar dessa krav innebär detta att tiden för att ändra trycket ökar. Viktigt att tillägga är att tryckreduceringen ej kan användas som chockventil. En chockventil ska släppa igenom ett mycket större flöde, cylindern ska ändra position vilket den ej gör vid tryckändring. Dessa flödesvärden är dock bara riktvärden då flödesförluster i slang och liknande ej tas i beakt. Alltså det är inte säkert att fluiden uppnår denna strömning och därmed förlängs tiden. I verkligheten har man även en viss volymändring från slang. 24

29 2.8.3 Beräkning av tryck vid chocklast av vinge För att kunna säkerställa att rätt ventil valts som chockventil(pd10-44,se bilaga 8) beräknas förstärkningen i systemet. Systemet approximeras som en konstanttryck källa som arbetar mot en last med en tryckbegränsare(se bild). Alla ekvationer är tagna ur [1]. Bild 10 visar principiellt chockventilen för vingcylindern p ref p s Ls tryck [MPa] Systemtryck [Mpa] V s Systemvolym [m 3 ] q p q l q v e Kompressionsmod ul [MPa] Pumpflöde[m 3 /s] Lastflöde[m 3 /s] Ventilflöde [m 3 /s] Vidare approximering av systemet: 25

30 Kontinuitetsekvationen ger: q p q l q v V s e p s (ekv.1) p s dp dt Flödet genom tryckbegränsningsventilen ges av då jag antar att tryckfallet över ventilen är Systemtrycket: qv Cqwxv ps k0 C q Flödeskoeficient [-] w x v 2 Areagradient [m] Slidutstyrning [m] x v p s (ekv.2) Efter linjärisering och laplacetransformation fås: V s Q p Ql Qv ps (ekv.3) e Q v K q x v K c p s (ekv.4) Där: dq v Kq k0 dxv x0 p so (ekv.5) K c dq dp v s pso 1 2 k 0 x v0 1 p s0 (ekv.6) Index 0 innebär att man linjäriserar kring en driftpunkt. (2) och (5) K c q v0 2 p s 0 (ekv.7) 26

31 (ekv.3) och (ekv.4) Q p Q l K q x v s Qp Ql K q xv pskc 1, w K c p s V w s = Systemets brytfrekvens s e p s s s K c e w s (ekv.8) Vs Kraftbalans över ventil(ventilen öppnar om p p ): s ref F ( p p ) A (ekv.9) öppna s ref v F K x, K e effektiva fjäderkonstanten (ekv.10) öppna e v (9) och (10) x v ( p s p K ref e ) A v 1 1 s w v (ekv.11) Blockschema: Förstärkningen sökes, alltså sätts p ref 0 27

32 28 e q v v K K A R 1 Blockreducering v c R K Kv ) 1 1 ( ) (1 2 v c v s v s v c v v s s K K w w s w w K K s w s K Q p s l p Q Q Q

33 29 1 ) 1 1 ( ) (1 2 v c v s v s v c v v s s K K w w s w w K K s w s K Q p 1 2 ) ( s w w s w s K Q p v v s s v c v s K K w w w 0 v c v s K K w w w ) 1 1 ( Sökt max _ s p Förenklat Bode-diagram: Högsta trycket uppnås vid 0 w. 1 2 ) ( w iw w iw w iw K Q p v v w w s s v v c s v w K K w K

34 ps _ max ökar om w v minskar. Efter överläggning med examinator Karl Erik Rydberg antogs: w v 100 rad / s e 750 MPa Övriga parametrar: V s d 2 l 4 3 d l 4 m [m] (3/8 slang) 4 V s 2.76*10 [m 3 ] K c qv0 3.2* 10 2p s m spa R v Pa q *10 Ns 5 m Approximerad lutning av tryckflödeskurva för ventil. K v * * *1 m s Q s *10 Q s är alltså flödesstörningen vid chocklasten av vingcylindern(d=110mm). Chocken är beräknad på en 20cm höjning av mitten på ena vingen under tidsperiod av 1 sekund. Detta bidrar till att cylindern skjuts ihop med 2cm. p s _ max =33 Bar Av denna beräkning framgår alltså att trycket i systemet ökar momentant med 33 Bar utöver det ställda trycket. Detta anses acceptabelt då räkneexemplet representerar en extrem chocklast. Ventil PD10-44 anses lämplig som chockventil. 30

35 3 Resultat 3.1 Hydraulschema till prototyp Bild 11 är hydraulschemat på hur prototypen skall kopplas. 31

36 3.1.1 Koppling prototyp För verklig bild av prototyp se bilaga 9. Fläkten skall kopplas till ventilsektion C med port A till trycksidan på motorn och B till returen. Dräneringen skall kopplas till tillgänglig extra port på blocket. På sektion D skall System Disc kopplas, puckcylindern kommer finnas kvar men inte användas. För att bestämma position för arbetsläge kommer linjärgivare att användas. Befintlig mekanisk 3/2 ventil ska anslutas till ledning B, puckcylinder och övriga cylindrar. Billaggregatet ska anslutas till sektion F och ett styrbart hydraullås ska sättas på ledning B vilken öppnas med tryck i A. Detta görs för att sliden i sektion F har öppna ledningar i netralläge, både portar anslutna till retur vilket medför att aggregatet inte kan hållas i avstängt läge. Port A ansluts till cylindrarna C8 och C9. Port B ansluter till cylindrarna C7 och C10 med en strypning på 1.5mm. Markörerna ansluts till sektion G, befintligt hydraulblock ska användas för manövrering av markörerna. De fyra portarna 3, 4 och 14 som inte används ska pluggas och on-off ventil C skall inte användas. On-off D ventil kopplas till ritsmarkören, B kopplas till höger markör och A till vänster markör. Fällcylindern ska anslutas till sektion I. Port A kopplas till plus sidan på cylindern och befintlig ackumulatortank med manuell ventil. Port B ansluts till cylinderns minussida med en strypning. Sektion H kommer inte att användas och ska därför pluggas. Crossboard kopplas till traktorns riktningsventil Utrustning till prototyp Utöver ventilblock och befintliga komponenter: Det behövs fyra stycken induktiva givare för att kunna bekräfta vingarnas position. Två stycken workstations(noder i Canbussystemet) för att kunna koppla in alla in och ut signaler. Ett hydrauliskt lås. 3 st uttag för att mäta tryck. Lista för slang och kopplingar finns som bilaga 5. 32

37 3.1.3 Infästning ventilblock för prototyp För att placera ventilpaketet på en tillgänglig och ej så utsatt position valde jag att hänga den i plattformen(se bild 12). Då infästningen på ventilblocket endast består av m8 bult har jag valt att lägga blocket på en bockad plåt med en tunn gummilist emellan för att reducera eventuella vibrationer. Den bockade plåten svetsas samman med två vinkeljärn vilka bultas i plattformen. Ett stöd i sidled svetsas på den bockade plåten och bultas sedan i ramen. Bild 12 visar hur infästningen av prototyp ska vara 33

38 3.2 Förenklad specifikation på programvara Önskat beetende för Spirit(prototyp), krav på mjukvara. Tre positioner skall finnas för maskinen, dessa lägen är transportläge(alla redskap i maxläge), låglyft(position för redskap vid vändning) och arbetsläge(maskinen bearbetar jorden). För att erhålla de önskade funktionerna används de befintliga linjärgivarna. För att kunna styra maskinen efter önskat beetende krävs det 4 pwm-signaler, fläktventil, såaggregatsventil, SDventil(upp och ner). För vingfällning och hopfällning skall man gå in i menyn på manöverpanelen och där välja fällning eller hopfällning. Önskad funktion fås genom att hålla vald knapp intryckt. Alla ventiler utom fläktventilen ska vara dubbelverkande. Fläkten skall styras med en on-off knapp, och signalen(strömmen) skall kunna styras linjärt, alltså ventilen skall vara i aktivt läge under drift och varvtalsåterkoppling skall i mån av tid testas. Funktionen blir alltså att man sätter sitt önskade värde i meny och därefter aktiveras fläkten med on-off knappen. Parametrar till regulator trimmas i kontrollbox. Fläktens solenoid sitter på block C. System Disc För positionering skall ett minne kunna justeras för arbetsläge,låglyft och ett läge sparas för hopfällning. Positionen för arbetsläge,hopfällning och låglyft fås av linjärgivaren. Justering av positionerna görs automatiskt när man står i valt läge och ändrar SD. Utslaget på ventilen ska kunna begränsas och styras proportionellt för att kunna finjustera arbetsdjup. Solenoiden sitter på block D Crossboard Detta redskap kommer att anslutas till traktorns riktningsventiler, man vill justera redskapet kontinuerligt och bekvämt med en spak/joystick vilket gör att användning av traktorns ventil är fördelaktig. Billaggregat Ventilen skall vara aktiv under arbete. Ett minne för position av hopfällning och låglyft ska finnas, signal fås av linjärgivare. Signal till proportionalventilen i Ls blocket skall finnas och vara proportionellt justerbar. Tryckåterkoppling av såbillar görs om tid finnes. Markörer Utslaget på ventilen skall endast vara aktiv under manövrering av markörer. Markörerna manövreras av on-off ventilerna A,B och D(se hydraulschema). Enskild manövrering ska finnas. Ett minne för vilken markör som ska användas vid vändning skall finnas, alltså en markör skjuts ut vartannat låglyft. Markören aktiveras av låglyft, arbetsläge och transportläge. 34

39 Markör ut: Markören skjuts ut när signal skickas till arbetsläge. Markör in: Markören dras in när man valt att gå från arbetsläge till låglyft eller transportläge. Markörerna skall tidsfördröjas med en justerbar tid när de ska fällas ut. Fällcylinder Ventilen är inte aktiv under arbete. Vid hopfällning skall ventilen endast öppna om System Disc och såaggregatet befinner sig i position hopfällning. För att bestämma positionerning av vingarna kommer fyra induktiva givare att användas. 2st för att bestämma nerfälld position och 2st för att bestämma hopfälld. Automatiska funktioner: Utförande av automatisk funktion in- och utfällning kräver intryckt knapp. Fällning(sekvensstyrning) System Disc, såaggregat ställs till position hopfällning. Fällcylinder dras ihop. Upplåsning av vinglås, vinglås släpps mekaniskt eller hydrauliskt(i mån av tid). Fällcylinder fälls ut. System Disc och såaggregat intar position transportläge(överströmning), detta för att säkerställa kalibrering av redskap. Sekvens avslutas genom att frigöra knapp En signal till eventuell hydraulisk manövrering av vinglås ska finnas i programmvaran. Signalen ska uppstå då knapptrycket görs. Hopfällning(sekvensstyrning) System Disc och såaggregat intar position hopfällning. Vingcylinder dras ihop. Kontroll hopfällt läge. När vingarna är hopfällda aktiveras System Disc och såaggregat till transportläge. Låglyft Position vid vändning, System Disc och såaggregatets position skall vara justerbart. Fläkten bibehåller varvtal. Ett sekvensschema ska göras till låglyft, alltså rörelsemönster för System Disc, Billaggregat och utmatning. Funktionerna tidsstyrs med fördröjning från aktivering av låglyft. Sekvensstyrning görs för att när man kommer till vändtegeln så vill man t.ex att förredskapet lyfts först, därefter stängs utmatning av, markör dras in och slutligen höjs såaggregatet. Arbetsläge När man går från antingen transportläge eller låglyft till arbetsläge skall maskinen sekvenstyras på liknande sätt som ovan. 35

40 Position i mark, position för System Disc och trycket för såbillarna ska vara justerbart. Fläktens varvtal ska kontrolleras och larm ska utlösa om fläkt är frånslagen. Transport Alla funktioner lyfts till max och utmatning stängs av. När maskinen går från antingen låglyft eller transportläge till arbetsläge skall fläkten alltid aktiveras. Om man vill stänga av görs detta med on-off knappen. Till prototypen kommer det endast finnas tillgång till 4 PWM signaler. Fläkten(block C) kommer förses med en Pwm signal då den ventilen endast behöver manövreras åt ett håll. Såbillarna(block F) får en PWM ingång då det behövs till proportionella on-off ventilen. System Disc (block D) skall förses med två PWM signaler då redskapet ska kunna finjusteras. Resterande ventiler begränsas med mekaniskt stopp. Eventuella återkopplingar görs efter första styrsystemet har testats. En meny ska finnas för att kunna justera och ändra beetende vid låglyft. Styrsystem För att behandla och styra alla in och utsignaler kommer Canbus att användas med två noder. 36

41 3.3 Simulering Simulering fläkt För att kontrollera teoretiskt hur fläkten påverkas av en störning från andra funktioner görs det en simulering i amesim. Simuleringsmodellen bygger på en variabel pump, en riktningsventil, fläktmotor och en störning i form av flödesstörning. Behov av varvtalsåterkoppling utvärderas också. För att kunna simulera behövs det diverse parametrar. Ledningsvolym, ventilkarakteristik, tröghetsmoment på motorn etc. Ledningen till ventilblocket antas till 4 meter och dimensionen är 3/4tum. Ledningsvolymen blir således: V 2 d1 1 l m 3 l 4 1 m d 19 1 mm Ledningen från ventilblock till fläkt är 1.5m och 1/2tum. V 2 d2 2 l m 3 d mm l d För att beräkna tröghetsmomentet för fläkten(se bild 13) approximerar jag den till en solid skiva. De olika delarna har vikterna: Axel= ca 200g Fäste för vinge= 660g Fläkt= 800g Total vikt för fläkt är: m tot kg Diametern d s 320 mm d s för fläkten är: 37

42 Tröghetsmomentet för en skiva fås av ekvationen: 2 mtot r I 4 Detta medför att tröghetsmomentet I f kgm 2 Bild 13 är en bild av fläkthjulet som dras av hydraulmotorn. 38

43 Uppbyggnad av modell i Amesim För att försöka efterlikna verkligheten så används en gammal mätning gjord på en fläktmotor i drift. I denna mätning hade motorn ett varvtal på 4600rpm och ett tryckfall på ca 150 Bar med ungefär 190 Bar på inloppssidan. I modellen anslöts en tröghetslast med en extra funktion som ger ett tröghetsmoment beroende på hastigheten. En hastighetsberoende last ska återspegla luftmotståndet för fläkten som är proportionell mot hastigheten i kvadrat. Pumpen i simuleringen antogs till en storlek av 120l/min vid 1500varv/min. För att trimma in modellen så implementeras den beräknade tröghetslasten och den hastighetsberoende lasten justeras tills man får ett liknande fall som den verkliga mätningen nämnd tidigare. Detta gjordes med en konstanttryckkälla på 200 Bar. När detta lastfall uppnåtts ansluts en variabel pump med en styrning från trycket på lastsidan, detta för att återspegla traktorns pump med Ls-styrning. När lasten trimmats in anslöts en PID regulator som justerades med Ziegler-Nichols svängningsmetod. Metoden fungerar så att man först kopplar ur I och D delarna. Förstärkningen K i P-regulatorn höjs tills man får en tendens till svängning. Vid detta läge noteras förstärkningen och periodtiden för svängningen. Inställning av regulatorn görs sedan efter tabellen nedan: Regulator K T i T d P 0.5K max PI 0.45K max 0.85T 0 PID parallell 0.6K max 0.5T T 0 PIDserie 0.3K max 0.25T T 0 [6] Regulatorn till fläkten gjordes med en PI. 39

44 3.3.2 Resultat för simulering av fläkt Figur 1 visar signalen som skickas in till fläktregulatorn. Figur 2 är det simulerade fläktvarvtalet. I figur 1 illustreras signalen som skickas in till fläktregulatorn. Signalen består av steg där det första är 3200 och efter 20 sekunder höjs det till 4600 varv/min. Figur 2 visar hur fläkten svarar på signalen och man kan här se att stegen görs snabbt och inga svängningar uppstår. Ett ytterligare test där utvärdering gjordes om hur stor flödesstörning systemet klarade utan att varvtalet sjönk från 4600 varv/min. Varvtalet sjönk inte förrän störningen var av storlek 75l/min. 40

45 3.3.3 Simulering av tryckåterkoppling för såbillar Modellen är gjord för att efterlikna verkligheten (se bilag 2) men laster och styvheter har antagits. Syftet är att visa ett alternativ till den hydraulmekaniska lösning som tagits fram. Billaggregatets dynamik är uppbyggd med en hävarm som från cylindern verkar på en torsionsfjäder. Torsionsfjädern är i sin tur kopplad till en hävarm som verkar på såbillen. Billen påverkas sedan i sin tur av en nivåändring i form av marken. Parametrarna till hävarm, fjäderstyvhet, dämpning och nivåskillnad är antagna värden. Lastcykeln har modellerats i ett enkelt fall med först en konstant nivå av marken med ett stegsvar(se figur 3) som ska motsvara påkörning av sten eller en plötslig nivåändring. Detta fall kan ses som det mest verklighetstrogna med en trycksignal som är filtrerad från brus. Återkopplingen av denna styrning görs med differenstryck. Trycket från plussidan av cylindern jämförs med minussidan, alltså man kan endast reglera tryckskillnaden över cylindern. Att reglera tryckskillnaden medför att man alltid vet vilken kraft som cylindern levererar. Regleringen görs med en enkel P-regulator som bevisligen inte medför något statiskt fel. Se figur Resultat tryckåterkoppling Tryckpiken från en momentan nivå ändring gick ej att reglera bort då förloppet är för snabbt(se figur 4). Det tar dock max 1.5 s från en nivåändring till att tryckskillnaden är tillbaka på önskad nivå. 41

46 Figur 3 är lägessignalen som ska illustrera position av såbillar. Figur 4 visar resultatet från tryckdifferens-återkopplingen. Figur 3 visar signalen position av billaggregat och består av steg där det första är 10cm och efter 10 sekunder görs ytterligare ett steg på 10cm som skall illustrera påkörning av hinder. Efter detta hinder återgår signalen till 10cm igen. Tryckdifferensen över cylindern visas i figur 4 där det är satt till 50 Bar. Man kan se att vid steget efter 10 sekunder fås en rejäl tryckamplitud, det är troligt att modellen för billaggregatet är för styv. Man kan dock påvisa att en tryckamplitud går ej att helt undvika men att det snabbt går att återfå den önskade tryckdifferensen. 42

47 3.4 Resultat från tester av prototyp Mätningarna som redovisas är gjorda med en traktor av modell Valmet 142. Mätningar under drift i jord kunde ej göras pågrund av dåligt vinterväder. Förhållandena för mätningarna är ej normala då såmaskiner ej används i minusgrader. Pågrund av den starka kylan var det svårt att få upp en normal temperatur på oljan och man kan anta att oljan ute i cylindrar var väldigt kall då det ej sker någon cirkulation där. Mätningarna gjordes dock på samma dag för att ha samma förutsättningar. Det gjordes även mätningar på en annan traktor av modell Fendt 415 för att jämföra eventuella skillnader. Dessa data redovisas i bilaga Test av fläkt Det första testet gjordes på fläkten för att se hur pass bra regulatorn fungerade. Som kan ses nedanför i figur 5 uppstod stora svängningar. Dessa svängningar uppstod dock inte bara pågrund av regulatorn utan hydrauliken kom i självsvängning också. Svängningarna uppstod pågrund av att kompensatorn var för dåligt dämpad. Man hörde också att svängningarna fortplantade sig genom Ls-ledningen till traktorpumpen. Figur 5 är mätningen gjord på fläktens varvtal med varvtalsåterkoppling, börvärde=3500 varv/min För att reducera svängningarna kopplades en ackumulator och en variabel strypning på Lsledningen till traktorn. Strypningen justerades sedan så pass mycket att svängningarna nästan dog ut, se figur 6. 43

48 Figur 6 visar mätningen gjord utan återkoppling, olika steg är gjorda genom att styra effekten på pwm-signalen. Med varvtalsåterkoppling blev resultatet enligt nedan (se figur 7). Man kan se att regulatorn är väldigt långsam och även här kan vissa svängningar bero på egensvängning i hydrauliken. Dock kan man även se att regulatorn till slut stabiliserar sig. Figur 7 är mätningen på fläktens varvtal med varvtalsåterkoppling och strypning samt ackumulator är inkopplade på Ls-ledningen. 44

49 Då tiden för arbetet började ta slut gjordes ett beslut att inte göra fortsatta försök med att trimma in regulatorn. Istället valdes att styra fläkten manuellt med PWM-signal, detta för att säkert veta att inte en felinställd regulator påverkade övriga mätningar Tester av funktioner på Spirit För att kunna illustrera hur samkörning av funktioner påverkar varandra och hur högt returtryck som då uppnås kopplades tryckgivare till tryckledning för blocket, tryckledning till billaggregatet, returslangen och en vartalsgivare på fläkten. Cykelkörning Det kan ses i figur 8 att systemtrycket snabbt anpassar sig för ändringar i systemet. Vid initieringen av positionsändring från låglyft till arbetsläge kan ses att returtrycket ökar momentant till 15 Bar men stabiliserar sig sedan till ungefär 5 Bar. Samman momentana tryckökning av retur sker också när man går från arbetsläge till låglyft. Figur 8 visar mätningen på hur trycket varierar när man går från låglyft till arbetsläge och tvärtom. 45

50 Fläkten(se figur 9) påverkas under cykelkörningen men det sker inga stora ändringar på fläktvarvatalet. Den största dippen sker vid körning från arbetsläge till låglyft då varvtalet sjunker med ca 250 varv/min. Figur 9 visar hur fläktvarvtalet påverkas under cykelkörning. Justering av billtryck(se figur 10) Justeringen sker stegvis upp till max sedan reduceras utslaget på ventilen momentant till noll. Billtrycket kan som lägst vara 30 Bar och som högst 150 Bar. Man ser även att det går väldigt snabbt att öka trycket dock tar det lång tid att reducera trycket. Att det tar lång tid att reducera trycket beror på att oljan returneras genom Ls-kanalen i blocket till retur(se Bild 8). Figur 10 visar hur man kan justera billtrycket. 46

51 Körning av traktorns riktningsventil(funktion crossboard) samtidigt som såmaskin befinner sig i arbetsläge. I figur 11 ser man att inverkan av körning med crossboard upp och ner ej har så stor inverkan. Det mest relevanta är att även här får man momentana tryckökningar i returen. Billtrycket sjunker max med 3 Bar. Figur 11 är mätning som visar hur övriga hydrauliken påverkas av körning med crossboard. Fläktens vartal påverkas ej någonting av körning med crossboard se figur 12. Figur 12 är mätning som visar fläktens varvtal under körning av crossboard. 47

52 Oaktivt system Figur 13 visar vilket grundtryck som alltid finns i traktorn. Man kan utläsa att traktorn har ett grundtryck på 25 Bar vilket också är det tryck som läggs på utöver det lastkännande trycket. Figur 13 visar hur hydrauliken beter sig när maskinen ej utövar något arbete. Tidsmätning: Utfällning Hopfällning från arbetsläge Låglyft till arbetsläge Arbetsläge till låglyft 47s 31s 7s 6s För nuvarande maskin som produceras har en tidigare mätning visat att det tar ungefär 10s att gå från låglyft till arbetsläge. Utfällning med dagens maskin har ungefär samma tid som prototyp men hopfällning tar ungefär 3 min. 48

53 3.5 Val av ventiltyp/systemtyp till ny hydraulik Prototypen som används till såmaskinen är av pilotstyrd slidtyp med väldigt hög kvalite och noggrannhet. Att använda slider är väldigt dyrt och egentligen onödigt då manuell manövrering ej ska ske, block av denna högprestanda är ej nödvändigt för Spirit. Patronventiler är ett billigare alternativ och man kan då också tillverka sina block helt efter egna behov. Med patronventiler istället för slidventiler kan man reducera kostnaden väsentligt och servicevänligheten blir bättre. Dessa ventiler skruvas i block som i detta fall kommer att behöva göras unikt för Väderstad. Unika i den bemärkelse att dessa block/moduler blir anpassade för Spirit 600. Detta tror jag dock inte är någon nackdel då block som reservdel endast kan köpas genom Väderstad pågrund av detta. Nackdelen med patronventiler är att riktningsventilen inte klarar lika stora flöden. Prestandan på ventilen är ändå så pass hög att den kan anses tillräcklig. Fläktmotorn måste dock ha ett konstruerat flöde för minst 40l/min. Ett utgångsläge för konstruktionen av systemet är att göra det flexibelt och skalbart. Flexibelt i den mening att komponenter kan användas till fler maskiner än Spirit och skalbart på det sättet att systemet kan byggas på och reduceras. Ett annat önskemål är att all reglering av hydrauliken ska ske på ett ställe jämfört med dagens maskin där komponenter är spridda över större delen av maskinen. Man vill också ha det så att funktionerna är oberoende av varandra vilket underlättar vid montering och felsökning. För att uppnå dessa önskade funktioner och utformning byggs systemet med ett modulärt utseende. Hydraulblocket ska konstrueras sektionsvis med patronventiler alltså varje sektion tillhör en funktion på maskinen. Flera tänkbara moduler med olika egenskaper har ritats och dessa kan sedan kombineras efter önskade funktioner. Dessa moduler har dock endast ritats för Spirit 600(se bild 14). Priserna för modulerna och priset för gamla hydraulsystemet kontra de nya redogörs i bilaga 4 För att bestämma storleken på de olika komponenterna har jag utgått från flödesbehoven och antagit att systemtrycket kommer att ligga runt 200 Bar. Riktningsventilen blev flaskhalsen i systemet då den största endast klarar 23l/min. Efter Riktningsventilen har jag sedan dimensionerat tryckkompensator, hydraullås, chockventil. Alla ventilers datablad finns under bilaga

54 3.5.1 Förslag ventilmoduler Bild 14 visar förslag på hur modulerna till ett ls-hydraulblock kan se ut. 50

55 3.5.2 Förklaring ventilmoduler Alla kompensatorer till riktningsventiler är av modell(ec10-32). Samtliga Ls-ledningar har försetts med backventiler för att säkerställa att det högsta lastbehovet/trycket styr pumpen. Anledningen till att alla riktningsventiler har utrustats med kompensatorer görs för att undvika problem vid samkörning, och för att säkerställa ett visst flöde oberoende av lasten. Att ha ett system med funktioner som ändrar karakteristik beroende på lasten kan vara väldigt svårt att styra. Modul 1. Denna modul är en ingångssektion för uppbyggnad av ett block. Modulen består av mekaniskt reglerbar tryckbegränsare som kan ställas till max 240 Bar. Sektionen är även utrustad med en retur som ska användas till fläktmotorns dränering. Modul 2. Sektionen består av en proportionerlig on-off ventil(sp10-20) som är tryckkompenserad(ec10-32) avsedd funktion är reglering av fläktmotor. Modul 3. Består av en tryckkompenserad riktningsventil med ls-funktion(sp10-57d) och ett hydrauliskt lås(dc10-40). Riktningsventilen är öppen till retur i neutralt läge alltså från lastsidan. Detta används för att inte stänga in något tryck som kan påverka hydraullåset. Modul 4. Har en tryckkompenserad riktningsventil(sp10-57c) och funktion proportionellt reglerbart tryck. Tryckregleringen sker med en elektriskt styrd tryckbegränsare(ts38-20) på lsledningen. När tryckbegränsaren öppnar sjunker trycket i ls-ledningen och kompensatorn stängs. Det lägsta trycket som går att få beror på vad man har för fjäder i kompensatorn och att flödet dräneras tillräckligt fort från kompensatorn genom tryckbegränsaren(ts38-20). Modul 5. Modulen har samma utseende som modul 4 men med ett elektriskt styrt hydraullås. Modul 6. Består av en tryckkompenserad riktningsventil SP10-57D med ls-funktion. Modulen är avsedd att förse efterkommande moduler med olja. Modul 7. Modulen ska anslutas på modul 6. Består av en on-off ventil och ett hydraullås. On-off ventilen utestänger flöde från två håll i neutralt läge. Anledning att använda sig av kombination med modul 6 och 7 är för att reducera kostnad med riktningsventiler. Modul 8. En enkel riktningsventil(sp10-47c) som är avsedd att anslutas till modul 6. Modul 9. Har samma utseende som modul 4 fast en tryckstyrd 3/2 ventil används som chockventil. Fungerar så att ena sidan på ventilen är ansluten till tryckledningen och motsatta sidan är ansluten till Ls-ledningen.. Detta innebär att när man vill sänka sitt tryck så görs detta lätt eftersom den tryckstyrda ventilen snabbt kan reducera trycket, jämfört med att släppa trycket 51

56 genom ls-ledningen. Genom val av fjäder till chockventilen kan man ändra vid vilken tryckökning av systemet som ska öppna ventilen. Ventilen öppnar alltså när lasttrycket överstiger fjäderkraften och Ls-trycket. Modul 10. Har samma utseende och funktion som modul 9 fast chockventilen är istället elektriskt styrd. Modul 11. Har samma utseende som modul 10 fast utan den proportionella tryckregleraren för Lstrycket. Överflödig olja går hela tiden genom den elektriskt styrda tryckbegränsaren(ts10-27) till tank. Beroende på hur stor utstyrning man har på riktningsventilen desto mer eller mindre förluster bidrar det till. Tryckbegränsaren fungerar alltså både som chockventil och tryckreglering. Modul 12. Ingångssektion med ett extra tryckuttag reglerad med en växelventil(sv34-10). Ventilen gör att utgående ledning kan antingen kopplas tryck eller tank. Meningen är att ett framtida hydrauliskt vinglås ska kopplas till detta uttag. Modul 13. Modulen är en ingångssektion för traktorer som ej har Ls-hydraulik. Funktionen blir istället att man kopplar blocket till traktorns riktningsventil, om riktningsventilen ger för dåligt flöde kan man parallellkoppla två uttag från traktorn till blocket. Styrningen av flöde/tryck för systemet sker nu med en tryckstyrd 4/2(EPFR50-35) ventil. Ls ledningen från förbrukarna styr nu istället denna tryckstyrda ventil, en tryckbegränsare monteras även på ls-ledningen vilken då sätter maximala systemtrycket. Överflödig olja går genom ventilen till tank. Modul 14. Sektionen ska monteras på modul 6. Den består av ett hydraullås som ska hålla de tre markörerna i position. Förbrukarna styrs med on-off ventiler(420651). Modul 15. Har samma utseende som modul 5 plus att den är utrustad med en tryckstyrd chockventil. Chockventilen är kopplad till tryckledningen, Ls-ledningen och retur. Om det uppstår en tryckökning i trycksidan som överstiger Ls-trycket så öppnar ventilen och släpper ut olja till returen. Detta medför också att om man vill reducera sitt inställda tryck i systemet så går detta snabbt då chockventilen öppnar. Chockventilens beteende följer regleringen av Ls-trycket. 52

57 3.5.3 Hydraulsysytem 1 Detta system är gjort med hänsyn till funktion före kostnad. Systemet är anpassat för mer krävande förutsättningar, som eventuella hinder, ojämn mark med utmärkande nivåskillnader. För de olika funktionerna har följande sektioner valts, se bild 15. Bild 15 är förslag hydraulsystem 1. 53

58 Ingångsblock Består av modul 12 som är anpassat för inkoppling av ett hydrauliskt vinglås. Hydraullåsets cylinder som ska vara av typ enkelverkande är kopplad direkt på tryckledningen och är ej ansluten till ls-ledning. Fläkt Ansluten till modul 2 System Disc Modul 3 är ansluten till detta redskap. Det hydrauliska låset och mekaniska växelventilen har bytts ut mot en elektrisk växelventil. Fällcylinder Den fällcylinder som används idag har bytts ut mot en vanlig dubbelverkande cylinder och istället för en strypning på minussidan används här en slangbrottsventil. Modul 9 används för att reglera fällcylindern. Såbillar Enheten styrs av modul 15. Crossboard Ansluten till modul 3. Markörer Markörerna styrs med modulerna 7 och ingångsblocket för att förse dessa block med olja är modul 6. 54

59 3.5.4 Hydraulsystem 2 Detta block är anpassat för att reducera kostnad. En tanke som tagits i beakt är att återanvända nuvarande lösning för vingfällning med anpassning för Ls-system. Att återanvända nuvarande fällcylinder, ackumulator och kran är dyrare än att använda sig av en vanlig dubbelverkande cylinder och modul 9. Prisreducering med ca 17% uppnås med ny lösning (se bild 16). Bild 16 är förslag hydraulsystem 2. 55

60 Ingångsblock Modul 1 används som ingångsblock och är då utan funktion med hydrauliskt vinglås. Fläkt Modul 2. System Disc Modul 3. Vingfällning Modul 9 Såbillar Modul 5 används vilket innebär att funktion chockventil ej finns. Markörer Anslutna till block 14 med ingångsmodul 6. Crossboard Denna funktion ansluts till traktorns riktningsventil Övriga detaljer hydraulsystem Både hydraulsystem 1 och 2 innehar en elektrisk riktiningsventil och en slangbrottsventil. Den elektriska ventilens funktion är att stänga av vingarnas förredskap vid hopfälld maskin. Slangbrottsventilen är en säkerhetsåtgärd för att undvika personskada vid slangbrott till vingcylindern. Dimensionering av slangbrottsventil: Riktningsventilen i blocket ger max 23l/min. Detta medför att hastigheten på cylindern blir: v q 23* m s A 1000* 60* *0.110 / 2 Detta medför att flödet ut blir q ut ( ) * v *1000* l / min Slangbrottsventilen ska anpassas till flödet 16*1.5=24l/min Den valda ventilen blir LB2-G-25 vilken är anpassad för ett flöde på 25 l/min. Om man istället för slangbrottsventilen vill använda sig av en over-center-ventil är ett alternativ till maskinen ventil LHK 22. Den valda lasthållningsventilen har tryckområdet bar och öppningsförhållandet 1:4.6. Detta innebär att ett lasttryck mellan bar krävs för att öppna och för att öppna med tex tryck 52bar krävs ett styrtryck på ca 11bar. 56

61 3.5.6 Jämförelse nya hydraulsystem Skillnaden för de två systemen påverkar funktionerna billaggregat, vinglås, markörer och crossboard. Gemensamt för de två systemen är att all nuvarande hydraulik tas bort såsom hydraulblock, strypningar och ackumulator samt att nuvarande vingcylinder byts ut(se bild 15 och 16). billaggregatets funktion har skillnaden att den i system 2 inte har en chockventil och därmed kan man få trycktoppar under körning. Detta kan uppstå vid eventuella hinder och vid nivåskillnader. Detta kan uppstå för att vid en trycktopp så måste den överflödiga oljan gå via Ls-ledning till tank, Ls-ledningen är ej gjord för stora flöden. Vid en nivåskillnad där marken sjunker så följer aggregatet med och bibehåller trycket. När aggregatet sedan ska återgå till normal nivå så måste systemet släppa tillbaka oljan vilket kan bli ett problem om det ska ske snabbt, en tryckökning kan fås. Tester får utvisa om detta blir ett problem. Funktionen med hydrauliskt vinglås finns ej på system två vilket innebär att man manuellt måste släppa låset med ett snöre. Markörernas block har skillnaden att de ej är uppbyggda i moduler för system 2, det är ett block till markörerna. När man fäller in markörerna kan detta ej göras individuellt i system två, alla åker in när man slår om riktningsventil i modul 6. Crossboard körs ej via Ls-hydraulik i system två utan kopplas till traktorns riktningsventil. Anledningen till valet att ha kvar chockventilen för vingarna även i system två är för att det behövs. Skulle man köra utan chockventil blir maskinen helt stum och risken för att bryta sönder den är för stor. Att bara använda sig av tryckreducering genom Ls-ledning är ej ett alternativ då det är för stora flöden. Kostnads jämförelse av dessa två system visar att system två är 17% billigare än system 1, se detaljerad prislista i bilaga 4. 57

62 4 Slutsats Av körning och mätningar från prototypen kan det fastställas att Ls-hydraulik är en bra väg för fortsatt utveckling av Spirits hydraulsystem. Prototypen fungerar som det var tänkt, funktionerna går att styra på önskat sätt. De automatiska funktionerna hopfällning, utfällning, transportläge, låglyft och arbetsläge fungerar problemfritt. Det enda kvarstående problemet är svängningar i hydrauliken som uppstår stundvis vid körning av fläkt. Har man reducerat svängningarna helt är det inte ett stort jobb att göra den sista trimningen av regulatorn för fläkten. Mätningen för fläkten visade att den stabiliserade sig med varvtalsåterkoppling dock efter en längre tid. Med prototypen visade det sig också möjligt att på ett enkelt sätt reglera billtrycket från 30 till 150 Bar. Trycket i returledningen hade momentana tryckökningar upp till 15 Bar, detta innebär att dränertrycket för fläktmotorn överskrider gränsen på 10 Bar. Kan man ej reducera dessa tryckökningar kan problemet undvikas med att koppla dränage ledningen direkt till traktorns retur. Det visade sig också att fläkten påverkades ej så mycket vid samkörning av funktionerna, låglyft och arbetsläge. Fläkten hade som mest en sänkning av 250 varv/min vid driftfallet med Valmet 142, detta kan förklaras med att Fendt 415 har större grundtryck. Att använda sig av traktorns riktningsventil samtidigt som ls-hydrauliken gav ej några problem, körning av crossboard påverkade ej Ls-hydrauliken på något negativt sätt. Vid ett tänkt driftfall där system disc justerades påverkades billtrycket ringa, det sjönk som mest med 1 Bar och ökade med max 3 Bar. Att använda sig av två olika traktorer(valmet 142, Fendt 415) hade ingen större betydelse för funktionen av maskinen. Säkerheten på maskinen har tagits beakt, vid fällning och hopfällning måste man hålla inne knappen annars stannar sekvensen. Även de automatiska funktionerna transportläge, låglyft och arbetsläge avbryts om man gör ett extra knapptryck på kontrollen. Ett hydraulsystem som kan tänkas producerbart till Spirit bör baseras på patronventiler. Patronventilerna är betydligt billigare än slidventiler dock klarar de ej lika stora flöden. Effekten av detta kan medföra att maskinen rör sig något långsammare än prototypen. Förslag till nytt hydraulsystem är redovisade hydraulsystem 1 och 2. Dessa system bygger på modularisering. De olika modulerna är gjorda specifikt för varje enskild funktion och deras komponenter finns i modulen. Detta för att undvika komponenter spridda över maskinen och därmed förenkla montering och service(felsökning). Den stora skillnaden mellan prototypen och förslagen till nytt hydraulsystem är att billarna kan förses med en chockventil och även vingarna ska ha samma möjlighet till styrning av trycket. Chockventilen är tänkt att ersätta ackumulatorn och möjliggöra snabba inställningar av tryck. Enligt beräkning för en väl tilltagen chocklast(se sida 27) höjs vingtrycket momentant med 33 Bar. Att använda sig av Ls-hydraulik kommer att medföra ett enklare hydraulsystem där funktionerna är oberoende av varandra. Att funktionerna är separata medför att justeringar av funktioner kan göras utan påverkan på andra funktioner. Block som byggs med moduler innebär att systemet blir flexibelt, man kan använda sig av modulerna för andra 58

63 system/maskiner. Modulerna blir som byggblock som kan sättas ihop i olika konstellationer. Detta innebär också att man kan erbjuda kunden flera olika valmöjligheter utan allt för mycket arbete. Möjligheten att koppla in sitt block på en konventionell traktor med pump av typ fast deplacement finns, ett annat ingångs -block(modul 13) krävs till detta. Driftsäkerheten är ej helt utredd då maskinen ej körts i fält, det man kan fastslå är att maskinen blir mer beroende av elektronik. Detta kräver att man använder sig av väl utprovade komponenter som inte är känsliga för fukt eller smuts. Maskinen kommer dock att bli mer kontrollerad då man har full kontroll på billtryck och vingtryck. Utrustar man maskinen med chockventiler till både billaggregat och vingcylinder bör livslängden öka för t.ex billaggregat. Om kunden blir nöjd med det nya hydraul/styrsystemet råder det inga tvivel om. Manövrering av maskin har förenklats och maskinen är snabbare. Operatören får möjligheten att trimma in sin maskin helt efter eget önskemål. Priset för hydraulsystem 1 är ungefär 15% dyrare jämfört med det gamla men system 2 är ca 4% billigare. Det rekommenderade hydraulsystemet till Spirit är hydraulsystem 2. Användning av system 2 är under förutsättning att fler tester under verklig körning påvisar att chockventil ej behövs till såbillarna. Priserna för modulerna är uppskattningar från Jörgen Ahlstrand PMC Hydraulic AB. Simuleringen påvisar att en bra vartalsåterkoppling är fullt möjlig. Tryckåterkoppling av billaggregatet är också helt möjlig. 4.1 Felkällor och påvisningar Mätningarna på prototypen gjordes i vinterväder, mätningen med Valmet 142 gjordes i -20 grader Celsius och med Fendt 415 var det -5 grader Celsius. Det var svårt att få upp en relevant temperatur. Körning med fläkt och redskap räckte inte till för att hålla temperaturen så det var svårt att försöka göra mätningarna med en jämn och relevant temperatur. Detta påvisar dock att systemet ej har höga förluster. En kall olja gör att flödesförluster ökar och kan vara en förklaring på tryckpikarna som uppstod på returen. Kall olja medför också att responsen i systemet blir sämre vilket kan påverka svängningarna för fläkten. Fjädern i kompensatorn kan vara för vek så att slip-stick effekten uppkommer, vilket bidrar stort till svängningar. Prototypen var ej komplett på så sätt att den verkliga lasten för fläkten gick ej att uppbringa. Försök att efterlikna den verkliga lasten gjordes med en strypning av lutfströmmen. Det är ej säkert att fläkten kommer i svängning med den verkliga lasten. Simuleringsmodellen har ej verkliga lastcykler och dynamik och kan därför ej verifieras direkt mot verkligheten. Modellen är främst framtagen för att illustrera vad som kan göras med reglerteknik och på vilket sätt simulering kan vara nyttig. Vid en verklig styrning av maskinen med återkoppling kan dynamiken och de verkliga lastfallen vara svåra att reglera. Framtidsvisioner: Med detta hydraulsystem kan man ha förinställda program för olika typer sådd. Det kan t.ex. vara så att man bara väljer sitt utsäde och då ställer billtryck, fläktvarvtal, vingtryck, utmatning och position för förredskap in sig efter förinställda värden. 59

64 4.2 Fortsatt Arbete Fler mätningar bör göras på en komplett maskin i normal drifttemperatur så att man har det riktiga lastfallet för fläkten. Det kan vara så att svängningarna för fläkten reduceras med det riktiga lastfallet. Om svängningarna består bör en närmare analys göras över vad som bidrar till svängningarna. I analysen bör hydraulmotorn undersökas och om det går att få mer dämpning i hydrauliken. Det finns möjligheter som att öka dimension på Ls-ledning byta ut fjäder i kompensator och installera dämpade kompensatorer. En strypning kan sättas mellan fläktens tryckledning och retur för att uppbringa mer dämpning av fläkten. I det verkliga driftfallet bör det också undersökas om tryckökningen består i returen. Om det består kan ett test med en backventil mot dränerledningen testas och då kontrollera hur dränertrycket påverkas. En grundlig utvärdering av Väderstadverken AB maskinpark bör göras och där bestämma vilka maskiner som ska ha Ls-hydraulik. Efter denna analys kan man börja rita lämpliga moduler som ska kunna användas i flertalet maskiner. Styrprogrammet och kontrollboxen bör också ses över så det inte finns några buggar och förbättra menyer. Man bör också utvärdera om tryckåterkoppling kan användas till billaggregatet och vingcylindern. 60

65 5 Källor 1. Kompendium i hydraulik av Olof Olsson och Karl-Erik Rydberg, Instutitionen för konstruktions och produktionsteknik Linköpings Tekniska Högskola 2. Formelsamling i hydraulik och pneumatik av Ämnesområdet hydraulik och pneumatik för Instutitionen för konstruktions och produktionsteknik Linköpings Tekniska Högskola. Källor från Internet är hämtat: lics_part1_tmms10_09.pdf

66 6 Bilagor Bilaga 1. Mätningar på prototyp med Fendt 415 Mätningar på protoyp med tillkopplad traktor Fendt 415 Cykelkörning Mätningen har likvärda egenskaper som mätningen med traktor Valmet 142 se figur 14. Sekvensen är som tidigare mätning alltså först från låglyft till arbetsläge sedan tillbaka. Man ser att även med denna traktor fås en momentan tryckspik i returledningen på ca 15 Bar. Under normal drift ligger returtrycket mellan 3 och 4 Bar. Fläkten beter sig också likadant som vid tidigare mätning men har något lägre sänkning i varv/min(se figur 15). Fläkten sjunker som mest med ca 220 varv/min. Figur 14 visar mätning på systemtryck, Billtryck och returtryck under cykelkörning. Figur 15 är mätning av fläktens varvtal under cykelkörning. Justering av billtryck Enligt figur 16 kan ses att möjligheten att ändra sitt billtryck har samma beetende med Fendt 415 som med Valmet

67 Figur 16 visar funktion justering av billtryck. Påverkan av billtrycket under körning med system disc och crossboard illusteras med figur 17. Här kan ses att billtrycket påverkas obetydligt, trycket sjunker som mest med ca 1 Bar och ökar som mest med ca 3 Bar. Figur 18 visar hur fläkten påverkas och man kan se att som mest sjunker fläktvarvtalet med ca 180 varv/min. Figur 17 visar systemtryck, billtryck och returtryck. Figur 18 är mätning av fläktens varvtal. 63

68 Oaktiv hydraulik Enligt figur 19 kan man se att Fendt 415 har ett högre grundtryck. Figur 19 visar mätning av oaktiv maskin. Tider: Utfällning av maskin 40s Hopfällning från arbetsläge. 30s Låglyft till arbetsläge. 7 Arbetsläge till låglyft 6.5 Tiderna Låglyft till arbetsläge och tvärtom kan optimeras då tidsfördröjning av de olika funktionerna kan sättas till noll. Denna mätning är gjord för en tänkt sekvens som kan vara relevant i verkligheten. 64

69 Bilaga 2. Simuleringsmodell Bild 17 är modellen som byggts upp för simulering 65

70 Bilaga 3. Tidplan Bild 18 visar den tänkta tidplanen från start och den verkliga. 66

71 Bilaga 4. Komponentlista för prototyp Komponentlista till prototyp Befintlig slangdragning återanvänds i möjligaste mån. Dimensioner [tum] 1/4 3/8 1/2 3/4 meter Anslutning block(st) Ls-ledning nipplar 2 snabbkoppling(hane) 1 snabbkoppling(hona) 1 slang 1 3 presskoppling (invändig gänga) 1 presskoppling (utvändig gänga) 1 Tryckledning nipplar 2 snabbkoppling(hane) 1 snabbkoppling(hona) 1 slang 1 3 presskoppling inv 90 1 presskoppling utv 1 Returledning nipplar 2 snabbkoppling(hane) 1 (övergång till 1tum) slang? 1 3 presskoppling inv 90 1 presskoppling utv 1 Utgående ledningar Fläkt nipplar 4 slang 2 1,5 presskoppling inv 2 presskoppling inv

72 SD nipplar 2 slang 2 4 presskoppling inv 2 presskoppling inv 90 2 såaggregat nipplar 2 slang 2 4 presskoppling inv 2 presskoppling inv 90 2 vingar nipplar 2 slang 2 4 presskoppling inv 2 presskoppling inv 90 2 markör nipplar 2 slang 2 3 presskoppling inv 2 presskoppling inv 90 2 nippel(övergång 3/8-1/4) 2st plugg på block 2 banjonippel utan strypning

73 summa slang [m] X 3 1/4 " X 30 3/8 " X 3 1/2 " X 6 3/4 " summa nipplar X 2 1/4 " X 8 3/8 " X 4 1/2 " X 4 3/4 " summa snabbkoppling hane X 1 1/4 " X 2 3/4 " summa snabbkoppling hona X 1 1/4 " X 1 3/4 " summa presskoppling presskoppling (invändig gänga) X 1 1/4 " X 8 3/8 " X 2 1/2 " presskoppling inv 90 X 8 3/4 " presskoppling utv X 1 1/4 " X 2 3/4 " Kan finnas behov av 1tums slang beroende på om returledning ska ändras 69

74 Bilaga 5. Utdrag ur manual(såbillstryck) 70

75 Bilaga 6. Utdrag ur manual(viktöverföring) 71

76 Bilaga 7. Utdrag ur manual(infällning) 72

77 Bilaga 8. Bilder på prototyp 73

78 74

79 Bilaga 9. Samtliga ventiler 75

80 76

81 77

82 78

83 79

84 80

85 81

86 82

87 83

88 84

89 85

90 86

91 87

92 88

93 89

94 90

95 91

96 92

97 93

98 94

99 95

100 96

101 97

102 98

103 99

104 100

105 101

106 102

107 103

108 104

109 105