Utilizzare la simulazione per migliorare le prestazioni di sollevamento a forbice durante la transizione da un motore ICE a un motore elettrico

La sicurezza è un requisito fondamentale

In un cantiere vengono utilizzati diversi sollevatori a forbice per molteplici attività. Dai lavori di verniciatura per interni alle ristrutturazioni esterne, questo tipo di ascensore con la sua piattaforma elevatrice deve funzionare bene in una varietà di condizioni difficili.

I progetti all'aperto possono essere particolarmente difficili su questo tipo di attrezzature. Il terreno può essere fangoso, irregolare e difficile da percorrere. I pendii ripidi e fangosi richiedono buone prestazioni di trazione per portare a termine il lavoro.

Un altro fattore chiave sono le normative sul rumore e sulle emissioni. I sollevatori non possono emettere gas di scarico e non possono superare determinati livelli di decibel per la sicurezza dell'operatore e dell'equipaggio in generale, specialmente all’interno degli edifici. Ciò significa che gli ingegneri devono ridurre il rumore complessivo generato dal motore e dai sistemi di attuazione, nonché soddisfare gli standard sempre più severi applicati ai motori a combustione interna (ICE). Man mano che sempre più aree urbane adottano zone a basse emissioni, i produttori sono costretti ad accelerare l'innovazione e utilizzare fonti di energia alternative per le proprie apparecchiature. In molti casi, l’energia elettrica è la strada più praticabile da percorrere.

Infine, la sicurezza è fondamentale quando si tratta di macchine movimento terra e sollevatori in generale. Queste macchine lavorano in posizione elevata dal suolo. Ciò significa che la stabilità è la massima priorità sia per i produttori sia per gli utenti finali.

Chi tiene sollevatori a forbice in garage?

L’80% dei clienti dei sollevatori non sono gli utenti finali, ma società di noleggio di attrezzature. Le società di noleggio devono offrire ai propri clienti macchine versatili e ad alte prestazioni. I clienti non vogliono noleggiare macchine diverse per lo stesso sito. Offrire un prodotto top performer versatile è un asset importante quando si tratta di gestire una flotta a noleggio.

La gamma Pulseo

Per colmare questa lacuna nel mercato, Haulotte, uno dei principali produttori e fornitori mondiali di attrezzature di sollevamento con sede a Lorette, in Francia, ha sviluppato Pulseo, una gamma di piattaforme a forbice fuoristrada di nuova generazione. Adatte sia per lavori interni che esterni, le piattaforme Pulseo completamente elettriche offrono prestazioni superiori rispetto ai precedenti modelli di motori a combustione.

Per sviluppare questi nuovi modelli, Arnaud Chaigne, responsabile della divisione di simulazione e validazione digitale di Haulotte, e il suo team di ingegneri hanno utilizzato la simulazione per studiare le possibilità di progettazione e prevedere le prestazioni della macchina.

“La simulazione ci ha permesso di valutare la fattibilità di diversi scenari di innovazione, tenendo conto dell'impatto sui vari sistemi, come il sistema idraulico, elettrico e i sistemi di controllo, nonché della stabilità della macchina e della sicurezza dell’operatore” ha affermato Chaigne.

Valutazione dell'architettura del progetto con Simcenter Amesim.

Scelta degli strumenti di simulazione

Haulotte si avvale degli strumenti software Simcenter™ per la simulazione meccanica e di sistemi. Simcenter fa parte di Siemens Xcelerator, portfolio di software, hardware e servizi. Utilizzando questi strumenti di simulazione, gli ingegneri di Haulotte hanno sviluppato una linea di piattaforme a forbice elettriche da 12 kilowatt (kW) pronte per il mercato. I nuovi sollevatori offrivano prestazioni migliori rispetto al modello precedente, che montava un motore a combustione interna da 23 kW. Le nuove piattaforme a forbice elettriche non solo sono silenziose e non inquinanti, ma offrono anche prestazioni complessive migliori, tra cui un'altezza massima di lavoro di 15 metri anziché 12, e una capacità di carico di 750 kg anziché 500 kg.

Per determinare l'architettura ottimale per i futuri sollevatori a forbice Pulseo fuoristrada, Chaigne ha utilizzato il software Simcenter Amesim™ per la simulazione dei sistemi. Una delle parti più difficili del compito era ottimizzare le prestazioni del motore elettrico. A differenza dei circuiti integrati convenzionali, per ottenere la potenza richiesta dal motore elettrico il team ha dovuto affrontare molti più problemi e vincoli di progettazione.

Per iniziare, Chaigne ha identificato le perdite di energia a tutti i livelli: dal motore in tutta la struttura, compresa la distribuzione idraulica.

"Abbiamo iniziato modellando il sistema termico esistente al fine di identificare le parti che consumano più energia (mappatura della perdita di energia)", afferma Chaigne. "In questo modo, siamo stati in grado di definire una nuova architettura più adatta a una macchina completamente elettrica in cui conta tutto il consumo di energia".

Definire un'architettura di sistema ottimale

Come parte del progetto, il team ha lavorato sul dimensionamento della batteria del sistema elettrico.

Come spiega Chaigne, "Per dimensionare correttamente la batteria, abbiamo dovuto studiare due aree principali: da un lato, la quantità totale di energia necessaria per le esigenze operative quotidiane e, dall'altro, le elevate richieste di potenza durante le fasi transitorie. Il rischio è sovradimensionare il progetto per adattarsi a questi picchi di potenza. Pertanto, abbiamo lavorato sulla modellazione delle leggi di controllo per limitare questi picchi".

Durante le fasi di analisi, Chaigne e il suo team hanno osservato che i picchi si sono verificati proprio all'inizio dell'elevazione quando gli attuatori hanno avviato il movimento.

"Al fine di ottimizzare le dimensioni della batteria, abbiamo dovuto sviluppare leggi di controllo per attenuare i picchi di potenza offrendo un tempo di sollevamento simile", afferma Chaigne. "Ciò ha comportato un livello di potenza costante durante il sollevamento".

Strumento di workflow personalizzato orientato ai processi che utilizza il software NX™ Open, in Simcenter 3D.

Simulazione della stabilità della macchina in funzione, tramite Simcenter 3D Motion.

Utilizzare Simcenter 3D Motion per ottenere stabilità

Le normative di vari paesi stabiliscono che le piattaforme aeree devono rimanere stabili, sia che si stiano spostando in posizione in un cantiere o siano ferme; ad esempio, con l'operatore o i lavoratori sulla piattaforma.

"Per migliorare la produttività con il nostro nuovo sollevatore a forbice, è stato necessario studiarne la stabilità durante il trasporto", afferma Chaigne. "Quando la macchina è in movimento, è necessario studiare il comportamento dell'asse oscillante per garantire la stabilità complessiva del veicolo".

Per poter anticipare tutti gli scenari possibili, Chaigne e il suo team hanno utilizzato il software Simcenter 3D Motion per studiare il comportamento dinamico dell'elevatore a forbice.

"Abbiamo utilizzato la simulazione multibody dinamica di Simcenter per dimensionare le piattaforme a forbice e garantirne la stabilità", afferma Chaigne. "Ciò ha permesso di trovare il miglior compromesso tra prestazioni e peso della macchina e di risparmiare tempo durante lo sviluppo".

Lavori in corso all'aperto con la piattaforma Pulseo.

Simulazione democratica

"In qualità di esperto di simulazione, devo assicurarmi che i nostri strumenti di simulazione siano accessibili", afferma Chaigne. "Le possibilità di personalizzazione in Simcenter 3D tramite NX Open hanno permesso di integrare le nostre regole aziendali e le norme normative per accelerare il processo di calcolo e ridurre il rischio di errori".

Quando l'ufficio di progettazione Haulotte esegue le varie analisi di stabilità, le norme standard guidano il processo. Uno dei problemi è che gli standard variano da regione a regione e i requisiti possono coprire diversi fattori variabili: da quelli ambientali, come la forza del vento, a quelli avviati dall'uomo, come l'impatto dell'operatore o la movimentazione delle attrezzature, come la posizione del carico e gli angoli di lavoro.

"Parallelamente alla gestione dei parametri degli standard, cerchiamo di rendere i nostri modelli creati nell'ufficio di progettazione il più predittivi possibile", spiega Chaigne. "Ciò significa prendere in considerazione i parametri che influenzano la stabilità, come il comportamento degli pneumatici, la rigidità effettiva e la sua distribuzione del peso. Dopo che il modello è stato definito, è necessario verificare la stabilità in base alle diverse configurazioni standard; questo passaggio può essere relativamente lungo e noioso".

Risparmio di tempo ed eliminazione del lavoro ripetitivo

Per risparmiare tempo e migliorare il processo di analisi per i calcoli di stabilità, il team ha sviluppato uno strumento di flusso di lavoro personalizzato orientato ai processi utilizzando il software NX™ Open, un modulo di automazione API (Application Programming Interface) per Simcenter 3D.

"In termini concreti, NX Open ci consente di automatizzare l'inserimento dei dati, tenendo conto delle varie norme", afferma Chaigne. "Durante il post-processing, fornisce informazioni chiare sulla stabilità. Ciò consente ai non specialisti di utilizzare modelli Simcenter 3D Motion più complessi".

La co-simulazione migliora le prestazioni

Quando lavora alla serie elettrica Pulseo, il team di ingegneri simula i modelli 3D Simcenter utilizzati per l'analisi della struttura e della stabilità con i modelli di simulazione del sistema Simcenter Amesim utilizzati per l'analisi energetica e il dimensionamento delle batterie.

Chaigne spiega: "Per le macchine elettriche, il consumo di energia è estremamente importante. L'utilizzo di Simcenter 3D Motion ci consente di modellare le forze negli attuatori idraulici tenendo conto della cinematica, della distribuzione di massa, dell'attrito e degli effetti dinamici. Abbiamo una visione reale dei dettagli del livello di pressione e quindi dell'energia richiesta per questi attuatori".

Il team lavora con due tipi di processi di co-simulazione.

"Nel primo caso, i due programmi software operano simultaneamente e si scambiano informazioni per convergere verso una soluzione comune", afferma Chaigne. "Nel secondo caso, utilizziamo Simcenter 3D Motion per generare tabelle di forza in base alla posizione del cilindro e quindi utilizziamo queste informazioni in Simcenter Amesim."

Poiché gli elevatori a forbice funzionano principalmente con sistemi idraulici utilizzando diversi attuatori, la distribuzione delle sollecitazioni nella struttura varia in base al bilanciamento della pressione negli attuatori idraulici. Chaigne afferma: "La co-simulazione ci consente di analizzare le sollecitazioni in condizioni normali e durante i guasti; ad esempio, una rottura del tubo. Possiamo vedere come avvengono i trasferimenti di carico e l'impatto sulla pressione del cilindro idraulico".

Ridurre le campagne di test fisiche con la simulazione

"I calcoli e le simulazioni fanno parte del nostro processo di validazione teorica per garantire che il nostro progetto abbia raggiunto un certo livello di maturità prima della produzione del primo prototipo", afferma Chaigne. "Tuttavia, la fase di test rimane essenziale. La simulazione ci aiuta a identificare i casi più critici in termini di stabilità, valutando parametri come la posizione della macchina, i carichi e le forze".

I casi critici identificati vengono quindi verificati durante le prove.

"Controlliamo se i risultati dei test corrispondono alla simulazione", conferma Chaigne. "Questo ciclo di analisi test-simulazione è necessario per migliorare i nostri modelli. L'utilizzo di modelli di simulazione limita i prototipi e quindi riduce il tempo che dedichiamo alle campagne di test".

Comprendere il comportamento delle prestazioni con la simulazione

"La simulazione ci aiuta a definire l'architettura complessiva del sistema, ma la utilizziamo durante diverse fasi di sviluppo, come i problemi di troubleshooting che si sono verificati durante i test. Certamente, la simulazione fornisce una visione più approfondita del comportamento indesiderato delle prestazioni e delle cause", spiega Chaigne. "Per riprodurre le prestazioni in modo accurato, è necessario modellare diversi fenomeni fisici. Ciò include l'identificazione di parametri influenti e la valutazione immediata delle alternative. Lavorando in questo modo, siamo in grado di raggiungere la fase di prototipazione con un'architettura più matura, persino definitiva".

Secondo Chaigne, all'interno di un ufficio di progettazione, è essenziale non isolare il team di analisi della simulazione dal team di test del prototipo. I cicli di simulazione e test devono essere integrati in un processo collaborativo per consentire ai problemi rilevati durante i test di essere risolti il più rapidamente possibile utilizzando la simulazione.

Lavori all’interno di un edifico con la piattaforma Pulseo.

Prestazioni superiori e sicurezza ottimale

L'utilizzo degli strumenti di simulazione Simcenter è stato un fattore chiave di successo nella progettazione e nello sviluppo dei nuovi sollevatori a forbice elettrici fuoristrada Pulseo di Haulotte. Il team è stato in grado di rispettare tutti gli standard di sicurezza della stabilità operativa, nonché vari requisiti relativi alle emissioni sonore e all'inquinamento atmosferico. Grazie alle funzionalità di simulazione Simcenter, il team ha creato un design ottimale caratterizzato da prestazioni superiori rispetto al modello precedente con ICE.

“Con Simcenter, siamo passati da un motore termico da 23 kW a un motore elettrico da 12 kW, migliorando al contempo le prestazioni complessive dell'elevatore a forbice. L'altezza massima di lavoro dell'unità è aumentata del 25% da 12 m a 15 m e la capacità di carico è aumentata del 50% da 500 kg a 750 kg", conclude Chaigne.