Na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2018 v Brně byl představen dvoutunový exkavátor (bagr, rýpadlo) s unikátním elektrickým akumulátorovým pohonem, který je výsledkem téměř tříleté výzkumné a vývojové spolupráce společnosti Bosch Rexroth a VUT Brno. Díky náhradě vznětového motoru speciálním elektromotorem poháněným souborem vysokokapacitních elektrických akumulátorů (baterií) pracuje exkavátor bez exhalací a hluku, které běžně provází činnost těchto strojů. Klíčové bylo zejména řešení řízení součinnosti mechanického, hydraulického a elektrického systému. I přes náročnost problému se výsledek výzkumu a vývoje dostavil, o čemž svědčí i to, že exkavátor získal na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2018 zlatou medaili.
Proč elektrický exkavátor
Pro současnou společnost je charakteristický stále větší tlak na ekologičnost. Hybridizace a elektrifikace strojů umožňuje využít k pohonu čistší, obnovitelnou energii. Výrobci exkavátorů se postupně snaží pokrýt tento důležitý segment trhu. Velkou výhodu přináší elektrický exkavátor v oblasti použití. Lze s ním pracovat i tam, kde jsou exkavátory s „naftovým“ motorem často nepoužitelné. Týká se to rekonstrukcí uzavřených nebo čistých prostor - nemocnic, léčeben, školek, jeslí, práce v chráněných oblastech apod.
Kdo exkavátor vytvořil
Na vývoji pohonu a řízení bezemisního exkavátoru pracovala v rámci grantového projektu firma Bosch Rexroth ve spolupráci s VUT v Brně. Navázala tak na předchozí úspěšnou grantovou součinnost při rekuperaci kinetické energie těžkých vozidel s častým rozjezdem a brzděním, a také vývoji hydromobilu a pneumobilů. Za VUT v Brně se na výzkumu a vývoji podíleli pod záštitou Ústavu konstruování vědci z Fakulty strojního inženýrství a Fakulty elektroniky a komunikačních technologií. Bylo třeba vyřešit nejen problém náhrady pohonu existujícího exkavátoru při zachování jeho ostatních částí, ale i změnit systém řízení jednotlivých podsystémů. Nový systém řízení musel zohlednit omezenou kapacitu akumulátorových bloků, které musely být zastavěny do původního rámu stroje. Pro tento účel byl vybrán „malý“ dvoutunový exkavátor E19 od společnosti Doosan Bobcat.
Multidisciplinární problém
Řešení nového typu pohonu vyžadovalo zapojení mechaniky, hydrauliky, elektrotechniky a mechatroniky. V mechanické části se jednalo zejména o náhradu vznětového motoru speciálním synchronním elektromotorem, k němuž bylo potřeba najít vhodný regulační axiální pístový hydrogenerátor s tlakovým regulátorem pro omezení maximálního tlaku oleje. Potřebný hydrogenerátor dodala společnost Bosch Rexroth. Důležitou součástí nového systému je elektrohydraulický rozváděč typu LUDV a elektronické prvky řízení – joysticky zařazené so sítě CAN BUS řízené 32 bitovým kontrolérem. Řízení exkavátoru bylo nutné uzpůsobit tak, aby zahrnovalo všechny zúčastněné oblasti.
Metody řešení
Pro pohon elektromotoru byl stejnosměrný elektrický proud z elektrických akumulátorů změněn měničem frekvence na střídavý třífázový proud. Elektromotor pohání hydrogenerátor dodávající tlakový olej do hydromotorů hydraulického systému exkavátoru. V navrženém pohonu na sebe tedy navazuje řada subsystémů, např. řízení otáček, měnič frekvence, elektromotor, hydrogenerátor a hydromotor s řízením průtoku. Pro výběr prvků nového pohonu exkavátoru a koordinaci a řízení činnosti subsystémů bylo využito matematické modelování celého systému řízení. Důležitým kritériem pro hodnocení výsledků jsou nejen náležité hodnoty výkonových a silových parametrů, ale také rychlost a synchronizovanost odezvy akčních členů exkavátoru na podněty řidiče. Tyto parametry byly simulovány pomocí matematických modelů a kontrolovány experimentálními měřeními. Práce na exkavátoru pokračují a současné výsledky odpovídají předpokládaným parametrům.
Baterie a elektromotor
Dodávku elektrické energie obstarávají bateriové články typu Li-NCM pro dlouhodobé zatížení proudy úrovně 3C (300A). Z oblasti pohonů s třífázovými stejnosměrnými motory s permanentními magnety pro bezpečné napětí 48 V byl inovativně vybrán vysokomomentový motor.
Hydraulika
S výjimkou přímočarých hydromotorů byl celý hydraulický systém vyměněn. Použití axiálního hydrostatického hydrogenerátoru s Load Sensing systémem v kombinaci s elektrickým systémem emulace výkonového regulátoru pro vazbu na proporcionální elektrohydraulický blok s funkcí Flow Sharing (přerozdělování průtoku) přináší do oblasti mobilních pracovních strojů nové možnosti efektivního využití instalované elektrické energie.
Bezpečnost používání stroje
Velký důraz je kladen na bezpečnost používání stroje. Exkavátor byl doplněn o kamerový systém Bosch Surround View, který poskytuje obsluze kompletní rozhled v okruhu 360° kolem stroje.
Testy exkavátoru
Testy funkčnosti a využitelnosti byly prováděny měřením výzkumnými pracovníky v reálných podmínkách na zkušebním pracovišti. Činnost a ovladatelnost bezemisního elektrohydraulického exkavátoru mohli shlédnout i návštěvníci letošního veletrhu.
Dosažené výsledky
Hlavními přednostmi, které činí tento stroj ve svém segmentu výjimečným, jsou bateriový elektrický pohon bez exhalací a hluku spalovacího motoru s novým efektivním systémem řízení a schopnost pracovat bez nabíjení minimálně 7 hodin. Novým řešením byla podstatně snížena hladina hluku stroje, které poklesla z původní hodnoty 93 dB (A) (diesel) na ~62 dB (A). Komplexní řešení podpořené inteligentními elektronickými prvky rozhraní typu člověk-stroj ve spolupráci s výkonným systémem kontroly a řízení představuje novou bezpečnou řadu mobilních zemních strojů s bateriovým napájením, které mohou být nasazeny do běžného užívání zákazníky bez nutnosti průběžného napájení elektrickým proudem. Nový systém řízení je předmětem patentu. Na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2018 v Brně byl bezemisní elektrický exkavátor oceněn Zlatou medailí.