Экомехатроника - Ecomechatronics

Экомехатроника инженерный подход к разработке и применению мехатронных технологий с целью снижения воздействия на окружающую среду и Общая стоимость владения машин. Он основан на интегративном подходе мехатроника, но не только с целью 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 машин нацелены на 3 ключевых направления: энергоэффективность, производительность и удобство использования (шум & вибрации ).

Машина как система, требующая энергии и расходных материалов для преобразования входа в выход, тем самым генерируя выбросы (тепло, шум, ...)
Схема мехатронной системы, состоящей из контроллера, усилителя, привода, механической конструкции и датчиков

Описание

Среди политиков и предприятий обрабатывающей промышленности растет понимание нехватки ресурсов и необходимости устойчивое развитие. Это приводит к новым правилам в отношении конструкции машин (например, Европейская директива по экодизайну 2009/125 / EC) и смене парадигмы на мировом рынке машин: «вместо максимальной прибыли от минимального капитала, максимальная добавленная стоимость должна создаваться с помощью минимальных ресурсов».[1] Обрабатывающая промышленность все чаще требует высокопроизводительных машин, которые экономно расходуют ресурсы (энергию, расходные материалы) в производстве, ориентированном на человека. Машиностроительные компании и производители оригинального оборудования Таким образом, мы призываем ответить на этот рыночный спрос новым поколением высокопроизводительных машин с более высокой энергоэффективностью и комфортом для пользователя.

Динамика цены на сырую нефть. Источник данных: Статистический обзор мировой энергетики 2013, BP.

Снижение потребления энергии снижает затраты на электроэнергию и снижает воздействие на окружающую среду. Обычно более 80% воздействия машины в течение всего жизненного цикла связано с ее потреблением энергии на этапе использования.[2] Следовательно, повышение энергоэффективности машины является наиболее эффективным способом снижения ее воздействия на окружающую среду. Производительность определяет, насколько хорошо машина выполняет свои функции, и обычно связана с производительностью, точностью и доступностью. Комфорт пользователя связан с воздействием шума и вибрации на операторов и окружающую среду в результате работы машины.

Поскольку энергоэффективность, производительность, шум и вибрация взаимосвязаны в машине, их необходимо решать комплексно на этапе проектирования. Пример взаимосвязи между 3 ключевыми областями: с увеличением скорости машины обычно увеличивается производительность машины, но также возрастает потребление энергии, а вибрации машины могут возрастать так, что точность машины (например, точность позиционирования) и доступность (из-за простоев и технического обслуживания) снижаться. Экомехатронный дизайн имеет дело с компромиссом между этими ключевыми областями.

Подход

Экомехатроника влияет на способ проектирования и внедрения мехатронных систем и машин. Поэтому переход на новое поколение машин касается институтов знаний, производители оригинального оборудования, Поставщики программного обеспечения CAE, машиностроители и владельцы промышленного оборудования. Тот факт, что около 80% воздействия машины на окружающую среду определяется ее конструкцией.[3] делает акцент на правильном выборе технологического дизайна. Для комплексного подхода к энергоэффективности, производительности и удобству использования машины требуется основанный на моделях междисциплинарный подход к проектированию.

Ключевые поддерживающие технологии можно разделить на компоненты машин, методы и инструменты проектирования машин и управление машинами. Ниже приведены несколько примеров по категориям.

Компоненты машин

  • Энергоэффективные электродвигатели: ср. классы энергоэффективности электродвигателей, требования к экодизайну электродвигателей
  • Преобразователи частоты: регулируемая скорость двигателя позволяет снизить потребление энергии по сравнению с приложениями с фиксированной скоростью
  • Регулируемые гидравлические насосы: снижение потребления энергии за счет адаптации к требуемому давлению и расходу (например, насос переменного рабочего объема, насос с измерением нагрузки)
  • Технологии накопления энергии: электрические (аккумулятор, конденсатор, суперконденсатор ), гидравлическая (аккумуляторная), кинетическая энергия (маховик ), пневматический, магнитный (сверхпроводящий накопитель магнитной энергии )

Методы и инструменты дизайна

  • Энергетическое моделирование: использование энергетических моделей машин и эмпирических данных (например, карт энергоэффективности) для оценки энергопотребления машины на этапе проектирования
  • Оптимизация спроса на энергию: например, выравнивание нагрузки во избежание пиков потребляемой мощности
  • Гибридизация: применение по крайней мере еще одной промежуточной формы энергии для снижения потребления первичного источника энергии, например в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания (см. трансмиссия гибридного автомобиля )
  • Виброакустический анализ: изучение сигнатуры шума и вибрации машины с целью локализации и различения их основных причин.
  • Многотельное моделирование: моделирование сил взаимодействия и перемещений связанных твердых тел, например для оценки влияния виброгасителей на механическую конструкцию
  • Активное гашение вибрации: например, использование пьезоэлектрических подшипников для активного контроля вибраций машин
  • Быстрое создание прототипов управления: предоставляет инженерам по управлению и обработке сигналов быстрый и недорогой способ проверки конструкции на ранней стадии и оценки компромиссов при проектировании.

Управление машиной

  • Минимизация потребления энергии: управляющие сигналы оптимизированы для минимального потребления энергии
  • Управление энергопотреблением систем накопления энергии: управление потоками мощности и состоянием заряда системы накопления энергии с целью достижения максимальной энергетической выгоды и максимального срока службы системы
  • Управление на основе моделей: использование системных моделей для улучшения результатов (точность, время реакции, ...) управляемой системы
  • (Само) обучающееся управление: управление самоадаптируется к системе и ее изменяющейся среде, что снижает потребность в настройке и адаптации параметров управления инженером по управлению.
  • Оптимальное управление машиной: управление системой рассматривается как задача оптимизации, для которой правила управления считаются оптимальным решением (см. Оптимальный контроль )

Приложения

Некоторые примеры приложений экомехатронной системы:

  • Komatsu PC200-8 Гибрид: первый в мире гибридный экскаватор имеет систему хранения энергии на основе суперконденсаторы. Рекуперация энергии в гидравлической приводной магистрали во время торможения приводит к значительному повышению экономии топлива.
  • Гибридный автобус: коммерциализированы различные типы гибридных автобусов (например, автобус ExquiCity от Ван Хул ), с помощью топливные элементы или дизельный двигатель в качестве первичного источника энергии и аккумуляторов и / или суперконденсаторы как системы хранения энергии.
  • Гибридный трамвай: гибридизация в трамваях обеспечивает рекуперацию энергии, а также мобильность без воздушных линий, как, например, в несколько из Combino Supra трамваи компании Siemens Transportation Systems. В системе используется комбинация тяговых аккумуляторов и суперконденсаторы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Ресурсоэффективное производство». Fraunhofer-Gesellschaft. Получено 10 марта 2014.
  2. ^ ВХК, изд. (18.02.2011). Измененный рабочий план экодизайна - Задачи 1 и 2 Основной отчет (PDF). Брюссель: Европейская комиссия.[постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ «Эко-дизайн энергетических товаров». Генеральный директорат Европейской комиссии по энергетике.