Geometric and force relationships for the development of a scaled model hydraulic excavator

Hydraulic excavators in the mining industry are widely used owing to the large payload capabilities these machines can achieve. However, there are very few optimisation studies for producing efficient hydraulic excavator backets. An efficient bucket can avoid unnecessary weight; greatly influence the payload and optimise the efficiency of hydraulic mining excavators. This paper presents a framework for the development of a scaled hydraulic excavator by examining the geometry and force relationships. A small hydraulic excavator was purchased and fitted with a broom scaled to a factor. Geometric and force relationships of the model were derived to assist computer instrumentation to retrieve necessary variable input for bucket design.

Trajectory Control of Electro Hydraulic Excavator using Fuzzy Self Tuning Algorithm with Neural Network

This paper presents the trajectory control of a 2DOF mini electro-hydraulic excavator by using fuzzy self tuning with neural network algorithm. First, the mathematical model is derived for the 2DOF mini electro-hydraulic excavator. The fuzzy PID and fuzzy self tuning with neural network are designed for circle trajectory following. Its two links are driven by an electric motor controlled pump system. The experimental results demonstrated that the proposed controllers have better control performance than the conventional controller.

Robust bucket position tracking for a large hydraulic excavator

The device we study is the excavation arm of a large hydraulic mining shovel having a multi-loop kinematic form. We describe an iterative algorithm that allows the position of the bucket to be tracked from measurements of the linear actuator extensions. The important characteristic of this algorithm is that it is numerically well-behaved when the linkage is close to singular configurations. While we focus on a specific device, the algorithm is easy to adapt to other multi-loop linkages. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A numerical and experimental study on energy saving solutions for mobile hydraulic machinery

Energy saving in mobile hydraulic machinery, aimed to fuel consumption reduction, has been one of the principal interests of many researchers and OEMs in the last years. Many different solutions have been proposed and investigated in the literature in order to improve the fuel efficiency, from novel system architectures and strategies to control the system to hybrid solutions. This thesis deals with the energy analysis of a hydraulic system of a middle size excavator through mathematical tools. In order to conduct the analyses the multibody mathematical model of the hydraulic excavator under investigation will be developed and validated on the basis of experimental activities, both on test bench and on the field. The analyses will be carried out considering the typical working cycles of the excavators defined by the JCMAS standard. The simulations results will be analysed and discussed in detail in order to define different solutions for the energy saving in LS hydraulic systems. Among the proposed energy saving solutions, energy recovery systems seem to be very promising for fuel consumption reduction in mobile machinery. In this thesis a novel energy recovery system architecture will be proposed and described in detail. Its dimensioning procedure takes advantage of the dynamic programming algorithm and a prototype will be realized and tested on the excavator under investigation. Finally the energy saving proposed solutions will be compared referring to the standard machinery architecture and a novel hybrid excavator with an energy saving up to 11% will be presented.

液压反铲挖掘机工作装置有限元动态分析

针对挖掘机工作装置的结构特点 ,建立了其系统 3维有限元模型 ,通过分析得出了系统的固有频率和振型 ,以及结构动态响应各时刻的变形和应力分布规律。比较了工作装置在开挖难度较小和较大 2种情况下 ,挖掘阻力对系统动力响应的影响

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Three-dimensional imaging for a very large excavator

In this paper we describe the development of a three-dimensional (3D) imaging system for a 3500 tonne mining machine (dragline).Draglines are large walking cranes used for removing the dirt that covers a coal seam. Our group has been developing a dragline swing automation system since 1994. The system so far has been `blind' to its external environment. The work presented in this paper attempts to give the dragline an ability to sense its surroundings. A 3D digital terrain map (DTM) is created from data obtained from a two-dimensional laser scanner while the dragline swings. Experimental data from an operational dragline are presented.

Experimental evaluation of position control methods for hydraulic systems

Presents a unified and systematic assessment of ten position control strategies for a hydraulic servo system with single-ended cylinder driven by a proportional directional control valve. We aim at identifying those methods that achieve better tracking, have a low sensitivity to system uncertainties, and offer a good balance between development effort and end results. A formal approach for solving this problem relies on several practical metrics, which is introduced herein. Their choice is important, as the comparison results between controllers can vary significantly, depending on the selected criterion. Apart from the quantitative assessment, we also raise aspects which are difficult to quantify, but which must stay in attention when considering the position control problem for this class of hydraulic servo systems.

On the effective hydraulic conductivity and macrodispersivity for density-dependent groundwater flow

In this paper, semi-analytical expressions of the effective hydraulic conductivity ( KE) and macrodispersivity ( αE) for 3D steady-state density-dependent groundwater flow are derived using a stationary spectral method. Based on the derived expressions, we present the dependence of KE and αE on the density of fluid under different dispersivity and spatial correlation scale of hydraulic conductivity. The results show that the horizontal KE and αE are not affected by density-induced flow. However, due to gravitational instability of the fluid induced by density contrasts, both vertical KE and αE are found to be reduced slightly when the density factor ( γ ) is less than 0.01, whereas significant decreases occur when γ exceeds 0.01. Of note, the variation of KE and αE is more significant when local dispersivity is small and the correlation scale of hydraulic conductivity is large.