Weiss Mobiltechnik GmbH Harlachweg 15 72229 Rohrdorf Kooperationspartner Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) Kaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Vorhaben: „Entwicklung und Erprobung eines Systems zur Steigerung der Energieeffizienz von Hydrauliksystemen in Forstmaschinen“ (EfHyFo) Abschlussbericht über ein FuE-Projekt, gefördert unter dem Aktenzeichen AZ 28036/02 – 24/0 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) von: Herr Björn Weiss Weiss Mobiltechnik GmbH Tel.: 07452/9308-75 Mail: [email protected]Herr Dipl.-Ing. Martin Scherer Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen Tel.: 0721/608-48643 Mail: martin scherer@kit edu Rohrdorf, im Dezember 2014
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Weiss Mobiltechnik GmbH
Harlachweg 15
72229 Rohrdorf
Kooperationspartner
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima)
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Vorhaben:
„Entwicklung und Erprobung eines Systems zur Steigerung der Energieeffizienz von Hydrauliksystemen in Forstmaschinen“
(EfHyFo)
Abschlussbericht über ein FuE-Projekt,
gefördert unter dem Aktenzeichen AZ 28036/02 – 24/0 von der
Tel 07452/9308-75 Fax 07452/9308-2 Projektleitung Herr Björn Weiß Bearbeiter Herr Björn Weiß
Kooperationspartner Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) Kaiserstraße 12 76131 Karlsruhe
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel war die Untersuchung, wie durch geringe Mehrkosten bei einer Forstmaschine die Umweltfreund-lichkeit, die Betriebskosten und die Energieeffizienz verbessert werden können. Das Ergebnis soll Her-steller und Käufer von mobilen Maschinen motivieren diese Mehrkosten bewusst in Kauf zu nehmen, weil sich diese Investition während der Betriebszeit der Maschine wirtschaftlich rentiert und gleichzeitig einen Beitrag für die Umwelt leistet. Außerdem soll durch die Entwicklung eines Baukastensystems von Hydraulikschaltungen auch kleineren Firmen der Zugang zu umweltfreundlicher Technik ermöglicht wer-den. Im Rahmen der ersten Projektphase wurden die möglichen Effizienzsteigerungen des vorgeschlagenen Hydrauliksystems für Forstmaschinen mit der Durchführung einer Simulation bereits quantifiziert. Anhand einer Beispielmaschine wurden hierzu auf Basis des Hydraulikschaltplans dieser Maschine ein Simulati-onsmodell erstellt und umfangreiche Messungen zur Validierung des Modells durchgeführt. Hierbei wur-de simulationsunterstützt errechnet, dass mit dem Einsatz des neuen Hydrauliksystems eine Kraftstoffe-insparung von mindestens 11 % realisiert werden kann. In der hier vorliegenden zweiten Projektphase soll dieses neue System in die Beispielmaschine einge-baut werden und ein breit angelegter Feldtest erfolgen. Dazu sollen die Ergebnisse aus der im Vorprojekt durchgeführten Simulation optimiert und praktisch umgesetzt werden. Die Entwicklung eines neuen Hyd-rauliksystems für die Anwendung in verschiedenen Maschinentypen und die Validierung im Rahmen um-fangreicher Feldversuche sind elementare Bestandteile dieses Hauptprojektes. Die Hauptziele sind: Verbesserung des Wirkungsgrades und der Energieeffizienz des Gesamtsystems
• Absenkung der Hydrauliköltemperatur • Verbesserung der Bedieneigenschaften der Maschine und der Reaktionszeit der Hydraulik • Verlängerung der Lebensdauer der Maschine • Verbesserungen für die verschiedenen Maschinentypen (Entrindungsmaschine, Hacker,
Ladekran auf LKW). Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Die Hauptarbeitsschritte des Projektes sind: 1. Simulationsgestützte Systemauslegung 2. Entwicklung der Steuerung des Systems 3. Systemtest und Optimierung 4. Validierung an einem Funktionsmuster 5. Dokumentation Ergebnisse und Diskussion Die wichtigen Projektziele waren den Kraftstoffverbrauch zu senken, den Bedienkomfort zu erhöhen und die Nachteile von LS-Systemen zu kompensieren. Es wurde eine Beispielanwendung ausgewählt und das Hydrauliksystem in einem Simulationsmodell abgebildet. Nach der Validierung wurde das neue Sys-tem in die Simulation eingebunden und getestet. Es wurde eine Kraftstoffeinsparung von 11, 8 % prog-nostiziert. Anschließend wurden die benötigten Hydraulik- und Elektronikkomponenten beschafft und am KIT ein Prüfstand aufgebaut. Dort wurde das neue System getestet und die Software entwickelt und optimiert. Nach Abschluss der Optimierungen wurde das neue System in die Beispielmaschine eingebaut und im Feld getestet. Nach verschiedenen Anpassungen konnte die Maschine wieder eingesetzt werden und die Datenauswertung erfolgen. Das neue System zeigt deutlich bessere Bedieneigenschaften als das Load-Sensing-System und es konnte eine durchschnittliche Kraftstoffeinsparung von 11,2 % erreicht werden. Dieses Ergebnis bestätigt die Annahme der Simulation. Bei der Testmaschine handelt es sich um ein sehr optimiertes LS-System, das schon vor dem Umbau ohne Ölkühler betrieben wurde. Wird ein Ölkühler verwendet oder liegt der LS-Druck höher als 23 bar, können Einsparung bis 16 % erreicht werden. Durch eine geringere Hydrauliköltemperatur des neuen Systems konnte die Lebensdauer aller Kompo-nenten und des Hydrauliköls gesteigert werden. Durch weniger Leckage und Defekte kann der Öleintrag in die Umwelt reduziert werden. Somit konnten die festgelegten Projektziele alle erreicht werden. Als nächster Schritt werden weitere Testmaschinen mit dem neuen System ausgerüstet und basierend auf den Daten und Erfahrungen dieser Maschinen wird das System in den nächsten Monaten zur Serien-reife entwickelt. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Projektarbeiten und Ergebnisse wurden auf internationalen Konferenzen, in Fachzeitschriften, in Seminaren sowie auf einer Abschlusspräsentation veröffentlicht. Weiterhin ist in 2015 eine Dissertation auf Basis des Projektes geplant. Darüber hinaus erfolgt die kontinuierliche Ansprache von potentiellen Kunden zur Verbreitung der Ergebnisse. Fazit Die gestellten Projektziele konnten alle erreicht werden. Die in der Simulation berechnete Kraftstoffein-sparung konnte durch die Feldtests bestätigt werden. Die Bedieneigenschaften des Krans haben sich deutlich verbessert, so dass auch mit einer großen Akzeptanz des neuen Systems gerechnet werden kann. Insgesamt bewertet konnte das Projekt sehr erfolgreich abgeschlossen werden. Das System ist funktionsfähig und kann auf andere Maschinen übertragen werden. Nach Kontakten mit ersten Interessenten und nach den Erfahrungen der Feldtests werden in den nächsten Monaten noch weitere Funktionen implementiert. Es ist geplant im 1. Halbjahr 2015 vier unterschiedliche Testmaschi-nen mit dem neuen System auszurüsten. Nach Abschluss dieser Tests werden sich noch weitere Opti-mierungsmaßnahmen ergeben, die bis Ende 2015 umgesetzt werden sollen. Die Serienreife soll bis An-fang 2016 erreicht werden. Das System wurde an einer Forstmaschine getestet, kann aber auch in alle anderen Typen von mobilen Maschinen eingebaut werden. Durch gezielte Marketingmaßnahmen sollen in den nächsten Jahren auch andere Branchen angesprochen werden, so dass eine möglichst große Verbreitung erreicht werden kann. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
1.3. Empfehlungen für das weitere Vorgehen ....................................................... 1
1.4. Angaben von Kooperationspartnern und Hinweis auf die Förderung durch die DBU ............................................................................................................... 1
3.1.2. AP 1 Optimierung des Systems ........................................................... 7
3.1.3. AP 2 Entwicklung der Steuerung des Systems .................................... 8
3.1.3.1. AP 2.1 Auswahl/Beschaffung der Komponenten .................................. 8
3.1.3.2. AP 2.2 Erstellung der Schaltpläne Hydraulik und Elektronik ................ 8
3.1.3.3. AP 2.3 Programmierung der Steuerung ............................................. 10
3.1.3.4. AP 2.4 Programmierung der Zusatzfunktionen .................................. 12
3.1.4. AP 3 Systemtest und Optimierung ..................................................... 13
3.1.4.1. AP 3.1 Software-in-the-Loop .............................................................. 13
3.1.4.2. AP 3.2 Prüfstand ................................................................................ 13
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3.1.4.3. AP 3.3 & AP3.4 Auswertung der Versuche & Optimierung der Steuerung ........................................................................................... 15
3.1.5. AP 4 Validierung an einem Funktionsmuster ..................................... 20
3.1.5.1. AP 4.1 Einbau des Hydrauliksystems in eine Maschine ..................... 20
3.1.5.2. AP 4.2 Einbindung der Steuerung ...................................................... 20
3.1.5.3. AP 4.3 & AP 4.4 Grundsatzuntersuchungen im Versuch und Funktionsuntersuchungen im Feld ..................................................... 21
3.1.6. AP 5: Dokumentation ......................................................................... 25
3.2. Diskussion der Ergebnisse .......................................................................... 26
3.3. Ökologische und technologische Bewertung ............................................... 27
3.4. Darlegung der Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse ...... 28
Abbildung 3.1.7: Linearisierung der Ventile ............................................................ 16
Abbildung 3.1.8: Totzeit und Reaktionszeit der Pumpe .......................................... 16
Abbildung 3.1.9: Totzeit und Reaktionszeit eines Ventils ........................................ 17
Abbildung 3.1.10: Volumenstrom- und Druckverläufe beim Parallelbetrieb von zwei Verbrauchern ............................................................................... 17
Abbildung 3.1.16: Energieeinsparung bei verschiedenen Arbeitssituationen ............ 24
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1. Zusammenfassung
1.1. Durchgeführte Untersuchungen, Entwicklungen, Modellan-wendungen mit Angabe des Ziels
Ziele des Projektes waren die:
Verbesserung von Wirkungsgrad und Energieeffizienz des Gesamtsystems Absenkung der Hydrauliköltemperatur Verbesserung der Bedieneigenschaften der Maschine und der Reaktionszeit der
Hydraulik Verlängerung der Lebensdauer der Maschine Verbesserungen für die verschiedenen Maschinentypen (Entrindungsmaschine,
Hacker, Ladekran auf LKW)
Das Ergebnis soll Hersteller und Käufer von mobilen Maschinen motivieren die nur geringen Mehrkosten bewusst in Kauf zu nehmen, weil sich diese Investition wäh-rend der Betriebszeit der Maschine wirtschaftlich rentiert und gleichzeitig einen Bei-trag für die Umwelt leistet.
1.2. Erzielte Ergebnisse
Das neue System zeigt deutlich bessere Bedieneigenschaften als das Load-Sensing-System und es konnte eine durchschnittliche Kraftstoffeinsparung von 11,2 % er-reicht werden. Dieses Ergebnis bestätigt die Annahme der Simulation. Bei der Test-maschine handelt es sich um ein sehr optimiertes LS-System, das schon vor dem Umbau ohne Ölkühler betrieben wurde. Wird ein Ölkühler verwendet oder liegt der LS-Druck höher als 23 bar, können Einsparung bis 16 % erreicht werden. Durch eine geringere Hydrauliköltemperatur des neuen Systems konnte die Lebensdauer aller Komponenten und des Hydrauliköls gesteigert werden. Durch weniger Leckage und Defekte kann der Öleintrag in die Umwelt reduziert werden.
1.3. Empfehlungen für das weitere Vorgehen
Die Ergebnisse werden direkt durch die Weiss Mobiltechnik GmbH verwertet. Als nächster Schritt werden weitere Testmaschinen mit dem neuen System ausgerüstet und basierend auf den Daten und Erfahrungen dieser Maschinen wird das System in den nächsten Monaten zur Serienreife entwickelt.
1.4. Angaben von Kooperationspartnern und Hinweis auf die För-derung durch die DBU
Das Kooperationsprojekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert (Az: 28036/02 – 24/0).
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2. Einleitung
2.1. Ausgangssituation
Der Einfluss von Kraftstoffkosten auf die Gesamtkosten einer Forstmaschine gewinnt aufgrund zunehmend steigender Kraftstoffpreise verstärkt an Bedeutung. Vor diesem Hintergrund nimmt die Sensibilität der Betreiber in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch der Maschinen deutlich zu. Standen bisher Leistung, Zuverlässigkeit, Bedienbarkeit und Wartungsgesichtspunkte der Maschinen im Fokus der Entwicklung, so müssen sich heutige Entwicklungen an der Effizienz einer Maschine, und damit am Kraftstoff-verbrauch, zusätzlich orientieren. Als Arbeitshydraulik kommen heute üblicherweise Load-Sensing-Systeme zum Einsatz. Prinzipbedingte Verluste entstehen durch die LS-Regeldruckdifferenz, die den Wirkungsgrad des Systems negativ beeinflusst. Zu-dem ist die Schwingungsneigung der Systeme prinzipbedingt hoch.
Als Lösungsansatz wurde der Einsatz einer elektronisch angesteuerten Verstellpum-pe angestrebt, die entsprechend des Volumenstrombedarfs der Verbraucher ausge-schwenkt werden kann. Der prinzipielle Systemaufbau ist in Abbildung 2.1.1 darge-stellt.
Abbildung 2.1.1: Vergleich zwischen hydraulisch-mechanischem Load-Sensing und innovativer elekt-rohydraulischer Bedarfsstromsteuerung
Der Bedarf der Verbraucher ist beim Einsatz elektrisch angesteuerter Verbraucher bekannt, so dass keine zusätzliche Sensorik eingesetzt werden muss. Durch ein sol-ches System ist es möglich, die LS-Regeldruckdifferenz zu reduzieren und somit durch Reduktion prinzipbedingter Verluste die Effizienz des Systems zu steigern. Weiterhin sind positive Nebeneffekte durch den Wegfall der in LS-Systemen typi-schen hydraulisch-mechanischen Regler zu erwarten. Die Schwingungsneigung des Hydrauliksystems nimmt signifikant ab, es kann sogar elektronisch aktiv auf Schwin-gungen reagiert werden. Außerdem wird das bei LS-Systemen inhärente träge Kalt-startverhalten verbessert. Im Gegensatz zu heutigen Systemen kann auf die Mes-
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sung der LS-Regeldruckdifferenz oder die Erfassung des Volumenstroms zusätzli-cher Ausspeiseelemente verzichtet werden. Die Idee umfasste den Einsatz von elekt-rohydraulischen Ventilen mit nachgeschalteten Druckwaagen und den Betrieb des Systems in einer geringen Unterversorgung. Dabei werden alle Verbraucher gleich-mäßig in einer für den Bediener der Maschine nicht merkbaren Unterversorgung be-trieben.
Im Rahmen eines Vorprojektes wurden die möglichen Effizienzsteigerungen des vor-geschlagenen Hydrauliksystems für Forstmaschinen mit der Durchführung einer Si-mulation bereits quantifiziert. Anhand einer Beispielmaschine wurden hierzu auf Ba-sis des Hydraulikschaltplans dieser Maschine ein Simulationsmodell erstellt und um-fangreiche Messungen zur Validierung des Modells durchgeführt. Hierbei wurde si-mulationsunterstützt errechnet, dass mit dem Einsatz des neuen Hydrauliksystems eine Kraftstoffeinsparung von mindestens 11 % realisiert werden kann. Bei der Refe-renzmaschine handelt es sich um eine bereits hoch optimierte Maschine, die im Ge-gensatz zum Großteil der am Markt erhältlichen Maschinen, ohne Ölkühler aus-kommt. Durch die Verringerung der prinzipbedingten Verluste, die typischer Weise als Wärme ins System eingetragen werden, sinkt die Temperatur des Arbeitsmedi-ums und somit der Kühlleistungsbedarf. In der praktischen Umsetzung des vorge-schlagenen Systems können folglich noch signifikant höhere Einsparwerte erwartet werden. Zusätzlich eröffnen die reduzierten Öltemperaturen neue Möglichkeiten für den Einsatz von biologisch abbaubaren Druckflüssigkeiten, welche bei den bisher vorherrschenden Temperaturen nicht eingesetzt werden konnten.
2.2. Zielsetzung
In der zweiten Projektphase sollte dieses neue System in die Beispielmaschine ein-gebaut werden und ein breit angelegter Feldtest erfolgen. Zur Entwicklung des neuen Steuerungssystems sollten die Ergebnisse aus der Simulation optimiert und praktisch umgesetzt werden. In einem ersten Schritt sollte eine Optimierung des Systems statt-finden, auf deren Basis die Entwicklung des neuen Hydrauliksystems stattfinden kann. Hierbei müssen sowohl Komponenten ausgewählt, Schaltpläne erstellt und Steuerung sowie Funktionen programmiert werden. In einem umfassenden System-test sollte das System schrittweise praktisch getestet und die Ergebnisse aus der Simulation bestätigt werden. Zur Programmierung der Steuerung bedienen sich die Kooperationspartner der Arbeitsmethode der Software-in-the-Loop Entwicklung (SIL). Einem ersten Funktionstest auf einem Prüfstand sollte die Implementierung in die Beispielmaschine folgen. Ein breit angelegter Feldtest sollte die Effizienzsteigerung nachweisen, sowie die Praxistauglichkeit und sämtliche weitere Vorteile des neuen Hydrauliksystems belegen.
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Folgende Hauptziele wurden definiert:
Verbesserung des Wirkungsgrades und der Energieeffizienz des Gesamtsystems
Absenkung der Hydrauliköltemperatur
Verbesserung der Bedieneigenschaften der Maschine und der Reaktionszeit der Hydraulik
Verlängerung der Lebensdauer der Maschine
Verbesserungen für die verschiedenen Maschinentypen (Entrindungsmaschine, Hacker, Ladekran auf LKW)
2.3. Aufgabenstellung
Zur Erreichung und Validierung der genannten Ziele ist es notwendig, ein neues Hyd-rauliksystem für eine Beispielanwendung in der Forsttechnik zu entwickeln und zu erproben. In einem Vorprojekt (SimEfHyFo) wurden die relevanten Simulationen zum Nachweis der Effizienzsteigerung durch das neue Hydrauliksystem bereits durchge-führt. Weiterführend ist die Bearbeitung folgender Arbeitspakete zur Erreichung der Gesamtziele notwendig:
1. Simulationsgestützte Systemauslegung
1.1. Optimierung des Systems
2. Entwicklung der Steuerung des Systems
2.1. Auswahl / Beschaffung der Komponenten
2.2. Erstellung der Schaltpläne für Hydraulik und Elektronik
2.3. Programmierung der Steuerung
2.4. Programmierung der Zusatzfunktionen
3. Systemtest und Optimierung
3.1. Software-in-the-Loop
3.2. Prüfstand
3.3. Auswertung der Versuche
3.4. Optimierung der Steuerung
4. Validierung an einem Funktionsmuster
4.1. Einbau des Hydrauliksystems in eine Maschine
4.2. Einbindung der Steuerung
4.3. Grundsatzuntersuchungen im Versuch
4.4. Funktionsuntersuchungen im Feld
5. Dokumentation
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Das im Vorprojekt entwickelte System soll nun simulationsgestützt ausgelegt und optimiert werden (AP 1). Ein Simulationsmodell zur Berechnung des dynamischen Verhaltens mit konzentrierten Parametern wurde bereits im Vorprojekt aufgebaut und die Parameter definiert. Das Simulationsmodell wurde bereits auf Plausibilität geprüft, mit Messungen abgeglichen und so entwickelt, dass es das neu zu entwickelnde System simulieren kann. Als Ergebnis steht derzeit ein parametriertes Modell, wel-ches mit den späteren Messergebnissen aus der Validierung (AP 4) abgeglichen werden muss. Im Rahmen des AP 1 werden verschiedene, in der Vorphase des Pro-jekts entworfene, Steuerungskonzepte getestet und durch gezielte Parametervariati-onen die optimalen Kenngrößen der Komponenten bestimmt. Aus dieser Optimie-rungssimulation werden Hinweise auf weitere mögliche Einsparpotentiale abgeleitet und in den nachfolgenden Arbeitspaketen umgesetzt.
Die Entwicklung und Programmierung der Steuerung erfolgt in AP 2. Aufbauend auf den vorherigen Arbeitspaketen müssen die Hydraulik- und Elektronikkomponenten ausgewählt und beschafft werden, sowie die Schaltpläne für Elektrik und Hydraulik erstellt werden. Als Grundlage für den Volumenstrombedarf müssen die Durchfluss-kennlinien der eingesetzten Hydraulikventile ermittelt werden. Anschließend kann die Steuerungssoftware programmiert werden. Für den nachfolgenden Systemtest (AP 3) und zur Optimierung der Regelung wird ein einfaches Teilsystem, das in der Ver-suchswerkstatt des Kooperationspartners aufgebaut wird, erstellt. Nach Abschluss der Testläufe müssen die gewonnenen Ergebnisse auf alle Funktionen der Beispiel-maschine übertragen, die Testmaschine von Weiss Mobiltechnik umgebaut und noch zusätzlichen Funktionen der Referenzmaschine programmiert werden.
Das so entwickelte System soll abschließend (AP 4) in einem Funktionsmuster vali-diert werden. Einerseits ist hierzu das hydraulische System in eine Maschine einzu-binden und die Steuerung zu applizieren. Andererseits soll parallel mit den durchzu-führenden Versuchen das Simulationsmodell mit den realen Versuchen abgeglichen werden. Ziel ist eine Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung der Grö-ßen Druck, Volumenstrom, Drehzahl und Drehmoment von größer als 95 %. Das Si-mulationsmodell steht damit für weitere Optimierungen oder die Konzipierung des neu entwickelten Systems in einer anderen Anwendung validiert zur Verfügung.
Das Projekt schließt mit einer Dokumentation der Ergebnisse (AP 5) ab.
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3. Hauptteil
3.1. Beschreibung der Arbeitsschritte
3.1.1. Vorprojekt
Im Rahmen eines Vorprojekts wurde eine Beispielanwendung ausgewählt, die als Grundlage für das Simulationsmodell dient und als Funktionsmuster für die Feldtests verwendet wird. Es handelt sich um das Beschickungsfahrzeug einer mobilen Entrin-dungsmaschine. Alle hier beschriebenen Versuche wurden mit diesem Fahrzeug durchgeführt (siehe Abbildung 3.1.1).
Abbildung 3.1.1: Entrindungsmaschine
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3.1.2. AP 1 Optimierung des Systems
Aufbauend auf das in der Projekt-Vorphase erstellte, validierte Simulationsmodell, wurden im Rahmen des AP 1 verschiedene Steuerungskonzepte getestet und durch gezielte Parametervariationen die optimalen Kenngrößen der Komponenten be-stimmt. Aus dieser Optimierungssimulation wurden Hinweise auf weitere mögliche Einsparpotentiale abgeleitet (siehe Abbildung 3.1.2), die in den nachfolgenden Ar-beitspaketen umgesetzt wurden. Insbesondere der Betrieb des Systems in gezielter Unterversorgung wurde simulativ betrachtet und bewertet. Die Tauglichkeit der ver-schiedenen Steuerungskonzepte wird am Prüfstand und auf der Beispielmaschine weiter untersucht.
Abbildung 3.1.2: Energiebedarf
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3.1.3. AP 2 Entwicklung der Steuerung des Systems
3.1.3.1. AP 2.1 Auswahl/Beschaffung der Komponenten
Während des Hauptprojektes sind drei verschiedene Testphasen durchgeführt wor-den. Der „Software-in-the-Loop“-Test der Steuerung. Der Test eines Teilsystems auf dem Prüfstand und der Test in der Beispielmaschine. Für alle drei Testarten wurde der Bedarf an Komponenten ermittelt. Die Tabellen im Anhang zeigen die verwende-ten Komponenten. Um das System testen zu können wurde entsprechende Mess-technik zusammengestellt und zum Teil neu beschafft.
3.1.3.2. AP 2.2 Erstellung der Schaltpläne Hydraulik und Elektronik
Im Rahmen des AP 2.2 wurde der Hydraulikschaltplan des aufzubauenden Prüfstan-des erstellt (siehe Abbildung 3.1.3). Das System besteht im Wesentlichen aus einer elektrohydraulischen Verstellpumpe, vier CAN-fähigen Proportionalventilen mit nach-geschalteten Druckwaagen, sowie vier Belastungseinheiten, genauer einem regelba-ren Druckbegrenzungsventil in Brückenschaltung und zwei koppelbaren Differential-zylindern, sowie einem hydraulischen Lüfterantrieb. Zur Modellierung von Lastdruck-kurven verfügt einer der beiden Differentialzylinder über einstellbare Druckbegren-zungsventile. Der andere Zylinder bewegt eine definierte Masse auf einem Schlitten hin und her. Durch die Kopplung der beiden Zylinder ist die Aufprägung ziehender Lasten möglich. Als Besonderheit wurde eine Ventilscheibe mit getrenntem Schieber ausgeführt. Hierdurch können die Zu- und Ablaufsteuerkante unabhängig voneinan-der kontrolliert werden. Neben der Integration einer Schwimmstellung können bei ziehenden Lasten möglicherweise auftretende Kavitationsprobleme untersucht und gezielt verhindert werden.
Die eingesetzte Hydraulikpumpe verfügt über einen integrierten Schwenkwin-kelsensor und wird von einem Elektromotor angetrieben. Auf der Antriebswelle sitzt ein Drehzahlsensor. Zur Steuerung des Systems wird eine Mobilsteuerung verwen-det. Die jeweiligen Komponenten werden nach der Optimierung des eBSS-Systems am Prüfstand für den Aufbau der Beispielmaschinen weiter verwendet und wurden entsprechend spezifiziert.
Für den Aufbau der Elektrik des Prüfstandes wurden Verdrahtungspläne erstellt und ein entsprechender Schaltschrank gefertigt. Die Elektrokonstruktion beinhaltet den Anschluss aller Sensoren und Aktoren des Prüfstandes an die Steuerung, die Anbin-dung der Motorsteuerung und die Ausgabe aller Messdaten über CAN. Die Messda-ten werden durch einen PC aufgezeichnet und können dann für die Optimierung des Systems ausgewertet werden.
Sehr komplex ist die Planung der Elektrik für die Beispielmaschine und die Serien-version. Durch ein modulares System sollen alle möglichen Anforderungen abge-deckt werden. Ziel ist es immer die gleiche Software zu verwenden und die Anpas-sungen sollen über Parameter erfolgen. Die Hardware gibt es in drei verschiedenen Größen und kann auf die entsprechenden Kundenanforderungen angepasst werden.
Die Elektrokonstruktion für die Beispielmaschine und die Serie ist in Vorbereitung. Es müssen grafische Pläne und Kabelbäume erstellt werden, die für den Aufbau der Beispielmaschine und für Montageanleitungen genutzt werden können.
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3.1.3.3. AP 2.3 Programmierung der Steuerung
Im Rahmen von AP 2.3 wurden die benötigten Entwicklungswerkzeuge festgelegt und beschafft. Das erstellte Lastenheft wurde in ein Pflichtenheft überführt, anhand dessen die Programmierung erfolgte. Im Folgenden wird ein Auszug aus dem Las-tenheft dargestellt, der den Funktionsumfang des neuen Systems beschreibt.
Funktionsumfang
Lastenhefte BSS
1) 1- und 2-Kreissysteme
2) max. 24 CAN-Hydraulik-Sektionen für Bedarfsstromsteuerung
3) Gesamtsystem: max. 24 CAN-Hydraulik-Sektionen für Bedarfsstromsteuerung,
unbegrenzt Prop.- und Schalt-Sektionen für LS-Steuerung
4) LS-Systeme und Bedarfsstromsteuerung kombinierbar
5) Elektronische Volumenstrom- und Leistungsbegrenzung aktivierbar
6) Elektronischer Ausgleich bei Unterversorgung
7) Kaltstartmodus, Übersteuerung bei kaltem Öl
8) Integration in Kransteuerung WMT
Komponenten
Pumpe:
Verschiedene Flanschanschlüsse für Maschinen- und LKW-Anbau
elektrisch. prop. Verstellung mit Druckabschneidung
Option: Drehzahl- und Winkelsensor
Steuerblock:
Verschiedene Baugrößen
CAN-Ansteuerung
Sekundärventile Druck-/Nachsaugventile
Verschiedene Kolbenformen
Elektronik:
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Skalierbar für verschiedene Anforderungen
Schnittstellen
Schnittstelle zu Aufbauhersteller und Integration in bestehende Systeme
Schnittstelle zu Industriemotoren und LKW-Aufbaumodulen
Sicherheit
Risikobeurteilung
FMEA
Systemauslegung mit Sistema
PLc für Funktion, PLd für Abschaltung
Entwicklung
Entwicklungsdokumentation der einzelnen Schritte
Anwendung von Norm 13849
V-Model mit Testdokumentation
Entwicklungsumgebung Codeblocks
Entwicklungssprache C++
Programmierung
Die Programmierung der Steuerung wurde im ersten Schritt soweit entwickelt, dass der Betrieb des Prüfstandes aufgenommen werden konnte. Die Fertigstellung der Software erfolgte iterativ am Prüfstand. Hierbei wechselten sich Optimierungsschritte, Versuchsläufe und die Auswertung der entsprechenden Messwerte ab.
Die Software wurde modifiziert, damit das Steuern der Maschine möglich ist, aber auch noch Tests auf dem Prüfstand durchgeführt werden konnten. Die Software wur-de soweit angepasst, dass ein Steuern der Maschine möglich ist. Für die Serie müs-sen noch weitere Funktionen implementiert werden und die Parametrierung erweitert werden.
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Die Dokumentation ist noch nicht vollständig erstellt und die Implementierung weite-rer Sicherheitsfunktionen muss noch erfolgen. Die Entwicklung des Gesamtsystems war sehr komplex und deshalb wurde zuerst der Fokus auf die Funktionalität gelegt. Die Entwicklung zur Serienreife soll in den nächsten Monaten erfolgen.
3.1.3.4. AP 2.4 Programmierung der Zusatzfunktionen
Bei der Konstruktion des Prüfstandes wurde die Möglichkeit vorgesehen, zwei Zu-satzfunktionen in das System mit einzubeziehen. Der verwendete Steuerblock enthält zu diesem Zweck zwei analog ansteuerbare Ventilscheiben, deren Einbindung in die Steuerung im Verlauf der Prüfstandsversuche erfolgte.
Zur Ansteuerung dieser Zusatzfunktionen wurde ein vereinfachter elektrohydrauli-scher Load-Sensing Modus entwickelt, der eine Differenzdruckregelung mit Hilfe elektronisch erfasster Druckwerte darstellt. Im Gegensatz zur energieeffizienten und hochdynamischen elektrohydraulischen Bedarfsstromsteuerung ist deren Ansteue-rung weniger feinfühlig, zum Betrieb von Nebenfunktionen jedoch hinreichend genau.
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3.1.4. AP 3 Systemtest und Optimierung
3.1.4.1. AP 3.1 Software-in-the-Loop
Die ersten Tests der Steuerung wurden auf einem Software-in-the-Loop Prüfstand durchgeführt. Hierzu wurde die eingesetzte Mobilsteuerung mit einem Joystick ver-kabelt und mittels CAN-Bus Interface mit dem Simulationsmodell des Prüfstandes verknüpft. Parallel zu den Versuchen am Prüfstand erfolgt die Optimierung der Steu-erungssoftware in der aufgebauten Simulationsumgebung.
3.1.4.2. AP 3.2 Prüfstand
Die technische Spezifikation des eBSS-Prüfstandes entspricht der Planung aus AP 2.2 (vgl. Kap. 3.1.3.2), in Analogie hierzu ist der physikalische Aufbau in Abbildung 3.1.4 dargestellt.
Abbildung 3.1.4: eBSS-Prüfstand am Mobima
Neben der Fertigung und dem Zusammenbau des mechanischen und hydraulischen Aufbaus, wurde eine Schnittstelle zwischen der Mobilsteuerung und dem Prüfstands-PC programmiert. Zur Steuerung des Prüfstands wird die Software CANoe von Vec-tor Informatik eingesetzt. Über eine GUI werden alle relevanten Prüfstandsfunktionen angesteuert, sowie relevante Messdaten online angezeigt. Die Benutzeroberfläche der Prüfstandssteuerung ist in Abbildung 3.1.5 dargestellt.
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Abbildung 3.1.5: Bedienpanel zur Prüfstandssteuerung
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3.1.4.3. AP 3.3 & AP3.4 Auswertung der Versuche & Optimierung der
Steuerung
Zur Auswertung der Versuche wird eine selbst konzipierte schlanke Messdatenerfas-sung eingesetzt. Die Mobilsteuerung verfügt über ausreichend Rechenleistung, um neben den Steuerungsfunktionen zusätzlich sämtliche Sensordaten über analoge Eingänge einzulesen, zu clustern und als CAN-Botschaften an den Prüfstands-PC zu senden. Über die am Mobima vorhandene Vehicle Network Toolbox können die Da-ten direkt in Matlab eingelesen, weiter verarbeitet und abgespeichert werden.
Im Folgenden ist das Vorgehen zur Systemabstimmung und Optimierung mit Hilfe des aufgebauten Prüfstandes beschrieben.
Der Kernpunkt der vorgeschlagenen Bedarfsstromsteuerung liegt in der präzisen Synchronisation des bereitgestellten Pumpenvolumenstroms mit dem summierten Volumenstrombedarf der Verbraucher und dessen exakter Verteilung zwischen den einzelnen Verbrauchern. Hierzu gilt es zunächst, die Abhängigkeit des Pumpenvolu-menstroms vom Systemdruck, der Pumpendrehzahl und dem Schwenkwinkel expe-rimentell zu ermitteln. Aus den gewonnenen Daten können Kennfelder erstellt wer-den, die anschließend in der Steuerung hinterlegt werden. Abbildung 3.1.6 zeigt die grafische Darstellung eines entsprechenden Kennfeldes.
Abbildung 3.1.6: Kennfeld Pumpenparameter
Im Anschluss erfolgt die Abstimmung der nun bekannten Pumpencharakteristik auf die elektrohydraulischen Proportionalventile. Konstruktiv bedingt, ist der Volumen-strom nicht linear zur Schieberposition. Da allerdings die Ventile über eine integrierte Elektronik verfügen, kann die, jeweils in Versuchen ermittelte, charakteristische Schieberkennlinie im Ventil hinterlegt werden. Somit wird der tatsächliche Volumen-strom eine lineare Funktion der Volumenstromvorgabe (siehe Abbildung 3.1.7).
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Abbildung 3.1.7: Linearisierung der Ventile
Die quasistatische Übereinstimmung der Soll- und Ist-Volumenströme ist somit er-reicht. Um einen hinreichenden Bedienkomfort zu erreichen, muss jedoch auch die Übereinstimmung bei dynamischen Volumenstromänderungen gewährleistet werden. Aus diesem Grund wurden zunächst die Totzeiten und die Verstellzeiten der Pumpe ermittelt und auf relevante Abhängigkeiten untersucht. In diesem Kontext zeigt Abbil-dung 3.1.8 das Aus- sowie das Zurückschwenken der Pumpe von α=10% nach α=90% und wieder zurück.
Abbildung 3.1.8: Totzeit und Reaktionszeit der Pumpe
Entsprechende Messungen wurden ebenfalls für die Ventile durchgeführt, beispiel-haft ist dies in Abbildung 3.1.9 gezeigt. Auffallend ist im Vergleich zu den Pumpenda-ten die zunächst längere Totzeit, die vergeht, bevor der Ventilschieber überhaupt anfängt, sich zu bewegen. Dann jedoch verschiebt er sich relativ rasch und erreicht seine Endposition vor der Pumpe. Die Rückschwenkzeiten im gezeigten Beispiel passen bereits relativ gut zueinander, müssen jedoch für jede Ventilsektion separat ermittelt werden.
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Abbildung 3.1.9: Totzeit und Reaktionszeit eines Ventils
Die ermittelten Beziehungen werden in der Steuerung über entsprechende Warte-zeitglieder abgebildet. Im fertig optimierten System lässt sich somit die gegenseitige Beeinflussung der Verbraucher komplett ausregeln. Die Auswertung eines zugehöri-gen Versuchslaufes ist in Abbildung 3.1.10 gezeigt.
Abbildung 3.1.10: Volumenstrom- und Druckverläufe beim Parallelbetrieb von zwei Verbrauchern
Der Volumenstromverlauf der zwei parallel betriebenen Verbraucher zeigt noch leich-te Beeinflussungseffekte, und erfordert weitere Optimierung. Es ist weiterhin zuer-kennen, dass die Druckdifferenz im Bereich von ∆p= 10 bar liegt. Im Vergleich zu konventionellen hydraulisch-mechanischen Load-Sensing Systemen gelingt somit, entsprechend der Projektziele, eine deutliche Reduzierung von über 50%.
Neben der optimalen Synchronisierung der Schaltvorgänge liegt ein wesentlicher Faktor zur Bedienerakzeptanz in der Lösung des Zylinder-Endanschlag-Problems. Erreicht ein linearer Verbraucher einen mechanischen Anschlag, sei es seine eigene
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Endlage oder ein unbeweglicher Körper im Bewegungspfad, muss dieser Zustand zur Gewährleistung der übrigen Funktionen sicher detektiert und der Pumpenvolu-menstrom automatisch reduziert werden. Anhand Abbildung 3.1.11 erkennt man, dass der entwickelte Algorithmus zuverlässig arbeitet. Sobald Verbraucher 3 seine Endlage erreicht, schwenkt die Pumpe zurück und reduziert den Volumenstrom, ob-wohl das Ansteuersignal nicht verändert wurde. Der Einfluss auf Verbraucher 2 ist vernachlässigbar.
Abbildung 3.1.11: Zylinder-Endanschlag
Eine weitere kritische Situation ist die Unterversorgung durch Pumpensaturierung. Da jedoch die nachgeschalteten Individual-Druckwaagen im Steuerblock eine soge-nannte Stromteiler-Schaltung darstellen, wird der Volumenstrom aller aktiven Ver-braucher im Verhältnis ihrer Anforderungen gleichmäßig reduziert. Dieses, auch als Soziale Mengenversorgung bezeichnete Verhalten, ist in Abbildung 3.1.12 gut er-kennbar.
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Abbildung 3.1.12: Unterversorgung durch Pumpensaturierung
Im gezeigten Beispiel übersteigt ab Sekunde 10 die Summe aller Verbraucheranfor-derungen den Volumenstrom, den die Pumpe maximal liefern kann. Verbraucher 3 wird langsamer, was an der flacheren Steigung der grünen Kurve deutlich erkennbar ist, aber auch Verbraucher 2 erhält nicht den vollen Volumenstrom der ab diesem Zeitpunkt angefordert wurde.
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3.1.5. AP 4 Validierung an einem Funktionsmuster
3.1.5.1. AP 4.1 Einbau des Hydrauliksystems in eine Maschine
Das System wurde im April 2014 in das Funktionsmuster eingebaut. Es wurden die Pumpen, die Steuerblöcke und die Steuerung durch neue Komponenten ersetzt. Da-zu mussten neue Halterungen für Pumpe und Steuerblöcke konstruiert werden und die Gelenkwelle angepasst werden. Zur Drehzahlerfassung wurde eine Nocken-scheibe an die Gelenkwelle montiert. Anschließend musste die Hydraulik durch an-gepasste Rohre und Hydraulikschläuche angeschlossen werden. Die Elektrik wurde in einen neuen Schaltschrank eingebaut und auf dem Drehwerk montiert. Zusätzlich wurden 4 Drucksensoren montiert und die ganze Elektrik angeschlossen. Es wurden 3-CAN-Bus-Systeme verlegt, einer zum Fahrzeug, einer zu den Steuerblöcken und ein Diagnose-CAN zum Modem. Die Arbeiten wurden durch Mitarbeiter von Weiß Holzentrindung durchgeführt und konnten nach 14 Tagen abgeschlossen werden. Nach einem Tag Inbetriebnahme konnten mit der Maschine die ersten Feldtests durchgeführt werden.
3.1.5.2. AP 4.2 Einbindung der Steuerung
Für die Funktionstests musste die Steuerung an die Entrindungsmaschine angepasst werden. In der Serienversion werden alle Einstellungen und Anpassungen über Pa-rameter erfolgen. Die Implementierung der Parametrierung bedeutet allerdings noch einen zusätzlichen Programmieraufwand. Während der Projektlaufzeit wurde darauf verzichtet, so dass die Funktionstests möglichst schnell erfolgen konnten.
Durch die intensiven Tests am Prüfstand war eine gute Grundlage vorhanden und die Grundfunktionalität war gegeben. Folgende Anpassungen mussten noch durch-geführt werden:
In der Entrindungsmaschine sind zwei Hydraulikkreise vorhanden und es
muss ein zusätzlicher Steuerblock für die Abstützung angesteuert werden.
Diese Anpassungen wurden noch in der Werkstatt durchgeführt. Anschließend wur-den die Funktionstests im Feld durchgeführt.
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3.1.5.3. AP 4.3 & AP 4.4 Grundsatzuntersuchungen im Versuch und Funkti-
onsuntersuchungen im Feld
Die Beispielmaschine wird täglich von der Firma Weiß Holzentrindung eingesetzt. Das erste Ziel der Feldtests war, die Maschine so abzustimmen, dass wieder die gleiche Funktionalität wie vor dem Umbau gegeben war und die Maschine im norma-len Betriebsablauf eingesetzt werden kann. Im zweiten Schritt sollte die Optimierung des Systems erfolgen und im dritten Schritt der Vergleich mit dem Ausgangszustand und den Projektzielen.
In der Vergangenheit hat sich bei der Einführung neuer Systemen bewährt, dass man zuerst die Maschine benutzt, auch wenn es nicht optimal funktioniert und alle Mängel sammelt. Deshalb wurde der Kran am 1. Tag von drei verschiedenen Fah-rern bedient. Das Ergebnis des ersten Tages war, dass ca. 150 fm Stammholz ent-rindet wurden und die Grundfunktionalität gegeben ist. Es traten auch keine Funkti-onsstörungen oder Defekte auf. Allerdings waren die Fahreigenschaften des Kranes noch nicht zufriedenstellend. Das Ansprechverhalten der einzelnen Kranfunktionen war zu schnell, dadurch war keine ruckfreie Bedienung möglich.
Der nächste Test wurde mit 250 fm (ca.800 St.) kurzem schwachen Holz durchge-führt. Diese Arbeit ist besonders anspruchsvoll, da jeder Stamm einzeln gegriffen werden muss und der Stammdurchmesser teilweise unter 20 cm lag. Für diese Arbeit muss der Kran sehr präzise bewegt werden, aber auch sehr schnell, damit eine ak-zeptable Tagesleistung erzielt werden kann.
Nach den ersten Stämmen hatte sich gezeigt, dass diese Arbeit mit dem aktuellen Zustand der Steuerung nicht durchgeführt werden kann.
Es wurden verschiedene Optimierungen der Ventilkurven durchgeführt. Dadurch konnte das Ansprechverhalten des Kranes deutlich verbessert werden. Nach diesen Anpassungen war ein Stand erreicht, mit dem alle weiteren Tests durchgeführt wer-den konnten. Das Fahrverhalten war deutlich besser als vor dem Umbau und der Dieselmotor wurde weniger beansprucht. Damit eine kontinuierliche Datenauswer-tung über einen längeren Zeitraum möglich war wurde ein Mobilmodem mit internem Speicher installiert. Es wurden alle relevanten Daten im Zyklus von 10 ms aufge-zeichnet und in einen Ringspeicher geschrieben. Der Ringspeicher hat eine Auf-zeichnungslänge von ca. 30 s. Über einen Tastendruck konnte der Fahrer dann die Daten auf einen Server übertragen. So wurden mehrmals am Tag in verschiedenen Arbeitssituationen Daten übertragen. Es wurde immer der gleiche Arbeitszyklus ab-gefahren, so dass man die Daten miteinander vergleichen konnte.
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Abbildung 3.1.13: Ausschnitt Druckverlauf Kreis 1
Nach acht Monaten Einsatzdauer und ca. 1000 Betriebsstunden zeigen die Messda-ten keine Veränderung des Hydrauliksystems. Der Kran funktioniert zuverlässig und es traten seit Inbetriebnahme keine Funktionsstörungen auf. Für ein komplett neues System mit teilweise neu entwickelten Komponenten der Zulieferer ist dies ein sehr positives Ergebnis und eine wichtige Grundlage für die Ausrüstung weiterer Testma-schinen von Kunden der Weiss Mobiltechnik GmbH.
Abbildung 3.1.14: Ausschnitt Ventilauslenkung
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Ein entscheidender Punkt für die Akzeptanz des neuen Systems ist, dass die Bedie-neigenschaften mindestens dem Niveau von LS-Systemen entsprechen. Schon wäh-rend der Versuche am Prüfstand konnte durch Messungen nachgewiesen werden, dass das neue Hydrauliksystem schneller und direkter reagiert. Beim Funktionstest konnten diese Messungen bestätigt werden. Die schnellere Reaktionszeit des neuen Systems hat eine große Auswirkung auf den Bedienkomfort der Kransteuerung. Die einzelnen Funktionen lassen sich deutlich besser kontrollieren, Geschwindigkeits-übergänge lassen sich besser ansteuern und der Kran kann insgesamt harmonischer bedient werden. Alle Fahrer haben eine spürbare Verbesserung der Fahreigenschaf-ten des Krans gegenüber dem alten System festgestellt. Dieses wichtige Projektziel konnte erreicht werden.
Ein weiteres wichtiges Projektziel war die Einsparung von Kraftstoff. Dies sollte durch die Reduzierung der hydraulischen Verlustleistung erfolgen. Bei LS-Systemen wird ein Differenzdruck zur Regelung der Pumpe benötigt. Dieser liegt bei ca. 20 – 30 bar. Durch die Verringerung dieses Druckes sollte die in der Simulation berechnete Ein-sparung erreicht werden.
Abbildung 3.1.15: Ausschnitt Druckverlauf
Die Grafik zeigt eine vergrößerte Darstellung des Druckverlaufs. Die grüne Linie zeigt den Lastdruck, die blaue Linie den Systemdruck eBSS und die türkise Linie den Sys-temdruck LS. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Systemdruck des neuen Systems unter dem Systemdruck des LS-Systems liegt. Die rote Linie zeigt, dass die Druckdif-ferenz des neuen Systems bei ca. 8-10 bar liegt. Umgerechnet in hydraulische Leis-
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tung ergibt sich eine Einsparung von 11,2 %. Dieses Ergebnis bestätigt die Annahme der Simulation. Bei der Testmaschine handelt es sich um ein sehr optimiertes LS-System, das schon vor dem Umbau ohne Ölkühler betrieben wurde. Wird ein Ölküh-ler benötigt oder liegt der LS-Druck höher als 23 bar, können Einsparung bis 16 % erreicht werden.
Abbildung 3.1.16: Energieeinsparung bei verschiedenen Arbeitssituationen
Die Grafik zeigt die Energieeinsparung der Hydraulik im Verhältnis zum bearbeiteten Holz. Die Einheit fm beschreibt das Holzvolumen. Die Grafik zeigt, dass bei stärke-rem Holz (höheres Gewicht -> höherer Lastdruck) die prozentuale Einsparung sinkt. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Druckreduzierung des neuen Systems ein absoluter Wert ist. Die Hauptmasse entfällt auf die Stärkeklassen 3 und 4 und ent-spricht der Durchschnittseinsparung von 11-12 %.
Eine Reduzierung der Verlustleistung entspricht in hydraulischen Systemen einer Reduzierung der Hydrauliköltemperatur. Dadurch besteht die Möglichkeit Ölkühler kleiner auszulegen oder kleinere Tanks zu verwenden. Das neue System bietet dadurch eine einfache Möglichkeit, das Gewicht der Maschine zu reduzieren oder Bauraum einzusparen. Durch die neuen Abgasnormen und die erforderlichen Kom-ponenten bietet ein System, dass Bauraum einspart, neue Möglichkeiten bei der Konstruktion der Maschinen.
Eine Reduzierung der Öltemperatur verlängert die Lebensdauer des Hydrauliköls, der Dichtungen und der Schlauchleitung. Weniger Leckage und weniger defekte Schlauchleitung verhindern den Öleintrag in die Umwelt und leisten dadurch einen weiteren Beitrag zur Umweltrelevanz des neuen Systems.
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3.1.6. AP 5: Dokumentation
Die durchgeführten Arbeiten wurden in Form von Zwischenberichten und dem vorlie-genden Abschlussbericht dokumentiert. Die im Projektverlauf erarbeiteten Dokumen-te wurden in einer Ordnerstruktur gespeichert und stehen zur weiteren Verwendung zur Verfügung.
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3.2. Diskussion der Ergebnisse
Die wichtigen Projektziele waren den Kraftstoffverbrauch zu senken, den Bedienkom-fort zu erhöhen und die Nachteile von LS-Systemen zu kompensieren.
Es wurde eine Beispielanwendung ausgewählt und das Hydrauliksystem in einem Simulationsmodell abgebildet. Nach der Validierung wurde das neue System in die Simulation eingebunden und getestet. Es wurde eine Kraftstoffeinsparung von 11,8 % prognostiziert.
Anschließend wurden die benötigten Hydraulik- und Elektronikkomponenten be-schafft und am KIT ein Prüfstand aufgebaut. Dort wurde das neue System getestet und die Software entwickelt und optimiert.
Nach Abschluss der Optimierungen wurde das neue System in die Beispielmaschine eingebaut und im Feld getestet. Nach verschiedenen Anpassungen konnte die Ma-schine wieder eingesetzt werden und die Datenauswertung erfolgen.
Das neue System zeigt deutlich bessere Bedieneigenschaften als das Load-Sensing-System und es konnte eine durchschnittliche Kraftstoffeinsparung von 11,2 % er-reicht werden.
Dieses Ergebnis bestätigt die Annahme der Simulation. Bei der Testmaschine han-delt es sich um ein sehr optimiertes LS-System, das schon vor dem Umbau ohne Ölkühler betrieben wurde. Wird ein Ölkühler verwendet oder liegt der LS-Druck höher als 23 bar, können Einsparung bis 16 % erreicht werden.
Durch eine geringere Hydrauliköltemperatur des neuen Systems konnte die Lebens-dauer aller Komponenten und des Hydrauliköls gesteigert werden. Durch weniger Leckage und Defekte kann der Öleintrag in die Umwelt reduziert werden. Somit konnten die festgelegten Projektziele alle erreicht werden.
Als nächster Schritt werden weitere Testmaschinen mit dem neuen System ausge-rüstet und basierend auf den Daten und Erfahrungen dieser Maschinen wird das System in den nächsten Monaten zur Serienreife entwickelt.
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3.3. Ökologische und technologische Bewertung
Das Hauptziel des Projektes, den Kraftstoffverbrauch um 10 – 20 % zu senken, konnte durch die Feldversuche nachgewiesen werden. Bei der Beispielmaschine handelt es sich schon um eine sehr optimierte Maschine mit LS-System. Bei einer Förderleistung von 2 x 120 l/min und einem Systemdruck von 250 bar kann schon jetzt auf einen Ölkühler verzichtet werden. Trotzdem konnte eine Einsparung von circa 11 % erreicht werden. Vergleichbare Maschinen werden überwiegend mit ei-nem Ölkühler ausgerüstet, um die maximal zulässige Öltemperatur einzuhalten. Un-ter diesem Gesichtspunkt kann die erreichte Einsparung von 11,2 % als minimal mögliche Einsparung bewertet werden. Die installierte Kühlleistung mobiler Maschi-nen kann bis zu 10 kW betragen. Das Hydrauliksystem der Beispielmaschine benö-tigt durchschnittlich 30 kW. Dies zeigt, dass die Kühlleistung mobiler Maschinen ei-nen großen Anteil am Leistungsverbrauch hat. Durch das neue System kann die Kühlleistung reduziert werden und der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden.
Durch eine Marktstudie konnte ermittelt werden, dass alle benötigten Komponenten am Markt als Standardkomponenten verfügbar sind. Dies ermöglicht einen kosten-günstigen Systemaufbau für den Neubau und auch für die Nachrüstung. Die neuen Steuerungs- und Hydraulikkomponenten für die Umrüstung der Beispielmaschine sind ca. 20 % teurer (1.600 EUR) als vergleichbare LS-Komponenten. Der Gesamt-preis beträgt ca. 10.000 EUR.
Bei einem Kraftstoffverbrauch von ca. 13,6 l/h durch das hydraulische System und einer jährlichen Arbeitszeit von ca. 1.600 h ergibt sich eine Einsparung (11,2 %) von ca. 2.437 l Diesel pro Jahr. Bei einem Dieselpreis von aktuell ca. 1,12 EUR ergeben sich netto Einsparungen von ca. 2.733 EUR im Jahr. Eine Nachrüstung amortisiert sich incl. Einbaukosten nach ca. 3,5 Jahren, bzw. wenn man die Wertsteigerung und die längere Lebensdauer berücksichtigt auch schon deutlich früher. Bei einer neuen Maschine amortisieren sich die Mehrkosten schon im ersten Jahr. Alle Werte müssen im Hinblick auf die optimierte Vergleichsmaschine betrachtet werden. Bei Maschinen mit höherem Einsparpotential amortisiert sich eine Nachrüstung schon im 2. Jahr.
Nach Studien aus den Jahren 2005 und 2007 sind in Deutschland ca. 4.500 Forst-maschinen mit Kran im Einsatz. Würde sich dieses System durchsetzen wären Kraft-stoffeinsparungen im Forst von ca. 11 Mio. l Diesel pro Jahr möglich.
Somit könnten pro Maschine ca. 6,5 t CO2 - bezogen auf die 11 Mio. l Diesel insge-samt sogar ca. 29 Mio. t CO2 im Jahr vermieden werden.
Da dieses System nicht nur in Forstmaschinen sondern auch in Land-, Bau und Kommunalmaschinen eingesetzt werden kann, ergibt sich noch ein deutlich höheres Einsparpotential.
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3.4. Darlegung der Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabens-ergebnisse
Die Lösung wird zukünftig durch die Weiss Mobiltechnik GmbH angeboten und in das Leistungsspektrum des Unternehmens integriert.
Im weiteren Verlauf wird das System somit entsprechend beworben und versucht neue Kunden zu akquirieren, um die Verbreitung der Technologie voranzutreiben. Hierbei werden dann noch jeweils projektspezifische Optimierungen durchgeführt werden.
Aus dem Projekt heraus wurden folgende Veröffentlichungen getätigt, deren Volltext z.T. über die Homepage des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen (http://www.fast.kit.edu/mobima/288_6725.php) erreichbar ist:
• Scherer, M.; Geimer, M.; Weiß, B.: Contribution on Control Strategies of Flow-
On-Demand Hydraulic Circuits, Proceedings of the 13th Scandinavian Interna-
tional Conference on Fluid Power, Linköping, Sweden, 2013
• Scherer, M.; Geimer, M.; Weiß, B.: Forestry Crane with Electrohydraulic Flow-
on-Demand System, Proceedings of the 71th Conference „LAND.TECHNIK -
AgEng 2013“, Hannover, 2013
• Weiß, B.; Scherer, M.: Genau so viel wie nötig | Elektrohydraulische Bedarfs-
stromsteuerung für mobile Maschinen, Fachzeitschrift Mobile Maschinen, Heft
3/2014, Mainz, 2014
• Weiß, B.; Scherer, M.; Geimer, M.: eBSS elektrohydraulische Bedarfs-
stromsteuerung, öffentl. Abschlussvorführung des Forschungsprojekts am KIT,
Karlsruhe, 22. Mai 2014
• Weiß, B.: Elektrohydraulische Bedarfsstromsteuerung für mobile Maschinen,
Seminar MobilTron 2014, Mannheim, 15./16. Oktober 2014
geplant:
• Scherer, M.: Beitrag zur Effizienzsteigerung mobiler Arbeitsmaschinen -
Entwicklung einer elektrohydraulischen Bedarfsstromsteuerung mit aufgepräg-
tem Volumenstrom, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsru-
he, 1. Quartal 2015
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4. Fazit
Die gestellten Projektziele konnten alle erreicht werden. Die in der Simulation be-rechnete Kraftstoffeinsparung konnte durch die Feldtests bestätigt werden. Die Be-dieneigenschaften des Krans haben sich deutlich verbessert, so dass auch mit einer großen Akzeptanz des neuen Systems gerechnet werden kann. Insgesamt bewertet konnte das Projekt sehr erfolgreich abgeschlossen werden.
Das System ist funktionsfähig und kann auf andere Maschinen übertragen werden. Nach Kontakten mit ersten Interessenten und nach den Erfahrungen der Feldtests werden in den nächsten Monaten noch weitere Funktionen implementiert. Es ist ge-plant im 1. Halbjahr 2015 vier unterschiedliche Testmaschinen mit dem neuen Sys-tem auszurüsten. Nach Abschluss dieser Tests werden sich noch weitere Optimie-rungsmaßnahmen ergeben, die bis Ende 2015 umgesetzt werden sollen. Die Serien-reife soll bis Anfang 2016 erreicht werden.
Nach diesen Tests mit unterschiedlichen Maschinen muss die Dokumentation (Ein-baurichtlinien, Elektropläne, Anleitungen) auf einen aktuellen Stand gebracht werden.
Momentan ist die Auswahl an elektrohydraulischen Komponenten noch sehr klein. Deshalb ist es auch eine wichtige Aufgabe für die nächsten Jahre, neue Komponen-ten zu testen und für das neue System freizugeben. Dadurch kann die Einbaumög-lichkeit des neuen Systems in verschiedene Maschinen gesteigert werden.
Das System wurde an einer Forstmaschine getestet, kann aber auch in alle anderen Typen von mobilen Maschinen eingebaut werden. Durch gezielte Marketingmaß-nahmen sollen in den nächsten Jahren auch andere Branchen angesprochen wer-den, so dass eine möglichst große Verbreitung erreicht werden kann.
