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 ).
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.
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
- Энергоэффективные электродвигатели: ср. классы энергоэффективности электродвигателей, требования к экодизайну электродвигателей
- Приводы с регулируемой частотой : регулируемая скорость двигателя позволяет снизить потребление энергии по сравнению с приложениями с фиксированной скоростью
- Регулируемые гидравлические насосы: снижение потребления энергии за счет адаптации к требуемому давлению и расходу (например, насос переменного рабочего объема, насос с измерением нагрузки)
- Технологии накопления энергии: электрические (аккумулятор, конденсатор, суперконденсатор ), гидравлические (аккумулятор), кинетическая энергия ( маховик ), пневматические, магнитные ( сверхпроводящие магнитные накопители энергии ).
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
- «Влияние на жизненный цикл, связанное с энергией, и возможности снижения затрат при проектировании машин: случай лазерной резки», Т. Деволдере и др., Материалы 15-й Международной конференции CIRP по разработке жизненного цикла, 2008 г.
- « Повышение эффективности машин за счет проектирования на основе моделей», В. Сайменс, презентация на Дне разработки на основе моделей, 9 мая 2012 г., г. Хертогенбос, Нидерланды.
- «На пути к мехатронному компилятору», Х. Ван Брюссель, презентация на семинаре ACCM по мехатронному проектированию, 2012 г., 30 ноября 2012 г., Линц, Австрия
- Обучение управлению производственными машинами