Doktorska Disertacija Goran Gr

SVEUILITE U RIJECI TEHNIKI FAKULTET

PRILOG ISTRAIVANJU MODELIRANJA HIDROSTATSKE TRANSMISIJE NA UMSKOM VOZILU

Doktorska disertacija

Goran Gregov

Rijeka, 2012.

SVEUILITE U RIJECI TEHNIKI FAKULTET

PRILOG ISTRAIVANJU MODELIRANJA HIDROSTATSKE TRANSMISIJE NA UMSKOM VOZILU

Doktorska disertacija

Goran Gregov

Mentor: Red. prof. dr. sc. Dubravka Siminiati, mag. ing. mech.

Rijeka, 2012.

G. Gregov, Doktorska disertacija, Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije

I

Predgovor

Ovom prigodom se elim zahvaliti svima koji su pomogli u izradi ove doktorske

disertacije. U prvom redu mentorici red. prof. dr. sc. Dubravki Siminiati na vodstvu i

strunom usmjeravanju, kao i na korisnim sugestijama na predloeni rukopis disertacije.

Ujedno bi se elio zahvaliti svima koju su financijski te savjetima i radom sudjelovali u

izvedbi eksperimentalnog dijela doktorske disertacije. Upravi Tehnikog fakulteta i

vodstvu Zavoda za konstruiranje u strojarstvu na neophodnoj financijskoj pomoi.

Voditelju znanstvenog projekta ''Konstrukcija i optimizacija prijenosnika snage'' red.

prof. dr. sc. Borisu Obsiegeru u sklopu kojeg su izvedena istraivanja. Dodatno bi se

zahvalio zaposlenicima tvrtke ''3.MAJ-MID''-Rijeka, na strojnoj obradi mehanike

konice, gosp. Mili Tomiu iz tvrtke ''Hansa Flex''-Zagreb, zaposlenicima tvrtke

''Hidel''-Rijeka, te tvrtkama ''Balaena''-Rijeka, ''Tibo-3.MAJ''-Rijeka i ''Hittner''-

Bjelovar.

Takoer se zahvaljujem na suradnji, doc. dr. sc. Marijanu unjaru s umarskog

fakulteta u Zagrebu, svim profesorima i asistentima s Zavoda za konstruiranje u

strojarstvu Tehnikog fakulteta u Rijeci kao i ostalim kolegama s fakulteta.

Veliku zahvalnost dugujem i svojoj obitelji, roditeljima i bratu koji su mi bili

potpora kroz kolovanje i ivot. Najveu zahvalnost dugujem svojoj djevojci Irini na

dugogodinjoj potpori i vjeri u mene u svakom ivotnom trenutku.


II


III

Saetak

U ovoj doktorskoj disertaciji izraen je numeriki model i sprovedena analiza

hidrostatske transmisije za umsko vozilo tzv. skider. Poznato je da su to vozila s

ekstremno tekim uvjetima vonje po neravnom i nagnutom umskom tlu te da se danas

u skidere preteito ugrauje mehanika transmisija. Mogunost uporabe hidrostatske

transmisije temeljena je na ope poznatoj injenici o ekonominosti takvog rjeenja.

Analiza je provedena na temelju razvijenog numerikog modela uporabom metoda

bijele, crne i sive kutije. Zbog specifinosti hidrostatske transmisije, analiziranog vozila

i mogunosti kojima se raspolagalo u laboratorijskim uvjetima, metoda bijele kutije

omoguila je isto teorijski pristup. Preciznost metode crne kutije uvelike je ovisila o

laboratorijskim mjerenjima, dok je metoda sive kutije dala realne rezultate i omoguila

visok stupanj openitog pristupa rjeavanju hidrostatske transmisije. Za numeriku

analizu crne i sive kutije uporabljena je metoda umjetnih neuronskih mrea. Ispravnost

modela dokazana je na postojeem skideru s mehanikom transmisijom. Analiza je

pokazala da je za pogon hidrostatskom transmisijom na takvom skideru potrebno 40%

manje snage. Uteda energije bila bi i vea da se umjesto uljne koristi vodena

hidraulika, to je takoer dokazano. Ovim je radom dokazana opravdanost uporabe

hidrostatske transmisije ne samo zbog utede energije ve i doprinos u zatiti okolia sa

stajalita emisije tetnih plinova, zagaenja i sabijanja umskog tla. Ne manje znaajno

je i injenica da se razvijeni numeriki model moe koristi i za regulaciju hidrostatskog

sustava to na vozilu s vrlo zahtjevnom eksploatacijskom tehnologijom znai sigurnost i

komfor korisnika.


IV


V

Summary

In this dissertation a numerical model was developed and analysis was carried out

on hydrostatic transmission for a forest vehicle so-called skidder. It is known that these

vehicles have extremely difficult driving conditions on uneven and sloping forest terrain

and that nowadays mechanical transmissions are predominantly mounted in the skidder.

The possibility of apply of the hydrostatic transmissions is based on the general well-

known fact about the economy of such solutions. The analysis was carried out on the

basis of the developed numerical model using the methods of white, black and gray box.

Because of the specificity of the hydrostatic transmission, the analyzed vehicles and

opportunities which have been used in laboratory conditions, the method enabled the

white box is purely theoretical approach. The precision of black box method largely

depended on the laboratory measurements, while the gray box method gave accurate

results and provide a high level of general approach to solving the hydrostatic

transmission. For the numerical analysis with black and gray boxes the method of

artificial neural networks has been used. Validity of the approach is demonstrated on

existing skidder with mechanical transmission. The analysis has demonstrated that for

the hydrostatic drive transmission in such a skidder takes 40% less power. Energy

savings would be greater if tap water instead of oil hydraulics is used, which is also

demonstrated. This work established the validity of use of hydrostatic transmissions not

only to save energy, also contribute in protecting the environment from the standpoint

of emissions and pollution of soils. No less significant is the fact that the developed

numerical model can be used in control of the hydrostatic system that for the vehicle

with very demanding technology exploitation means safety and comfort of the user.


VI


VII

Sadraj

1. Uvod .......................................................................................................................... 1

2. Problematika i cilj istraivanja ................................................................................. 6

2.1 umsko vozilo skider ......................................................................................... 6

2.1.1 Razvoj i podjela umskih vozila ................................................................. 7

2.1.2 Razvoj umskih vozila u Hrvatskoj .......................................................... 10

2.1.3 Razvoj hidrostatske transmisije na umskim vozilima ............................. 11

2.1.4 Tehniko-tehnoloke znaajke skidera ..................................................... 13

2.2 Prijenosnici snage na mobilnim pogonima ...................................................... 16

2.2.1 Prijenosnici/pretvarai snage i gibanja ..................................................... 16

2.2.2 Mehanika transmisija .............................................................................. 19

2.2.3 Hidrostatska transmisija ............................................................................ 21

2.2.4 Hidrostatsko-mehanika transmisija ......................................................... 24

2.3 Dosadanji naini modeliranja hidrostatske transmisije .................................. 27

2.4 Cilj istraivanja ................................................................................................ 37

3. Matematiki model hidrostatske transmisije ......................................................... 42


VIII

3.1 Jednadba dinamike tlaka ................................................................................. 42

3.2 Matematiki model hidraulike pumpe ............................................................ 47

3.3 Matematiki model hidromotora ...................................................................... 49

3.4 Matematiki model hidraulikih cijevi ............................................................. 51

4. Matematiko modeliranje nelinearnih sustava ........................................................ 53

4.1 Model bijele kutije ............................................................................................ 54

4.2 Model crne kutije .............................................................................................. 55

4.3 Model sive kutije .............................................................................................. 56

4.4 Umjetne neuronske mree ................................................................................ 57

4.4.1 Bioloki neuron .............................................................................................. 59

4.4.2 Umjetni neuron ............................................................................................... 60

4.4.3 Uenje umjetne neuronske mree .................................................................. 62

4.4.4 Vrste umjetnih neuronskih mrea .................................................................. 65

4.4.5 Vieslojna unaprijedna neuronska mrea ....................................................... 65

4.4.6 Dinamika NARX neuronska mrea .............................................................. 67

5. Eksperimentalna ispitivanja ................................................................................. 71

5.1 Laboratorijski hidrauliki sustav ...................................................................... 71

5.1.1 Hidrauliki agregat .................................................................................... 72

5.1.2 Hidromotor ................................................................................................ 75

5.1.3 Mehaniko tarna konica .......................................................................... 75

5.2 Mjerna oprema .................................................................................................. 78

5.2.1 Mjerni ureaj ............................................................................................. 78

5.2.2 Osjetnik tlaka i temperature ...................................................................... 79

5.2.3 Osjetnik brzine vrtnje ................................................................................ 80

5.3 Metodologija i rezultati mjerenja ..................................................................... 81

6. Numeriko modeliranje i simulacija hidrostatske transmisije ............................... 86


IX

6.1 Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije na principu bijele kutije ...... 86

6.1.1 Numeriki model hidraulike pumpe ............................................................ 89

6.1.2 Numeriki model hidromotora ....................................................................... 90

6.1.3 Numeriki model hidraulikih cijevi ............................................................. 91

6.1.4 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu bijele

kutije ....................................................................................................................... 93

6.2 Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije na principu crne kutije ...... 105

6.2.1 Numeriko modeliranje crne kutije pomou vieslojne unaprijedna neuronske

mree ..................................................................................................................... 106

6.2.2 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu crne

kutije pomou vieslojne unaprijedna neuronske mree ...................................... 108

6.2.3 Numeriko modeliranje crne kutije pomou NARX dinamike neuronske

mree ..................................................................................................................... 113

6.2.4 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu crne

kutije pomou NARX dinamike neuronske mree ............................................. 113

6.3 Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije na principu sive kutije ...... 117

6.3.1 Simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije na principu sive

kutije ..................................................................................................................... 120

7. Skider s hidrostatskom transmisijom .................................................................... 123

7.1 Dinamiki model optereenja skidera ............................................................. 124

7.2 Proraun optereenja skidera ECOTRAC 120V ............................................ 128

7.3 Izbor komponenata hidrostatske transmisije za skider ECOTRAC 120V ...... 134

7.4 Simulacija hidrostatske transmisije za skider ECOTRAC 120V .................... 138

8. Zakljuak .............................................................................................................. 145

9. Budua istraivanja ............................................................................................... 149

Popis literature .............................................................................................................. 154

Popis oznaka i simbola ................................................................................................. 161


X

Popis slika ..................................................................................................................... 165

Popis tablica .................................................................................................................. 169

ivotopis ........................................................................................................................ 170


1

1. Uvod

Razvitak vozila za radove u umi datira iz 50-ih godina prolog stoljea. Isprva su

to bili uglavnom adaptirani traktori kojima se drvena graa izvlaila iz ume i ukrcavala

na vozila za transport do mjesta prerade. Zbog loih radnih karakteristika adaptiranih

traktora razvijaju se specijalizirani umski zglobni traktori tzv. skideri. Rad skidera

odvija se jednim krajem tovara odignutim od tla i oslonjenim na stranji kraj vozila, dok

se drugi kraj tovara vue po tlu. Prouavanjem povijesnog razvoja te trenutnog razvoja i

proizvodnje skidera u svijetu i Republici Hrvatskoj, dolazi se do zakljuka da veina

skidera koristi mehaniku transmisiju. Glavni nedostaci mehanike transmisije su

skokovita promjena prijenosnog omjera zbog mjenjaa koji radi na principu zupastog

prijenosa, mali omjer snage po jedinici mase, slaba fleksibilnost i nemogunost

regulacije to direktno utjee na proklizavanje kotaa skidera te sabijanje umskog tla.

Sabijanje umskog tla utjee na korijenov sustav biljaka to je glavni uzrok smanjenja

rasta biljaka.

Primjena hidrostatske transmisije kod vozila omoguuje postizanje velikih snaga i

momenata s ureajima malih dimenzija. Takoer se ostvaruje kontinuirano varijabilna

transmisija unutar cijelog radnog podruja, pri emu daje najbolje prijenosne omjere

izmeu pogonskog motora i kotaa to poveava dinamike performanse i smanjuje

potronju goriva. Naglasak na toj injenici je upravo danas u vrijeme poveane skrbi o

utedi energenata te zatite okolia smanjenjem emisije tetnih plinova (CO2 i NOx).


2

Hidrostatskom transmisijom se mogu ostvariti veliki momenti pri malim brzinama

vrtnje to utjee na smanjenje proklizavanja kotaa skidera te rezultira manjim

sabijanjem umskog tla.

Skider je uglavnom namijenjen za vonju umskim tlom to predstavlja najvei

izazov kod konstruiranja hidrostatske transmisije iz ega proizlazi osnovna motivacija

istraivanja ove disertacije. Razlog tome je to osim nagiba koje vozilo mora svladati

postoji neravna povrinska struktura umskog tla s udubinama, izboinama i

preprekama. Zbog toga se javlja nejednoliki moment optereenja na kotaima skidera

to direktno utjee na nejednoliko optereenje hidrostatske transmisije. Kao rezultat

toga, javljaju se velike vrne vrijednosti tlaka radne tekuine to utjee na pojavu buke u

radu te oteenja komponenata to bitno smanjuje njihovu pouzdanost u radu i trajnost.

Pojava nejednolikog momenta optereenja zahtijeva izradu numerikog modela

hidrostatske transmisije kao nelinearnog sustava. Takav zahtijevan reim rada mogue

se optimirati, a numeriki model potom implementirati na elektroniki sustav za

regulaciju. Prema tome rezultati simulacije razliitih reima rada, omoguilo bi da se za

kritine reime rada s optimiranim parametrima (npr. tlak i protok) sprijee neeljeni

efekti kao to su vrni tlakovi.

Metodologija istraivanja zapoinje izradom numerikog modela koristei

poznate matematike jednadbe koje opisuje dinamiku hidrostatske transmisije tzv.

model bijele kutije. Cilj izrade ovakvoga modela je ostvariti teorijsku simulaciju

hidrostatske transmisije te dokazati prednosti i mane ovakvog modela. Nedostaci

modela bijele kutije proizlaze iz potrebe poznavanja svih parametara i veliina sustava

to je kod nelinearnih sustava kao to je hidrostatska transmisija vrlo komplicirano.

Zbog toga slijedi izrada numerikog modela hidrostatske transmisije na principu crne

kutije. Model crne kutije se promatra kao potpuno nepoznat sustav, a nepoznati

parametri modela se predviaju koristei podatke dobivene eksperimentalnim

mjerenjima. Model se predvia za odnos ulaznih i izlaznih podataka to kod modela

hidrostatske transmisije predstavlja razliku tlaka (ulazni) i brzine vrtnje (izlazni)

hidromotora. Za rjeavanje modela crne kutije hidrostatske transmisije odabire se

metoda umjetnih neuronskih mrea koja podrazumijeva kreiranje modela sposobnog da

procesuira informacije, analogno aktivnostima ovjekovog mozga. Prednost neuronskih


3

mrea je njihova sposobnost uenja koja im daje prirodna svojstva pri modeliranju

realnih sustava u odnosu na klasine sustave koje je potrebno programirati te velika

brzina rada i tonost. Nakon izrade numerikog modela hidrostatske transmisije na

principu bijele i crne kutije proizlazi pretpostavka da bi se njihovom kombinacijom

ostvarili bolji rezultati i realnija dinamika sustava. Kod modela sive kutije poznati e se

dijelovi modelirati na principu bijele kutije, dok e se nepoznati dijelovi modela (model

optereenja hidromotora) modelirati ili bolje reeno predviati na principu crne kutije.

Za validaciju numerikih modela hidrostatske transmisije koristiti e se

laboratorijska eksperimentalna mjerenja. Laboratorijski hidrauliki sustav sastavljen je

od hidraulikog agregata spojenog s hidromotorom preko elastinih cijevi te ventila za

ogranienje tlaka s kojim je definiran maksimalni tlak sustava. Optereenje hidromotora

se ostvaruje pomou mehaniko tarne konice, koja ima mogunost nejednolikog

koenja. Mjerna oprema se sastoji od osjetnika za mjerenje tlaka, temperature i brzine

vrtnje te mjernog ureaja. Promjena reima rada odnosno dinamike hidromotora ostvarit

e se pomou nejednolikog koenja hidromotora. Ovakvim nainom provoenja

eksperimenta eli se simulirati moment optereenja koji se javlja na kotau skidera kod

vonje neravnim umskim tlom ime se ostvaruje veza izmeu laboratorijskog

hidrostatskog sustava i stvarnog hidrostatskog sustava skidera.

Izraeni numeriki model hidrostatske transmisije e se primijeniti kod simulacije

hidrostatske transmisije skidera ECOTRAC 120V proizvoaa ''Hittner''-Bjelovar.

Skider ECOTRAC 120V ima mehaniku transmisiju te e se njegovi tehniki podaci i

radne karakteristike koristiti kod prorauna optereenja skidera. Na temelju dobivenih

rezultata predloit e se komponente hidrostatske transmisije. Nakon odabira

hidraulikih komponenti provesti e se simulacija hidrostatske transmisije s novo

dobivenim parametrima i usporediti e se dobiveni rezultati snage s eksperimentalno

izmjerenim rezultatima snage skider ECOTRAC 120V. Pretpostavilo se da bi za iste

parametre skidera hidrostatskom transmisijom bilo potrebno uloiti manje energije iz

ega proizlazi manja potronja goriva pogonskog motora i manja koliina ispunih

plinova.


4

Rad je tematski podijeljen na devet poglavlja. Prvim poglavljem se uvodi u

problematiku umskih vozila i hidrostatske transmisije kako bi se ukazalo na motivaciju

autora za istraivanje u tom podruju.

U drugom poglavlju detaljno je opisana podjela umskih vozila te princip rada

umskog vozila skider i njegov razvitak u svijetu i Hrvatskoj. Opisane su njegove

tehniko-tehnoloke znaajke te uporaba hidrostatske transmisije na umskom vozilu. U

nastavku su opisane vrste prijenosnika snage i gibanja te princip rada od ega su se

detaljnije obradili mehaniki, hidrostatski i mehaniki-hidrostatski prijenosnici. Dane su

prednosti i nedostaci mehanike transmisije iz ega proizlazi zakljuak koritenja

hidrostatske transmisije umjesto mehanike. Hidrostatska transmisija je detaljno

opisana: njen princip rada, regulacija te ugradnja u vozila. Zbog odreenih nedostataka

hidrostatske transmisije proizlazi rjeenje kombinacije mehanike i hidrostatske

transmisije to je takoer opisano. U nastavku poglavlja je dan pregled dosadanjih

nain modeliranja hidrostatske transmisije te cilj istraivanja.

U treem poglavlju detaljno je opisan matematiki model sustava hidrostatske

transmisije. Sustav se ralanjuje na podsustave te su zasebno opisani matematiki

modeli hidraulike pumpe, hidromotora i hidraulikih cijevi.

etvrto poglavlje sadri prikaz matematikog modeliranja nelinearnih sustava.

Opisane su tri vrste modeliranja na principu bijele, crne i sive kutije. Navedene su

prednosti i nedostaci za svaki model te je opisana metoda umjetnih neuronskih mrea

koja se koristi za rjeavanje crne kutije. Dana je usporedba biolokog i umjetnog

neurona, vrste umjetnih neuronskih mrea te princip uenja mrea. U nastavku je jo

opisana vieslojna unaprijedna neuronska mrea i dinamika NARX neuronska mrea.

Peto poglavlje opisuje eksperimentalno ispitivanje u Laboratoriju za hidrauliku i

pneumatiku Tehnikog fakulteta Sveuilita u Rijeci. Opisan je princip rada

laboratorijskog sustava te koritena mjerna oprema. Na kraju poglavlja je opisana

metodologija mjerenja te su dani rezultati mjerenja.


5

U estom poglavlju detaljno je opisan nain izrade numerikog modela

hidrostatske transmisije na principu bijele, crne i sive kutije. Koriten je programski

paket Simulink i MATLAB (programiranje neuronskih mrea). Simulacijom izraenih

numerikih modela se moe zakljuiti da se modelom bijele kutije dobivaju dobri

rezultati ali je potrebno poznavanje svih parametara sustava to nije bilo mogue. Iz te

injenice proizlazi potreba za izradom modela crne kutije koji daje bolje rezultate ali su

neki dijelovi dinamike sustava neprecizni. Zbog toga se razvija model sive kutije kojim

se eliminiraju prethodni nedostaci te se dobiva realna dinamika modela hidrostatske

transmisije.

U sedmom poglavlju napravljena je simulacija hidrostatske transmisije za skider

ECOTRAC 120V. Slijedi opis dinamikog modela optereenja skidera na temelju kojeg

se proraunavaju momenti optereenja skidera. Iz dobivenih momenta optereenja

proraunava se sustav hidrostatske transmisije te se odabiru komponente sustava.

Proveden je simulacija numerikog modela hidrostatske transmisije skidera iz ega

proizlazi 40% vea snaga u odnosu na rezultate snage iz eksperimentalnih mjerenja na

skideru ECOTRAC 120V [1]. Takoer je provedena simulacija s promjenjivim

momentom optereenja kotaa i simulacija regulacije brzine vrtnje ovisno o promjeni

volumena pumpe i hidromotora.

Osmo poglavlje donosi zakljuak u kojem je dan osvrt na izraene numerike

modele hidrostatske transmisije i dobivene rezultate simulacije. U posljednje devetom

poglavlju opisani su smjerovi buduih istraivanja te su spomenute prednosti i nedostaci

vodene hidraulike. Proveden je i simulacija numerikog modela s hidrostatskom

transmisijom na skideru uporabom vode kao radne tekuine te je dokazana uteda

energije.


6

2. Problematika i cilj istraivanja

Naslov rada ''Prilog istraivanju modeliranja hidrostatske transmisije na umskom

vozilu'' odredio je problematiku istraivanja hidrostatske transmisije za vozilo koje ima

jedno od najzahtjevnijih reima rada kombiniran s brojnim ogranienjima. Cilj

istraivanja bio je izrada numerikog modela koji bi bio univerzalan pristup modeliranju

hidrostatske transmisije openito, a pri tome bio i baza za automatizaciju sustava.

2.1 umsko vozilo skider

ume su najvee prirodno bogatstvo na svijetu. ovjeku je za ivot potreban

kisik, a uma sa svojim drveem i ostalim biljkama najvei je proizvoa kisika na

svijetu. Stoga, ume zasluuju da im se posveti velika pozornost.

ovjek je vezan uz umu od samih poetaka ljudske civilizacije. uma mu je

sluila za zadovoljavanje osnovnih ivotnih potreba kao to su drvo za ogrjev i graevni

materijal. Razvoj drutvene zajednice doveo je do poveanja potreba za drvom to je

utjecalo na svijest o potrebi odravanja umskih ekosustava, poumljavanja novih

povrina i gospodarenja umama. Na osnovu navedenih potreba drutva, razvija se


7

umarstvo s ciljem ouvanja uma i njene ekoloke stabilnosti kao i sustavnog

organiziranja, reguliranja koritenja uma te razvoja tehnike i tehnologije izvoenja

umskih radova [1].

2.1.1 Razvoj i podjela umskih vozila

Eksploatacijom uma naziva se radni proces koji obuhvaa skup djelatnosti

vezanih za dobivanje drva. Sastoji se od sjee i izradbe te transporta drva s polufazama

privlaenja i prijevoza drva [2]. Pod privlaenjem smatra se micanje cijelih stabala ili

dijelova (deblo, drvni sortiment) od mjesta sjee i izrade do pomonog stovarita.

Privlaenje se moe izvriti na razne naine i razliitim sredstvima. U prolosti

privlaenje se obavljalo uporabom ljudske ili ivotinjske snage te koritenjem

vodotokova i sile gravitacije na nagnutim terenima. Razvoj tehnike koji je napredovao u

20. stoljeu, omoguio je razvoj mehanikih sredstava za privlaenje drva (sl. 2.1) [1].

Slika 2.1 Tehnologija privlaenja drva po tlu [1]


8

Mehaniziranje privlaenja drva u umama zapoinje 50-ih godina prolog stoljea

primjenom velikoserijskih poljoprivrednih traktora. U poetku su radili bez prilagodbi

za privlaenje jednostavnim prihvatnim napravama. Zbog tehnikih zahtijeva za

izvoenje radova privlaenja u umskim terenskim uvjetima, poljoprivredni traktori

dodatno se opremaju zatitnim konstrukcijama i vitlima za rad u brdskim uvjetima ili

prikolicama s dizalicama za privlaenje u proredima nizinskih predjela. Prednost

opremanja traktora vitlima je njihovo kretanje samo po traktorskim vlakama ime se

smanjuje oteenje umskog tla i mladih stabala. Traktor sa postavljenim vitlom na

stranjem kraju ne mora zauzeti poloaj uz posjeeno stablo ili izraene drvne

sortimente prilikom formiranja tovara jer radom vitla postoji mogunost privitlavanja

stabla, debla ili drvnog sortimenta od mjesta sjee i izrade do traktora na vlaci. Ovako

opremljeni poljoprivredni traktori za umske radove nazivaju se adaptirani

poljoprivredni traktori [3].

Adaptirani poljoprivredni traktori za privlaenje drvnih sortimana pokazali su

nezadovoljavajue radne karakteristike kao to su: velike dimenzije i veliki polumjer

kruga okretanja vozila, slaba uzduna stabilnost te veliko optereenje stranje osovine

pri privlaenju tovara. Poljoprivredni traktori imaju 2/3 ukupne mase praznog traktora

na stranjoj osovini to se dodatno poveava ugradnjom vitla na stranji kraj traktora.

Pri privlaenju drva, prevelika optereenja na stranjoj osovini uzrokuju poremeaj

stabilnosti adaptiranih poljoprivrednih traktora i smanjenje njihove vune sposobnosti.

Zbog navedenih nedostataka adaptiranih poljoprivrednih traktora za potrebe

privlaenja drva razvijaju se specijalizirani umski zglobni traktori skideri (eng.

skidder). Skider se prema normi ISO 6814:2000 (Machinery for forestry Mobile and

self-propelled machinery Terms, definitions and classification) definira kao umsko

zglobno samohodno vozilo za privlaenje stabala ili dijelova stabala. Rad privlaenja

drva odvija se jednim krajem tovara odignutim od tla i oslonjenim na stranji kraj

vozila, dok se drugi kraj tovara vue po tlu. Osnovne znaajke svih umskih zglobnih

traktora su zglobna konstrukcija vozila, etiri pogonska kotaa i optereenje prednje

osovine oko s 2/3 ukupne mase praznog skidera. Navedene tehnike znaajke skidera su

omoguile njihovu bolju okretljivost te bolje radne znaajke u uvjetima eksploatacije

uma.


9

Osim opremanja umskog zglobnog traktora vitlom (eng. cable skidder) razvijaju

se i razliite konstrukcije prihvata (utovara) drva: s hvatalom okrenutim prema dolje

(eng. grapple skidder) i s hvatalom okrenutim prema gore te dizalicom za utovar drva

(eng. clam-bunk skidder) (sl. 2.1) 1. Dogradnjom dizalice i poluprikolice s tovarnim

prostorom iza zgloba nastaje forvarder (eng. forwarder). Primjenom forvardera nastaje

novi nain privlaenja drva. Za razliku od skidera koji vue drvo po tlu s jednim

odignutim krajem, kod forvardera drvo se nalazi utovareno na vozilu pa se tada govorio

o izvoenju drva [1].

Povijesni razvoj skidera zapoinje ve 1881. godine i to razvojem skidera na parni

pogon. ''Dolber i Carson Lumber Co. (Kalifornija)'', prvi patentiraju skider s parnim

pogonom, po imenu ''Gypsy''. Skider je sastavljen od vertikalnog cilindrinog kotla za

proizvodnju pare koji se zagrijavao loenjem drva pri emu je para opskrbljivala

cilindre za pokretanje kotaa skider, a drva su se privlaila pomou ueta. Razvojem

motora s unutranjim izgaranjem zapoinje njihova ugradnja i u skidere. Godine 1924.

napravljen je prvi skider s pogonom na sva etiri kotaa tzv. ''Duplex'' koji je na

stranjem kraju ima dodatno ue za pomo pri vonji u skliskim uvjetima. Godine 1943.

''Hyster'' razvija skider ''Caterpillar D7'' s vitlom za privlaenje. Prvi znaajan uspjeh

upotrebe skidera pri privlaenju drva iz ume do ceste, postigao je ''Harrison Pulpwood''

1950. godine. Prvi skider s prednjim pogonom bio je ''Blue Ox'', 1952. godine kanadske

tvrtke ''KVP'' s vitlom i ''A-frame'' konstrukcijom. Tvrtka ''Timberland Machines''

godine 1956. proizvodi skider imena ''Timberskidder''. Bio je to najpopularniji skider u

svijetu za privlaenje drva. Pokretao ga je ''Chrsyler-ov'' V8 benzinski motor s 200 KS,

a bio je vrlo efikasan za privlaenje drva na velike udaljenosti. ''Osa'' i ''Volvo''

proizvode seriju skidera, 1960. godine imena ''Little Bear'' s kabinom i hidraulikim

amortizerima. Skider ''Log All Feller'' iz 1968. godine je prvi skider koji osim

privlaenja ima funkciju sjee drva pomou pile koja je bila sastavni dio vozila dok je

model ''Timberjack 480'' iz 1990. godine prvi skider s hvatalom koji je uz hvatanje drva

mogao svladavati neke od najstrmijih terena [4]. Do 1990. godine, svi skideri su imali

mehaniku transmisiju, od kada zapoinje razvoj skidera s hidrostatskom transmisijom,

te tako nastaju skideri ''Tigercat'' i ''Morgan Silva''.

1 U daljnjem tekstu ovog rada nazivom skider e se podrazumijevati umski zglobni traktor s vitlom.


10

Dananji najpoznatiji svjetski proizvoai skidera su: ''John Deer'', ''Tigercat

Forestry'', ''Caterpillar'', ''Franklin Equipment'', ''Allied Systems'', ''KMC'', ''Komatsu

Forest'', ''Silvatech (Morgan Skidder)'', ''Prentice'', itd.

2.1.2 Razvoj umskih vozila u Hrvatskoj

Koritenje skidera u Hrvatskoj zapoinje 1968. godine. U prigorskim i brdskim

predjelima Hrvatske za privlaenje drva prvenstveno se upotrebljavaju skideri s

kotaima opremljeni vitlom. Ve 1971. godine i prvi forvarderi ulaze u hrvatsko

umarstvo. Prema brojnosti skidera, vrijeme njihove primjene moemo podijeliti na

razdoblje intenzivnog mehaniziranja do 1986. godine te razdoblje odravanja potrebnog

broja skidera. U Hrvatskoj je 1995. godine drvo privlailo 188 adaptiranih

poljoprivrednih traktora, 270 zglobnih traktora, 23 forvardera te 43 traktora s

poluprikolicom. Danas u Hrvatskoj radi oko 300 skidera, vei dio u vlasnitvu

''Hrvatskih uma'' d.o.o Zagreb, a preostali u vlasnitvu privatnih poduzetnika [5]. Od

ukupnog broja skidera, pedesetak pripada u skupinu srednjih skidera do 5 tona. Srednji

skideri su namijenjeni za privlaenje drva iz prorednih sastojina te se odlikuju malim

dimenzijama i velikom okretljivou. Krajem 80-ih godina prolog stoljea zajednikim

radom umarskih strunjaka i znanstvenika, zapoela je konstrukcija prorednog skidera

s ciljem zamjene adaptiranih poljoprivrednih traktora prikladnim mehaniziranim

sredstvom za radove privlaenja drva. Proizvodnja domaeg prorednog skidera

ECOTRAC V zapoela je u tvornici ''Tomo Vinkovi''-Bjelovar, a nakon prestanka

proizvodnje u 90-im, obnovljena je njihova proizvodnja u tvornici ''Metalservis''-

Bjelovar, koja se danas naziva ''Hittner''-Bjelovar. ''Hittner'' danas uspjeno proizvodi

dva modela skidera: model ECOTRAC 55V ukupne mase 3,6 t koji spada u skupinu

srednjih skidera i model ECOTRAC 120V ukupne mase 7,2 t koji spada u skupinu

velikih skidera (sl. 2.2a).

U Hrvatskoj su konstruirana i proizvedena jo dva modela skidera. Tijekom 80-ih

godina u mehaniarskoj radionici tadanjeg umskog gospodarstva Vrbovsko,

proizvedeno je 10 komada skidera SILVA S-101 koji spadaju u skupinu velikih skidera.

Godine 1999. zapoinje razvoj srednjeg skidera u tvrtki ''3. MAJ TIBO''-Rijeka, kao


11

unaprjeenje dotadanji srednjeg skidera ECOTRAC V. Godine 2002. proizveden je

skider TIBOTRAC, a njegova sljedea generacija predstavljena je 2005. godine [6]. Uz

to TIBOTRAC je prvi hrvatski skider na biodizelsko gorivo (sl. 2.2b).

(a) (b)

Slika 2.2. Skideri ECOTRAC 120V i 55V (a) i Skider TIBOTRAC (b)

2.1.3 Razvoj hidrostatske transmisije na umskim vozilima

Danas na svjetskom tritu skidera dominiraju tri velika proizvoaa: ''John

Deere'' i ''Timerjack'' u Sjevernoj Americi te ''Caterpillar'' u Europi. Svi njihovi modeli

skidera koriste mehaniku transmisiju isto kao i skideri proizvedeni u Hrvatskoj

ECOTRAC i TIBOTRAC. Koritenje mehanike transmisije u navedenim skiderima

proizlazi iz tradicionalnog inenjerskog pristupa pri konstruiranja transmisije iako je

poznato da bolje radne karakteristike skideri postiu koritenjem hidrostatske

transmisije. Prvenstveno se to odnosi na smanjenje oteenja umskog tla, manju

potronju goriva pogonskog motora te smanjenje emisije ispunih plinova. Novi

zakonski propisi biti e izazov za skidere s mehanikom transmisijom.

Glavni nedostaci mehanike transmisije su skokovita promjena prijenosnog

omjera zbog mjenjaa koji radi na principu zupastog prijenosa te mali omjer snage po

jedinici mase. Navedeni nedostaci se mogu eliminirati koritenjem hidrostatske

transmisije pomou koje se ostvaruju velike snage/momenti s ureajima malih

dimenzija te kontinuirano varijabilna transmisija unutar cijelog radnog podruja, pri


12

emu pogonski motor radi u optimalnim uvjetima ime se postie manja potronja

goriva te smanjenje emisije ispunih plinova. Sljedea prednost koritenja hidrostatske

transmisije kod umskih vozila je manje proklizavanja kotaa to bitno smanjuje

sabijanje tla, a time i manje oteivanje korijenovog sustava biljaka. Arnup [7] navodi

da je kod klizanja kotaa dodirni tlak na tlo do pet puta vei nego nominalni tlak. Vee

sabijanje tla kod pojave klizanja kotaa se moe objasniti dugotrajnim djelovanjem

pritiska na istoj povrini tla. Smanjenje klizanja kotaa postie se uporabom lanaca na

kotaima, sustavom protiv proklizavanja ili pomou hidrostatske transmisije [8] pri

emu se usklauje zakretni moment i brzina vrtnje svakog kotaa. Kod hidrostatske

transmisije mogua je preciznija regulacija brzine vrtnje s obzirom na zahtijevani

moment na kotaima nego to je to sluaj kod mehanike transmisije.

Skidere s hidrostatskom transmisijom poinju razvijati dvije kanadske tvrtke. Prva

je ''Tigercat Industries of Brantfors (Ontario)'' sa svojim prvim modelom skidera 620 s

hidrostatskim pogonom na sva etiri kotaa. Model 620 pokree Cummins 6CT 8.3

dizelski motor od 215 KS s Bosch Rexroth hidrostatskim sustavom. Dananji Tigercat

skideri (sl. 2.3a) koriste hidrostatsku transmisiju s elektronikom regulacijom te na

principu hibridnih vozila akumuliraju energiju prilikom koenja [9]. Druga Kanadska

tvrtka koja se bavi razvojem skidera s hidrostatskom transmisijom je ''Morgan Silva

Com (British Columbia)'' dananjeg naziva ''International Silvatech Industries''.

Silvatech skideri koriste hidrauliku transmisiju s patentiranim raunalnim upravljanjem

(hydraulic logic box). Takvi skideri imaju pogon na sva etiri kotaa pri emu svaki

kota ima zasebnu varijabilnu hidrauliku pumpu koja opskrbljuje hidromotor to

reducira klizanje kotaa te osigurava dobar kontakt kotaa i tla pri svim vremenskim

uvjetima [10]. Osim navedenih tvrtki hidrostatska transmisija se koristi i u skiderima

tvrtke ''Kootenay Manufacturing'' te harvesterima tvrtke ''Komatsu Forest'' [11].

U Hrvatskoj se trenutno proizvode samo dva modela skidera tvrtke ''Hittner'', i to

oba s mehanikom transmisijom. Iako se u Hrvatskoj ne proizvode skideri s

hidrostatskom transmisijom, u susjednoj Sloveniji je razvijen i proizveden skider

WOODY s hidrostatskom transmisijom i daljinskim upravljanjem [12, 13].

Hidrostatskom transmisijom se upravlja pomou raunala koje omoguuje kontrolu i

regulaciju pedeset razliitih parametara. Raunalo za vrijeme vonje samostalno


13

kontrolira brzinu, ubrzanje i koenje skidera ovisno o broju okretaja motora i poloaju

papuice gasa to daje idealni omjer brzine i momenta optereenog skidera (sl. 2.3b).

(a) (b)

Slika 2.3. Skider Tigercat 630D (a) i Skider WOODY 110 (b)

2.1.4 Tehniko-tehnoloke znaajke skidera

Danas u svijetu postoje mnogobrojni proizvoai skidera, ali ovu obitelj vozila

moemo definirati odreenim tehnikim i konstrukcijskim znaajkama te nainom rada

koji su istovjetni za veinu tipova. Osnovni podaci o skideru su: masa vozila, dimenzije

vozila, nain upravljanja, vrsta prijenosa snage, broj i dimenzije kotaa, pritisak u

gumama i teina tovara.

Osnovna masa skidera je ukupna masa potpuno opremljenog skidera s punim

spremnikom goriva i vozaem prosjene mase od 75 kg. Konstrukcijska rjeenja su

takva da je prednja osovina skidera optereena s 2/3 ukupne mase. Takva raspodjela

mase skidera je potrebna zbog naina rada i osiguravanja dobre uzdune stabilnosti

skidera. Pri privlaenju drva, odignuti kraj tovara se oslanja na stranji dio skidera te se

dinamika optereenja prednje i stranje osovine izjednaavaju ili su vea na stranjoj

osovini, to ovisi o poloaju i veliini drva u tovaru te nagiba terena. Granini tovar koji

e skider moi privlaiti je stoga odreen doputenim optereenjem stranje osovine,

kutom uzdune stabilnosti i ostvarivom vunom silom [14].

Podvozje skidera je sastavljeno od dva odvojena okvira. Prednji dio skidera ima

ugraen prednji most s kotaima, motor, mjenja, razvodnik pogona i kabinu, sve


14

uvreno na prednji dio okvira podvozja. Na stranjem su okviru podvozja takoer

preko poluosovina postavljeni kotai, ali i potrebna umska nadogradnja vitlo, zatitna

daska, horizontalni i vertikalni valjci vitla (sl. 2.4). Prednji i stranji okvir su spojeni

zglobno s mogunou gibanja zgloba pomou hidraulikih cilindara samo u

horizontalnoj ravnini. Zglobom se ostvaruje lake upravljanje skiderom u terenskim

uvjetima te manji polumjer kruga okretanja ime se poboljava kretnost vozila.

Kinematika hodnog mehanizma skidera je takva da u zaokretu stranji kotai prate

prednje kotae. Poveanje bone stabilnosti skidera pri radu na nagibu ili prelaskom

preko povrinskih prepreka, omogueno je kutnim zakretanjem prednje osovine. [1].

Slika 2.4. Prikaz skidera Caterpillar 535B [15]

Pogonski dio ini motor s unutranjim izgaranjem, najee etverotaktni dizelski

motor. Sustavom transmisije (mehanika ili hidrostatska) prenosi se snaga od motora na

sve kotae pri emu se ostvaruje poveanje zakretnog momenta. Sustav mehanike

transmisije se sastoji od spojke, mjenjaa, razdjelnika pogona, diferencijala na svakoj

osovini te planetnog ili zavrnog reduktora na svakom kotau. Ovisno o masi skidera,

ugrauje se ili tarna spojka ili hidrodinamika spojka. Sustav hidrostatske transmisije se

sastoji od spojke, hidrostatskog sustava (mjenjaa) razliitih izvedbi te planetnog

reduktora na svakom kotau.

Kabina Odrivna daska

Prednji most Stranji most

Zatitna daska

Vitlo


15

Kabina skidera se izvodi sa zatitnom konstrukcijom (zatitni okvir i zatitna

mrea) koja u svrhu sigurnosti vozaa pri prevrtanju vozila ili udaru predmeta (grana,

trupac) mora zadovoljiti stroge kriterije odreene ISO normama. Na prednjem dijelu

vozila se nalazi odrivna daska koja slui za uhrapavanje drvnih sortimenata na

stovaritu, uklanjanje prepreka ili za popravak traktorskih vlaka. Na stranjem dijelu

skidera se ugrauje vitlo. Vitlo se odabire na osnovu potrebne nazivne vune sile i

ukupne teine vozila. Nazivna vuna sila vitla u pravilu nije vea od teine vozila.

Sputanjem u tlo stranje daske (sidrenje skidera) mogue je ostvariti vee vune sile

vitla od teine skidera. Pogon vitla moe biti mehaniki ili hidrauliki. Osnovni dijelovi

vitla su bubanj, vodilice ueta (horizontalni i vertikalni valjci ili koloture) i kuite vitla.

Zatitna daska se naziva prihvatno-zatitna daska jer se na kraju privitlavanja na njoj

prihvaaju trupci i odie se prednji kraj trupaca od tla, a pri privlaenju titi kotae i

stranje osovine skidera.

Radni ciklus skidera ini vonja od pomonog stovarita do sjeine, okretanje

vozila i vezanja tovara te privlaenje trupaca vozilom do stovarita. Skideri imaju

ogranienu primjenu jer se racionalno mogu upotrijebiti u sjeinama s velikom sjenom

gustoom. Zbog manjeg obujma tovara, skiderima je potreban vei broj turnusa za

privlaenje cjelokupnog izraenog drvnog obujma sa sjeine to bi slobodnim

kretanjem vozila dovelo do velikih oteenja tla. Prednost skidera s vitlom je da vozilo

ne treba doi do svakog izraenog sortimenta ve s odreene udaljenosti moe

privitlavati po tlu drvni sortiment do stranje zatitno-prihvatne daske. Ovom

tehnologijom rada, omogueno je kretanje skidera iskljuivo po sekundarnim umskim

prometnicama. Ta tehnologija zahtijeva dobru gustou umskih cesta kako bi se

omoguila prihvatljiva udaljenost privlaenja, ali i da izvozni pravci omoguavaju

izbjegavanje velikih nagiba terena i omoguavajui dobru nosivost tla za prolaz vozila.

Sekundarne umske prometnice se ovisno o stanju tla i terenskim uvjetima moraju

izgraditi strojevima za zemljane radove (traktorski putevi) ili nastati viekratnim

prolaskom skidera (traktorske vlake). S druge strane, kretanje skidera po traktorskim

putovima i vlakama dovodi do znatnih oteenja tla na samim vlakama uslijed velikog

broja prolazaka te gubitka proizvodne povrine i oteenja stabala uz vlaku. Oteenja

tla umske vlake se oituju u nastanku kolotraga i sabijanju tla to moe utjecati na

razvoj i rast biljaka [1].


16

2.2 Prijenosnici snage na mobilnim pogonima

2.2.1 Prijenosnici/pretvarai snage i gibanja

Pod pojmom prijenosnika snage prema [16] podrazumijeva se strojni sklop

izmeu pogonskog i radnog stroja sastavljen od najmanje tri lana koji obavljaju

transformaciju gibanja i energije pogonskog stroja, prilagoenih radnom stroju, a na ije

sve glavne lanove djeluju konani okretni momenti.

Pogonski strojevi su takvi strojevi koji pretvaraju jednu vrstu energije u drugu.

Tipini primjer ove grupe strojeva jesu: elektromotori vodene, plinske i parne turbine,

vjetrenjae, parni strojevi te motori s unutranjim izgaranjem. Radni strojevi su takvi

strojevi koji dobivenu snagu od pogonskih strojeva ili ivih bia pretvaraju u rad.

Tipini primjeri za ovu grupu strojeva jesu: vozila, valjaoniki stanovi, pumpe, alatni

strojevi itd. Pogonski stroj bilo koje vrste karakterizira sposobnost davanja neke snage

P, odnosno okretnog momenta T pri odreenoj kutnoj brzini tj. produkt okretnog

momenta i brzine vrtnje jest raspoloiva snaga pogonskog stroja potrebna radnom stroju

da bi odreenom brzinom obavio neki rad.

Ako je pogonski stroj motor s unutranjim izgaranjem, maksimalni je okretni

moment ogranien koliinom zraka koja se moe usisati za jedan okretaj motora da bi

pritom izgorjela odreena koliina goriva. Time je potpuno ogranien maksimalni

okretni moment za neku konstrukciju i sustav napajanja motora. Takoer je ograniena i

brzina vrtnje ovakvih strojeva. Slinom analizom moe se i kod drugih vrsta pogonskih

strojeva konstatirati ogranienost podruja veliina okretnog momenta i brzine vrtnje,

bez obzira na maksimalno raspoloivu snagu izvedene konstrukcije pogonskog stroja.

Radni strojevi s druge strana trebaju imati na raspolaganju okretni moment i brzinu

vrtnje u irokim granicama, a to im pogonski strojevi ili uope ne mogu dati ili im daju

u vrlo uskim granicama. Zbog toga proizlazi potreba ugradnje ureaja izmeu

pogonskog i radnog stroja koji bi omoguio da pogonski stroj radi u optimalno uskim

podrujima momenta i brzina, a da se ove veliine radnom stroju daju u mnogo irim


17

Ulazna mehanika

energija

, T

Izlazna mehanika

energija

Rotacijsko gibanje , T

Linearno gibanje

v , F

podrujima (granicama). Takve ureaje zovemo prijenosnicima snage i gibanja ili

pretvaraima (momenta i brzine) [16].

Slika 2.5. Pretvorba energije i gibanja u mehanikim prijenosnicima snage

Prijenosnici se mogu podijeliti s vie aspekata:

1. Prema nainu prijenosa okretnog momenta razlikujemo sljedee prijenosnike:

mehaniki prijenosnici kod kojih se moment prenosi mehaniki na dva osnovna

naina, trenjem i oblikom s neposrednim i posrednim dodirom pogonskog i

gonjenog lana, hidrauliki i pneumatski prijenosnici kod kojih se okretni

moment prenosi uz pomo tekuina odnosno plinova (veinom pod tlakom) i

elektrini prijenosnici kod kojih se okretni moment prenosi elektrinim putem.

2. S obzirom na promjenjivost prijenosnog omjera razlikuju se:

prijenosnici s konstantnim prijenosnim omjerom koji su konstruirani za samo

jedan prijenosni omjer i prijenosnici s promjenjivim prijenosnim omjerom gdje

se promjena prijenosnog omjera moe obavljati stupnjevano ili kontinuirano. U ovu

grupu spadaju i prijenosnici s vremenskim i stalno promjenjivim prijenosnim

omjerom, s unaprijed odreenim zakonitostima toka promjene koji mogu biti

razliiti prema nainu prijenosa okretnog momenta.

3. Prema tome dominira li prijenos snage i gibanja ili samo gibanja postoje:

prijenosnici snage i prijenosnici gibanja.

Takoer postoje i kombinirani prijenosnici (npr. kombinacija mehanikih i hidraulikih

ili mehanikih i elektrinih prijenosnika) koji se u novije vrijeme sve vie ugrauju u

hibridna vozila.

Kad se radi o prijenosnicima s konstantnim prijenosnim omjerom, gotovo

iskljuivu primjenu imaju mehaniki prijenosnici jer su ekonomski najpovoljniji, kako

pri projektiranju i proizvodnji tako i u eksploataciji. Robusni su i jednostavni za

Pretvorba

energije i gibanja


18

odravanje u svim uvjetima okoline. Ukoliko je nain prijenosa obodne sile oblikom

kao kod zupanih, lananih i remenskih zupastih prijenosnika, prijenosni omjer je

jednoznano odreen brojem zubi ozubljenih elemenata dok se kod remenskih i tarnih

prijenosnika sila prenosi trenjem, a prijenosni omjer ovisi o omjeru njihovih promjera.

Svi spomenuti mehaniki prijenosnici mogu se nai i u izvedbi prijenosnika s

promjenjivim prijenosnim omjerom koji za odreenu konstantnu brzinu vrtnje

pogonskog stroja opskrbljuju radni stroj razliitim brzinama vrtnje. To se odvija na dva

osnovna naina: skokovito i kontinuirano. Kada se radi o skokovitoj promjeni

prijenosnog omjera (vozila, alatni strojevi) u pravilu se radi o mehanikim

prijenosnicima, najee sa zupanicima (prijenos obodne sile oblikom). esto ih

zovemo i mjenjai. Kontinuirana promjena prijenosnog omjera postie se primjenom

mehanikih tarnih prijenosnika koji se jo zovu i varijatori, elektrinih prijenosnika te

hidraulikih (hidrostatski i hidrodinamikih) prijenosnika koji se jo esto nazivaju i

pretvaraima [16].

Hidrauliki prijenosnici razlikuju se ovisno o nainu pretvorbe energije. Tako

razlikujemo hidrostatske (volumetrike) prijenosnike koji prenose snagu putem

potencijalne energije te hidrodinamike prijenosnike koji prenose snagu putem

kinetike energije tekuine. Hidrodinamiki (hidrokinetiki) prijenosnik se sastoji od

pumpe vezane na pogonski stroj, turbine vezane na radni stroj te kuita kao reakcijskog

lana. Sva tri glavna elementa konstruktivno se nalaze u kompaktnoj izvedbi kao to je

prikazano na sl. 2.6.

Slika 2.6. Hidrodinamiki prijenosnik [17]


19

Hidrostatski prijenosnici (sustavi) prenose energiju posredstvom potencijalne

energije radne tekuine (promjena tlaka radne tekuine koja se ostvaruje neprestanom

promjenom volumena radnih komora hidrostatskih komponenti). Udio kinetike

energije pri tome je vrlo mali (manji od 0,5%). U daljnjem radu, analizirati e se samo

hidrostatske sustave i prijenosnike za koje se esto upotrebljava i naziv hidrauliki

sustavi odnosno hidrauliki prijenosnici [18, 19]. Takoer se pod nazivom hidrostatski

ili hidrauliki sustavi podrazumijevaju sustavi koji za radnu tekuinu koriste ulje (uljna

hidraulika).

Ugradnjom prijenosnika snage u vozila ostvaruje se optimalan rad motora s

unutranjim izgaranjem u svim reimima vonje vozila odnosno promjenom

prijenosnog omjera izmeu izlaznog vratila pogonskog motora i kotaa vozila ostvaruje

se potreban moment i brzina vrtnje na kotau uz optimalni moment i brzinu vrtnje

motora s unutranjim izgaranjem. Sustav prijenosa momenta i brzine vrtnje od

pogonskog motora na kotae vozila naziva se transmisija. Ovisno o vrsti prijenosnika

snage, razlikuju se i vrste transmisije (mehanika, hidrostatska, itd.).

2.2.2 Mehanika transmisija

Klasina mehanika transmisija sastavljen je od (sl. 2.7) mehanike spojke,

mjenjaa, pogonske osovine, razvodnika pogona i diferencijala koji slui za prijenos

momenta pogonskog motora na kotae vozila. Promjena prijenosnog omjera mjenjaa

moe biti runa ili automatska. Kod klasinog runog mjenjaa, voza odvaja pogonski

motor od mjenjaa pomou spojke pritiskom na papuicu, pomicanjem ruice mjenjaa

odabire odreeni prijenosni omjer (brzinu) te otputanjem papuice spojke opet spaja

pogonski motor i mjenja. Osim mjenjaa moment se pogonskog motora jo mijenja

pomou diferencijala i planetnih reduktora ugraenih u kotaima vozila.

Zbog mjenjaa koji radi na principu zupastog prijenosa, kod mehanike

transmisije javlja se skokovita promjena prijenosnog omjera. Ovisnost vune sile i

brzine vozila o prijenosnom omjeru mjenjaa prikazan je u dijagramu na sl. 2.8, za

osobni automobil marke Volkswagen Passat sa est stupnjeva prijenosa [20]. Iz


20

dijagram je vidljivo da se pri niim stupnjevima prijenosa, gdje je prijenosni omjer vei,

ostvaruju vei momenti na kotaima vozila pri manjim brzinama vozila dok se kod viih

stupnjeva prijenosa postiu vee brzina vozila i manji moment na kotaima. Vidljiva je

nemogunost postizanja konstantne krivulje vune sile i brzine vrtnje ve je potrebna

stalna promjena prijenosnog omjera to je najvei nedostatak mehanike transmisije.

Slika 2.7. Sustav mehanike transmisije skidera [1]

Slika 2.8. Vuna sila i brzina vozila u ovisnosti o prijenosnom omjeru [20]

Ako se mehanika transmisija usporedi s drugim vrstama transmisije tada ima

prednosti kao to su relativno jednostavna konstrukcija, lagano odravanje i upravljanje

te relativno nisku cijenu. Nedostaci mehanike transmisije su mali omjer snage po

jedinici mase, dimenzije su joj ograniene te ima vrlo slabu mogunost regulacije .

Brzina vozila [km/h]

Vu

na si

la [k

N]

1. Brzina

2. Brzina

3. Brzina4. Brzina

5. Brzina 6. Brzina

Sila otpora [kN]


21

2.2.3 Hidrostatska transmisija

Ureaji pomou kojih se prenosi snaga od pogonskog do radnog stroja, a koji rade

na principima hidrostatike zovu se hidrostatski prijenosnici. Hidrostatski prijenosnici se

koriste kod mobilnih, industrijskih i zrakoplovnih sustava gdje je potrebno ostvariti

velike snage s ureajima malih dimenzija. Ovakvi sustavi su jednostavni, imaju

pouzdanu kontrolu, fleksibilnost, izvrsne dinamike karakteristike i dobru uinkovitost

te mogunost linearnog/rotacijskog gibanja s velikim silama/momentima. Iz ovog je

vidljiva jasna prednost u odnosu na druge vrste prijenosa kao to su mehaniki ili

elektrini. Kao transmisija na vozilima hidrostatski prijenosnik ima brojne prednosti.

Promjena brzine je kontinuirana, jednostavno je upravljanje ima jednostavnu promjenu

smjera gibanja, brzina je za oba dva smjera gibanja ista, a elementi se podmazuju

pomou radne tekuine. Nadalje, postoji konstrukcijska sloboda kod slaganja

hidraulikih elemenata u prostoru jer se veza izmeu pumpe i hidromotora u kotaima

ostvaruje pomou krutih ili elastinih cijevi, bez obzira na njihov relativni poloaj.

Takoer je mogue ostvariti kontinuirano varijabilnu transmisiju (HCVT) 2 unutar

cijelog radnog podruja pri emu se ostvaruju optimalni prijenosni omjeri izmeu

pogonskog motora i kotaa to smanjuje potronju goriva i poveava dinamike

performanse. Nedostaci HCVT su neto nii stupnjevi iskoristivosti u odnosu na

mehanike prijenosnike to je posebno izraeno kod maksimalnog tlaka sustava te

minimalnog volumena hidromotora ili pumpe. Nedostaci svih hidrostatskih sustava su

kompresibilnost radne tekuine, promjena viskoziteta radne tekuine s promjenom

temperature i tlaka te visoki zahtjevi za istoom radne tekuine. Iz navedenih

nedostataka se moe zakljuiti da je veina negativnih karakteristika hidrostatskih

sustava vezana uz radnu tekuinu (ulje).

Hidrostatska transmisija se kao i svi ostali hidrostatski sustavi temelji na

Pascalovom zakonu. Kod transmisije vozila najee se koristi zatvorena izvedba

hidrostatskog sustava (hidrostatski mjenja) koji je prikazan na sl. 2.9.

2 HVCT Hydraulics Continuosly Variable Transmission


22

Slika 2.9. Hidrostatski mjenja [21]

Hidrostatska transmisija se uglavnom izvodi s pumpom i hidromotorom

promjenjiva protoka koji imaju mogunost promjene volumena radnih komora, a to

direktno utjee na protok radne tekuine. Iz toga slijedi i nekoliko naina regulacije

brzine vrtnje hidromotora (sl. 2.10). Prva je s promjenom volumena pumpe, druga s

promjenom volumena hidromotora, a trea s promjenom volumena i pumpe i

hidromotora. Kod regulacije brzine vrtnje hidromotora s promjenom volumena pumpe i

hidromotora, brzina se prvo poveava, poveanjem protoka kroz pumpu, a onda

smanjenjem protoka kroz hidromotor.

Slika 2.10. Regulacija brzine vrtnje hidromotora

REGULACIJA PUMPOM

REGULACIJA HIDROMOTOROM

Ap

HPP

HMT HPQ

HMn

HPQ

HPP Ap

HMT

POVEANJEM QHP SMANJENJEM QHM


23

Pogon kotaa vozila s hidrostatskom transmisijom konstrukcijski se moe izvesti

na nekoliko naina. Prvi nain, a ujedno i najjednostavniji je konstrukcija pumpe i

hidromotora u istom kuitu (sl. 2.11a) pri emu se pogonski moment odvodi na kotae

preko diferencijala s dodatnom redukcijom u kotaima. Drugi nain je s pumpom koja

pogoni dva hidromotora vezanih na reduktore kotaa (pogon vozila na dva kotaa), (sl.

2.11b) a trei nain je onaj koji se koristi za pogon vozila na sva etiri kotaa pri emu

pumpa pogoni hidromotore ugraene u kotae vozila s planetnim reduktorom (sl.

2.11c).

(a) (b) (c)

Slika 2.11. Izvedbe pogona kotaa vozila s hidrostatskom transmisijom

Iz navedenih konstrukcijskih varijanti pogona kotaa s hidrostatskom

transmisijom, vidljiva je kombinacija hidrostatskog prijenosnika s mehanikim

prijenosnicima. Kod hidrostatske transmisije, hidrostatski prijenosnik je skoro uvijek u

kombinaciji s nekim mehanikim prijenosnikom. Razlog tome je dodatno poveanje

prijenosnog omjera izmeu pogonskog motora i kotaa te poveanje iskoristivosti, a iz

ega proizlaze razna konstrukcijska rjeenja hidrostatsko-mehanike transmisije, to je

opisano u sljedeem poglavlju.


24

2.2.4 Hidrostatsko-mehanika transmisija

Kod radnih vozila kao to su vozila za zemljane radove, poljoprivredna vozila,

umska vozila te industrijske i rudarske dizalice, zahtijeva se visoka produktivnost s

visokim stupnjem iskoristivosti pri irokom rasponu brzina vrtnje. Navedene kriterije

najbolje ispunjava hidrostatska transmisija pomou koje se ostvaruju veliki momenti pri

malim brzinama vrtnje te kontinuirana promjena prijenosnog omjera. Meutim, kod

veih brzina vrtnje, hidrostatska transmisija ima manji stupanj iskoristivosti zbog

viskoznog trenja, pada tlaka kroz hidraulike elemente te relativno malog momenta.

[22, 23].

U cilju poveanja ukupne uinkovitosti pri veim brzinama vrtnje razvija se

hidrostatsko-mehanika transmisija s grananjem snage (eng. Power Split Transmission

PST ili Power Split Drive). Usporedba uinkovitosti obine hidrostatske transmisije i

hidrostatsko-mehanike transmisije (PST) prikazana je u dijagramu (sl. 2.12).

Slika 2.12. Ukupna uinkovitost obine hidrostatske i PST transmisije [22]

Poveanje ukupne uinkovitosti transmisije, ostvaruje se pomou grananja snage

(momenta) kroz hidrostatski i mehaniki prijenosnik. Pri niim brzinama vrtnje snaga se

prenosi preko hidrostatskog prijenosnika zbog njegove dobre upravljivosti, a kod viih

brzina vrtnje koristi se mehaniki prijenosnik zbog njegovog velikog stupnja

iskoristivosti. Idealni prijenos snage kroz hidrostatski i mehaniki dio, hidrostatsko-

mehanike transmisije (PST) prikazan je u dijagramu (sl. 2.13).

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Stup

anj i

skor

istiv

osti

[-]

Brzina vonje v/vmax

Hidrostatska transmisija PST

2. Brzina1. Brzina


25

Slika 2.13. Prijenos snage kod hidrostatsko mehanike transmisije

Prema James Kress-u [24] definicija hidrostatsko-mehanike transmisije s

grananjem snage (PST) glasi: prijenosnik snage ulaznu mehaniku energiju pretvara u

mehaniku i hidrostatsku energiju koju prije izlaza iz prijenosnika zbraja i pretvara u

mehaniku energiju (sl. 2.14).

Slika 2.14. Grananje snage hidrostatskog mehanikog prijenosnika

Osnovna ideja je grananje ulazne snage u dva dijela pri emu se jedan dio prenosi

pomou varijabilnog hidrostatskog prijenosnika, a ostali dio snage pomou mehanikog

prijenosnika s konstantnim prijenosnim omjerom koji ima vei stupanj iskoristivosti

[24]. Nakon grananja, dijelovi snage se zbrajaju u diferencijalnom ili planetnom

prijenosniku. Za ulaznu brzinu in na planetnom prijenosniku se javljaju dvije brzine,

jedna je konstantna a druga je varijabilna iz ega proizlazi varijabilna izlazna brzina

out. U skladu s konstrukcijom PST samo se dio snage pretvara u hidrostatskom

prijenosniku [25] pa je ukupna uinkovitost vea od uinkovitosti samog hidrostatskog

prijenosnika [26]. Pretpostavi li se da je omjer grananja snage 70% kroz mehaniki

prijenosnik i 30% kroz hidrostatski prijenosnik s uinkovitosti mehanikog prijenosnika

Mehanika transmisija

Hidrostatska transmisija

100

Rel

ativ

na sn

aga

[%]

Brzina vozila vmax

Grananje snage

Kontinuirano varijabilni prijenosnik

Zbrajanje snage Mehanika snaga

(vratilo)

Ulazna snaga

Izlazna snaga


26

od 95% i uinkovitosti hidrostatskog prijenosnika od 80%, proizlazi ukupna

uinkovitost od 0,7*0,95+0,3*0,8=0,905 = 90,5%. Hidrostatsko- mehanike transmisije

s grananjem snage se moe podijeliti na tri osnovne izvedbi: Input coupled, Output

coupled, (sl. 2.15) i Bridge type. Postoje jo mnogobrojne konstrukcijske izvedbe PST

koje se razlikuju od proizvoaa do proizvoaa.

Slika 2.15. Hidrostatsko mehanika transmisija s grananjem snage (Output coupled)

Princip rada hidrostatsko-mehanike transmisije s grananjem snage, konstrukcije

izvedbe kao Output coupled, (sl. 2.15) zapoinje od pogonskog motora koji pokree

sunani zupanik planetnog prijenosa te prenosi moment na planetne zupanike spojene

s izlaznim vratilom preko vodila to predstavlja mehaniki prijenosnik. U isto vrijeme

se preko planetnih zupanika prenosi dio momenta na vijenac s unutarnjim ozubljenjem

koji pokree hidrauliku pumpu tj. hidrostatski prijenosnik. Nakon toga, slijedi zbroj

momenta preko para zupanika od kojih je manji spojen s vratilom hidromotora a vei s

izlaznim vratilom.

Hidrostatsko-mehanika transmisija s grananjem snage se poinje koristiti

devedesetih godina prolog stoljea kod poljoprivrednih traktora. Koritenjem PST

smanjuje se proklizavanje kotaa zbog kontinuirane promjene prijenosnog omjera, a

ujedno se postie i vei stupanj iskoristivosti. Godine 1995. tvrtka ''Fendt'' predstavlja

prvi veliki traktor s PST transmisijom i to model 926 Vario. Osim Fendt Vario, danas na

tritu postoje jo dva konstrukcijska rjeenja PST za standardne poljoprivredne

MOTOR

, HPHP T

, MM T , MehMeh T

, HMHM T

, 00 T


27

traktore. To su ''S-Matic'' CVT/CVX prijenosnik tvrtke ''Steyr'' i ''Eccom'' tvrtke ''ZF''.

Ove transmisije trenutno se ugrauju u traktore Case-IH i Case-Steyr kao i u traktore

''John Deere'' i ''Deutz-Fahr'' [27].

2.3 Dosadanji naini modeliranja hidrostatske transmisije

Numeriko modeliranje hidrostatske transmisije, tema je mnogih istraivanja u

zadnja etiri desetljea. Razvijanje prvih numerikih modela hidrostatske transmisije

zapoinje kasnih etrdesetih godina prolog stoljea. U ranim sedamdesetim godinama,

osnovni model je bio izveden kao sustav u cjelini te nije postojao nain za objanjenje

dinamike pojedinanih elemenata sustava. Ovakvi modeli se mogu nai u klasinim

hidraulikim udbenicima kao to su Merritt [28] i Watton [29]. Pri tome se nisu

uzimale u obzir dvije komponente sustava, dinamika pogonskog motora (motor s

unutranjim izgaranjem) i dinamika kose ploe varijabilne hidraulike pumpe. Iako se

pogonski stroj ne smatra dijelom hidrostatske transmisije njegov utjecaj na sustav je

vrlo bitan jer oscilacije brzine pogonskog motora direktno utjeu na hidrauliku pumpu.

Razvoj numerikog modela motora s unutranjim izgaranjem zapoinje kasnih

ezdesetih godina. Feit 1966. godine razvija model dizelskog motora. Numeriki model

benzinskog motora napravljen je 1975. godine iako se znaajan doprinos razvijanju

njegovog modela dali Moskwa i Hedrich 1987. godine. Numeriki model dinamike

kose ploe pumpe prvi razvijaju Zeiger i Aker 1985. godine radi ega se mogu smatrati

pionirima tog podruja [30].

Ukljuivanje dinamike pogonskog motora i kose ploe u hidrostatsku transmisiju

tek se odnedavno koristi. Znaajan rad objavljuje Huhtala [31] 1996. godine kojim

predstavlja model hidrostatske transmisije sastavljen od dizelskog motora, varijabilne

pumpe i varijabilnog hidromotora. Za numeriki model dizelskog motora autor koristi

Feitov model koji predstavlja sustav drugog reda. Dinamika kose ploe pumpe i

hidromotora je takoer ukljuena ali kao sustav prvog reda. Osim toga, autor takoer

uzima u obzir i gubitke nastale unutarnjim i vanjskim curenjem radne tekuine. Kao i


28

kod tradicionalnog modela, tlak u elastinoj cijevi koja spaja pumpu i hidromotor

modelira se kao volumen s odreenim modulom elastinosti. Huhtala takoer ukljuuje

interakciju kotaa i ceste te dinamiki model vozila pri simulaciji vonje vozila.

Usporedbom rezultata simulacije i eksperimentalnih mjerenja moe se zakljuit dobro

podudaranje. Kako god, ovakav model se temelji na pojednostavljenom dinamikom

modelu koji uzima u obzir empirijski dobivene vrijednosti za odreivanje dinamike

dizelskog motora te promjenu volumena pumpe i hidromotora bez opisa ponaanja

takvog sustava.

Razvoju numerikog modela hidrostatske transmisije uvelike su pridonijeli

Manring i Luecke [32] 1998. godine koji razvijaju model hidrostatske transmisije sa

zatvorenim krunim tijekom. Model je definiran kao sustav treeg reda, a uzima u obzir

dinamiku pumpe i hidromotora te tlaka u elastinoj cijevi. Model daje bolji uvid u

dinamiku kose ploe pumpe nego Huhtalov model. Nadalje, ovakav model ne zahtijeva

empirijske vrijednosti te se gotovo svi parametri modela mogu odrediti iz geometrije

elemenata u sustavu. Meutim, model pretpostavlja konstantni broj okretaja pumpe iz

ega proizlazi da pogonski stroj ima konstantan broj okretaja bez obzira na optereenje.

Osim toga, autori ne daju nikakvu validaciju modela tako da se ne moe zakljuiti

opisuje li dobro njihov model stvarni sustav hidrostatske transmisije.

Daljnjem istraivanju hidrostatske transmisije doprinose Prasetiawan [30] 2001.

godine sa Sveuilita u Illinoisu (SAD) te Lennevi [33] sa Sveuilita Linkping

(vedska). Istraivanja na Sveuilitu u Illinoisu [34, 35, 36] i Linkpingu [37, 38]

rezultirala su mnogim disertacijama i znanstvenim radovima. Laboratorij u Illinoisu

razvija simulator transmisije vozila za zemljane radove (eng. Earthmoving Vehicle

Powertrain Simulator - EVPS). EVPS je sastavljen od elektromotora koji predstavlja

pogonski stroj te od tri hidromotora (sl. 2.16). Varijabilna hidraulika pumpa

opskrbljuje hidromotore konstantnog volumena pri emu su izmeu pumpe i

hidromotora ugraeni ventili za regulaciju protoka. Optereenje hidromotora simulira

hidraulika pumpa koja tlai radnu tekuinu kroz tlani ventil, pa se njegovom

regulacijom postie promjena optereenja. Dobra poklapanja rezultata i simulacije

eksperimentalnih mjerenja dobivenih Prasetiawanovim modelom prikazana su na sl.

2.17.


29

Slina laboratorijska istraivanja provedena su i na Sveuilitu Linkping. Razlika

je u tome to se koristi varijabilni hidromotor umjesto tri fiksna hidromotora kao u

opisanom sluaju. Elektromotor je takoer pogonski stroj koji pomou servo-ventila

simulira rad dizelskog motora dok je hidromotor spojen na simulator optereenja.

(a) (b)

Slika 2.16. Shematski prikaz EVPS-a (a) i laboratorijski simulator EVPS-a (b) [30]

Slika 2.17. Usporedba simulacijskih rezultat i eksperimentalnih mjerenja prema

Prasetiawanovom modelu hidrostatske transmisije [30]

Numerikim modeliranjem hidrostatske transmisije jo se bavi Jedrzykiewicz [39,

40] koji razvija numeriki model u programu Simulink koristei osnovne matematike

jednadbe koje opisuju hidrostatsku transmisiju. Lauvli i Lund [41], 2010. godine u

svom magistarskom radu (Sveuilite Agder) simuliraju rad hidrostatske transmisije

koristei komercijalne programske pakete SimulationX i SimHydraulics te razvijaju

vlastiti numeriki model u Simulinku. Eksperimentalna mjerenja su provedena na

Hidromotor

Pumpa

EM

Optereenje


30

laboratorijskom sustavu prikazanom na sl. 2.18. Iz dobivenih rezultata zakljuiti da se

programom SimulationX dobivaju puno bolji rezultati nego programom SimHydraulics.

Rivas (Sveuilite Linkping) [42] 2009. godine je u svojoj disertaciji koristio gotovi

komercijalni programski paket AMESim za simulaciju rada vozila s hidrostatskom

transmisijom od pogonskog motora do kotaa pri emu simulira i sustav regulacije za

takvo vozilo. Koritenjem gotovih programskih paketa dobiva se dobro poklapanje

simulacijskih i eksperimentalnih rezultata. Njihova prednost je u jednostavnom

koritenju jer korisnik ne mora poznavati matematike jednadbe koje opisuju

hidrauliki sustav. Nedostaci su to od korisnika zahtijeva poznavanje realnih

parametara hidraulikih komponenti i to programski paketi ne objanjavaju dobro

ponaanje pojedinanih hidraulikih elemenata u sustavu.

Slika 2.18. Laboratorijski sustav hidrostatske transmisije prema Lauvi i Lundu [41]

Osim navedenih autora, numerikim modeliranjem hidrostatske transmisije jo se

bave Sang Gyum Kim [43] koji razvija model hidrostatske transmisije s upravljanjem za

asfaltno vozilo s valjkom (eng. Tire Roller) te Zavadinka i Krik [44] koji simuliraju

rad vozila za zemljane radove s hidrostatskom transmisijom koristei Simulink. Rad se

temelji na osnovnim matematikim jednadbama koje opisuju dinamiku vozila bez

eksperimentalne validacije dobivenih rezultata. Razvoju numerikog modela vozila s

hidrostatskom transmisijom za zemljane radove pridonijeli su i Carter [45], Wu [35],

Kiencke, Nielsen [46] i Rill [47].

Veina navedenih autora pri modeliranju hidrostatske transmisije koristi poznate

matematike jednadbe koje opisuju dinamiku hidraulikih komponenti. Takav model


31

se jo naziva i bijela kutija za iju je simulaciju potrebno poznavanje svih parametara i

veliina sustava to predstavlja odreene probleme jer je sustav hidrostatske transmisije

nelinearan. Razvojem raunala te numerikih algoritama poinje se koristiti modeliranje

hidrostatske transmisije kao modela crne kutije koji se temelji na ulaznim i izlaznim

vrijednostima odnosno radnih parametara realne hidrostatske transmisije. Takav nain

numerikog modeliranja koristi Nevala [48] koji razvija regulacijski sustav protiv

proklizavanja kotaa umskog vozila koristei Fuzzy logiku3.

Slika 2.19. Rezultat usporedbe simulacijskih i eksperimentalnih mjerenja [11]

Isti princip koristi i Carlsson [11] 2006. godine pri modeliranju hidrostatske

transmisije umskog vozila forvarder tvrtke ''Komatsu Forest''. Carlsson mjeri brzinu

vrtnje i pad tlaka na pumpi i hidromotoru te upravljaki signal na pumpi i hidromotoru

pomou kojega odreuje kut kose ploe za vrijeme vonje vozila po umskom tlu.

Sustav prvo modelira kao crnu kutiju pri emu mu se javlja loe poklapanje

simulacijskih i eksperimentalnih podataka. Nakon toga razvija model na principu sive

kutije s procjenom momenta na kotaima, a ostale komponente sustava izraunava

3 Fuzzy logika (eng. Fuzzy Logic) Neizrazita logika ili ''zamuena logika'' slui za opis nepouzdanih podataka i znanja, autor Lofty Zadeh, Univ. of California, Barkeley, 1965.

Tlak

[bar

] B

rzin

a pu

mpe

[rpm

] B

rzin

a hi

drom

ot. [

rpm

]

Vrijeme [s]

Vrijeme [s]

Vrijeme [s]

Eksp. mjerenja Simulacija


32

pomou osnovnih matematikih jednadbi. Takvim modelom dobiva poklapanje

rezultata simulacije i eksperimentalnih mjerenja tlaka u cijevi, dok za brzine vrtnje

pumpe i hidromotora ima odstupanja (sl. 2.19). Razlog tome je uporaba linearne metode

(ARX model) pri rjeavanju nelinearnog sustava kao to je to hidrostatska transmisija te

odreenih problema kod eksperimentalnih mjerenja.

Razvojem numerikih modela hidrostatske transmisije te elektrohidraulikih

sustava dolazi do razvoja numerikog upravljanja i regulacije putem elektronikih

komponenti. Prvi upravljako regulacijski sustavi hidrostatske transmisije bili su

hidrauliko mehaniki sustavi. esti primjer koji se i danas koristi je regulacija protoka

hidraulike pumpe pomou hidraulikog cilindra ovisno o tlaku u cijevima (sl. 2.20).

Dovoenjem upravljakog ulja na prikljuak x1, usisna strana pumpe je B, a tlana A.

Kada se upravljako ulje dovede na prikljuak x2 situacija je obrnuta. Kada su tlakovi x1

i x2 isti, klip regulacijskog cilindra je rastereen, a protok pumpe jednak je nuli.

Regulacijskim vijcima podeava se najvei protok pumpe.

Slika 2.20. Hidrauliko mehaniki regulator protoka pumpe

Razvojem elektrohidraulike dolazi do razvoja proporcionalnih i servo hidraulikih

sustava. Prednost koritenja ovakvih sustava je mogunost regulacije tlaka, protoka i

smjera protoka elektrinim putem. Elektrohidrauliki proporcionalni/servo-sustavi su

nelinearno-dinamiki sustavi koji su pojednostavljeno reeno sastavljeni od

hidraulikog proporcionalnog/servo ventila, hidraulikog cilindra i vanjskog

optereenja (sl. 2.21). Servoventilom se upravlja pomou kontrolnog signala (strujnog

signala) s ime se definira smjer i koliina protoka radne tekuine odnosno hidrauliki

proporcionalni/servo-ventil je veza izmeu kontrolera i aktuatora.

x1 x2A B


33

Proporcionalna/servo hidraulika nije tema ovoga rada, ali je takoer treba

spomenuti jer u dananje vrijeme predstavlja vrlo vano podruje hidraulike. Sustavi

hidrostatske transmisije se izvode bez razvodnog ventila pa se ne moe rei da su to

proporcionalni ili servo sustavi, iako se upravljanje hidrostatske transmisije odvija

putem elektronike.

Slika 2.21. Elektrohidrauliki proporcionalni sustav [49]

Zbog nelinearne dinamike hidraulikog servo sustava, razvijeni su razni

numeriki modeli samog sustava te modeli sustava regulacije. Neki od autora koji su

pridonijeli razvoju numerikog modeliranja servo-sustava su Reuter [50] koji koristi

rekurzivnu metodu procjene greke za odreivanje parametara u bilinearnom

kanonikom obliku. Ovakav princip ima odreene probleme kod konvergencije ako

poetne vrijednosti nisu dovoljno dobre. Da bi se izbjegao ovakav problem Jelali i

Schwarz [51] koriste modificirani rekurzivni varijabilni algoritam s linearnim

integracijskim filtrom za obradu vrijednosti mjerenja. Zavrni model hidraulikog servo

sustava je predstavljen u kanonskom obliku. Drugi nain rjeavanja nelinearnih sustava

je koritenje neuronskih mrea s ime se bave Anyi [52]. Park i Lee [53] kod modela s

jednoradnim cilindrom koriste metodu modificiranog signala koji bi eliminira efekt

histereze. U podruju regulacije servo-sustava uvelike su dali svoj doprinos Dutton i

Groves [54] koristei adaptivnu kontrolu kod regulacije valjaonikog stroja te Kugi [55]

i Pedersen [56].

Kontoler Elektrino pojaalo Propor.

elektromagPropor. ventil Aktuator

Komponente proporcionalne tehnike


34

Veina publikacija vezanih za regulaciju hidrostatske transmisije, usmjereni su na

regulaciju brzine aktuatora odnosno hidromotora. Da bi se postigao ovaj cilj koriste se

razliite izvedbe upravljakih sustava. U poecima se koristio klasini PID (eng.

Proportional-Integral-Differential) kontroler i lead-lag kompenzator. Nakon toga,

slijedi koritenje adaptivnih i robusnih upravljakih sustava pa sve do koritenja fuzzy

logike i neuronskih mrea.

Lee i Wu [57] razvijaju samopodesivi adaptivni upravljaki sustav za regulaciju

brzine vrtnje za tri razliita sustava hidrostatske transmisije. Prvi sustav se sastoji od

pumpe varijabilnog volumena te hidromotora konstantnog volumena (PVMF)4, drugi

sustav od pumpe konstantnog volumen i hidromotora varijabilnog volumena (PFMV)5,

a trei sustav gdje su i pumpa i hidromotor s varijabilnim volumenom (PVMV)6.

Samopodesivi adaptivni upravljaki sustav kombinira parametre procjene i tehnike

pole-placement. Za parametre procjene koristi se rekurzivni algoritam najmanjeg

kvadratnog odstupanje (eng. Recursive Least Square RLS) s promjenjivim

vremenskim faktorima. Rezultati simulacije i eksperimenta se dobro poklapaju za

regulacijski sustav varijabilne pumpe i hidromotora konstantnog volumena dok se za

druga dva sustava rezultati ne poklapaju (sl. 2.22).

(a) (b) (c)

Slika 2.22. Usporedba simulacijskih i eksperimentalnih rezultata a adaptivnim

upravljakim sustavom za: PVMF (a), PFMV (b) i PVMV (c) s dva razliita optereenja

hidromotora [57]

4 PVMF (eng. Pump Variable Motor Fixed) Pumpa s promjenjivim volumenom, a hidromotor s konstantnim volumenom 5 PFMV (eng. Pump Fixed Motor Variable) Pumpa s konstantnim volumenom, a hidromotor s promjenjivim volumenom 6 PVMV (eng. Pump Variable Motor Variable) Pumpa s promjenjivim volumenom i hidromotor s promjenjivim volumenom


35

Lennevi i Palmberg [58] koriste-linearno kvadratnu Gaussovu (eng. Linear

Quadratic Gaussian LQG) metodu za regulaciju brzine kotaa vozila s hidrostatskom

transmisijom. Sustav se sastoji od pumpe varijabilnog volumena pogonjene pogonskim

strojem i hidromotora s varijabilnim volumenom. Regulator je napravljan za praenje

referentne brzine i eliminiranje vanjskih smetnji. Usporedbom simulacijskih i

eksperimentalnih rezultata dokazala se prednost koritenje LQG metode pomou kojom

se ostvaruje optimalna regulacija sustava za sve reime rada ali pod uvjetom da je

sustav linearan. Unaprjeenju ovakvog sustava pridonose Anderson i Moore [59]

koristei Loop Transfer Recovery (LTR) metodu.

Del Re [60] predlae sustav nelinearne regulacije za varijabilnu pumpu i

hidromotor. Zakljuuje da je poeljno koristiti regulaciju volumena pumpe ovisno o

optereenju hidromotora. U sluaju da se sustav sastoji od vie aktuatora odnosno

hidromotora, ovakav nain regulacije ne bi bio mogu. Kod sustava s vie aktuatora

Huhtala [31] predlae upravljanje s vie ulaznih vrijednosti u sustav. Upravljanje je

podijeljeno u dvije razine kao to je prikazao na sl. 2.23. Prva razina (gornja) odreuje

upravljake vrijednosti za drugu razinu (donju) koja regulira rad dizelskog motora,

pumpe i hidromotora. To se postie pomou metode fuzzy logike koja klasificira

povratni signal i trenutnu brzinu hidromotora u funkciju trokutastog oblika nakon ega

se upravljaki signali predviaju za svaki aktuator ovisno o njihovoj brzini. To znai da

sustav upravljanja mora osigurati referentnu brzinu neovisno o optereenju. Za ovakav

sustav regulacije autor predlae PI regulator koji su definirani putem fuzzy logike.

Meutim, autor ne predstavlja usporedbu simulacijskih rezultata s eksperimentalnim

mjerenjima tako da je upitna ispravnost ovakvog regulacijskog sustava.

Slika 2.23. Shematski prikaz regulacijskog sustava prema Huhtalu [31]

Prva

razina

upravljanja

Hidrostatska

transmisija

Regulacija diz. motora

Regulacija pumpe

Regulacija hidromotora

eljena brzina

Trenutna brzina+

+

+

-

-

-


36

Doprinos razvoju regulacijskog sustava hidrostatske transmisije dao je i Njabeleke

[61] koji koristi H metodu za regulaciju brzine vrtnje hidromotora pomou

hidraulikog ventila. Slino, kao i kod drugih sustava hidrostatske transmisije, autor je

dokazao da dinamika sustava znaajno ovisi o uvjetima rada, zbog ega sustav

regulacije mora biti vrlo robustan da bi mogao izraunati razlike nastale promjenom

reima rada sustava. Rezultati prikazani u radu dokazuju da ovakav regulacijski sustav

ostvaruje vrlo dobre rezultate tj. vrlo dobro poklapanje kontrolnog signala i dobivene

brzine vrtnje hidromotora. Njebeleke u svom radu [62] takoer primjenjuje metodu

fuzzy logike koristei programsku aplikaciju SOFLC pomou kojeg regulira brzinu

vrtnje hidromotora.

Prasetiawan u svojoj disertaciji koristi LQG metodu za regulaciju brzine vrtnje

hidromotora odnosno kotaa vozila za zemljane radove. Razvojem sustava upravljanja

vozila za zemljane radove bave se i Zhang i Alleyne [63]. Za kraj jo treba spomenuti

rad Rabboa i Tutunjia [64] koji lineariziraju model hidrostatske transmisije kao ARMA7

model te koriste rekurzivni identifikacijski model kao regulacijski sustav. Dobivaju

dobro poklapanje simulacijskih i eksperimentalnih rezultata, iji je shematski

laboratorijski sustav prikazan na sl. 2.24.

Slika 2.24. Shematski prikaz laboratorijskog sustava hidrostatske transmisije [64]

7 ARMA (eng. Autoregressive moving average) model je statiki pristup rjeavanju problema

D/A A/D

Optereenje

Osjetnik brzin

Documents

Doktorska Disertacija Goran Gr