Lastkännande hydraulik Spirit 600

Ted Johansson

Fluida och mekatroniska system

Examensarbete

Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling

LIU-IEI-TEK-A--10/00986--SE

Sammanfattning

Detta examensarbete är gjort för Väderstadverken AB i syfte att utreda om det är möjligt och

vilka effekter det får att implementera lastkännande(Ls) hydraulik på såmaskinen Spirit 600.

För att kunna avgöra om Ls-hydraulik är lämpligt till såmaskinen har en prototyp byggts och

testats med två traktorer. Testerna baseras även på mätdata för att kunna utvärdera hur

hydrauliken beter sig. Av gjorda tester har det fastställts att Ls-hydraulik är en bra metod för

att förbättra och förenkla hydraulsystemet.

Då hydraulblocket till prototypen ej är lämplig för serieproduktion ur kostnads synpunkt har

även två alternativa hydraulsystem tagits fram. Förslagen är baserade på användning av

patronventiler. Fördelar med att bygga systemet med patronventiler är att dessa är billigare än

slidventiler som används till prototypen och man kan göra unika block.

Efter jämförelse med det befintliga hydraulsystemet kan man påvisa att användande av Ls-

hydraulik kan bli billigare i konceptnivå.

Förord

Denna rapport redogör för mitt examensarbete på Linköpings Tekniska Högskola,

Instutitionen IEI , Fluida och mekatroniska system. Rapporten motsvarar 30 högskolepoäng

och arbetet ägde rum mellan augusti 2010 och januari 2011. Arbetet innefattar fördjupning

inom hydralik, mobila hydraulsystem. Specifikt har speciellt lastkännande hydraulik utretts.

Själva arbetet har utförts för Väderstadverken AB i Väderstad.

Handledare för detta arbete på Väderstadverken AB är Daniel Gunnarsson och Per Sjöström.

Examinator och handledare på Linköpings universitet är Karl-Erik Rydberg.

Varmt tack

Till alla som bidragit till genomförandet av detta examensarbete. Speciellt tack till mina

handledare och till Jörgen Ahlstrand . Slutligen ett stort tack till Väderstadverken AB för

möjligheten att få göra detta roliga och intressanta examensarbete.

Innehållsförteckning

VÄDERSTADVERKEN AB ........................................................................................................................... 2

1 INLEDNING ................................................................................................................................................ 3

1.1 MÅLSÄTTNING ........................................................................................................................................ 3 1.2 AVGRÄNSNINGAR .................................................................................................................................... 3 1.3 METOD ................................................................................................................................................... 4 1.4 PROBLEMDEFINITION ............................................................................................................................... 5

1.4.1 Kravspecifikation Spirit(prototyp) ................................................................................................... 6 1.4.2 Tester av prototyp ........................................................................................................................... 7

2 TEORETISKA FAKTA ............................................................................................................................... 8

2.1 ALLMÄNT OM SPIRIT ............................................................................................................................... 8 2.2 BESKRIVNING AV HYDRAULSCHEMA FÖR SPIRIT 600. ................................................................................ 9

2.2.1 Beskrivning av befintlig hydraulik(bild 1) ...................................................................................... 10 2.2.2 Beskrivning av komponenter och funktioner ................................................................................... 11

2.3 LS HYDRAULIK ..................................................................................................................................... 12 2.4 LS HYDRAULIK SPIRIT 600 ..................................................................................................................... 13 2.5 STYRNING ............................................................................................................................................. 14 2.6 SÄKERHET ............................................................................................................................................ 15

2.6.1 Over-center ventil (lasthållningsventil) .......................................................................................... 15 2.6.2 Slangbrottsventil ........................................................................................................................... 16

2.7 HYDRAULBLOCK TILL PROTOTYP ........................................................................................................... 17 2.7.1 Hydraulschema ls-block ................................................................................................................ 18

2.8 SPECIFIKA KRAV PÅ HYDRAULPRESTANDA.............................................................................................. 21 2.8.1 Tryckkompensering ....................................................................................................................... 22 2.8.2 Justering av Såbilltryck och Vingtryck ........................................................................................... 23 2.8.3 Beräkning av tryck vid chocklast av vinge ...................................................................................... 25

3 RESULTAT ............................................................................................................................................... 31

3.1 HYDRAULSCHEMA TILL PROTOTYP ......................................................................................................... 31 3.1.1 Koppling prototyp ......................................................................................................................... 32 3.1.2 Utrustning till prototyp .................................................................................................................. 32 3.1.3 Infästning ventilblock för prototyp ................................................................................................. 33

3.2 FÖRENKLAD SPECIFIKATION PÅ PROGRAMVARA ...................................................................................... 34 3.3 SIMULERING.......................................................................................................................................... 37

3.3.1 Simulering fläkt ............................................................................................................................. 37 3.3.2 Resultat för simulering av fläkt ...................................................................................................... 40 3.3.3 Simulering av tryckåterkoppling för såbillar .................................................................................. 41 3.3.4 Resultat tryckåterkoppling ............................................................................................................. 41

3.4 RESULTAT FRÅN TESTER AV PROTOTYP .................................................................................................. 43 3.4.1 Test av fläkt ................................................................................................................................... 43 3.4.2 Tester av funktioner på Spirit......................................................................................................... 45

3.5 VAL AV VENTILTYP/SYSTEMTYP TILL NY HYDRAULIK ............................................................................. 49 3.5.1 Förslag ventilmoduler ................................................................................................................... 50 3.5.2 Förklaring ventilmoduler............................................................................................................... 51 3.5.3 Hydraulsysytem 1 .......................................................................................................................... 53 3.5.4 Hydraulsystem 2............................................................................................................................ 55 3.5.5 Övriga detaljer hydraulsystem ....................................................................................................... 56 3.5.6 Jämförelse nya hydraulsystem ....................................................................................................... 57

4 SLUTSATS................................................................................................................................................. 58

4.1 FELKÄLLOR OCH PÅVISNINGAR .............................................................................................................. 59 4.2 FORTSATT ARBETE ................................................................................................................................ 60

5 KÄLLOR ................................................................................................................................................... 61

6 BILAGOR .................................................................................................................................................. 62

BILAGA 1. MÄTNINGAR PÅ PROTOTYP MED FENDT 415 ................................................................................. 62 BILAGA 2. SIMULERINGSMODELL ................................................................................................................ 65 BILAGA 3. TIDPLAN .................................................................................................................................... 66 BILAGA 4. KOMPONENTLISTA FÖR PROTOTYP ............................................................................................... 67 BILAGA 5. UTDRAG UR MANUAL(SÅBILLSTRYCK) ........................................................................................ 70 BILAGA 6. UTDRAG UR MANUAL(VIKTÖVERFÖRING) .................................................................................... 71 BILAGA 7. UTDRAG UR MANUAL(INFÄLLNING) BILAGA 8. BILDER PÅ PROTOTYP ........................................... 72 BILAGA 8. BILDER PÅ PROTOTYP ................................................................................................................. 73 BILAGA 9. SAMTLIGA VENTILER .................................................................................................................. 75

2

Väderstadverken AB Väderstad-Verken startade 1962 då Rune Stark började tillverka jord-sladdar hemma på sin

gård i Väderstad åt de östgötska bönderna. Före Rune Starks sladd användes träsladd men

dessa slets ner så snabbt att Rune gjorde en i stål och detta var början till Väderstad-Verken

AB.

Efter detta har uvecklingen och produktsortimentet bara ökat och idag görs såmaskiner,

ringvältar, kultivatorer, harvar mm. Ett inköp i det kanadensiska bolaget Seedhawk har

medfört ett stort kunnande inom direktsådd.

3

1 Inledning Detta examensarbete är ett maskintekniskt arbete på 30 Högskolepoäng som görs för

Väderstad-Verken AB räkning.

Ett ls-system (lastkännande) skall tas fram till såmaskinen Spirit. Meningen är också att en

prototyp ska bli klar för testning vid slutskedet

Dagens såmaskin Spirit styrs via traktorns riktningsventiler och en kontrollbox, behov av en

enklare installering och användning för operatören är nödvändig.

Genom att använda Ls är förhoppningen att det skall bli enklare att använda maskinen och i

framtiden också förenkla hydraulsystemet och reducera dess kostnader.

Områden att undersöka med en ny lösning på hydraulförsörjning är:

-Fördelar och nackdelar vad gäller användning med eller utan Ls.

- Kombinationer med Ls och övriga lösningar bör också undersökas

-Kostnader av det nya systemet kontra existerande skall även redovisas.

- Vid användning av flera funktioner samtidigt, kommer de påverka varandra?

-Säkerhetsaspekter bör även behandlas då autonoma rörelser av stora laster kan vara farligt

för omgivningen.

1.1 Målsättning

Målet med detta arbete är alltså att kunna ge ett förslag till Väderstad-Verken AB på hur Ls-

systemet skall se ut. Förslaget skall bestå av hydraulschema och beskrivning av ingående

komponenter och systemets funktion, även ett kostnadskalkyl skall redovisas

1.2 Avgränsningar

Prototypen som har använts är en såmaskin Spirit 600 med full utrustning, alltså crossboard

och system disc är monterade. Till prototypen finns ett färdigt ls-block med 7 uttag och

diverse funktioner som kan nyttjas. Befintliga hydraulcylindrar, sensorer, ackumulatortank

och fläktmotor skall användas

4

1.3 Metod

Några dagars praktik utfördes i produktionen av en Spirit 600. I produktionen följdes främst

monteringen av Spirit. Praktiken bidrog stort till en bra inblick över hur maskinen är

uppbyggd men gav främst en bra förståelse över montering och funktion av befintlig

hydraulik.

Efter praktiken gjordes en gemensam specifikation över vad som skall ingå i arbetet och en

tidplan(se bilaga 3) över hur arbetet skall fördelas över tidsperioden.

Själva arbetet inleddes med att analysera och förstå det nuvarande hydraulsystemets funktion

samt även vad som kan förbättras och eventuellt förändras.

Nästa steg i processen blev att analysera prototyp blocket som beställts till detta

examensarbete. Efter att bestämt vilka funktioner som skall nyttjas från blocket gjordes ett

hydraulschema(se bild 11) över hur det nya hydraulsystemet skall kopplas.

Förslag till nytt hydraulsystem gjordes i samråd med Jörgen Ahlstrand från PMC

HYDRAULICS AB vilka också tagit fram prototyp blocket.

För att kunna styra maskinen krävdes en ny programvara, jag gjorde programspecifikationen

efter önskemål och själva programmeringen gjordes av Jörgensen industrielektronik AB.

Den sista etappen i arbetet blev att implementera det nya hydraulsystemet på en Spirit 600

och testa och finjustera den nya programvaran.

5

1.4 Problemdefinition

Frågeställningarna nedan gäller för arbetet i stort. En mer detaljerad specifikation för

prototypen redovisas under avsnitt kravspecifiktion Spirit(prototyp).

Vad kan man göra med Ls-hydraulik och varför ska man använda det?

Vilken maskin och utrustning ska systemet gälla för?

Hur skall systemet se ut?

-Vilka avgränsningar skall antagas?

-Finns det några speciella krav för vissa funktioner vad gäller prestanda och säkerhet?

-Finns det funktioner som skall nyttjas samtidigt och hur påverkar detta maskinen?

-Skall vissa funktioner ske automatiskt?

-Vilka funktioner kan ersättas med Ls-blocket?

-Kan man reducera antalet komponenter ?

-Ska man använda en hybrid, alltså en kombination av Ls och traktorns riktningsventiler, är

det möjligt överhuvudtaget?

-Vad måste traktorn vara utrustad med, finns det någon skillnad på traktorernas prestanda vad

gäller hydrauliken?

-Vad behövs för att bygga en prototyp?

-Kan det bli lättare att montera detta system?

Fördelar nytt system

-Blir systemet mer driftsäkert?

-Är det lättare att använda?

-Besvarar det kundernas önskemål?

-Kommer det bli billigare?

-Förslår kundattraktionen det nya priset?

6

1.4.1 Kravspecifikation Spirit(prototyp)

Maskinen skall ha samma funktion som innan. Kraven på funktionerna är:

Fläktmotorn skall hålla ett bestämt varvtal men skall också kunna regleras efter utsäde och

traktor, kontroll kommer att göras med befintlig varvtalsmätare av induktiv modell.

Vingarna skall inte gå att fälla upp om inte såbillar och system disc befinner sig i rätt läge.

För kontroll av position kommer befintliga linjärgivare att användas.

Trycket i vikcylindern skall kunna justeras och bibehållas, befintlig lösning med

ackumulatortank kommer att användas.

System disc, såbillar, vingar och crossboard skall kunna manövreras separat.

Såbillarna, marktrycket skall vara justerbart vilket regleras med hydrauliken.

Positionering av system disc skall göras automatiskt under arbetet alltså ett ”minne” ska

finnas för önskad position.

Vid låglyft av maskinen alltså när man ska vända så ska lyftet av system disc och såbillar

göras med en funktion(en knapp) och till ett önskat läge(förinställt).

Markörerna ska kunna manövreras separat detta pågrund av eventuella hinder. Vid vändning

under låglyftet skall markörerna dras in automatiskt och vid sänkning till arbete skall de gå ut

igen.

Hopfällning/utfällning av maskin ska helst göras automatiskt, en knapp skall användas, dock

får inte en farlig situation uppstå . Funktionen skall vara enligt: först ska såbillarna och system

disc positioneras till rätt läge, därefter ska vingarna fällas ihop/ut.

System disc, såbillar, och fällcylindern får heller inte ändra position under arbetet alltså

läckage i ventiler och dylikt får inte ske.

7

1.4.2 Tester av prototyp

Nedan representeras de tester som bör göras på prototypmaskinen. Testerna ska göras med en

tillkopplad traktor som kan anses vara av normal storlek. Normala driftfall ska efterliknas i

möjligaste mån.

De nedanstående mätfallen anses vara tillräckliga för att kunna göra en bra utvärdering av Ls-

hydraulik på Spirit 600.

Ventilblock:

Tryck på inloppssidan och returen.

Fläkt:

Mäta mottryck på dränering för hydraulmotor. Om mottrycket i dräneringsslangen är över 10

Bar så finns det risk för att axeltätning i motor förstörs.

Kontrollera fläktens varvtal vid körning mellan transportläge, låglyft och arbetsläge.

Såbillar:

-Kontrollera Billtrycket under arbete och vid manövrering av crossboard och system disc.

-Hur mycket kommer billtrycket variera från önskat tryck?

-Vad är lägsta tryck som kan fås på billtrycket?

-Hur kommer billtrycket variera under normal körning?

-Hur förändras billarnas position under körning?

-Vad händer vid chocklaster?

-Hur lång tid tar det att sänka billtrycket?

Vingar

Hur varierar trycket i vingcylindern?

Crossboard

Hur påverkas Ls hydrauliken då traktorns riktningsventil används samtidigt?

8

2 Teoretiska fakta

2.1 Allmänt om Spirit

Spirit är en av Väderstadverkens modell på direktsåmaskin, denna modell är den som är bland

de mest sofistikerade. Såmaskinen är gjord för jordar som kräver dubbel återpackning och

resultatet av detta blir en jämn såbädd. Den dubbla återpackningen kommer av att det sitter

bärhjul framför billarna och återpackarhjul bakom.

Bärhjulen framför såbillarna är förskjutna i offset-läge, detta medför att maskinen får en jämn

gång och därmed håller såbillarna djupet på alla jordar.

Återpackningshjulen gör också att kärnor och frön får en direkt kontakt med jorden vilket gör

att en snabb och felfri etablering fås.

Spirit maskinen kan anpassas efter olika förhållanden med tre olika förredskap:

Crossboard Heavy

System Disc Aggressive

System Disc Aggressive Crossboard Light

Crossboard Heavy är bra att använda om man plöjt jorden innan. Crossboard-plankan hyvlar

och jämnar ut plogtiltorna.

System Disc Aggressive är lämplig att använda när åkern bearbetas med kultivator. Redskapet

har två rader med tandade och koniska tallrikar vilka gör att skörderester blandas grundligt

med jord i matjordens översta skikt.

System Disc Aggressive Crossboard Light är bra för lantbrukare med varierande

jordbearbetning, alltså med plöjd åker eller bara kultiverad.

9

2.2 Beskrivning av hydraulschema för Spirit 600.

Bild 1, är det befintliga hydraulschemat

10

2.2.1 Beskrivning av befintlig hydraulik(bild 1)

Manövrering av såaggregat:

För att lyfta såaggregatet så skall ledning tre trycksättas och ledning 4 blir retur. Lyftstopp F

skall vara i öppet läge och det hydrauliska låset H öppnas av trycket i ledning tre.

Vid sänkning av aggregatet skall slang 4 trycksättas och slang 3 blir retur. Hydrauliska låset O

öppnas av trycket i slang 4. Lyftstoppet F måste även var öppet. Variabla Strypningen N

används för att begränsa hastigheten vid sänkrörelsen, detta för att skydda aggregatet. Blocket

G är en variabel tryck och flödesoberoende trycksänkare vilket ger ett önskat statiskt tryck i

cylindrarna vid kontakt med jorden.

Manövrering av vingar:

För att fälla vingarna trycksätts ledning 5 och ledning 6 fungerar som retur. On-off-ventilen

(sänk och höjstopp) L förses i öppet läge och hydrauliska låset M öppnas av trycket i ledning

5. Den hydrauliska ackumulatorn A14 upprätthåller och ger det önskade trycket i

vingcylindern vid drift. Mekaniska on-off ventilen R används för att justera trycket i

ackumulatorn

Hopvikning av vingar görs med tryck i ledning 6 och on-off ventilen skall vara i öppet läge.

On-off ventilen L öppnar bara om såbillar och system disc befinner sig i rätt position, detta

för att kollision kan ske. On-off ventilen L kan också manövreras manuellt, detta för att

bonden alltid ska kunna komma hem från åkern.

Manövrering av Crossboard:

Justering av vinkeln för crossboard ändras genom att skifta omkastarventilen V18 och därmed

ansluts crossboarden till traktorns riktningsventil. Genom att trycksätta ledning 6 höjs den och

sänkning sker vid trycksättning av ledning 5.

Fläkt

Fläkten drivs med tryck i ledning 7, dränering av motor sker via slang 8 och ledning 9 är

utloppet från motor och skall kopplas till fri retur. hydraulblocket T är gjort så att oljan från

dräneringen kan välja väg till antingen traktorns riktningsventil eller till den fria returen.

11

Manövrering av Spirit i arbetsläge(arbete på fält med vingar utfällda):

I detta läge sker manövreringen av system disc , såbillar och markörerna med ledning tre och

fyra.

Höjning av såbillar sker med tryck i ledning tre och retur i ledning 4. Hydrauliska låset H

öppnas av trycket i ledning 3. Höjningen stängs av med on-off ventilen F när redskapet har

nått rätt position. System disc går också på samma ledning förutsatt att on-off ventil C är

öppen, vilken också bestämmer stänger av när redskapet nått rätt läge. Hydraullåset i block tre

öppnas av trycket i ledning tre. Markörerna hänger också ihop med ledning 3 och åker alltid

in när den är trycksatt.

Sänkning sker med tryck i ledning 4 och retur i ledning tre. Hydrauliska låset O öppnas av

tryck i ledning 4 och såbillar sänks. På samma sätt öppnas hydraullåsen B4, P och system

disc sänks. Önskad markör skjuts ut genom att öppna någon av on-off ventilerna A,B och D.

2.2.2 Beskrivning av komponenter och funktioner

Hydrauliska lås:

Används då man vill säkerställa att oljan står stilla, bra att använda då tätheten hos en

slidventil inte är tillräcklig. I Spirits fall vill man säkerställa att inte system disc och såbillar

sjunker(under transport) eller lyfts upp(under arbete), för vingarna används låset för att

bibehålla marktrycket.

Låsen består av styrd backventil som går att öppna trots att den befinner sig i spärrläge. En

sådan här ventil har en extra kolv som trycksätts med hjälp av ett yttre tryck. Vid icke

aktiverad manöverkolv tätar kulan invändigt i huvudkolven. När manöverkolven aktiveras

pressar den undan kulan från sitt säte, när detta görs sänks trycket bakom huvudkolven och

manöverkolven kan med ett relativt lågt styrtryck förskjuta huvudkolven.

Backventil med strypning(N):

Om man vill ha fri strömning i ena riktningen genom en ledning men strypt i den andra kan

dessa användas. På Spirit finns en sån här backventil med variabel strypning som används till

såbillar, detta för att kunna reglera hastigheten vid sänkrörelse.

Reglerventil (G):

Detta block är en variabel tryckbegränsar med backventil. Den fungerar så att när såbillar

sänks så stängs ventilen för det inställda trycket och vid lyftrörelse så går oljan genom

backventilen.

12

2.3 Ls Hydraulik

Ls står för load-sensing och på svenska innebär det lastkännande. Principen är att styra en

variabel hydraulpump så att levererat flöde motsvarar behovet(lasten). Ls hydrauliken är mest

gynnsam att använda när man har ett system med olika laster, flera laster med liknande

förhållanden och om hydrauliken används sporadiskt. Genom att pumpen är variabel så

anpassar den sig till om det är en tung eller lätt last men det är alltid den tyngsta lasten som

bestämmer systemtrycket. Största förlusten med Ls är när systemet belastas med en last som

kräver högt tryck men lågt flöde och en last som kräver lågt tryck men stort flöde(se bild 3).

Minst förluster uppnås när man har en single last(se bild 2) vilken pumpen enkelt justerar sig

efter eller om man har flera liknande. I bild 2, 3 och 4 illustreras effekten för olika driftfall,

effekt är produkten mellan tryck och flöde. I figurerna illustreras den effekt som är ren förlust

med röd färg och utnyttjad effekt är grön/blå.

Ett jämförbart system är ett konstanttryckssystem bestående av en fast pump med en

shuntventil. Pumpen levererar ett konstant flöde och ventilen, tryckbegränsaren håller ett

förinställt tryck, alltså överflödig olja går direkt till tank. Ett konstanttrycksystem med fast

pump anpassat för körning med flera laster får väldigt stora förluster om man kör single laster

(se bild 4). Genom att titta på figurerna syns att stora förluster kan reduceras med ls-

hydraulik. Det kan givetvis uppstå situationer då detta system har förluster men med ett

förbrukar system bestående av flera funktioner som används sporadiskt är Ls-hydrauliken

överlägsen.

Bild 2 [3] Bild 3 [ 3]

Bild 4 illustrerar förluster med ett konsttrycksystem som stundtals används till en last. [3]

13

2.4 Ls hydraulik Spirit 600 Önskemålen för framtidens Spirit är att underlätta handhavandet och uppnå en säker drift.

Dagens maskin kan inte justera trycket i såbillarna eller för vingarna under drift se utdrag ur

manual(se bilaga 6). För att justera billarnas tryck kan trycket släppas från traktorn men för att

höja måste föraren gå ut och skruva på tryckreduceringsventilen. För att justera vingtrycket se

uttdrag ur manual(se bilaga 7). Med detta system blir det krångligt att ändra sina inställningar

då t.ex jorden ändras, föraren vill kunna finjustera sin maskin under drift eller byta utsäde

snabbt. Ytterligare vill man förbättra följsamheten för billtryck och för viktöverföringen av

vingar. Med dagens maskin följs inte marken optimalt av såbillar och vingar, trycket i

systemen följer inte markens ändring. Vid körning över hinder, svackor, nivåskifte så ökar

trycket kraftigt eller reduceras kraftigt. Det finns också stora risker för maskinskador i

samband med hinder.

Fläkten som förser frö-utmatningen med en luftström vill man också kunna justera och

säkerställa att varvtalet hålls. Med dagens system så påverkas flödet till fläkten då samkörning

görs med andra funktioner, tryckfallet över ventilen ändras och därmed tryck/flödes

karakteristiken.

Ett annat önskemål är att slippa den krångliga proceduren för att fälla ihop och ut maskinen(se

bilaga8) och för att istället ha en automatisk hop/ut fällning.

För att kunna möta dessa krav måste man ha ett hydraulblock med en konstanttryckkälla eller

aktiv hydraulkälla(Ls). Hydraulblocket ska göras så att man kan fördela ut oljan till önskad

förbrukare med önskade egenskaper. Genom att ha en aktiv hydraulkälla kan man använda sig

av automatiska funktioner och det ger förutsättningarna att kunna hålla och justera tryck. Med

kompensering för ventilerna kan man hålla en tryck/flödeskarakteristik oberoende av

samkörning med flera funktioner. Ändringar av position, tryck, och flöde kan enkelt göras

från manöverpanelen eller en joystick utan att behöva dra i spakar och dylikt.

Alternativen för att möta önskemålen är att använda traktorns dubbelverkande uttag för att

förse ett block med olja. Detta skulle dock bli ett konstantrycksystem där överflödig olja

shuntas tillbaka till tank, ledningen är ej dimensionerad för så stora flöden och responsen från

traktorns pump är ej snabb.

Traktorns Ls-uttag ska användas, stora flöden kan tas ut och Ls-ledningen är direkt verkande

mot pump och därmed fås en snabb respons vid laständringar.

14

2.5 Styrning

Can

Can står för controller area network, systemet fungerar så att kommunikation sker mellan

mikroprocessorbaserade moduler. Detta system är vad Väderstadverken AB använder för att

styra sina maskiner.

Alla enheter på en databus talar och förstår samma elektroniska språk. Kommunikationen sker

genom två tvinnade ledningar(twisted pair), coaxial eller fiberoptiska kablar. De

elektronikenheter som är anslutna till Canbus kallas noder. Varje nod har sitt unika ID-

nummer i systemet. I Väderstadverkens system kallas dessa noder för workstations

Vid sändning och mottagning av signaler skickas meddelandena inte till unik adressat utan

alla noder får informationen. Noderna känner dock igen sina egna budskap och reagerar på

det, vilket ger stor flexibilitet när flera noder ansluts.

I Väderstads Canbus system används en master i form av en så kallad

controlstation(kontrollbox).

PWM

För att kunna styra olika ventiler krävs olika signaler. On-off ventiler kräver endast matning

med likström. Proportionalventiler kräver PWM(Pulse width modulation) signal.

PWM är en pulsbredd modifierad signal som har utseendet av en fyrkantsvåg(se bild 5) med

justerbar pulsbredd. Denna signal gör att man kan skicka en signal som gör att man får en

kontinuerligt justerbar effektmatning vilket behövs till en proportionalventil. Styrningen av

pulsen görs med två parametrar, cykeltid och tillslagstid. Cykeltiden är konstant och väljs av

användaren och den ska vara kort i förhållande till ventilens tidskonstanter. Styrsystemet ska

bestämma tillslagstiden, alltså hur länge solenoiden ska vara tillslagen under varje cykel.

Exempel: Om styrsignalen har en viss procent av maxeffekt så ska solenoiden vara tillslagen

samma procent av cykeltiden.

Bild 5 visar ett exempel på hur pwm-signalen kan se ut [4]

15

2.6 Säkerhet

För att kunna garantera säkerhet vid slangbrott för vingarna finns alternativ lasthållningsventil

och slangbrottsventil.

2.6.1 Over-center ventil (lasthållningsventil)

Denna ventil är från början gjord för laster som går över ”center” alltså man går från att trycka

på lasten till att hålla den. I vanliga fall används den inom mobilindustrin för att säkerställa

position av cylindrar vid slangbrott. Vanliga tillämpningar är t.ex. skylift,grävmaskiner och

kranar. Funktionen är sådan att man ventilen öppnar bara om det finns ett styrtryck(se bild 6).

Bild 6 visar principen för uppbyggnaden av en lasthållningsventil. [3]

I denna figur syns tydligt att vid sänkande rörelse måste man ha ett tryck på ”minussidan” för

att ventilen ska öppna. Skillnaden på areorna A1 och A2 gör att ventilen ej rör sig med bara

tryck på A1, givetvis måste fjädern anpassas. För lyftrörelsen går oljan obehindrat genom

backventilen.

Problem med Over-center ventil:

När man använder sig av en tryckkompenserad manöverventil för att styra en over-center

ventil kan sänkrörelsen bli svängig. Tryckkompenseringen medför att ett konstantflöde tillförs

cylindern och styrtryck. Vid starten av sänkrörelsen kan styrtrycket sjunka så mycket att over-

center ventilen stängs, rörelsen bromsas upp och trycket ökar igen. Detta kan bli en cykel och

rörelsen blir ”svängig”. Svängning kan elimineras med en strypning.

Att använda en over-center ventil istället för en slangbrottsventil har fördelen att man

fortfarande kan manövrera maskinen vid slangbrott. För att manövrera med en slangbrotts

ventil måste en ny slang kopplas på.

16

2.6.2 Slangbrottsventil

En alternativ lösning till lasthållningsventilen är slangbrottsventil. Ventilen är betydligt

billigare men kan ej justeras som en lasthållningsventil. Ventilens funktion är sådan att man

anpassar den för ett maxflöde som används i systemet. Vid ett slangbrott så ökar flödet

momentant och överstiger det inställda maxflödet vilket gör att ventilen stänger.

Utformningen är sådan att flödet går över en fjäderspänd kägla. Över denna kägla sker ett

tryckfall som är proportionell mot flödet. När tryckdifferensen blir tillräckligt stor över käglan

så övervinner kraften på käglan fjäderns inspända kraft och ventilen stänger distinkt. Se bild 7

Bild 7 visar en typisk konstruktion av en slangbrottventil. [1]

Slangbrottsventilen som bör användas till vingen är av typ inskruvningsbar, alltså man

skruvar in den i anslutningen på cylindern. För att bestämma storleken på ventilen är

tumregeln att multiplicera det maximala flödet med 1.5. För att bestämma maxflödet måste

hastigheten på cylindern bestämmas.

17

2.7 Hydraulblock till prototyp

Detta hydraulblock är framtaget för att kunna göra en utvärdering av användande av Ls-

hydraulik till Spirit. Beställningen gjordes innan projektets början för att tid skulle finnas att

montera det på maskinen. Blockets komponenter är från början delvis anpassade för de olika

funktionerna på såmaskinen.

Blocket med dess komponenter är gjort av Hawe hydraulik och är beställt av PMC

HYDRAULICS AB.

Riktningsventilerna är av typ slidventiler med ls-funktion

Komponenterna/sektionerna till blocket är:

PSV 41/200-3 (Ingångs-sektion, anslutning av tryck, retur och Ls-ledning )

- ZPL 32 (Övergång från storlek 3 till 2, ingångs-sektion till slidventiler)

- A2 M 40/40/EA/3 (Sektion med slidventil och kompensator)

- A2 H 40/40/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås)

- A2 H 16/16/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås)

- A2 H 40/40/ A150 FP1/EA/2 (Sektion med slidventil, kompensator, tryckbegränsare och

tryckreglering)

- A2 H 25/25/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås)

- A2 H 25/25/EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator och hydrauliskt lås)

- A2 H 25/25/ A120 /EA/2 DRH (Sektion med slidventil, kompensator, tryckbegränsare)

- E4 (Sektion ändplatta)

-G12 (Spänning som solenoiderna skall förses med)

A2 innebär att ventilen har inflödeskontroll.

M,H är modell på riktningsventil(se bild 8).

40/40 anger vilket flöde ventilen är gjord för.

EA innebär att ventilen kan manövreras elektrohydrauliskt och manuellt.

/2 anger vilken storlek blocket har.

DRH medför att ventilen är utrustad med ett hydrauliskt lås.

18

2.7.1 Hydraulschema ls-block

Bild 8 är hydraulschemat för hydraulblocket som används till prototypen

19

PSV 41/200-3 (första sektionen)

PSV står för leverans med olja under tryck, med hjälp av

variabel pump (stängt centrum)

Fyran står för att de tappade portarna P och R har beteckning G 3/4 UNF 44 1 1/16-12 UN-

2B (SAE-12,

type PSV). Alltså tryckledningen har storlek ¾ tum och returledningen har 1 1/16 tum

Ettan betyder att blocket har en integrerad tryckbegränsningsventil för det interna

styrtrycket(pilottrycket).

200 betyder att det finns en justerbar tryckbegränsningsventil för arbetstrycket upp till 200bar.

Trean förtäljer storleken på utgången till de efterföljande ventilerna.

ZPL32

Är en övergång från en sektion med storlek tre till två.

A2 M 40/40/EA/3

Ventilen har en inflödes kontroll(A2) och utseende M(se bilaga), när ventilen är oaktiv blir

utlopp B ansluten till retur. 40/40 innebär att tryck och retursidan klarar ett flöde på 40 l/min.

EA står för att ventilen kan manövreras elektro-hydrauliskt och manuellt. trean innebär att

portarna är på en ½ tum.

A2 H 40/40/EA/2 DRH

Till skillnad från ventilen ovan så har denna ett hydraullås bestående av styrda backventiler

och portarna har 3/8 tum. Utloppen A och B är anslutna till retur vid oaktiv ventil..

A2 H 16/16/EA/2 DRH

Har samma utseende som förgående men är anpassad till ett flöde på 20 l/min.

20

A2 H 40/40/ A150 FP1/EA/2

Denna ventil är anpassad för ett maxflöde på 40 l/min. A150 står för att ventilen har en egen

intern tryckbegränsare på 150 bar för port A. Denna tryckbegränsare/tryckregulator. FP1 är en

elektriskt styrd proportionell cut-off ventil som används i kombination med

tryckkompensatorn för att kunna reglera trycket.

Med denna kombination kan trycket ut justeras mellan 25-150 Bar.

A2 H 25/25/EA/2 DRH

Ventilen har en flödesbegränsning på 25 l/min. Utrustad med hydrauliskt lås

A2 H 25/25/EA/2 DRH

Utrustad med hydrauliskt lås och flödesbegränsning på 25 l/min.

A2 H 25/25/ A120 /EA/2 DRH

Denna ventil är anpassad för ett flöde på 25l/min och har en tryckbegränsare på 120 bar till

port A. Har även ett hydrauliskt lås.

E4-

E4 står för vad för slags ”ändplatta” det är till ventilblocket. E4 innebär att det finns en port T

som är en intern returledning till tank som max får belastas med 10Bar. Det finns även en port

Y som man kan koppla på en extern Ls-signal. Portarna har anslutningstyp G1/8.

G12

Innebär att solenoiderna styrs med 12V likström. Varje ventil har en solenoid vilket innebär

att två PWM signaler behövs för att reglera ventilen proportionerligt åt två håll.

Ls-signal

Varje styrsignal från ventilerna är ihopkopplade med en backventil(vippbräda) vilket gör att

det högsta styrtrycket går till pumpen och därmed anpassas pumpen så att tillräckligt flöde

fås.

21

2.8 Specifika krav på hydraulprestanda

Önskade egenskaper hos ventiler.

För att beräkna önskat flöde till funktionerna har jag antagit en tid på 5sek från hopdragen

cylinder till max utslag. Då det maximala flödet krävs till cylinderns ”plussida” har detta

flöde beräknats. Flödet fås genom ekvationen:

t

sdq

4

2

d =diameter på kolv

s= slaglängd

t= tiden för fullt utslag

System Disc har en cylinder med diameter 95mm och slaglängd 264mm. Med dessa

parametrar blir det önskade flödet 23 l/min

Billaggregatets cylinder har en diameter på 70mm och slaglängd på 264mm. För manövrering

används två cylindrar i mittesektionen för manövrering. Flödet till såaggregatet blir då 2x13

l/min vilket är 26l/min.

Markörens cylinder har diameter 60mm och slaglängd 500mm.

Flödet blir 17 l/min.

Ritsmarkören har diameter 40/20mm och slaglängd 95mm vilket medför att det önskade

flödet blir för rörelse upp 2.5l/min.

Flödet för nedsättning av ritsmarkör blir:

min/95.14

)(2

2

2

1 lt

sddq

Vingcylindern har diametern 110/60mm och slaglängd 1000mm och för att fälla ut på 20sek

krävs det ett flöde på 28 l/min på plussidan. På minussidan blir det ett utflöde på 20 l/min.

Fläktens flöde beräknas med:

vol

mmnDq1

[2]

mD = Deplacement

mn = varvtal på motor

vol = volymetrisk verkningsgrad, antar en låg verkningsgrad på 0.9.

Detta medför att flödet blir 40 l/min med ett önskat maxvarvtal på 4600varv/min.

22

Tryckbegränsningar:

Vingarna ska ha en tryckbegränsare till 120 Bar för att säkerställa att vinglås ej kan brytas

sönder.

Billaggregat bör ha en tryckbegränsare till 150 Bar för att undvika överbelastning. Det ska

också finnas en funktion för att kunna justera och bibehålla trycket.

2.8.1 Tryckkompensering

Alla ventiler är tryckkompenserade, detta innebär att man har ett konstant tryckfall över

ventilerna oavsett last och flöde. Detta gör det enkelt att manövrera ventilen då flödet endast

kommer att bero på styrsignalen. Det finns två olika kompenseringar antingen efter eller före

ventilen, alltså vart tryckkompensatorn placeras (se bild 9).

Bild 9 visar illustrativt före och efter kompensering för ventilen(strypning i bild). [5]

Till de utvalda ventilerna, sitter kompenseringen före ventilen. Efter-kompensering är mer

komplex i blocket och därmed dyrare. Användning av För-kompensering medför att ett

konstant tryckfall över ventilen fås. Vid de tillfällen då pumpen ej är tillräcklig eller

flödesmättnad uppstår( flera funktioner används samtidigt) så kan den tyngsta lasten stanna.

Se förklaring med ekvation:

pk är förinställt tryck(fjäder).

2pppk L

Lpppk 2

Detta medför att:

[2]

Alltså tryckfallet över ventilen är konstant och flödet bestäms av utslaget på ventilen.

Men om kL ppp 1 så kommer kompensatorn ställa sig max öppen och flödet kommer att

minska proportionellt mot Lpp1 , 1p = pumptryck. Detta gör då att tyngsta lasten stannar.

Före Efter

pk

)(2

)(2

2 pkACppACq sqLsqL

23

Det är dock inte troligt att detta kommer att ske då man generellt inte kommer att använda alla

funktioner samtidigt. Mest olja som används är vid ihopfällning och då går det åt max 60

l/min enligt förra system. Dagens traktor pumpar har generellt större kapacitet men för att

vara säker är det bra om traktorn har en kapacitet på 100 l/min.

2.8.2 Justering av Såbilltryck och Vingtryck

För att ändra trycket till såbillarna måste man vid fallet sänkning av tryck ”släppa tillbaka” en

viss oljemängd alltså den komprimerade oljemängd som motsvarar trycksteget.

Beräkningarna nedan ska ge en uppfattning om hur stort flödet blir för att kunna reducera

trycket vid ett visst steg.

För att säkerställa funktion antas att trycksteget ska ske på 1 sekund och steget ska gå från

100bar till 15bar.

Slangen har dimension 3/8 tum och längden 4m.

Cylindrarna har diameter 70mm och slaglängd 264mm

För att beräkna erforderligt flöde till denna trycksänkning används kontinuitetsekvationen:

dt

dpV

dt

dVq

e

* [1]

q =Erforderligt flöde för trycksteget

dt

dV = förändringen för volymen[m

3/s]. Jag antar att Volymändringen är noll.

V = Volymen för systemet, slang och cylinder[m3]

e = Kompressionsmodulen för oljan, vilken jag antar till 750 MPa.

dt

dp= Tyckändring(tryckderivata[Pa/s]). I detta fall blir sMPa

dt

dp/5,8

10*1

15100

3

2

4*4

)0254.0*8/3(* mVslang

32

264,0*4

070.0**2 mVcylinder

34 002285,0002,010*85,2 mVtot

min/55,11000*60*10*5,8*10*750

002285,0 6

6lq

24

För vingarna skall trycket justeras mellan 100 och 30 bar.

Slangen är av dimension 1/2tum och 4 meter lång. Cylindern har diametern 110mm och

slaglängd 1000mm. Detta medför att:

34

2

10*07,54*4

)0254.0*2/1(* mVslang

32

0095,0000.1*4

110.0* mVcylinder

34 010,00095,010*07,5 mVtot

sMPadt

dp/7

10*1

30100

min/25,51000*60*10*7*10*800

010,0 6

6lq

Detta innebär att Ls-ledningen för såbillarna måste släppa igenom ett flöde på 1,50l/min och

vingens ls-ledning måste släppa igenom ett flöde på 5,25l/min. Om ledningarna inte klarar

dessa krav innebär detta att tiden för att ändra trycket ökar. Viktigt att tillägga är att

tryckreduceringen ej kan användas som chockventil. En chockventil ska släppa igenom ett

mycket större flöde, cylindern ska ändra position vilket den ej gör vid tryckändring.

Dessa flödesvärden är dock bara riktvärden då flödesförluster i slang och liknande ej tas i

beakt. Alltså det är inte säkert att fluiden uppnår denna strömning och därmed förlängs tiden.

I verkligheten har man även en viss volymändring från slang.

25

2.8.3 Beräkning av tryck vid chocklast av vinge

För att kunna säkerställa att rätt ventil valts som chockventil(PD10-44,se bilaga 8) beräknas

förstärkningen i systemet. Systemet approximeras som en konstanttryck källa som arbetar mot

en last med en tryckbegränsare(se bild). Alla ekvationer är tagna ur [1].

Bild 10 visar principiellt chockventilen för vingcylindern

tryckLspref [MPa]

kSystemtrycps [Mpa]

mSystemvolyVs [m3]

ulnsKompressioe mod [MPa]

Pumpflödeqp [m3/s]

Lastflödeql [m3/s]

eVentilflödqv [m3/s]

Vidare approximering av systemet:

26

Kontinuitetsekvationen ger:

(ekv.1)

dt

dpps

Flödet genom tryckbegränsningsventilen ges av då jag antar att tryckfallet över ventilen är

Systemtrycket:

(ekv.2)

ficientFlödeskoefCq [-]

ntAreagradiew [m]

ningSlidutstyrxv [m]

Efter linjärisering och laplacetransformation fås:

s

e

s

vlp pV

QQQ (ekv.3)

(ekv.4)

Där:

(ekv.5)

(ekv.6)

Index 0 innebär att man linjäriserar kring en driftpunkt.

(2) och (5)

(ekv.7)

svsvqv pxkpwxCq 0

2

s

e

svlp p

Vqqq

scvqv pKxKQ

so

xv

v pkdx

dqKq 0

0

0

00

1

2

1

s

v

psos

v

cp

xkdp

dqK

0

0

2 s

vc

p

qK

27

(ekv.3) och (ekv.4)

spV

pKxKQQ s

e

s

scvqlp

s

csvqlpw

sKpxKQQ 1 ,

s

ec

sV

Kw (ekv.8)

sw = Systemets brytfrekvens

Kraftbalans över ventil(ventilen öppnar om refs pp ):

vrefsöppna AppF )( (ekv.9)

´

veöppna xKF , eK effektiva fjäderkonstanten (ekv.10)

(9) och (10)

(ekv.11)

Blockschema:

Förstärkningen sökes, alltså sätts 0refp

v

e

vrefs

v

w

sK

Appx

1

1)(´

28

e

qv

v K

KA

R

1

Blockreducering

v

cR

K

Kv1

1

1)11

(

)1(

2

vc

vsvs

vc

v

v

s

s

KKww

sww

KKs

w

sK

Q

p

slp QQQ

29

1)11

(

)1(

2

vc

vsvs

vc

v

v

s

s

KKww

sww

KKs

w

sK

Q

p

12

)1(

0

0

2

0

2

sww

s

w

sK

Q

p v

v

s

s

vc

vs

KK

www0

vc

vs

KKww

w)

11(

2

0

0

Sökt max_sp

Förenklat Bode-diagram:

Högsta trycket uppnås vid 0w .

12

)1(

0

00

2

0

0

0

0

w

iw

w

iw

w

iwK

Q

p v

v

wws

s

02

1vvc

s

v

wKK

w

K

30

max_sp ökar om vw minskar.

Efter överläggning med examinator Karl Erik Rydberg antogs:

sradwv /100

MPae 750

Övriga parametrar:

4

2ldVs

025.08

3d [m] (3/8” slang)

ml 4

410*76.2sV [m

3]

Approximerad lutning av tryckflödeskurva för ventil.

1010*1.1vK

59.00

s

mQs

34

2

10*9.1002.01*4

110.0*

sQ är alltså flödesstörningen vid chocklasten av vingcylindern(d=110mm). ”Chocken” är

beräknad på en 20cm höjning av mitten på ena vingen under tidsperiod av 1 sekund. Detta

bidrar till att cylindern skjuts ihop med 2cm.

max_sp =33 Bar

Av denna beräkning framgår alltså att trycket i systemet ökar momentant med 33 Bar utöver

det ställda trycket. Detta anses acceptabelt då räkneexemplet representerar en extrem

chocklast. Ventil PD10-44 anses lämplig som chockventil.

5

1010*7.1m

Ns

q

PaRv

sPa

m

p

qK

s

vc

311

0

0 10*2.32

31

3 Resultat

3.1 Hydraulschema till prototyp

Bild 11 är hydraulschemat på hur prototypen skall kopplas.

32

3.1.1 Koppling prototyp

För verklig bild av prototyp se bilaga 9.

Fläkten skall kopplas till ventilsektion C med port A till trycksidan på motorn och B till

returen. Dräneringen skall kopplas till tillgänglig extra port på blocket.

På sektion D skall System Disc kopplas, puckcylindern kommer finnas kvar men inte

användas. För att bestämma position för arbetsläge kommer linjärgivare att användas.

Befintlig mekanisk 3/2 ventil ska anslutas till ledning B, puckcylinder och övriga cylindrar.

Billaggregatet ska anslutas till sektion F och ett styrbart hydraullås ska sättas på ledning B

vilken öppnas med tryck i A. Detta görs för att sliden i sektion F har öppna ledningar i

netralläge, både portar anslutna till retur vilket medför att aggregatet inte kan hållas i avstängt

läge. Port A ansluts till cylindrarna C8 och C9. Port B ansluter till cylindrarna C7 och C10

med en strypning på 1.5mm.

Markörerna ansluts till sektion G, befintligt hydraulblock 466196 ska användas för

manövrering av markörerna. De fyra portarna 3, 4 och 14 som inte används ska pluggas och

on-off ventil C skall inte användas. On-off D ventil kopplas till ritsmarkören, B kopplas till

höger markör och A till vänster markör.

Fällcylindern ska anslutas till sektion I. Port A kopplas till plus sidan på cylindern och

befintlig ackumulatortank med manuell ventil. Port B ansluts till cylinderns minussida med en

strypning.

Sektion H kommer inte att användas och ska därför pluggas.

Crossboard kopplas till traktorns riktningsventil.

3.1.2 Utrustning till prototyp

Utöver ventilblock och befintliga komponenter:

Det behövs fyra stycken induktiva givare för att kunna bekräfta vingarnas position.

Två stycken workstations(noder i Canbussystemet) för att kunna koppla in alla in och ut

signaler.

Ett hydrauliskt lås.

3 st uttag för att mäta tryck.

Lista för slang och kopplingar finns som bilaga 5.

33

3.1.3 Infästning ventilblock för prototyp

För att placera ventilpaketet på en tillgänglig och ej så utsatt position valde jag att hänga den i

plattformen(se bild 12). Då infästningen på ventilblocket endast består av m8 bult har jag valt

att lägga blocket på en bockad plåt med en tunn gummilist emellan för att reducera eventuella

vibrationer. Den bockade plåten svetsas samman med två vinkeljärn vilka bultas i

plattformen. Ett stöd i sidled svetsas på den bockade plåten och bultas sedan i ramen.

Bild 12 visar hur infästningen av prototyp ska vara

34

3.2 Förenklad specifikation på programvara

Önskat beetende för Spirit(prototyp), krav på mjukvara.

Tre positioner skall finnas för maskinen, dessa lägen är transportläge(alla redskap i maxläge),

låglyft(position för redskap vid vändning) och arbetsläge(maskinen bearbetar jorden). För att

erhålla de önskade funktionerna används de befintliga linjärgivarna. För att kunna styra

maskinen efter önskat beetende krävs det 4 pwm-signaler, fläktventil, såaggregatsventil, SD-

ventil(upp och ner).

För vingfällning och hopfällning skall man gå in i menyn på manöverpanelen och där välja

fällning eller hopfällning. Önskad funktion fås genom att hålla vald knapp intryckt. Alla

ventiler utom fläktventilen ska vara dubbelverkande.

Fläkten skall styras med en on-off knapp, och signalen(strömmen) skall kunna styras linjärt,

alltså ventilen skall vara i aktivt läge under drift och varvtalsåterkoppling skall i mån av tid

testas. Funktionen blir alltså att man sätter sitt önskade värde i meny och därefter aktiveras

fläkten med on-off knappen. Parametrar till regulator trimmas i kontrollbox.

Fläktens solenoid sitter på block C.

System Disc

För positionering skall ett minne kunna justeras för arbetsläge,låglyft och ett läge sparas för

hopfällning. Positionen för arbetsläge,hopfällning och låglyft fås av linjärgivaren. Justering av

positionerna görs automatiskt när man står i valt läge och ändrar SD. Utslaget på ventilen ska

kunna begränsas och styras proportionellt för att kunna finjustera arbetsdjup. Solenoiden sitter

på block D

Crossboard

Detta redskap kommer att anslutas till traktorns riktningsventiler, man vill justera redskapet

kontinuerligt och bekvämt med en spak/joystick vilket gör att användning av traktorns ventil

är fördelaktig.

Billaggregat

Ventilen skall vara aktiv under arbete. Ett minne för position av hopfällning och låglyft ska

finnas, signal fås av linjärgivare. Signal till proportionalventilen i Ls blocket skall finnas och

vara proportionellt justerbar. Tryckåterkoppling av såbillar görs om tid finnes.

Markörer

Utslaget på ventilen skall endast vara aktiv under manövrering av markörer. Markörerna

manövreras av on-off ventilerna A,B och D(se hydraulschema). Enskild manövrering ska

finnas.

Ett minne för vilken markör som ska användas vid vändning skall finnas, alltså en markör

skjuts ut vartannat låglyft. Markören aktiveras av låglyft, arbetsläge och transportläge.

35

Markör ut:

Markören skjuts ut när signal skickas till arbetsläge.

Markör in:

Markören dras in när man valt att gå från arbetsläge till låglyft eller transportläge.

Markörerna skall tidsfördröjas med en justerbar tid när de ska fällas ut.

Fällcylinder

Ventilen är inte aktiv under arbete. Vid hopfällning skall ventilen endast öppna om System

Disc och såaggregatet befinner sig i position hopfällning. För att bestämma positionerning av

vingarna kommer fyra induktiva givare att användas. 2st för att bestämma nerfälld position

och 2st för att bestämma hopfälld.

Automatiska funktioner:

Utförande av automatisk funktion in- och utfällning kräver intryckt knapp.

Fällning(sekvensstyrning)

System Disc, såaggregat ställs till position hopfällning.

Fällcylinder dras ihop.

Upplåsning av vinglås, vinglås släpps mekaniskt eller hydrauliskt(i mån av tid).

Fällcylinder fälls ut .

System Disc och såaggregat intar position transportläge(överströmning), detta för att

säkerställa kalibrering av redskap.

Sekvens avslutas genom att frigöra knapp

En signal till eventuell hydraulisk manövrering av vinglås ska finnas i programmvaran.

Signalen ska uppstå då knapptrycket görs.

Hopfällning(sekvensstyrning)

System Disc och såaggregat intar position hopfällning.

Vingcylinder dras ihop.

Kontroll hopfällt läge.

När vingarna är hopfällda aktiveras System Disc och såaggregat till transportläge.

Låglyft

Position vid vändning, System Disc och såaggregatets position skall vara justerbart. Fläkten

bibehåller varvtal. Ett sekvensschema ska göras till låglyft, alltså rörelsemönster för System

Disc, Billaggregat och utmatning. Funktionerna tidsstyrs med fördröjning från aktivering av

låglyft. Sekvensstyrning görs för att när man kommer till vändtegeln så vill man t.ex att

förredskapet lyfts först, därefter stängs utmatning av, markör dras in och slutligen höjs

såaggregatet.

Arbetsläge

När man går från antingen transportläge eller låglyft till arbetsläge skall maskinen

sekvenstyras på liknande sätt som ovan.

36

Position i mark, position för System Disc och trycket för såbillarna ska vara justerbart.

Fläktens varvtal ska kontrolleras och larm ska utlösa om fläkt är frånslagen.

Transport

Alla funktioner lyfts till max och utmatning stängs av.

När maskinen går från antingen låglyft eller transportläge till arbetsläge skall fläkten alltid

aktiveras. Om man vill stänga av görs detta med on-off knappen.

Till prototypen kommer det endast finnas tillgång till 4 PWM signaler.

Fläkten(block C) kommer förses med en Pwm signal då den ventilen endast behöver

manövreras åt ett håll. Såbillarna(block F) får en PWM ingång då det behövs till

proportionella on-off ventilen. System Disc (block D) skall förses med två PWM signaler då

redskapet ska kunna finjusteras. Resterande ventiler begränsas med mekaniskt stopp.

Eventuella återkopplingar görs efter första styrsystemet har testats. En meny ska finnas för att

kunna justera och ändra beetende vid låglyft.

Styrsystem

För att behandla och styra alla in och utsignaler kommer Canbus att användas med två noder.

37

3.3 Simulering

3.3.1 Simulering fläkt

För att kontrollera teoretiskt hur fläkten påverkas av en störning från andra funktioner görs det

en simulering i amesim. Simuleringsmodellen bygger på en variabel pump, en riktningsventil,

fläktmotor och en störning i form av flödesstörning. Behov av varvtalsåterkoppling utvärderas

också.

För att kunna simulera behövs det diverse parametrar. Ledningsvolym, ventilkarakteristik,

tröghetsmoment på motorn etc.

Ledningen till ventilblocket antas till 4 meter och dimensionen är 3/4tum.

Ledningsvolymen blir således:

3

1

2

11 0011.0

4ml

dV

mmd 191

Ledningen från ventilblock till fläkt är 1.5m och 1/2tum.

3

2

2

22 00019.0

4ml

dV

mmd 7.122

dl 5.12

För att beräkna tröghetsmomentet för fläkten(se bild 13) approximerar jag den till en solid

skiva.

De olika delarna har vikterna:

Axel= ca 200g

Fäste för vinge= 660g

Fläkt= 800g

Total vikt för fläkt är:

kgmtot 66.1

Diametern sd för fläkten är:

mmds 320

ml 41

38

Tröghetsmomentet för en skiva fås av ekvationen:

4

2rmI tot

Detta medför att tröghetsmomentet 2106.0 kgmI f

Bild 13 är en bild av fläkthjulet som dras av hydraulmotorn.

39

Uppbyggnad av modell i Amesim

För att försöka efterlikna verkligheten så används en gammal mätning gjord på en fläktmotor i

drift. I denna mätning hade motorn ett varvtal på 4600rpm och ett tryckfall på ca 150 Bar med

ungefär 190 Bar på inloppssidan.

I modellen anslöts en tröghetslast med en extra funktion som ger ett tröghetsmoment

beroende på hastigheten. En hastighetsberoende last ska återspegla luftmotståndet för fläkten

som är proportionell mot hastigheten i kvadrat.

Pumpen i simuleringen antogs till en storlek av 120l/min vid 1500varv/min.

För att trimma in modellen så implementeras den beräknade tröghetslasten och den

hastighetsberoende lasten justeras tills man får ett liknande fall som den verkliga mätningen

nämnd tidigare. Detta gjordes med en konstanttryckkälla på 200 Bar. När detta lastfall

uppnåtts ansluts en variabel pump med en styrning från trycket på lastsidan, detta för att

återspegla traktorns pump med Ls-styrning.

När lasten trimmats in anslöts en PID regulator som justerades med Ziegler-Nichols

svängningsmetod. Metoden fungerar så att man först kopplar ur I och D delarna.

Förstärkningen K i P-regulatorn höjs tills man får en tendens till svängning. Vid detta läge

noteras förstärkningen och periodtiden för svängningen. Inställning av regulatorn görs sedan

efter tabellen nedan:

[6]

Regulatorn till fläkten gjordes med en PI.

Regulator K Ti Td

P 0.5Kmax

PI 0.45Kmax 0.85T0

PIDparallell 0.6Kmax 0.5T0 0.125T0

PIDserie 0.3Kmax 0.25T0 0.25T0

40

3.3.2 Resultat för simulering av fläkt

Figur 1 visar signalen som skickas in till fläktregulatorn.

Figur 2 är det simulerade fläktvarvtalet.

I figur 1 illustreras signalen som skickas in till fläktregulatorn. Signalen består av steg där det

första är 3200 och efter 20 sekunder höjs det till 4600 varv/min. Figur 2 visar hur fläkten

svarar på signalen och man kan här se att stegen görs snabbt och inga svängningar uppstår.

Ett ytterligare test där utvärdering gjordes om hur stor flödesstörning systemet klarade utan att

varvtalet sjönk från 4600 varv/min. Varvtalet sjönk inte förrän störningen var av storlek

75l/min.

41

3.3.3 Simulering av tryckåterkoppling för såbillar

Modellen är gjord för att efterlikna verkligheten (se bilag 2) men laster och styvheter har

antagits. Syftet är att visa ett alternativ till den hydraulmekaniska lösning som tagits fram.

Billaggregatets dynamik är uppbyggd med en hävarm som från cylindern verkar på en

torsionsfjäder. Torsionsfjädern är i sin tur kopplad till en hävarm som verkar på såbillen.

Billen påverkas sedan i sin tur av en nivåändring i form av marken.

Parametrarna till hävarm, fjäderstyvhet, dämpning och nivåskillnad är antagna värden.

Lastcykeln har modellerats i ett enkelt fall med först en konstant nivå av marken med ett

stegsvar(se figur 3) som ska motsvara påkörning av sten eller en plötslig nivåändring. Detta

fall kan ses som det mest verklighetstrogna med en trycksignal som är filtrerad från brus.

Återkopplingen av denna styrning görs med differenstryck. Trycket från plussidan av

cylindern jämförs med minussidan, alltså man kan endast reglera tryckskillnaden över

cylindern. Att reglera tryckskillnaden medför att man alltid vet vilken kraft som cylindern

levererar. Regleringen görs med en enkel P-regulator som bevisligen inte medför något

statiskt fel. Se figur 4.

3.3.4 Resultat tryckåterkoppling

Tryckpiken från en momentan nivå ändring gick ej att reglera bort då förloppet är för

snabbt(se figur 4).

Det tar dock max 1.5 s från en nivåändring till att tryckskillnaden är tillbaka på önskad nivå.

42

Figur 3 är lägessignalen som ska illustrera position av såbillar.

Figur 4 visar resultatet från tryckdifferens-återkopplingen.

Figur 3 visar signalen position av billaggregat och består av steg där det första är 10cm och

efter 10 sekunder görs ytterligare ett steg på 10cm som skall illustrera påkörning av hinder.

Efter detta ”hinder” återgår signalen till 10cm igen.

Tryckdifferensen över cylindern visas i figur 4 där det är satt till 50 Bar. Man kan se att vid

steget efter 10 sekunder fås en rejäl tryckamplitud, det är troligt att modellen för

billaggregatet är för styv. Man kan dock påvisa att en tryckamplitud går ej att helt undvika

men att det snabbt går att återfå den önskade tryckdifferensen.

43

3.4 Resultat från tester av prototyp Mätningarna som redovisas är gjorda med en traktor av modell Valmet 142.

Mätningar under drift i jord kunde ej göras pågrund av dåligt vinterväder. Förhållandena för

mätningarna är ej normala då såmaskiner ej används i minusgrader. Pågrund av den starka

kylan var det svårt att få upp en normal temperatur på oljan och man kan anta att oljan ute i

cylindrar var väldigt kall då det ej sker någon cirkulation där. Mätningarna gjordes dock på

samma dag för att ha samma förutsättningar.

Det gjordes även mätningar på en annan traktor av modell Fendt 415 för att jämföra

eventuella skillnader. Dessa data redovisas i bilaga 1.

3.4.1 Test av fläkt

Det första testet gjordes på fläkten för att se hur pass bra regulatorn fungerade. Som kan ses

nedanför i figur 5 uppstod stora svängningar. Dessa svängningar uppstod dock inte bara

pågrund av regulatorn utan hydrauliken kom i självsvängning också. Svängningarna uppstod

pågrund av att kompensatorn var för dåligt dämpad. Man hörde också att svängningarna

fortplantade sig genom Ls-ledningen till traktorpumpen.

Figur 5 är mätningen gjord på fläktens varvtal med varvtalsåterkoppling, börvärde=3500

varv/min

För att reducera svängningarna kopplades en ackumulator och en variabel strypning på Ls-

ledningen till traktorn. Strypningen justerades sedan så pass mycket att svängningarna nästan

dog ut, se figur 6.

44

Figur 6 visar mätningen gjord utan återkoppling, olika steg är gjorda genom att styra

effekten på pwm-signalen.

Med varvtalsåterkoppling blev resultatet enligt nedan (se figur 7). Man kan se att regulatorn

är väldigt långsam och även här kan vissa svängningar bero på egensvängning i hydrauliken.

Dock kan man även se att regulatorn till slut stabiliserar sig.

Figur 7 är mätningen på fläktens varvtal med varvtalsåterkoppling och strypning samt

ackumulator är inkopplade på Ls-ledningen.

45

Då tiden för arbetet började ta slut gjordes ett beslut att inte göra fortsatta försök med att

trimma in regulatorn. Istället valdes att styra fläkten ”manuellt” med PWM-signal, detta för

att säkert veta att inte en felinställd regulator påverkade övriga mätningar.

3.4.2 Tester av funktioner på Spirit

För att kunna illustrera hur samkörning av funktioner påverkar varandra och hur högt

returtryck som då uppnås kopplades tryckgivare till tryckledning för blocket, tryckledning till

billaggregatet, returslangen och en vartalsgivare på fläkten.

Cykelkörning

Det kan ses i figur 8 att systemtrycket snabbt anpassar sig för ändringar i systemet. Vid

initieringen av positionsändring från låglyft till arbetsläge kan ses att returtrycket ökar

momentant till 15 Bar men stabiliserar sig sedan till ungefär 5 Bar. Samman momentana

tryckökning av retur sker också när man går från arbetsläge till låglyft.

Figur 8 visar mätningen på hur trycket varierar när man går från låglyft till arbetsläge och

tvärtom.

46

Fläkten(se figur 9) påverkas under cykelkörningen men det sker inga stora ändringar på

fläktvarvatalet. Den största dippen sker vid körning från arbetsläge till låglyft då varvtalet

sjunker med ca 250 varv/min.

Figur 9 visar hur fläktvarvtalet påverkas under cykelkörning.

Justering av billtryck(se figur 10)

Justeringen sker stegvis upp till max sedan reduceras utslaget på ventilen momentant till noll.

Billtrycket kan som lägst vara 30 Bar och som högst 150 Bar. Man ser även att det går väldigt

snabbt att öka trycket dock tar det lång tid att reducera trycket. Att det tar lång tid att reducera

trycket beror på att oljan returneras genom Ls-kanalen i blocket till retur(se Bild 8).

Figur 10 visar hur man kan justera billtrycket.

47

Körning av traktorns riktningsventil(funktion crossboard) samtidigt som såmaskin befinner

sig i arbetsläge.

I figur 11 ser man att inverkan av körning med crossboard upp och ner ej har så stor inverkan.

Det mest relevanta är att även här får man momentana tryckökningar i returen. Billtrycket

sjunker max med 3 Bar.

Figur 11 är mätning som visar hur övriga hydrauliken påverkas av körning med crossboard.

Fläktens vartal påverkas ej någonting av körning med crossboard se figur 12.

Figur 12 är mätning som visar fläktens varvtal under körning av crossboard.

48

Oaktivt system

Figur 13 visar vilket grundtryck som alltid finns i traktorn. Man kan utläsa att traktorn har ett

grundtryck på 25 Bar vilket också är det tryck som läggs på utöver det ”lastkännande trycket”.

Figur 13 visar hur hydrauliken beter sig när maskinen ej utövar något arbete.

Tidsmätning:

Utfällning 47s

Hopfällning från arbetsläge 31s

Låglyft till arbetsläge 7s

Arbetsläge till låglyft 6s

För nuvarande maskin som produceras har en tidigare mätning visat att det tar ungefär 10s att

gå från låglyft till arbetsläge.

Utfällning med dagens maskin har ungefär samma tid som prototyp men hopfällning tar

ungefär 3 min.

49

3.5 Val av ventiltyp/systemtyp till ny hydraulik

Prototypen som används till såmaskinen är av pilotstyrd slidtyp med väldigt hög kvalite och

noggrannhet. Att använda slider är väldigt dyrt och egentligen onödigt då manuell

manövrering ej ska ske, block av denna högprestanda är ej nödvändigt för Spirit.

Patronventiler är ett billigare alternativ och man kan då också tillverka sina block helt efter

egna behov. Med patronventiler istället för slidventiler kan man reducera kostnaden väsentligt

och servicevänligheten blir bättre. Dessa ventiler skruvas i block som i detta fall kommer att

behöva göras unikt för Väderstad. Unika i den bemärkelse att dessa block/moduler blir

anpassade för Spirit 600. Detta tror jag dock inte är någon nackdel då block som reservdel

endast kan köpas genom Väderstad pågrund av detta. Nackdelen med patronventiler är att

riktningsventilen inte klarar lika stora flöden. Prestandan på ventilen är ändå så pass hög att

den kan anses tillräcklig. Fläktmotorn måste dock ha ett konstruerat flöde för minst 40l/min.

Ett utgångsläge för konstruktionen av systemet är att göra det flexibelt och skalbart. Flexibelt

i den mening att komponenter kan användas till fler maskiner än Spirit och skalbart på det

sättet att systemet kan byggas på och reduceras. Ett annat önskemål är att all reglering av

hydrauliken ska ske på ett ställe jämfört med dagens maskin där komponenter är spridda över

större delen av maskinen. Man vill också ha det så att funktionerna är oberoende av varandra

vilket underlättar vid montering och felsökning.

För att uppnå dessa önskade funktioner och utformning byggs systemet med ett modulärt

utseende. Hydraulblocket ska konstrueras sektionsvis med patronventiler alltså varje sektion

tillhör en funktion på maskinen.

Flera tänkbara moduler med olika egenskaper har ritats och dessa kan sedan kombineras efter

önskade funktioner. Dessa moduler har dock endast ritats för Spirit 600(se bild 14). Priserna

för modulerna och priset för gamla hydraulsystemet kontra de nya redogörs i bilaga 4

För att bestämma storleken på de olika komponenterna har jag utgått från flödesbehoven och

antagit att systemtrycket kommer att ligga runt 200 Bar. Riktningsventilen blev flaskhalsen i

systemet då den största endast klarar 23l/min. Efter Riktningsventilen har jag sedan

dimensionerat tryckkompensator, hydraullås, chockventil. Alla ventilers datablad finns under

bilaga 11.

50

3.5.1 Förslag ventilmoduler

Bild 14 visar förslag på hur modulerna till ett ls-hydraulblock kan se ut.

51

3.5.2 Förklaring ventilmoduler

Alla kompensatorer till riktningsventiler är av modell(EC10-32).

Samtliga Ls-ledningar har försetts med backventiler för att säkerställa att det högsta

lastbehovet/trycket styr pumpen. Anledningen till att alla riktningsventiler har utrustats med

kompensatorer görs för att undvika problem vid samkörning, och för att säkerställa ett visst

flöde oberoende av lasten. Att ha ett system med funktioner som ändrar karakteristik beroende

på lasten kan vara väldigt svårt att styra.

Modul 1.

Denna modul är en ingångssektion för uppbyggnad av ett block. Modulen består av mekaniskt

reglerbar tryckbegränsare som kan ställas till max 240 Bar. Sektionen är även utrustad med en

retur som ska användas till fläktmotorns dränering.

Modul 2.

Sektionen består av en proportionerlig on-off ventil(SP10-20) som är

tryckkompenserad(EC10-32) avsedd funktion är reglering av fläktmotor.

Modul 3.

Består av en tryckkompenserad riktningsventil med ls-funktion(SP10-57D) och ett

hydrauliskt lås(DC10-40). Riktningsventilen är öppen till retur i neutralt läge alltså från

lastsidan. Detta används för att inte stänga in något tryck som kan påverka hydraullåset.

Modul 4.

Har en tryckkompenserad riktningsventil(SP10-57C) och funktion proportionellt reglerbart

tryck. Tryckregleringen sker med en elektriskt styrd tryckbegränsare(TS38-20) på ls-

ledningen. När tryckbegränsaren öppnar sjunker trycket i ls-ledningen och kompensatorn

stängs. Det lägsta trycket som går att få beror på vad man har för fjäder i kompensatorn och

att flödet dräneras tillräckligt fort från kompensatorn genom tryckbegränsaren(TS38-20).

Modul 5.

Modulen har samma utseende som modul 4 men med ett elektriskt styrt hydraullås.

Modul 6.

Består av en tryckkompenserad riktningsventil SP10-57D med ls-funktion. Modulen är

avsedd att förse efterkommande moduler med olja.

Modul 7.

Modulen ska anslutas på modul 6. Består av en on-off ventil och ett hydraullås. On-off

ventilen utestänger flöde från två håll i neutralt läge. Anledning att använda sig av

kombination med modul 6 och 7 är för att reducera kostnad med riktningsventiler.

Modul 8.

En enkel riktningsventil(SP10-47C) som är avsedd att anslutas till modul 6.

Modul 9.

Har samma utseende som modul 4 fast en tryckstyrd 3/2 ventil används som chockventil.

Fungerar så att ena sidan på ventilen är ansluten till tryckledningen och motsatta sidan är

ansluten till Ls-ledningen.. Detta innebär att när man vill sänka sitt tryck så görs detta lätt

eftersom den tryckstyrda ventilen snabbt kan reducera trycket, jämfört med att släppa trycket

52

genom ls-ledningen. Genom val av fjäder till chockventilen kan man ändra vid vilken

tryckökning av systemet som ska öppna ventilen. Ventilen öppnar alltså när lasttrycket

överstiger fjäderkraften och Ls-trycket.

Modul 10.

Har samma utseende och funktion som modul 9 fast chockventilen är istället elektriskt styrd.

Modul 11.

Har samma utseende som modul 10 fast utan den proportionella tryckregleraren för Ls-

trycket. Överflödig olja går hela tiden genom den elektriskt styrda tryckbegränsaren(TS10-27)

till tank. Beroende på hur stor utstyrning man har på riktningsventilen desto mer eller mindre

förluster bidrar det till. Tryckbegränsaren fungerar alltså både som chockventil och

tryckreglering.

Modul 12.

Ingångssektion med ett extra tryckuttag reglerad med en växelventil(SV34-10). Ventilen gör

att utgående ledning kan antingen kopplas tryck eller tank. Meningen är att ett framtida

hydrauliskt vinglås ska kopplas till detta uttag.

Modul 13.

Modulen är en ingångssektion för traktorer som ej har Ls-hydraulik. Funktionen blir istället

att man kopplar blocket till traktorns riktningsventil, om riktningsventilen ger för dåligt flöde

kan man parallellkoppla två uttag från traktorn till blocket. Styrningen av flöde/tryck för

systemet sker nu med en tryckstyrd 4/2(EPFR50-35) ventil. Ls ledningen från förbrukarna

styr nu istället denna tryckstyrda ventil, en tryckbegränsare monteras även på ls-ledningen

vilken då sätter maximala systemtrycket. Överflödig olja går genom ventilen till tank.

Modul 14.

Sektionen ska monteras på modul 6. Den består av ett hydraullås som ska hålla de tre

markörerna i position. Förbrukarna styrs med on-off ventiler(420651).

Modul 15.

Har samma utseende som modul 5 plus att den är utrustad med en tryckstyrd chockventil.

Chockventilen är kopplad till tryckledningen, Ls-ledningen och retur. Om det uppstår en

tryckökning i trycksidan som överstiger Ls-trycket så öppnar ventilen och släpper ut olja till

returen. Detta medför också att om man vill reducera sitt inställda tryck i systemet så går detta

snabbt då chockventilen öppnar. Chockventilens beteende följer regleringen av Ls-trycket.

53

3.5.3 Hydraulsysytem 1

Detta system är gjort med hänsyn till funktion före kostnad. Systemet är anpassat för mer

krävande förutsättningar, som eventuella hinder, ojämn mark med utmärkande nivåskillnader.

För de olika funktionerna har följande sektioner valts, se bild 15.

Bild 15 är förslag hydraulsystem 1.

54

Ingångsblock

Består av modul 12 som är anpassat för inkoppling av ett hydrauliskt vinglås. Hydraullåsets

cylinder som ska vara av typ enkelverkande är kopplad direkt på tryckledningen och är ej

ansluten till ls-ledning.

Fläkt

Ansluten till modul 2

System Disc

Modul 3 är ansluten till detta redskap. Det hydrauliska låset och mekaniska växelventilen har

bytts ut mot en elektrisk växelventil.

Fällcylinder

Den fällcylinder som används idag har bytts ut mot en vanlig dubbelverkande cylinder och

istället för en strypning på minussidan används här en slangbrottsventil. Modul 9 används för

att reglera fällcylindern.

Såbillar

Enheten styrs av modul 15.

Crossboard

Ansluten till modul 3.

Markörer

Markörerna styrs med modulerna 7 och ingångsblocket för att förse dessa block med olja är

modul 6.

55

3.5.4 Hydraulsystem 2

Detta block är anpassat för att reducera kostnad. En tanke som tagits i beakt är att återanvända

nuvarande lösning för vingfällning med anpassning för Ls-system. Att återanvända nuvarande

fällcylinder, ackumulator och kran är dyrare än att använda sig av en vanlig dubbelverkande

cylinder och modul 9. Prisreducering med ca 17% uppnås med ny lösning (se bild 16).

Bild 16 är förslag hydraulsystem 2.

56

Ingångsblock

Modul 1 används som ingångsblock och är då utan funktion med hydrauliskt vinglås.

Fläkt

Modul 2.

System Disc

Modul 3.

Vingfällning

Modul 9

Såbillar

Modul 5 används vilket innebär att funktion chockventil ej finns.

Markörer

Anslutna till block 14 med ingångsmodul 6.

Crossboard

Denna funktion ansluts till traktorns riktningsventil

3.5.5 Övriga detaljer hydraulsystem

Både hydraulsystem 1 och 2 innehar en elektrisk riktiningsventil och en slangbrottsventil.

Den elektriska ventilens funktion är att ”stänga av” vingarnas förredskap vid hopfälld maskin.

Slangbrottsventilen är en säkerhetsåtgärd för att undvika personskada vid slangbrott till

vingcylindern.

Dimensionering av slangbrottsventil:

Riktningsventilen i blocket ger max 23l/min.

Detta medför att hastigheten på cylindern blir:

smA

qv /040.0

110.0**60*1000

4*232

Detta medför att flödet ut blir

min/1660*1000**4

)060.0110.0( 22

lvqut

Slangbrottsventilen ska anpassas till flödet 16*1.5=24l/min

Den valda ventilen blir LB2-G-25 vilken är anpassad för ett flöde på 25 l/min.

Om man istället för slangbrottsventilen vill använda sig av en over-center-ventil är

ett alternativ till maskinen ventil LHK 22.

Den valda lasthållningsventilen har tryckområdet 52-200bar och öppningsförhållandet 1:4.6.

Detta innebär att ett lasttryck mellan 50-200bar krävs för att öppna och för att öppna med tex

tryck 52bar krävs ett styrtryck på ca 11bar.

57

3.5.6 Jämförelse nya hydraulsystem

Skillnaden för de två systemen påverkar funktionerna billaggregat, vinglås, markörer och

crossboard.

Gemensamt för de två systemen är att all nuvarande hydraulik tas bort såsom hydraulblock,

strypningar och ackumulator samt att nuvarande vingcylinder byts ut(se bild 15 och 16).

billaggregatets funktion har skillnaden att den i system 2 inte har en chockventil och därmed

kan man få trycktoppar under körning. Detta kan uppstå vid eventuella hinder och vid

nivåskillnader. Detta kan uppstå för att vid en trycktopp så måste den överflödiga oljan gå via

Ls-ledning till tank, Ls-ledningen är ej gjord för stora flöden. Vid en nivåskillnad där marken

”sjunker” så följer aggregatet med och bibehåller trycket. När aggregatet sedan ska återgå till

”normal” nivå så måste systemet släppa tillbaka oljan vilket kan bli ett problem om det ska

ske snabbt, en tryckökning kan fås. Tester får utvisa om detta blir ett problem.

Funktionen med hydrauliskt vinglås finns ej på system två vilket innebär att man manuellt

måste släppa låset med ett snöre.

Markörernas block har skillnaden att de ej är uppbyggda i moduler för system 2, det är ett

block till markörerna. När man fäller in markörerna kan detta ej göras individuellt i system

två, alla åker in när man slår om riktningsventil i modul 6.

Crossboard körs ej via Ls-hydraulik i system två utan kopplas till traktorns riktningsventil.

Anledningen till valet att ha kvar chockventilen för vingarna även i system två är för att det

behövs. Skulle man köra utan chockventil blir maskinen helt stum och risken för att bryta

sönder den är för stor. Att bara använda sig av tryckreducering genom Ls-ledning är ej ett

alternativ då det är för stora flöden.

Kostnads jämförelse av dessa två system visar att system två är 17% billigare än system 1, se

detaljerad prislista i bilaga 4.

58

4 Slutsats Av körning och mätningar från prototypen kan det fastställas att Ls-hydraulik är en bra väg

för fortsatt utveckling av Spirits hydraulsystem.

Prototypen fungerar som det var tänkt, funktionerna går att styra på önskat sätt. De

automatiska funktionerna hopfällning, utfällning, transportläge, låglyft och arbetsläge

fungerar problemfritt. Det enda kvarstående problemet är svängningar i hydrauliken som

uppstår stundvis vid körning av fläkt. Har man reducerat svängningarna helt är det inte ett

stort jobb att göra den sista trimningen av regulatorn för fläkten. Mätningen för fläkten visade

att den stabiliserade sig med varvtalsåterkoppling dock efter en längre tid.

Med prototypen visade det sig också möjligt att på ett enkelt sätt reglera billtrycket från 30 till

150 Bar.

Trycket i returledningen hade momentana tryckökningar upp till 15 Bar, detta innebär att

dränertrycket för fläktmotorn överskrider gränsen på 10 Bar. Kan man ej reducera dessa

tryckökningar kan problemet undvikas med att koppla dränage ledningen direkt till traktorns

retur.

Det visade sig också att fläkten påverkades ej så mycket vid samkörning av funktionerna,

låglyft och arbetsläge. Fläkten hade som mest en sänkning av 250 varv/min vid driftfallet med

Valmet 142, detta kan förklaras med att Fendt 415 har större grundtryck.

Att använda sig av traktorns riktningsventil samtidigt som ls-hydrauliken gav ej några

problem, körning av crossboard påverkade ej Ls-hydrauliken på något negativt sätt.

Vid ett tänkt driftfall där system disc justerades påverkades billtrycket ringa , det sjönk som

mest med 1 Bar och ökade med max 3 Bar.

Att använda sig av två olika traktorer(Valmet 142, Fendt 415) hade ingen större betydelse för

funktionen av maskinen.

Säkerheten på maskinen har tagits beakt, vid fällning och hopfällning måste man hålla inne

knappen annars stannar sekvensen. Även de automatiska funktionerna transportläge, låglyft

och arbetsläge avbryts om man gör ett extra knapptryck på kontrollen.

Ett hydraulsystem som kan tänkas producerbart till Spirit bör baseras på patronventiler.

Patronventilerna är betydligt billigare än slidventiler dock klarar de ej lika stora flöden.

Effekten av detta kan medföra att maskinen rör sig något långsammare än prototypen.

Förslag till nytt hydraulsystem är redovisade hydraulsystem 1 och 2. Dessa system bygger på

modularisering. De olika modulerna är gjorda specifikt för varje enskild funktion och deras

komponenter finns i modulen. Detta för att undvika komponenter spridda över maskinen och

därmed förenkla montering och service(felsökning). Den stora skillnaden mellan prototypen

och förslagen till nytt hydraulsystem är att billarna kan förses med en chockventil och även

vingarna ska ha samma möjlighet till styrning av trycket. Chockventilen är tänkt att ersätta

ackumulatorn och möjliggöra snabba inställningar av tryck. Enligt beräkning för en väl

tilltagen chocklast(se sida 27) höjs vingtrycket momentant med 33 Bar.

Att använda sig av Ls-hydraulik kommer att medföra ett enklare hydraulsystem där

funktionerna är oberoende av varandra. Att funktionerna är separata medför att justeringar av

funktioner kan göras utan påverkan på andra funktioner. Block som byggs med moduler

innebär att systemet blir flexibelt, man kan använda sig av modulerna för andra

59

system/maskiner. Modulerna blir som ”byggblock” som kan sättas ihop i olika

konstellationer. Detta innebär också att man kan erbjuda kunden flera olika valmöjligheter

utan allt för mycket arbete. Möjligheten att koppla in sitt block på en konventionell traktor

med pump av typ fast deplacement finns, ett annat ”ingångs”-block(modul 13) krävs till detta.

Driftsäkerheten är ej helt utredd då maskinen ej körts i ”fält”, det man kan fastslå är att

maskinen blir mer beroende av elektronik. Detta kräver att man använder sig av väl utprovade

komponenter som inte är känsliga för fukt eller smuts. Maskinen kommer dock att bli mer

kontrollerad då man har full kontroll på billtryck och vingtryck. Utrustar man maskinen med

chockventiler till både billaggregat och vingcylinder bör livslängden öka för t.ex billaggregat.

Om kunden blir nöjd med det nya hydraul/styrsystemet råder det inga tvivel om. Manövrering

av maskin har förenklats och maskinen är snabbare. Operatören får möjligheten att trimma in

sin maskin helt efter eget önskemål.

Priset för hydraulsystem 1 är ungefär 15% dyrare jämfört med det gamla men system 2 är ca

4% billigare.

Det rekommenderade hydraulsystemet till Spirit är hydraulsystem 2. Användning av system 2

är under förutsättning att fler tester under verklig körning påvisar att chockventil ej behövs till

såbillarna.

Priserna för modulerna är uppskattningar från Jörgen Ahlstrand PMC Hydraulic AB.

Simuleringen påvisar att en bra vartalsåterkoppling är fullt möjlig. Tryckåterkoppling av

billaggregatet är också helt möjlig.

4.1 Felkällor och påvisningar

Mätningarna på prototypen gjordes i vinterväder, mätningen med Valmet 142 gjordes i -20

grader Celsius och med Fendt 415 var det -5 grader Celsius. Det var svårt att få upp en

relevant temperatur.

Körning med fläkt och redskap räckte inte till för att hålla temperaturen så det var svårt att

försöka göra mätningarna med en jämn och relevant temperatur. Detta påvisar dock att

systemet ej har höga förluster. En kall olja gör att flödesförluster ökar och kan vara en

förklaring på tryckpikarna som uppstod på returen. Kall olja medför också att responsen i

systemet blir sämre vilket kan påverka svängningarna för fläkten. Fjädern i kompensatorn kan

vara för vek så att ”slip-stick” effekten uppkommer, vilket bidrar stort till svängningar.

Prototypen var ej komplett på så sätt att den verkliga lasten för fläkten gick ej att uppbringa.

Försök att efterlikna den verkliga lasten gjordes med en strypning av lutfströmmen. Det är ej

säkert att fläkten kommer i svängning med den verkliga lasten.

Simuleringsmodellen har ej verkliga lastcykler och dynamik och kan därför ej verifieras

direkt mot verkligheten. Modellen är främst framtagen för att illustrera vad som kan göras

med reglerteknik och på vilket sätt simulering kan vara nyttig. Vid en verklig styrning av

maskinen med återkoppling kan dynamiken och de verkliga lastfallen vara svåra att reglera.

Framtidsvisioner:

Med detta hydraulsystem kan man ha förinställda program för olika typer sådd. Det kan t.ex.

vara så att man bara väljer sitt utsäde och då ställer billtryck, fläktvarvtal, vingtryck,

utmatning och position för förredskap in sig efter förinställda värden.

60

4.2 Fortsatt Arbete

Fler mätningar bör göras på en komplett maskin i normal drifttemperatur så att man har det

riktiga lastfallet för fläkten.

Det kan vara så att svängningarna för fläkten reduceras med det riktiga lastfallet.

Om svängningarna består bör en närmare analys göras över vad som bidrar till svängningarna.

I analysen bör hydraulmotorn undersökas och om det går att få mer dämpning i hydrauliken.

Det finns möjligheter som att öka dimension på Ls-ledning byta ut fjäder i kompensator och

installera dämpade kompensatorer. En strypning kan sättas mellan fläktens tryckledning och

retur för att uppbringa mer dämpning av fläkten.

I det verkliga driftfallet bör det också undersökas om tryckökningen består i returen. Om det

består kan ett test med en backventil mot dränerledningen testas och då kontrollera hur

dränertrycket påverkas.

En grundlig utvärdering av Väderstadverken AB maskinpark bör göras och där bestämma

vilka maskiner som ska ha Ls-hydraulik. Efter denna analys kan man börja rita lämpliga

moduler som ska kunna användas i flertalet maskiner.

Styrprogrammet och kontrollboxen bör också ses över så det inte finns några buggar och

förbättra menyer.

Man bör också utvärdera om tryckåterkoppling kan användas till billaggregatet och

vingcylindern.

61

5 Källor

1. Kompendium i hydraulik av Olof Olsson och Karl-Erik Rydberg, Instutitionen för

konstruktions och produktionsteknik Linköpings Tekniska Högskola

2. Formelsamling i hydraulik och pneumatik av Ämnesområdet hydraulik och pneumatik

för Instutitionen för konstruktions och produktionsteknik Linköpings Tekniska

Högskola.

Källor från Internet är hämtat: 2010-11-25

3. http://www.iei.liu.se/flumes/tmms10/filarkiv/F%25C3%25B6/1.138192/Mobilehydrau

lics_part1_tmms10_09.pdf

4. http://www.iei.liu.se/flumes/tmms04/filarkiv/lab1/1.116701/PM_Lab1.pdf

5. http://www.iei.liu.se/flumes/tmhp02/filarkiv/F%25C3%25B6/1.124243/F04-

05_Ventiler-Funktionochkarakt.pdf

6. http://www.drivteknik.nu/pid-regulator

62

6 Bilagor

Bilaga 1. Mätningar på prototyp med Fendt 415

Mätningar på protoyp med tillkopplad traktor Fendt 415

Cykelkörning

Mätningen har likvärda egenskaper som mätningen med traktor Valmet 142 se figur 14.

Sekvensen är som tidigare mätning alltså först från låglyft till arbetsläge sedan tillbaka. Man

ser att även med denna traktor fås en momentan tryckspik i returledningen på ca 15 Bar.

Under normal drift ligger returtrycket mellan 3 och 4 Bar.

Fläkten beter sig också likadant som vid tidigare mätning men har något lägre sänkning i

varv/min(se figur 15). Fläkten sjunker som mest med ca 220 varv/min.

Figur 14 visar mätning på systemtryck, Figur 15 är mätning av fläktens varvtal under

Billtryck och returtryck under cykelkörning. cykelkörning.

Justering av billtryck

Enligt figur 16 kan ses att möjligheten att ändra sitt billtryck har samma beetende med Fendt

415 som med Valmet 142.

63

Figur 16 visar funktion justering av billtryck.

Påverkan av billtrycket under körning med system disc och crossboard illusteras med figur

17. Här kan ses att billtrycket påverkas obetydligt, trycket sjunker som mest med ca 1 Bar och

ökar som mest med ca 3 Bar.

Figur 18 visar hur fläkten påverkas och man kan se att som mest sjunker fläktvarvtalet med ca

180 varv/min.

Figur 17 visar systemtryck, billtryck och Figur 18 är mätning av fläktens varvtal.

returtryck.

64

Oaktiv hydraulik

Enligt figur 19 kan man se att Fendt 415 har ett högre grundtryck.

Figur 19 visar mätning av oaktiv maskin.

Tider:

Utfällning av maskin 40s

Hopfällning från arbetsläge. 30s

Låglyft till arbetsläge. 7

Arbetsläge till låglyft 6.5

Tiderna Låglyft till arbetsläge och tvärtom kan optimeras då tidsfördröjning av de olika

funktionerna kan sättas till noll. Denna mätning är gjord för en tänkt sekvens som kan vara

relevant i verkligheten.

65

Bilaga 2. Simuleringsmodell

Bild 17 är modellen som byggts upp för simulering

66

Bilaga 3. Tidplan

Bild 18 visar den tänkta tidplanen från start och den verkliga.

67

Bilaga 4. Komponentlista för prototyp

Komponentlista till prototyp

Befintlig slangdragning återanvänds i möjligaste mån.

Dimensioner [tum] 1/4 3/8 1/2 3/4 meter

Anslutning block(st)

Ls-ledning

nipplar 2

snabbkoppling(hane) 1

snabbkoppling(hona) 1

slang 1 3

presskoppling (invändig gänga) 1

presskoppling (utvändig gänga) 1

Tryckledning

nipplar 2

snabbkoppling(hane) 1

snabbkoppling(hona) 1

slang 1 3

presskoppling inv 90° 1

presskoppling utv 1

Returledning

nipplar 2

snabbkoppling(hane) 1

(övergång till 1tum)

slang ? 1 3

presskoppling inv 90° 1

presskoppling utv 1

Utgående ledningar

Fläkt

nipplar 4

slang 2 1,5

presskoppling inv 2

presskoppling inv 90° 2

68

SD

nipplar 2

slang 2 4

presskoppling inv 2

presskoppling inv 90° 2

såaggregat

nipplar 2

slang 2 4

presskoppling inv 2

presskoppling inv 90° 2

vingar

nipplar 2

slang 2 4

presskoppling inv 2

presskoppling inv 90° 2

markör

nipplar 2

slang 2 3

presskoppling inv 2

presskoppling inv 90° 2

nippel(övergång 3/8-1/4) 2st

plugg på block 2

banjonippel utan strypning 3 2

69

summa slang [m] X 3 1/4 "

X 30 3/8 "

X 3 1/2 "

X 6 3/4 "

summa nipplar X 2 1/4 "

X 8 3/8 "

X 4 1/2 "

X 4 3/4 "

summa snabbkoppling hane X 1 1/4 "

X 2 3/4 "

summa snabbkoppling hona X 1 1/4 "

X 1 3/4 "

summa presskoppling

presskoppling (invändig gänga) X 1 1/4 "

X 8 3/8 "

X 2 1/2 "

presskoppling inv 90° X 8 3/4 "

presskoppling utv X 1 1/4 "

X 2 3/4 "

Kan finnas behov av 1tums slang beroende på om returledning ska ändras

70

Bilaga 5. Utdrag ur manual(såbillstryck)

71

Bilaga 6. Utdrag ur manual(viktöverföring)

72

Bilaga 7. Utdrag ur manual(Infällning)

73

Bilaga 8. Bilder på prototyp

74

75

Bilaga 9. Samtliga ventiler

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106