Zastosowanie oprogramowania Simcenter Amesim do optymalizacji hamowania awaryjnego w kombajnach do zbioru winogron

Wyzwania związane z układem hydraulicznym

Układy hydrauliczne są kluczowym elementem w procesie opracowywania innowacji technologicznych. Znajdują zastosowanie w rozwiązywaniu różnorodnych problemów inżynieryjnych i wspomagają opracowywanie innowacji, mających na celu m.in. zwiększenie komfortu układów kierowniczych, rozwój ekologicznych listew wtryskowych, zwiększenie poziomu bezpieczeństwa systemów ABS oraz wydajności układów odzysku ciepła.

Wzrost złożoności układów i wbudowanych obwodów elektronicznych powoduje wydłużenie cyklów projektowania i rosnące koszty. Wdrożenie symulacji układów mechatronicznych stało się obecnie standardową metodą utrzymywania tych czynników pod kontrolą, wymaga to jednak nie tylko wiedzy na temat oprogramowania, lecz także dogłębnej znajomości zastosowań. „Dysponując dużym doświadczeniem w produkcji inteligentnych komponentów hydraulicznych, firma Fluidesign była w stanie wykorzystać symulację do skutecznego zarządzania złożonością inżynieryjną” – mówi Vincent Moulin, dyrektor ds. sprzedaży i marketingu w firmie Fluidesign. „Zaczęliśmy używać oprogramowania Simcenter Amesim wiele lat temu, a teraz staliśmy się preferowanym partnerem przedsiębiorstw, które są liderami w branży i poszukują solidnych i nowoczesnych produktów zoptymalizowanych z zastosowaniem symulacji”.

Dlatego też firma New Holland Agriculture (New Holland) nawiązała współpracę z Fluidesign w celu wprowadzenia innowacyjnych rozwiązań w zakresie układów hydraulicznych w najnowszych samojezdnych kombajnach do zbioru winogron. Od ponad trzech dekad firma New Holland opracowuje maszyny zaprojektowane specjalnie dla winnic, wyposażone w innowacyjne rozwiązania takie jak wahliwe głowice żniwne, układ przenośnikowy z koszem Noria, systemy ostrząsające SDC i kabiny zapewniające wyższy poziom komfortu. Dzięki tym innowacjom marka New Holland wzmocniła swoją reputację pod względem jakości, bezpieczeństwa, osiągów i wydajności swoich produktów. Jej maszyny cieszą się dużym uznaniem, a firma pozostaje niekwestionowanym liderem na rynku.

Przepisy Unii Europejskiej dotyczące redukcji emisji zanieczyszczeń obejmują wszystkie pojazdy wyposażone w silniki spalinowe. Kombajny do zbioru winogron nie są wyjątkiem i muszą być zgodne z normami, które wymuszają wdrażanie nowych technologii w dziedzinie silników, takich jak recyrkulacja spalin i selektywna redukcja katalityczna. Ograniczenie emisji wiąże się jednak z dodatkowymi kosztami i zwiększeniem masy.

W związku z tym jednym z rozwiązań jest zwiększenie wskaźników wykorzystania kombajnów do zbioru winogron: im mniej czasu trzeba poświęcić na transport maszyny do i z winnicy, tym większa jej opłacalność. Dlatego też kombajny wyposażono w mocniejsze silniki, umożliwiające szybsze docieranie na miejsce i optymalizację czasu pracy.

Jazda po drogach asfaltowych wiąże się również z surowymi przepisami bezpieczeństwa, dotyczącymi zwłaszcza drogi hamowania. Przepisy dotyczące hamowania awaryjnego określają długość drogi hamowania i jasne kryteria certyfikacji. Wraz ze wzrostem całkowitej masy kombajnów te wymagania stają się coraz trudniejsze do spełnienia, a brak zgodności z przepisami może być bardzo kosztowny, nie tylko ze względu na grzywny i inne kary, lecz także utratę udziału w rynku.

Dlatego też firma New Holland powierzyła firmie Fluidesign opracowanie rozwiązania technologicznego, które pozwoli kombajnowi typu VN9040 do zbioru winogron spełnić wymagania wynikające z przepisów.

Modelowanie całego podwozia

Do oceny zachowania dynamicznego i wpływu konstrukcji zaworu na hamowanie awaryjne firma Fluidesign używa oprogramowania Simcenter Amesim™, wiodącego rozwiązania do fizycznej symulacji układów mechatronicznych, wchodzącego w skład portfolio Simcenter. Inżynierowie stworzyli model kompletnego układu podwozia – obejmujący powierzchnie styku podwozia i opon z powierzchnią drogi w 3D wraz z przekładnią hydrostatyczną – przy użyciu gotowych bibliotek oprogramowania Simcenter Amesim, uwzględniających hydraulikę, konstrukcję komponentów hydraulicznych, opór hydrauliczny i dynamikę pojazdu.

Do celów tej analizy konieczne było zbadanie dynamiki i czasu reakcji różnych komponentów układu przeniesienia napędu, takich jak hydrauliczne sterowanie pompą o zmiennej wydajności. Po skalibrowaniu modelu na podstawie pomiarów skoncentrowano się na analizie wpływu różnych parametrów hydraulicznych i sterujących na hamowanie awaryjne. „Oprogramowanie Simcenter Amesim umożliwiło firmie New Holland szybkie zidentyfikowanie różnych prędkości przenoszenia obciążenia i momentu obrotowego” – mówi Frederic Lagors, dyrektor ds. technicznych firmy Fluidesign. „Na podstawie tych danych przeprowadziliśmy modelowanie i symulację pojazdów, integrując różne nowe zawory, dostosowując rozkład momentu obrotowego i obciążeń oraz optymalizując działanie układu hamulcowego”.

Zastosowanie oprogramowania Simcenter Amesim umożliwiło firmie Fluidesign zweryfikowanie decyzji architektonicznych i przemysłowe wdrożenie zaworu hydraulicznego obwodu hydrostatycznego. Dzięki wirtualnej analizie firma New Holland była w stanie określić idealny zestaw parametrów, aby zoptymalizować proces hamowania. Zaprojektowała ponadto specjalny zawór wspomagający hamowanie, który można umieścić w obwodzie hydraulicznym w miejscu zapewniającym efektywną optymalizację hamowania awaryjnego. Ten hydrauliczny zawór sterujący przepływem jest uruchamiany za pomocą jednostki sterującej wyłącznie w sytuacji awaryjnej.

Uzyskanie wglądu w najefektywniejsze rozwiązania

„Narzędzie do animacji 3D w oprogramowaniu Simcenter Amesim umożliwiło wizualizację wyników w sposób zbliżony do działania prawdziwej maszyny oraz maksymalizujący wykorzystanie zaawansowanych narzędzi analitycznych” – mówi Lagors. „Dzięki temu wyniki stanowią doskonałe uzupełnienie wykresów i schematów oraz źródło łatwo dostępnych, konkretnych informacji. Następnie można szybko przeprowadzić wirtualne testy różnych konfiguracji produktów, aby wybrać najbardziej obiecujące z nich do dalszych analiz”.

Zastosowanie oprogramowania Simcenter Amesim umożliwiło firmie Fluidesign lepsze zrozumienie fizyki całego podwozia kombajnu do zbioru winogron oraz zidentyfikowanie najważniejszych części obwodu hydraulicznego wpływających na hamowanie awaryjne. Inżynierowie byli w stanie szczegółowo i precyzyjnie obserwować różne zjawiska hydrauliczne, takie jak przepływ, ciśnienie i czas reakcji, których pomiar bezpośrednio w maszynie jest zazwyczaj utrudniony. Ich określenie ułatwia jednak projektowanie optymalnych rozwiązań. „Wymagane rozwiązanie jest w większości przypadków proste pod względem technicznym” – mówi Moulin. „Gdy nie jest proste, oprogramowanie umożliwia inżynierom zidentyfikowanie przyczyn problemu. W tym właśnie oprogramowanie Simcenter Amesim sprawdza się najlepiej: umożliwia inżynierom skoncentrowanie się na wykorzystaniu swojej wiedzy, a nie na obsłudze narzędzi”.

W rezultacie można było przeprowadzić wirtualną ocenę najgorszych scenariuszy i ekstremalnych sytuacji, co nie miałoby miejsca w przypadku testów w rzeczywistych warunkach. Jest to istotny postęp w dziedzinie optymalizacji bezpieczeństwa. „Zastosowanie oprogramowania Simcenter Amesim okazało się prawdziwym atutem i pozwoliło firmie New Holland zaoszczędzić kilka miesięcy badań inżynieryjnych podczas prac nad optymalizacją bezpieczeństwa” – mówi Lagors.

Aby wykryć pierwotną przyczynę problemów lub analizować rozwiązania inżynieryjne, plantatorzy winogron zwykle stosują bardziej tradycyjną metodę polegającą na wykonywaniu rzeczywistych pomiarów w polu. Może to być jednak kosztowne pod względem wydatków ponoszonych na transport, wynagrodzenie dla inżynierów i materiały testowe, a w dodatku wyniki takich pomiarów są niepewne. Będąca pionierem w wykorzystaniu symulacji układów mechatronicznych firma New Holland zdecydowała się zainwestować w wiedzę inżynierów firmy Fluidesign w dziedzinie komponentów i oprogramowania, aby usprawnić proces rozwoju.

Udało się obniżyć całkowite koszty projektu o 25% oraz – co ważniejsze – opracować odpowiednie rozwiązanie. Wyposażenie kombajnów do zbioru winogron w najbezpieczniejszą technologię hamowania awaryjnego pomaga firmie New Holland osiągnąć pozycję lidera technicznego na rynku. Misją New Holland zawsze było dostarczanie klientom prostych, lecz wydajnych maszyn, a dzięki współpracy z firmą Fluidesign i Siemens Digital Industries Software byli w stanie znaleźć inteligentniejsze, lepsze i szybsze sposoby na zwiększanie dostępności i łatwości użytkowania rozwiązań technologicznych.