The Working Hydraulics of Valve-Controlled Mobile Machines: Classification and Review

Productivity, reliability, controllability, flexibility and affordable costs represent key aspects in mobile machines. Additionally, due to the high fuel price and to the introduction of stringent emission regulations for diesel engines, the reduction of fuel consumption while persevering the existing performance is the current demand. In order to satisfy and maximize the above requirements, different hydraulic system architectures have been developed during the last decades. Both academia and industry have been investing considerable resources delivering numerous outcomes that require a classification. This review paper closes this gap by analyzing and classifying the working hydraulics of non-hybrid, valve-controlled mobile machines starting from the 1980s to the state-of-the-art. Hydraulic layouts are addressed and categorized by both discussing their fundamentals and evolutions, and by pointing out their pros and cons in a way to provide the readers with a comprehensive overview of the systems currently available on the market and at the research stage

Analisi e simulazione di circuiti idraulici per macchine movimento terra

L’obiettivo principale di questo lavoro è quello di analizzare e modellare i circuiti idraulici di due macchine movimento terra, in particolare di un telehandler e di un escavatore al fine di comprendere l’attuale soluzione circuitale e di far emergere pregi e difetti con lo scopo di mantenere i primi risolvendo i secondi. Al fine di avvalorare le supposizioni teoriche, sia simulazioni che campagne sperimentali sono state condotte. Le prime, anche se con margine di errore, permettono di risparmiare in termini di denaro e fornisco quantità difficilmente misurabili o estremamente costose da ottenere. Le seconde invece confermano in modo inequivocabile la risposta della macchina, ma le informazioni desumibili sono limitate a meno che non venga effettuata un’estesa campagna sperimentale. Su queste fondamenta si è deciso di modellare i circuiti idraulici delle macchine e di tararli sulla base di test sperimentali con l’intenzione di utilizzarli per valutazioni sia di tipo energetico che di controllabilità.Dapprima vengono esposte le differenti soluzioni circuitali per macchine movimento terra adottate dai principali costruttori; soluzioni che cercano di migliorare la controllabilità e l’efficienza energetica e ridurre la complessità del circuito. Gran parte delle nuove soluzioni vedono sempre più un pesante apporto di elettronica sulla macchina (trasduttori ed elettrovalvole) in quanto rende facilmente attuabili strategie di controllo difficilmente implementabili per via idraulica e/o meccanica. Dopo questa parte si inizia ad analizzare in dettaglio il circuito idraulico dell’escavatore partendo dal pacco distributori, che sono stati modellati in modo dettagliato, ma sempre con un occhio di riguardo ai tempi di calcolo. Infatti una modellazione troppo dettagliata dei componenti porta ad eccessivi tempi di simulazione del sistema con scarso apporto in termini di qualità dei risultati. Un altro esempio riguarda il gruppo di alimentazione che deve essere approssimato, ma la logica di controllo deve essere fatta in modo dettagliato al fine di descrivere la variazione della cilindrata che avviene durante i movimenti. Inoltre viene presentata la modellazione degli altri componenti del circuito con l’intento di mostrare le tecniche, le semplificazioni e le assunzioni effettuate per ottenere i risultati presentati. A tal proposito i principali azionamenti, quali la movimentazione del boom, dello stick, del bucket, della torretta e della traslazione, sono stati validati con lo scopo di simulare con buon margine di approssimazione i movimenti simultanei più ricorrenti nella vita della macchina. In questo senso ci si è ispirati alla norma Giapponese JCMAS, che descrive i principali cicli di lavoro al fine di caratterizzare anche il consumo di combustibile della macchina. In questa direzione si è cercato di proporre un metodo di valutazione virtuale di quest’ultimo per mezzo di una mappa di consumo del motore termico associata ad un modello semplificato di motore termico. Nella seconda parte prendendo spunto dall’analisi effettuata sull’escavatore, si è analizzato il circuito idraulico del telehandler che è ancora a livello prototipale. Su questo si sono analizzati i possibili interventi volti a migliorare sia la controllabilità del mezzo che la sicurezza e il risparmio energetico. Nell’ordine sono stati introdotti i distributori post-compensati, la separazione del circuito delle forche da quello della compensazione, è stata assicurata la discesa del braccio in caso di avaria e la rigenerazione di portata durante la discesa del braccio. Le idee poc’anzi esposte sono state implementate in AMESim al fine di avere un riscontro quantitativo delle soluzioni proposte. Per compiere le simulazioni sono stati utilizzati differenti metodi di modellazione del braccio uniti a differenti metodi di simulazione. In particolare si è ricorsi sia alla Geometria Planare previamente utilizzata per l’escavatore, all’accoppiamento tra Virtual Lab Motion e AMESim sia in co-simulazione che in simulazione accoppiata con lo scopo di comprendere quale è la soluzione migliore in termini di velocità di simulazione. Altre proposte di intervento sono state valutate e comprovate tramite simulazione

A Design Solution for Efficient and Compact Electro-hydraulic Actuators

AbstractThis paper presents and describes an innovative design solution for a compact Electro-Hydraulic Actuator (EHA). Although the current trend in many mobile applications is towards the use of Electro Mechanical Solutions (EMAS) instead of Hydraulic Actuation Systems (HAS), HEAs can actually represent the best technological compromise. In fact, EHAs can combine the power to weight ratio advantage of hydraulic technology with the versatility and ease of installation and control of electric technology. Compared to EMAS, which are often equipped with low efficient load holding mechanisms, EHAs can also offer superior energy efficiency. Moreover, the EHAs do not suffer of jamming problems, which make them a strong candidate to be employed in harsh environments. Applications of EHAs like the one proposed in this work include aircrafts, cargo and vehicle doors, hatches and landing gears. The system studied in this research is based on miniature bi-directional gear pump (from 0.13 cc/rev), specifically designed to maximize performance in terms of efficiency, noise emissions and durability for the reference application. This pump is used in a system layout architecture that includes built-in valves to allow a power on demand strategy control of a differential linear actuator. In particular, a novel pressure compensation system was formulated to minimize power losses associated with the internal lubricating gaps in the whole field of operation. The paper details the numerical modelling of the system, showing also results which describe its main features of operation. Advantages in terms of energy consumption, with respect to a more common configuration of EHA are also discussed

A COMMERCIAL EXCAVATOR: ANALYSIS, MODELLING AND SIMULATION OF THE HYDRAULIC CIRCUIT

The paper addresses some aspects of an ongoing research on a commercial compact excavator. The interest is focused on the analysis and modelling of the whole hydraulic circuit that, beside a load sensing variable displacement pump, features a stack of nine proportional directional control valves modules of which seven are of the load sensing type. Loads being sensed are the boom swing, boom, stick and bucket, right and left track motors and work tools; instead, the blade and the turret swing users do not contribute to the load sensing signal. Of specific interest are the peculiarities that were observed in the stack. In fact, to develop an accurate AMESim modelling, the stack was dismantled and all modules analysed and represented in a CAD environment as 3D parts. The load sensing flow generation unit was replaced on the vehicle by another one whose analysis and modelling have been developed using available design and experimental data. Although both the Hydraulic Component Design library as well as the Planar Mechanical library were used extensively in the process of modelling the entire circuit, some simplifications became necessary and are detailed in the paper. As the modelling phase was developing, a number of field experiments on the vehicle were also performed: these served the purpose of providing reference data to the end of progressing with the validation phase of the AMESim model. Regarding predictive simulation results, these are appropriately consistent with gathered experimental outcomes. The AMESim model will be instrumental for upcoming analyses that foresee the substitution of the original stack with other load sensing post-compensated modules so to assess with reasonable confidence the effects on potential energy savings

Simulazione accoppiata del sistema idraulico di movimentazione delle forche di un telehandler

L’articolo presenta lo sviluppo del modello di simulazione del sistema di movimentazione delle forche di un telehandler. Lo studio è stato effettuato attraverso la simulazione accoppiata di due codici software, AMESim per la modellazione 1D del sistema idraulico e Virtual Lab per la modellazione meccanica del braccio telescopico e delle forche. Nel contesto, il vantaggio sta nel fatto che la simulazione accoppiata interessa soltanto un integratore, con un notevole risparmio in termini di tempi di calcolo

COUPLED SIMULATION OF A TELEHANDLER FORKS HANDLING HYDRAULICS

The paper presents the development of the simulation model of the forks handling system of a telehandler. The study has been performed through coupled simulation of two software codes, AMESim for the 1D modelling of hydraulics and Virtual Lab for the mechanical modelling of the telescopic boom and forks. In context the advantage is that coupled simulation involves just one integrator with significant savings in computer time. Aim of the analysis is the development of a validated model capable of predicting system behaviour with adequate accuracy in different operating conditions. Following a kinematic analysis to evidence the characteristics of the mechanical system, such as the automatic forks levelling, forks lever ratio and overrunning load conditions, the detailed hydraulics modelling is discussed with emphasis on overcentre valves. The hydraulic model is interfaced with the mechanical one that based on forces consequent to load induced pressures evaluates in turn velocities and displacements. The complete model received experimental validation through significant boom and forks duty cycles. A fair agreement has been reached confronting experimental and predicted outcome

Legislative Documents

Also, variously referred to as: House bills; House documents; House legislative documents; legislative documents; General Court documents