Energy saving solutions and system layouts analysis for earth-moving machinery - The case of a hydraulic excavator

Questa tesi di dottorato propone soluzioni di risparmio energetico e analizza diversi layout circuitali per un escavatore di medie dimensioni con l'obiettivo di migliorarne l'efficienza energetica e ridurre il consumo di combustibile. Negli ultimi anni, le emissioni inquinanti e la crisi energetica sono diventate questioni di natura globale. Il conseguente aumento dei costi del carburante e normative più stringenti hanno costretto il mondo accademico a focalizzare l'attenzione sul miglioramento dell'efficienza e sulla riduzione del consumo di carburante, anche per le macchine mobili. Per soddisfare queste esigenze di mercato, i costruttori di macchine movimento terra si stanno concentrando sullo sviluppo di soluzioni che permettano miglioramenti energetici e che riguardano non solo il sistema idraulico ma anche l'interazione tra il motore e il sistema idraulico, nuove strategie di controllo e migliori algoritmi per il controllo. Si possono distinguere diversi approcci per una nuova progettazione del sistema; l'attività svolta in questa tesi ha lo scopo di indagare questi approcci e trovare il sistema idraulico più efficiente per l'escavatore da 9 tonnellate oggetto di studio. Il punto di partenza di questo progetto è stato lo sviluppo di un modello dettagliato della macchina, calibrato e validato su prove sperimentali; i risultati numerici sono stati ottenuti sulla base di cicli di lavoro definiti dalla normative JCMAS che fornisce informazioni sui cicli di lavoro tipici per la macchina considerata. L'escavatore è originariamente dotato di un sistema idraulico Load Sensing Flow Sharing. Sono state identificate diverse soluzioni di risparmio energetico per il sistema di riferimento, tra cui l'ibridizzazione idraulica, variazione dinamica del pump margin della pompa, sistema con metering separato e sistema con doppia pompa. Una metodologia di ottimizzazione è stata sfruttata per gestire la strategia di controllo e dimensionare i componenti principali. Inoltre, sono stati studiati e modellati layout circuitali alternativi, a centro chiuso e a centro aperto, e confrontati con il sistema di riferimento per definire la migliore soluzione in termini di efficienza energetica e consumo di carburante. Per ciascuna soluzione, le leggi d’area del gruppo di distribuzione sono state ottimizzate attraverso una metodologia dedicata basata su algoritmi genetici per valutare e quantificare la loro influenza sul consumo di carburante e sulle prestazioni della macchina. I risultati della simulazione hanno mostrato le potenzialità dei layout proposti in termini di risparmio di carburante, così come i risultati di ottimizzazione hanno evidenziato l'impatto importante delle leggi d’area sui consume del sistema. In conclusione, questa Tesi ha dato un contributo allo sviluppo di soluzioni di risparmio energetico e allo studio di layout circuitali per un escavatore idraulico con l'obiettivo di migliorare l'efficienza energetica e ridurre il consumo di carburante. I risultati ottenuti sono incoraggianti e creano la base per gli sviluppi futuri.