Modelagem e validação experimental da eletrificação dos implementos hidráulicos de uma retroescavadeira
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Braz de Jesus Cardoso Filho
Igor Amariz Pires
Igor Amariz Pires
Resumo
Este trabalho apresenta um estudo acerca do desempenho da eletrificação dos implementos hidráulicos de uma máquina móvel não rodoviária. Os resultados são validados por meio de simulações e ensaios experimentais fundamentados em uma retroescavadeira como estudo de caso. As máquinas não rodoviárias começaram a ser o foco das metas de emissões de agências governamentais regulamentadoras de meio ambiente, devido à sua crescente utilização nos setores agrícola, de construção e de mineração. Com isso, os fabricantes desses maquinários começaram a investir, então, na tecnologia de eletrificação como possível solução para adequação às normas. O reprojeto e eletrificação do sistema de tração têm se apresentado como foco principal das montadoras, em detrimento dos implementos hidráulicos, sistema de direção e sistemas auxiliares. No entanto, a variabilidade das máquinas não rodoviárias implica em alguns modelos, nos quais os implementos hidráulicos são mais acionados do que o sistema de tração durante a operação. Desta forma, para analisar o desempenho da hibridização de uma máquina fora de estrada, uma topologia híbrida série é empregada a uma retroescavadeira comercial, onde o implemento traseiro é acionado por um motor elétrico, o motor Diesel é acoplado a um gerador e esses sistemas são alimentados por um banco de baterias. Uma estratégia de gerenciamento de energia baseada em regras é aplicada para determinar a utilização das fontes de energia do sistema híbrido. As principais regras do gerenciador envolvem a operação do motor Diesel e das máquinas elétricas em pontos ótimos dos mapas de eficiência. O projeto é validado por meio de simulações e ensaios experimentais realizados em uma retroescavadeira comercial. A eficácia da eletrificação do implemento hidráulico no consumo de combustível e consequente redução de emissões e ruídos de máquinas móveis não rodoviárias compactas é validada pelos resultados experimentais e de simulação que apresentam uma redução de 18,49% no consumo de combustível.
Abstract
This work presents a study on the performance of electrifying hydraulic implements on a
non-road mobile machine. The results are validated through simulations and experimental
tests based on a backhoe loader as a case study. Non-road machines have become the focus
of emissions standards set by environmental regulatory agencies due to their increasing
use in agricultural, construction, and mining sectors. As a result, manufacturers have
started investing in electrification technology as a possible solution for compliance with
regulations. The redesign and electrification of the traction system have been the main
focus of manufacturers, at the expense of hydraulic implements, steering systems, and
auxiliary systems. However, the variability of non-road machines implies that in some
models, hydraulic implements are more activated than the traction system during operation.
Therefore, to analyze the performance of hybridizing an off-road machine, a series hybrid
topology is applied to a commercial backhoe loader, where the rear implement is powered
by an electric motor, the Diesel engine is coupled to a generator, and these systems
are powered by a battery bank. A rule-based energy management strategy is applied to
determine the use of energy sources in the hybrid system. The main rules of the manager
involve operating the Diesel engine and electric machines at optimal points on the efficiency
maps. The design is validated through simulations and experimental tests conducted on a
commercial backhoe loader. The effectiveness of electrifying the hydraulic implement in
reducing fuel consumption and consequent emissions and noise from compact non-road
mobile machines is validated by experimental and simulation results showing an 18.49%
reduction in fuel consumption.
Assunto
Engenharia elétrica, Eletrificação, Maquinas elétricas, Equipamentos de construção, Poluentes, Máquinas - Consumo de combustível
Palavras-chave
Eletrificação de máquinas móveis compactas não rodoviárias, Retroescavadeira, Equipamentos de construção, Emissão de poluentes, Economia de combustíıvel