Экомехатроника — это инженерный подход к разработке и применению мехатронной технологии с целью снижения экологического воздействия и общей 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. В экомехатронике, кроме того, функциональность должна идти рука об руку с эффективным использованием и ограниченным воздействием на ресурсы. Улучшения машин нацелены на 3 ключевые области: энергоэффективность , производительность и комфорт пользователя ( шум и вибрации ).
Машина как система, требующая энергии и расходных материалов для преобразования входных данных в выходные, тем самым генерируя выбросы (тепло, шум и т. д.)Схема мехатронной системы, состоящей из контроллера, усилителя, привода, механической структуры и датчиков
Описание
Среди политиков и производственных отраслей растет понимание нехватки ресурсов и необходимости устойчивого развития . Это приводит к появлению новых правил в отношении проектирования машин (например, Европейской директивы по экодизайну 2009/125/EC) и к изменению парадигмы на мировом рынке машин: «вместо максимальной прибыли от минимального капитала, максимальная добавленная стоимость должна быть получена из минимальных ресурсов». [1] Производственные отрасли все больше нуждаются в высокопроизводительных машинах, которые экономно используют ресурсы (энергию, расходные материалы) в производстве, ориентированном на человека. Таким образом, машиностроительные компании и производители оригинального оборудования призваны реагировать на этот рыночный спрос новым поколением высокопроизводительных машин с более высокой энергоэффективностью и комфортом для пользователя.
Эволюция цен на сырую нефть. Источник данных: Статистический обзор мировой энергетики 2013, BP
Сокращение потребления энергии снижает затраты на энергию и уменьшает воздействие на окружающую среду. Обычно более 80% воздействия всего жизненного цикла машины приписывается ее потреблению энергии на этапе использования. [2] Поэтому повышение энергоэффективности машины является наиболее эффективным способом снижения ее воздействия на окружающую среду. Производительность количественно определяет, насколько хорошо машина выполняет свою функцию, и обычно связана с производительностью, точностью и доступностью. Комфорт пользователя связан с воздействием шума и вибраций на операторов и окружающую среду из-за работы машины.
Поскольку энергоэффективность, производительность, шум и вибрации связаны в машине, их необходимо решать комплексно на этапе проектирования. Пример взаимосвязи между 3 ключевыми областями: с увеличением скорости машины производительность машины обычно увеличивается, но потребление энергии также увеличивается, а вибрации машины могут увеличиваться, так что точность машины (например, точность позиционирования) и доступность (из-за простоев и обслуживания) снижаются. Экомехатронное проектирование занимается компромиссом между этими ключевыми областями.
Подход
Экомехатроника влияет на то, как проектируются и внедряются мехатронные системы и машины. Поэтому переход к новому поколению машин касается институтов знаний, 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], делает акцент на правильном выборе технологического дизайна. Для комплексного решения вопросов энергоэффективности, производительности и удобства пользователя машины необходим основанный на моделях многопрофильный подход к проектированию.
Ключевые технологии, обеспечивающие возможность, можно разделить на компоненты машин, методы и инструменты проектирования машин и управление машинами. Ниже приведено несколько примеров по категориям.
Компоненты машины
Энергоэффективные электродвигатели: см. классы энергоэффективности электродвигателей, требования к экодизайну электродвигателей.
Частотно-регулируемые приводы : переменная скорость двигателя позволяет снизить потребление энергии 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)
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 для предотвращения пиков спроса на электроэнергию
Гибридизация: применение по крайней мере одной другой, промежуточной формы энергии с целью снижения потребления первичного источника энергии, например, в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания (см. гибридную трансмиссию транспортного средства ).
Виброакустический анализ: изучение характеристик шума и вибрации машины с целью локализации и дифференциации их основных причин.
Многотельное моделирование: моделирование сил взаимодействия и смещений связанных твердых тел, например, для оценки влияния гасителей колебаний на механическую конструкцию.
Активное гашение вибраций: например, использование пьезоэлектрических подшипников для активного контроля вибраций машины
Быстрое прототипирование систем управления : обеспечивает быстрый и недорогой способ для инженеров по управлению и обработке сигналов проверять проекты на ранних этапах и оценивать компромиссы в проектировании.
Управление машиной
Минимизация энергопотребления: сигналы управления оптимизированы для минимального энергопотребления
Управление энергопотреблением 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 преимуществ системных моделей для улучшения результатов (точности, времени реакции, ...) контролируемой системы.
(Само)обучающееся управление: управление, самоадаптирующееся к системе и ее изменяющейся среде, что снижает 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
Вот некоторые примеры применения экомехатронных систем:
Komatsu PC200-8 Hybrid : первый в мире гибридный экскаватор с системой накопления энергии на основе суперконденсаторов . Рекуперация энергии в гидравлической приводной линии во время торможения приводит к значительному улучшению топливной экономичности.
Гибридный автобус: в продажу поступили различные типы гибридных автобусов (например, автобус ExquiCity компании Van Hool ), в которых в качестве основного источника энергии используются топливные элементы или дизельный двигатель, а в качестве систем хранения энергии — батареи и/или суперконденсаторы.
Гибридный трамвай: гибридизация в трамваях позволяет рекуперировать энергию, а также мобильность без воздушных линий, как это применяется, например, в некоторых трамваях Combino Supra от Siemens Transportation Systems. Система использует комбинацию тяговых аккумуляторов и суперконденсаторов.
^ "Ресурсоэффективное производство". Fraunhofer-Gesellschaft . Получено 10 марта 2014 г.
^ VHK, ред. (2011-02-18). Измененный рабочий план по экодизайну — Основной отчет по задачам 1 и 2 (PDF) . Брюссель: Европейская комиссия.[ постоянная мертвая ссылка ]
^ «Экодизайн энергосвязанных продуктов». Генеральный директорат Европейской комиссии по энергетике.
«Возможности снижения затрат и влияния жизненного цикла, связанного с энергоресурсами, на проектирование машин: случай лазерной резки», Т. Деволдере и др., Труды 15-й Международной конференции CIRP по проектированию жизненного цикла, 2008 г.
«Более эффективные машины благодаря проектированию на основе моделей», [ постоянная неработающая ссылка ] В. Сайменс, Презентация на Дне разработки на основе моделей, 9 мая 2012 г., Хертогенбос, Нидерланды
«На пути к мехатронному компилятору», [ постоянная неработающая ссылка ] Х. Ван Бруссел, Презентация на семинаре ACCM по мехатронному проектированию 2012, 30 ноября 2012 г., Линц, Австрия
