Improvement of hydraulic operations of a stationary industrial machine with decentralized hydraulic system utilizing rotational speed-controlled pumps
Sairanen, Anette (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202001233160
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202001233160
Tiivistelmä
This master’s thesis discusses improvement of hydraulic operations of a stationary industrial machine that is used in mining industry. Objective of the thesis was to study possibilities to improve synchronization of four cylinders of the machine and improve safety, energy efficiency and spare part availability during the lifetime of the machine. Improvement of the system was done with a decentralized hydraulic system that utilizes rotational speed-controlled pumps.
In literature review of the thesis previous studies of decentralized hydraulic systems as well as rotational speed-controlled hydraulic systems were studied. Based on the findings the whole hydraulic system of the machine was analyzed and a new decentralized hydraulic system was constructed on a concept level. Four cylinders of the machine were chosen for in-depth analysis. Based on literature findings a new concept for the cylinders was developed. A test system was manufactured to gain experience of the technology and compare it with the current hydraulic system. Synchronization of the cylinders was measured as well as active power consumption. The same measurements were done for the same machine with the current hydraulic system.
Based on the results the developed system is more reliable in synchronization of the four cylinders than the current system. However, the test system reduced power consumption only in one of the three comparisons between the systems. This was mainly because of the poor hydromechanical efficiency of the pumps on a low pressure level. It was suggested that the pressure level of the system is increased by reducing the area of the piston. By increasing the pressure level, the new system has potential for energy savings. Additionally, maintenance of the machine can be improved by using standard components and same motor-pump units in all of the cylinders. Tämä diplomityö käsittelee hydraulisten toimintojen kehittämistä kiinteässä teollisuuslaitteessa, jota käytetään esimerkiksi kaivosteollisuudessa. Diplomityön tarkoituksena oli tutkia mahdollisuuksia parantaa laitteen neljän hydraulisylinterin synkronointia ja parantaa turvallisuutta, energiatehokkuutta ja varaosien saatavuutta laitteen elinkaaren aikana. Muutos hydrauliikkajärjestelmään toteutettiin hajautetulla hydrauliikkajärjestelmällä, joka hyödyntää pyörimisnopeusohjattuja pumppuja.
Kirjallisuusselvityksessä perehdyttiin aiempiin tutkimuksiin hajautetuista hydrauliikkajärjestelmistä sekä pyörimisnopeusohjatuista hydrauliikkajärjestelmistä. Laitteen koko nykyinen hydrauliikkajärjestelmä analysoitiin ja hajautetusta hydrauliikkajärjestelmästä muodostettiin konsepti diplomityön kohteena olevalle teollisuuslaitteelle. Laitteen neljä hydraulisylinteriä valittiin konseptitasoa tarkempaan tarkasteluun. Neljälle sylinterille muodostettiin uusi hydrauliikkajärjestelmä, joka erotettiin muista laitteen toiminnoista. Testijärjestelmä rakennettiin, jotta uutta tekniikkaa voitiin vertailla nykyisen järjestelmän kanssa ja saada kokemusta tekniikasta jatkokehitystä varten. Sylinterien synkronointia ja pätötehon kulutusta mitattiin testauksen aikana. Samanlaiset mittaukset toteutettiin myös saman laitteen nykyiselle hydrauliikkajärjestelmälle.
Tulosten perusteella testijärjestelmässä sylinterit olivat paremmin synkronoituja kuin nykyisessä järjestelmässä. Testijärjestelmä vähensi tehonkulutusta kuitenkin vain yhdessä kolmesta vertailusta. Tämä johtui suurimmaksi osaksi siitä, että testijärjestelmän hydraulipumput eivät toimineet optimaalisella painealueellaan. Matalan painetason takia pumppujen hydromekaaninen hyötysuhde oli heikko. Jatkokehitystä varten esitettiin, että järjestelmän painetasoa kasvatetaan pienentämällä sylintereiden männän pinta-alaa. Testijärjestelmän kaltaisella järjestelmällä voidaan parantaa varaosien saatavuutta ja huollettavuutta, koska käytetään standardikomponentteja ja samanlaisia pumppuyksiköitä.
In literature review of the thesis previous studies of decentralized hydraulic systems as well as rotational speed-controlled hydraulic systems were studied. Based on the findings the whole hydraulic system of the machine was analyzed and a new decentralized hydraulic system was constructed on a concept level. Four cylinders of the machine were chosen for in-depth analysis. Based on literature findings a new concept for the cylinders was developed. A test system was manufactured to gain experience of the technology and compare it with the current hydraulic system. Synchronization of the cylinders was measured as well as active power consumption. The same measurements were done for the same machine with the current hydraulic system.
Based on the results the developed system is more reliable in synchronization of the four cylinders than the current system. However, the test system reduced power consumption only in one of the three comparisons between the systems. This was mainly because of the poor hydromechanical efficiency of the pumps on a low pressure level. It was suggested that the pressure level of the system is increased by reducing the area of the piston. By increasing the pressure level, the new system has potential for energy savings. Additionally, maintenance of the machine can be improved by using standard components and same motor-pump units in all of the cylinders.
Kirjallisuusselvityksessä perehdyttiin aiempiin tutkimuksiin hajautetuista hydrauliikkajärjestelmistä sekä pyörimisnopeusohjatuista hydrauliikkajärjestelmistä. Laitteen koko nykyinen hydrauliikkajärjestelmä analysoitiin ja hajautetusta hydrauliikkajärjestelmästä muodostettiin konsepti diplomityön kohteena olevalle teollisuuslaitteelle. Laitteen neljä hydraulisylinteriä valittiin konseptitasoa tarkempaan tarkasteluun. Neljälle sylinterille muodostettiin uusi hydrauliikkajärjestelmä, joka erotettiin muista laitteen toiminnoista. Testijärjestelmä rakennettiin, jotta uutta tekniikkaa voitiin vertailla nykyisen järjestelmän kanssa ja saada kokemusta tekniikasta jatkokehitystä varten. Sylinterien synkronointia ja pätötehon kulutusta mitattiin testauksen aikana. Samanlaiset mittaukset toteutettiin myös saman laitteen nykyiselle hydrauliikkajärjestelmälle.
Tulosten perusteella testijärjestelmässä sylinterit olivat paremmin synkronoituja kuin nykyisessä järjestelmässä. Testijärjestelmä vähensi tehonkulutusta kuitenkin vain yhdessä kolmesta vertailusta. Tämä johtui suurimmaksi osaksi siitä, että testijärjestelmän hydraulipumput eivät toimineet optimaalisella painealueellaan. Matalan painetason takia pumppujen hydromekaaninen hyötysuhde oli heikko. Jatkokehitystä varten esitettiin, että järjestelmän painetasoa kasvatetaan pienentämällä sylintereiden männän pinta-alaa. Testijärjestelmän kaltaisella järjestelmällä voidaan parantaa varaosien saatavuutta ja huollettavuutta, koska käytetään standardikomponentteja ja samanlaisia pumppuyksiköitä.