Экомехатроника - Ecomechatronics

Экомехатроника - это инженерный подход к разработке и применению мехатронных технологий с целью снижения воздействия на окружающую среду и общей стоимости владения машинами. Он основан на интегративном подходе мехатроники , но не только с целью улучшения функциональности машины. Мехатроника - это междисциплинарная область науки и техники, которая объединяет механику, электронику, теорию управления и информатику для улучшения и оптимизации проектирования и производства продукции. Кроме того, в экомехатронике функциональность должна идти рука об руку с эффективным использованием и ограниченным воздействием на ресурсы. Улучшения машин нацелены на 3 основных направления: энергоэффективность , производительность и комфорт пользователя ( шум и вибрация ).

Машина как система, требующая энергии и расходных материалов для преобразования входа в выход, тем самым генерируя выбросы (тепло, шум, ...)
Схема мехатронной системы, состоящей из контроллера, усилителя, привода, механической конструкции и датчиков

Описание

Среди политиков и предприятий обрабатывающей промышленности растет понимание нехватки ресурсов и необходимости устойчивого развития . Это приводит к новым правилам в отношении конструкции машин (например, Европейская директива по экодизайну 2009/125 / EC) и к смене парадигмы на мировом рынке машин: «вместо максимальной прибыли от минимального капитала, максимальная добавленная стоимость должна создаваться за счет минимальные ресурсы ». Обрабатывающая промышленность все чаще требует высокопроизводительных машин, которые экономно расходуют ресурсы (энергию, расходные материалы) в производстве, ориентированном на человека. Таким образом, машиностроительные компании и производители оригинального оборудования должны ответить на этот рыночный спрос с помощью нового поколения высокопроизводительных машин с более высокой энергоэффективностью и комфортом для пользователя.

Динамика цен на сырую нефть. Источник данных: Статистический обзор мировой энергетики 2013, BP.

Снижение потребления энергии снижает затраты на электроэнергию и снижает воздействие на окружающую среду. Обычно более 80% воздействия машины в течение всего жизненного цикла связано с ее потреблением энергии на этапе использования. Следовательно, повышение энергоэффективности машины является наиболее эффективным способом снижения ее воздействия на окружающую среду. Производительность определяет, насколько хорошо машина выполняет свои функции, и обычно связана с производительностью, точностью и доступностью. Комфорт пользователя связан с воздействием на операторов и окружающую среду шума и вибрации из-за работы машины.

Поскольку энергоэффективность, производительность, шум и вибрация взаимосвязаны в машине, их необходимо решать комплексно на этапе проектирования. Пример взаимосвязи между 3 ключевыми областями: с увеличением скорости машины обычно увеличивается производительность машины, но также увеличивается потребление энергии, а вибрации машины могут возрастать, так что точность машины (например, точность позиционирования) и доступность (из-за простоев и технического обслуживания) уменьшение. Экомехатронный дизайн предполагает компромисс между этими ключевыми областями.

Подходить

Экомехатроника влияет на способ проектирования и внедрения мехатронных систем и машин. Поэтому переход на новое поколение машин касается институтов знаний, производителей оригинального оборудования , поставщиков программного обеспечения CAE, машиностроителей и владельцев промышленных машин. Тот факт, что около 80% воздействия машины на окружающую среду определяется ее конструкцией, делает акцент на правильном выборе технологической конструкции. Для комплексного подхода к энергоэффективности, производительности и удобству использования машины требуется основанный на моделях междисциплинарный подход к проектированию.

Ключевые поддерживающие технологии можно разделить на компоненты машин, методы и инструменты проектирования машин и управление машинами. Ниже приведены несколько примеров по категориям.

Компоненты машин

Методы и инструменты дизайна

  • Энергетическое моделирование: использование энергетических моделей машин и эмпирических данных (например, карт энергоэффективности) для оценки энергопотребления машины на этапе проектирования.
  • Оптимизация энергопотребления: например, выравнивание нагрузки во избежание пиков энергопотребления.
  • Гибридизация: применение по крайней мере еще одной промежуточной формы энергии для снижения потребления основного источника энергии, например, в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания (см. Трансмиссию гибридных транспортных средств )
  • Виброакустический анализ: изучение сигнатуры шума и вибрации машины с целью локализации и различения их основных причин.
  • Многотельное моделирование: моделирование сил взаимодействия и перемещений связанных твердых тел, например, для оценки влияния виброгасителей на механическую конструкцию.
  • Активное гашение вибрации: например, использование пьезоэлектрических подшипников для активного контроля вибраций машины.
  • Быстрое создание прототипов управления : предоставляет инженерам по управлению и обработке сигналов быстрый и недорогой способ ранней проверки конструкции и оценки компромиссов при проектировании.

Управление машиной

  • Минимизация потребления энергии: управляющие сигналы оптимизированы для минимального потребления энергии
  • Управление энергопотреблением систем накопления энергии: управление потоками мощности и состоянием заряда системы накопления энергии с целью достижения максимальной энергетической выгоды и максимального срока службы системы
  • Управление на основе моделей: использование системных моделей для улучшения результатов (точность, время реакции, ...) управляемой системы.
  • (Само) обучающееся управление: управление самоадаптируется к системе и ее изменяющейся среде, что снижает потребность в настройке и адаптации параметров управления инженером по управлению.
  • Оптимальное управление машиной: управление системой рассматривается как задача оптимизации, для которой правила управления считаются оптимальным решением (см. Оптимальное управление )

Приложения

Некоторые примеры приложений экомехатронной системы:

  • Komatsu PC200-8 Hybrid : первый в мире гибридный экскаватор имеет систему хранения энергии на основе суперконденсаторов . Рекуперация энергии в гидравлической приводной магистрали во время торможения приводит к значительному повышению экономии топлива.
  • Гибридный автобус: коммерциализированы различные типы гибридных автобусов (например, автобус ExquiCity от Van Hool ), в которых топливные элементы или дизельный двигатель используются в качестве основного источника энергии, а батареи и / или суперконденсаторы в качестве систем хранения энергии.
  • Гибридный трамвай: гибридизация в трамваях обеспечивает рекуперацию энергии, а также мобильность без воздушных линий, что применяется, например, в некоторых трамваях Combino Supra от Siemens Transportation Systems. В системе используется комбинация тяговых аккумуляторов и суперконденсаторов .

Смотрите также

Ссылки