Modeling and analysis of electro-hydrostatic system using asymmetrical cylinder for industrial and mobile machinery

Abstract

As máquinas de construção e agrícolas possuem um papel importante na indústria moderna. Entretanto, com o aumento dos preços de combustíveis fósseis e da exigência de órgãos governamentais em relação à emissão de gases poluentes, fabricantes e instituições de pesquisa buscam soluções para tornar essas máquinas mais eficientes e menos poluentes. Os sistemas hidráulicos são responsáveis por exercer a força de trabalho das máquinas, por serem sistemas robustos e terem uma grande relação potência/peso. Porém, suas arquiteturas convencionais resultam em uma baixa eficiência energética. Os sistemas convencionais, em sua maioria, são caracterizados pela utilização de válvulas para controle direcional, de vazão e de pressão e sua energia provém do motor de combustão do veículo através de um circuito central. Neste cenário, a utilização de sistemas hidrostáticos, no qual as válvulas são removidas, torna-se uma solução interessante para eliminar perdas de energia por estrangulamento de fluido, mas ainda há a dependência do motor de combustão interna. Um conceito aplicado na indústria de aeronaves, chamado atuador eletro-hidrostático (EHA), tem chamado a atenção por suas características, tais como sendo um sistema compacto, robusto e independente. Nesta solução, cada atuador é acionado por seu próprio sistema e não por um sistema central. Além disso, esta configuração é acionada por um motor elétrico, resultando numa menor emissão de poluentes. Sendo assim, o trabalho desta dissertação está focado na análise do comportamento e eficiência energética de um sistema eletro-hidrostático aplicado em um cilindro assimétrico para elevação de carga. Com o auxílio de MATLAB/Simulink® e uma bancada de testes, foi desenvolvido um modelo matemático adequado para representar o comportamento dinâmico do sistema. Por meio de simulação, foi analisada a eficiência energética durante um ciclo de operação e discutidas possíveis alternativas para viabilizar a utilização do sistema em máquinas reais.

Abstract: Construction and agricultural machinery play an important role in the modern industry. However, with the increasing of fossil fuel costs and the government's requirements to reduce gas emissions, manufacturers and research institutions are looking for alternatives to make the machines more efficient and less polluting. The hydraulic systems are responsible for transmitting and supplying the energy required by the machine to do its tasks, due to its robustness and the high power density. Still, conventional systems result in low energy efficiency. The conventional systems are characterized by the usage of valves to control the flow direction and the power is provided by an internal combustion engine through a central circuit. In this scenario, the implementation of the hydrostatic system, in which valves are removed, turn in a solution eliminating energy losses by throttling action, but not the combustion engine dependency. A concept applied in the aircraft industry, known as electro-hydrostatic actuator (EHA), got attention for its features, such as robust, compact and independent. In this solution, each actuator is driven by its own system and not sharing a central one. Moreover, this configuration is driven by an electric motor, resulting in fewer emissions. In this manner, this work is focused on the analysis for the behavior and energy efficiency of an electro-hydrostatic system applied in an asymmetrical cylinder to lift the load. With the assistance of MATLAB/Simulink® and a test bench, a mathematical model was developed to represent the dynamic behavior of the system. Through simulation, the energy efficiency was analyzed during an operation cycle and its advantages and disadvantages pointed out, as well as possible alternatives to make feasible the implementation of the system.