Riassunto analitico
Il sistema “Meter Out Sensing” (MOS) rappresenta la più recente e promettente soluzione circuitale per il miglioramento delle performances del controllo idraulico proporzionale dei sistemi multi-attuatore, particolarmente in riferimento alle macchine operatrici mobili.
Il funzionamento del sistema MOS è ottenuto tramite un controllo “negativo” del sistema di variazione di cilindrata della pompa idraulica che insegue l’obiettivo di regolare il salto di pressione del sistema ad un valore dato costante, inoltre il sistema è dotato di compensatori capaci di rigenerare la portata. Il sistema gode di diversi vantaggi rispetto allo stato dell’arte, il primo riguarda il risparmio energetico dovuto alla funzione rigenerazione mentre il secondo attiene alla semplicità e relativa economicità per l’assenza di controlli elettronici e sensori. Infatti il sistema, nella sua versione di base, è in grado controllare proporzionalmente la portata e gestire la rigenerazione sia in caso di carichi resistenti che trascinanti, senza l’utilizzo di sensori, controlli elettronici complessi e componenti ad alte prestazioni. Il risparmio energetico è ottenuto tramite la rigenerazione che sfrutta carichi trascinanti e l’interferenza dei carichi per alimentare l’utenza, riducendo le portate elaborate dalle pompe.
Nella prima sezione della tesi verrà descritta l’architettura proposta, inoltre sarà elaborata una basilare descrizione matematica dei principi di funzionamento. Questa parte si addentrerà nella descrizione dei componenti costitutivi del sistema MOS e della loro operatività. Sarà inoltre dato spazio all’analisi e al confronto con lo stato dell’arte a livello industriale, contestualizzando il lavoro alla luce delle fonti bibliografiche disponibili in letteratura.
La parte successiva sarà dedicata alla presentazione del modello a parametri concentrati sviluppato tramite il software commerciale Amesim. Il modello sarà in grado di descrivere il primo prototipo del sistema Meter Out System, e comprenderà i parametri dei componenti reali come ad esempio aree di passaggio, rigidezza delle molle, masse ecc.
Il modello sarà in grado di descrivere cicli di lavoro di una macchina reale e sarà validato tramite tests al banco prova. Ulteriori analisi saranno focalizzate su uno dei componenti più critici del sistema, il compensatore a tre vie. Nel dettaglio verranno analizzate le modalità di funzionamento con l’impiego di tecniche CFD.
La terza parte descriverà le attività sperimentali che sono state sviluppate tramite collaborazione industriale. Il prototipo è stato testato su un banco dinamico, il sistema è collegato a un braccio per il sollevamento di un carico che può essere variato aggiungendo o togliendo zavorre modulari. Attraverso queste attività è stato studiato il funzionamento nella condizione di carico resistente (sollevamento) e trascinante (abbassamento), producendo le condizioni operative adatte a validare le funzioni di compensazione, rigenerazione e taglio pressione.
Nella parte conclusiva ci si soffermerà sugli sviluppi futuri, con particolare enfasi alle sfide e tematiche ancora aperte, venendo infine a riassumere i principali risultati ottenuti in questo progetto di ricerca.
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Abstract
The metering out sensing (MOS) system represents the latest, and most promising, architectural concept for improving the performance of multiple actuation systems through hydraulic proportional components control, in particular for Mobile Machines.
The objective of the hydraulic control is obtained firstly by a negative control of the supply system, aimed at adjusting the pressure drop on the meter out to a given value, secondly by a three-way compensator able to regenerate the flow.
The main benefits of the system are the energy saving obtained by regeneration and the simplicity of operation for the absence of electronic controls and sensors. In fact, the Meter Out Sensing System in its most basic embodiment doesn’t require sensors, electronic controls nor high performance components to control the flow proportionally to the metering out area control, in both positive or negative load control mode and to activate regeneration. The regeneration feature, moreover, enables energy savings reducing the flow supply from the pump, harnessing the power from overrunning loads and load interference.
In the first part of the thesis, the architecture will be explained by giving a basic mathematical description of the principles of operation. This part will focus on the description of the components of the MOS system and their operating principles. Particular emphasis will be given on the comparison with the industrial state of the art and considering the relevant bibliographic sources on the subject.
Afterwards, a lumped parameter model developed with the commercial software Amesim will be presented. The Model will be able to describe the first developed prototype of the Meter Out Sensing system, including the parameters of the components such as flow areas, spring rates, masses, etc. The Model will be able to emulate the work cycles of real operating machines and will be assessed through physical tests. Additional analysis will be carried out on one of the most critical components, namely the three-way compensator. Going more into detail, the operating modes of compensator will be analyzed with the aid of the Computational Fluid Dynamic analysis.
The third part will show the experimental results of the test campaign carried out with Industry collaboration. The prototype was tested on a dynamic bench, connecting the hydraulic control system to a lifting arm to which different levels of loads can be applied, by adding or removing modular ballasts. Thanks to this activity, it was possible to observe the operating behavior of the system in different conditions, namely resting load (lifting) and overrunning load (lowering), producing the proper operating conditions to assess the features of compensation, regeneration and pressure cut off.
The last part will try to foresee the possible further developments, highlighting the still open issues and the challenges for the future, finally summing up the most relevant results obtained in this research project.
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