Den snabba teknikutvecklingen med bland annat elektrifiering ökar kraven på hydraulsystem att bli mer energieffektiva. En teknik som har stor potential men hittills krävt för mycket utvecklingsresurser är vad som kallas ”Independent Metering”. Nu har HAWE genom att använda AI och maskininlärning under utvecklingsprocessen utvecklat en ventilenhet som kan leda till stora energibesparingar i hydraulsystem.
Det berättar Andrea Farris, Key Market Manager, samt Mikael Palmqvist, teknisk säljare på HAWE.
– Med marknadens ökande krav på högre effektivitet och produktivitet krävs utveckling som förflyttar oss förbi den klassiska mekaniken. Med vår nya ventilenhet, VIPR, används maskininlärning (ML) där potentialen ligger i kombinationen av mekanik och dataintelligens. Maskininlärning öppnar nya möjligheter för att göra maskinprocesser effektivare, säkrare och mer hållbara, förklarar Mikael Palmqvist.
Både enklare och mer avancerat
Independent Metering är en teknik som ger många valmöjligheter i kombination med olika typer av kontrollfunktioner.
– Hydraulsystemet blir enklare då det krävs färre komponenter, exempelvis kan ofta både lasthållningsventiler och pilotstyrda backventiler undvikas. Samtidigt blir systemet mer avancerat då det krävs mer sensorer och elektronik som kan vara svåra att kontrollera, berättar Andrea Farris.
Utvecklingen ställer nya krav på hydrauliken
Nya elektriska nätverk öppnar upp för möjligheter, men ställer också utvecklare inför nya krav och utmaningar.
– Det handlar bland annat om nya flexibla lösningar och modultänk som kan anpassas individuellt för varje maskin och funktion utan att kräva enorma resurser i form av nykonstruktion för att optimera varje maskintyp. Med högre energieffektivitet samtidigt som prestandan hålls på en hög nivå. Även med fler sensorer/givare och nätverksanslutna komponenter integrerade blir det än viktigare att förenkla driftsättning och underhåll, förklarar Mikael Palmqvist.
Hydrauliska system måste därför utvecklas och bli mer intelligenta – och det är just här den nya VIPR-enheten kommer in i bilden. Den är en smart ventilenhet som kombinerar fyra likadana proportionalventiler för att ge individuell styrning, det som kallas ”Independent Metering”.
– Våra ventiler tillsammans med integrerade trycksensorer gör det möjligt att övervaka och styra alla funktionerna till och från förbrukaren. I och med att våra ventiler är läckagefria kulsätesventiler så kan man ofta exkludera lasthållningsventiler och pilotstyrda backventiler, fortsätter han.
Ökar energieffektivitet och prestanda
Att kunna exkludera de ventilerna reducerar inte bara antalet ventiler utan ökar också hydraulsystemets energieffektivitet. I och med att styrningen och kontrollen finns i mjukvaran ger det maskinen en stor flexibilitet som kan beskrivas som:
- Tryck- eller flödeskontroll styrs via programmering av mjukvaran och kräver inga ändringar av hårdvaran.
- Driftlägen som flytläge eller regenerering implementeras via mjukvara, utan extra ventiler eller styrblock.
Även prestandan ökar vid användning av en sådan ventilenhet då systemet blir mer reaktivt, svarar snabbare.
– Hydraulsystemet blir också mer stabilt och erbjuder möjligheter att addera fler funktioner på ett enkelt sätt, som oberoende styrning av tryck och flöde, förklarar Andrea Farris.
Självlärande algoritmlösning
Att en teknik med så stor potential att effektivisera hydraulsystem inte funnits på marknaden tidigare beror framför allt på att mjukvaruutvecklingen kräver mycket tid och resurser, något som ingen varit beredd att investera i.
– Att vi nu kunnat utveckla VIPR-enheten är tack vare utvecklingen inom AI och maskininlärning. Genom en självlärande algoritm som vi tagit fram minskar tiden drastiskt för mjukvaruprogrammeringen och även systemkonstruktionen. Algoritmen hjälper till i uppstartsfasen och intrimning av maskinen samt gör mycket av det utvecklingsingenjörerna tidigare behövde lägga tid på, förklarar Andrea Farris.
Tack vare den självlärande algoritmen kan VIPR lära sig av data som genereras under användning och efter några testkörningar anpassar sig systemet till de specifika kraven.
– Den aktiva inlärningen sker endast vid uppstart och igångsättning, vilket innebär att parametrarna förblir oförändrade vid serieproduktion, fortsätter han.
Tillåter decentraliserad placering
Den nya ventilenheten är moduliserad, ett koncept som gör att enheten kan integreras på olika håll på en maskin med en decentraliserad placering.
– Det är det som möjliggör att lasthållarventiler och pilotstyrda backventiler kan undvikas då VIPR kan placeras nära hydraulmotorn eller cylindern. Det innebär en stor energivinst då man med den nya ventilenheten kontrollerar sänkningen, oberoende av last, med lasthållare behöver man tillföra energi för att sänka lasten, berättar Mikael Palmqvist.
Man kan sammanfatta de främsta fördelarna med den nya ventilenheten med:
- Hög energieffektivitet: Tack vare permanent självjustering arbetar hydraulsystemet alltid i det för maskinen och funktionen optimala området. Detta leder till minskat slitage och lägre energiförbrukning samt minskad miljöpåverkan.
- Enkel styrkontroll: Driftlägen såsom flytläge eller regenerering kan enkelt implementeras via mjukvara, utan att extra ventiler adderas. Genom att flytta komplexiteten till mjukvaran skapas principen ”en ventil för allt”.
- Minskat antal varianter: Genom mjukvarujusteringar så räcker det med en universalmodul som täcker alla funktioner.
- Flexibilitet i montering: VIPR kan monteras centralt eller decentraliserat. Med decentraliserad montering och sätesventiler behövs inga ytterligare lasthållningsfunktioner på maskinen.
- Framtidssäker: Justeringar av driftsförhållandena görs via mjukvaruuppdateringar – utan att behöva byta ut mekaniska komponenter.
Tester visar positiva resultat
HAWE har genomfört ett antal tester för att mäta effekten av ett byte till den nya VIPR ventilenheten. I en av testerna elektrifierade HAWE en standardteleskoplastare, som ursprungligen drevs av en dieselmotor, och ersatte det centrala hydraul blocket med tre var för sig monterade intelligenta VIPR-ventilenheter.
– Resultaten visade att styrstrukturen och kabeldragningen kunde avsevärt förenklas tack vare det decentraliserade arrangemanget av ventilenheterna, berättar Mikael Palmqvist.
Konverteringen och de omfattande testkörningarna gjorde det möjligt att genomföra praktiska mätserier och göra före- och efterjämförelser.
– Där visades att exempelvis energibesparingar kunde göras på upp till 98 procent i gaffelns sänkningsrörelse. Positiva besparingar uppnåddes även i övriga arbetsfunktioner. Här ser vi att VIPR kan ge ett viktigt bidrag till optimering, särskilt i elektrifierade maskiner, där hög energieffektivitet ger möjlighet till längre arbetstimmar per batteriladdning, lägre vikt och installationsutrymme för nödvändiga batterier.
De har även utfört tester inom skogssektorn där styrningen och därmed driften av en skogsvinsch har optimerats med hjälp av VIPR.
– Genom att automatiskt reglera trycket vid in- och utrullning spändes repet i realtid, oavsett belastning. Direktstyrningen är betydligt snabbare med VIPR än om värdena överförs till huvudkontrollen via individuella sensorer och utvärderas där. Detta ger inte bara vinschen optimal arbetsprestanda utan leder också till större säkerhet vid användning.
Maskininlärning – en ”game changer” för hydraulik?
Med den nya ventilenheten visas att hydraulikens höga effekttäthet kan kombineras med intelligent mjukvara och avsevärt förbättra produktivitet och effektivitet i hydraulsystem.
– Det återstår dock att se om maskininlärning faktiskt kommer att bli en ”game changer” för hydraulik. En sak är dock säker: kombinationen av hydraulik och maskininlärning öppnar en enorm potential. Med adaptiva modeller och adaptiv styrning kan effektförlusterna reduceras, styrkvaliteten och reaktionshastigheten ökas samt slitage och energiförbrukning minimeras. Tillämpning av denna teknik finns inom alla tänkbara områden, avslutar Mikael Palmqvist.
