Экошехатроника

Экомехатроника — это инженерный подход к разработке и применению мехатронных технологий с целью снижения воздействия на окружающую среду и совокупной стоимости владения машинами. Он основан на интегративном подходе мехатроники , но не с целью только улучшения функциональности машины. Мехатроника — это междисциплинарная область науки и техники, которая объединяет механику, электронику, теорию управления и информатику для улучшения и оптимизации проектирования и производства продукции. Кроме того, в экомехатронике функциональность должна идти рука об руку с эффективным использованием и ограниченным воздействием на ресурсы. Улучшения машины направлены на три ключевые области: энергоэффективность , производительность и комфорт пользователя ( шум и вибрация ).

Схема мехатронной системы, состоящей из контроллера, усилителя, привода, механической конструкции и датчиков.

Описание

Среди политиков и представителей обрабатывающей промышленности растет осознание нехватки ресурсов и необходимости устойчивого развития . Это приводит к появлению новых правил в отношении проектирования машин (например, Европейская директива по экодизайну 2009/125/EC) и к сдвигу парадигмы на мировом рынке машин: «вместо максимальной прибыли от минимального капитала должна быть получена максимальная добавленная стоимость за счет минимальные ресурсы». ^[1] Производственные отрасли все чаще требуют высокопроизводительных машин, которые экономично используют ресурсы (энергию, расходные материалы) в производстве, ориентированном на человека. Таким образом, машиностроительным компаниям и производителям оригинального оборудования настоятельно рекомендуется отреагировать на этот рыночный спрос новым поколением высокопроизводительных машин с более высокой энергоэффективностью и комфортом пользователя.

Снижение энергопотребления снижает затраты на электроэнергию и снижает воздействие на окружающую среду. Обычно более 80 % воздействия машины на весь жизненный цикл приходится на потребление энергии на этапе использования. ^[2] Таким образом, повышение энергоэффективности машины является наиболее эффективным способом снижения ее воздействия на окружающую среду. Производительность определяет, насколько хорошо машина выполняет свою функцию, и обычно связана с производительностью, точностью и доступностью. Комфорт пользователя связан с воздействием на операторов и окружающую среду шума и вибрации, возникающих при работе машины.

Поскольку энергоэффективность, производительность, шум и вибрация связаны в машине, их необходимо решать комплексно на этапе проектирования. Пример взаимосвязи между тремя ключевыми областями: с увеличением скорости машины обычно увеличивается производительность машины, но потребление энергии также увеличивается, а вибрация машины может увеличиваться настолько, что точность машины (например, точность позиционирования) и доступность (из-за простоев и технического обслуживания) снижаться. Экошехатронный дизайн занимается поиском компромисса между этими ключевыми областями.

Подход

Экомехатроника влияет на то, как проектируются и внедряются мехатронные системы и машины. Таким образом, переход к новому поколению машин касается научных институтов, производителей оригинального оборудования , поставщиков программного обеспечения CAE, производителей машин и владельцев промышленных машин. Тот факт, что около 80% воздействия машины на окружающую среду определяется ее конструкцией. ^[3] уделяет особое внимание правильному выбору технологических решений. Для комплексного решения вопросов энергоэффективности, производительности и комфорта пользователя машины необходим междисциплинарный подход к проектированию на основе моделей.

Ключевые технологии можно разделить на компоненты машин, методы и инструменты проектирования машин, а также управление машинами. Ниже приведены несколько примеров для каждой категории.

Компоненты машины

Энергоэффективные электродвигатели: ср. классы энергоэффективности электродвигателей, требования экодизайна к электродвигателям
Частотно-регулируемые приводы : переменная скорость двигателя позволяет снизить энергопотребление по сравнению с приложениями с фиксированной скоростью.
Гидравлические насосы переменной производительности: снижение энергопотребления за счет адаптации к требуемому давлению и расходу (например, насос переменной производительности, насос с измерением нагрузки)
Технологии хранения энергии: электрические (батарея, конденсатор, суперконденсатор ), гидравлические (аккумулятор), кинетическая энергия ( маховик ), пневматические, магнитные ( сверхпроводящие магнитные накопители энергии )

Методы и инструменты проектирования

Энергетическое моделирование: использование энергетических моделей машин и эмпирических данных (например, карт энергоэффективности) для оценки энергопотребления машины на этапе проектирования.
Оптимизация энергопотребления: например, выравнивание нагрузки во избежание пиков энергопотребления.
Гибридизация: применение хотя бы еще одной промежуточной формы энергии для снижения потребления первичного источника энергии, например, в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания (см. трансмиссию гибридного автомобиля ).
Виброакустический анализ: исследование характеристик шума и вибрации машины с целью локализации и дифференциации их коренных причин.
Многотельное моделирование: моделирование сил взаимодействия и смещений связанных твердых тел, например, для оценки влияния гасителей вибрации на механическую конструкцию.
Активное гашение вибраций: например, использование пьезоэлектрических подшипников для активного контроля вибраций машины.
Быстрое прототипирование управления : предоставляет инженерам по управлению и обработке сигналов быстрый и недорогой способ ранней проверки проектов и оценки компромиссных решений.

Управление машиной

Минимизация энергопотребления: управляющие сигналы оптимизированы для минимального энергопотребления.
Энергоменеджмент систем хранения энергии: контроль потоков мощности и состояния заряда системы хранения энергии с целью достижения максимальной энергетической выгоды и максимального срока службы системы.
Управление на основе моделей: использование системных моделей для улучшения результатов (точности, времени реакции и т. д.) управляемой системы.
(Само)обучающееся управление: управление самоадаптируется к системе и ее изменяющейся среде, уменьшая необходимость настройки и адаптации параметров управления инженером по управлению.
Оптимальное управление машиной: управление системой рассматривается как задача оптимизации, для которой правила управления считаются оптимальным решением (см. Оптимальное управление ).

Приложения

Некоторые примеры применения экомехатронных систем:

Komatsu PC200-8 Hybrid : первый в мире гибридный экскаватор имеет систему хранения энергии на основе суперконденсаторов . Рекуперация энергии в гидравлической линии привода во время торможения приводит к значительному улучшению экономии топлива.
Гибридный автобус: были коммерциализированы различные типы гибридных автобусов (например, автобус ExquiCity от Van Hool ), в которых в качестве основного источника энергии используются топливные элементы или дизельный двигатель, а в качестве систем хранения энергии используются батареи и/или суперконденсаторы.
Гибридный трамвай: гибридизация в трамваях обеспечивает рекуперацию энергии, а также мобильность без воздушных линий связи, как это применяется, например, в некоторых Combino Supra трамваях от Siemens Transportation Systems. В системе используется комбинация тяговых батарей и суперконденсаторов.

См. также

Ссылки

^ «Ресурсоэффективное производство» . Фраунгофера-Гезельшафт . Проверено 10 марта 2014 г.
^ ВХК, изд. (18 февраля 2011 г.). Измененный рабочий план по экодизайну — задачи 1 и 2. Основной отчет (PDF) . Брюссель: Европейская комиссия. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Экодизайн энергетической продукции» . Генеральный директорат по энергетике Европейской комиссии.

«Влияние на жизненный цикл, связанное с энергопотреблением, и возможности снижения затрат при проектировании машин: случай лазерной резки», Т. Деволдер и др., Материалы 15-й Международной конференции CIRP по проектированию жизненного цикла, 2008 г.
«Более эффективные машины благодаря проектированию на основе моделей» ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} В. Сименс, презентация на Дне развития, основанном на моделях, 9 мая 2012 г., Хертогенбос, Нидерланды
«На пути к мехатронному компилятору». ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} Х. Ван Брюссель, Презентация на семинаре ACCM по мехатронному дизайну 2012, 30 ноября 2012 г., Линц, Австрия
Обучение управлению производственными машинами

[1] «Ресурсоэффективное производство» . Фраунгофера-Гезельшафт . Проверено 10 марта 2014 г.

[2] ВХК, изд. (18 февраля 2011 г.). Измененный рабочий план по экодизайну — задачи 1 и 2. Основной отчет (PDF) . Брюссель: Европейская комиссия. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[3] «Экодизайн энергетической продукции» . Генеральный директорат по энергетике Европейской комиссии.

[1]

[2]

[3]