Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

In this thesis hybridization of heavy duty mobile working machines is studied by simulations. In the thesis is presented a system based on the concept of simulation-in-the-loop-simulation, which can be used to model the working machine mechanical parts using multibody dynamics simulation and the hybrid system using Simulink. The machine example is a load haul machine used in underground mines. Hybridization is done with two different concepts, which are ana-lyzed in terms of performance and fuel consumption. Results are compared to traditional diesel powered machine. The research presented in the thesis shows that (series-) hybridization can yield significant benefits in fuel efficiency of heavy duty working machines. The diesel motor can be driven in such a static operation point, where the efficiency is at maximum, regardless of the loads of the machine itself. In the research the gained benefit was at best 56 % drop in fuel consumption. In addition, the required diesel motor rated power decreases significantly. As a part of the research also a Hardware-in-the-Loop simulation system is presented. With the system it is possible to attach a real electrical motor to otherwise virtually simulated working machine.