Peut-on étudier les performances d’une pelle hydraulique avant la fabrication de ses pièces ? Lisez ce qui suit pour le savoir.
Dans cet article, nous donnons un aperçu d’une approche typique du développement de produits selon l’ingénierie des systèmes basée sur des modèles (ISBM).
Notre objectif consiste à évaluer l’impact de la géométrie du bras d’excavation sur les performances globales de la pelle hydraulique. Pour la simulation du système, nous avons utilisé Simcenter Amesim, car il est capable de simuler l’ensemble du système multiphysique dans un seul modèle.
Simulation de système
Une pelle hydraulique typique comporte de nombreux sous-systèmes. Ceux-ci comprennent le système hydraulique, la structure mécanique et le moteur d’entraînement (soit un moteur à combustion interne, soit un moteur électrique).
Simcenter Amesim propose des bibliothèques standard pour différents domaines physiques, ce qui permet de réduire le volume de modélisations physiques nécessaires avant de commencer le processus de conception.
Dans cet exemple, pour la modélisation du système d’une pelle hydraulique, plusieurs de ces bibliothèques sont utiles : système hydraulique, système mécanique 1D et 3D, et IFP-Drive (Fig. 1).
Fig. 1 Contenu des bibliothèques de Simcenter Amesim : système hydraulique, système mécanique 1D et 3D, et IFP-Drive.
Considérations de conception
La fonction première d’une pelle hydraulique est de creuser. Ses performances sont exprimées par la productivité et la consommation de carburant, et la conception du bras a un impact important sur ces deux éléments.
La géométrie du bras d’excavation, qui est définie par la position des axes, mérite une attention particulière.
Les axes et le bras de la pelle hydraulique sont illustrés ci-dessous (Fig. 2).
Fig. 2 Axes du bras d’excavation de la pelle hydraulique.
Simcenter Amesim est l’outil de simulation idéal pour les systèmes complexes. La figure 3 montre le modèle Simcenter Amesim d’une pelle hydraulique afin d’étudier l’influence de l’emplacement de l’axe sur les performances globales de la pelle : volume de terre déplacé, force de creusement, force des vérins, débits et pressions hydrauliques, puissance du moteur d’entraînement et consommation de carburant.
Fig. 3 Modèle Simcenter Amesim d’une pelle hydraulique.
Dans cette étude, nous comparons deux géométries de flèche : la géométrie initiale A et la géométrie finale B. La seule différence entre elles est l’emplacement du vérin et de l’axe de la flèche, comme le montrent les figures 4 et 5.
Fig. 4 Modèle Simcenter Amesim d’une pelle hydraulique.
Fig. 5 Fonction Animation de Simcenter Amesim montrant les deux géométries de la flèche.
Comme le montre la figure 5, bien que la position du bras soit la même, le déplacement du vérin de la flèche est plus élevé. Par conséquent, la modification de la géométrie du bras a un impact sur la course requise du vérin.
Analyse de la performance
Nous avons utilisé la fonction Study Manager de Simcenter Amesim pour définir deux ensembles de paramètres pour les positions du vérin et de l’axe de la flèche (Fig. 6).
Fig. 6 Paramètres de la fonction Study Manager pour le vérin et l’axe de la flèche.
Pour obtenir une comparaison significative des performances de la pelle hydraulique selon deux géométries différentes, nous avons décidé de conserver la même productivité et de comparer la consommation de carburant.
Afin de s’assurer que la productivité reste la même pour les deux géométries de bras, la commande de la pelle hydraulique est définie de manière à ce que les trajectoires du godet pour les deux géométries soient aussi proches que possible (Fig. 7). La figure 8 montre que le volume déplacé dans les deux cas est pratiquement identique.
Fig. 7 Positions x, y et z des godets pour la géométrie A (lignes rouges) et la géométrie B (lignes bleues).
Fig. 8 Volume retenu dans les godets pour la géométrie A (lignes rouges) et la géométrie B (lignes bleues).
L’analyse de la demande de puissance du moteur et de la consommation de carburant montre clairement que pour la géométrie B, le moteur fournit moins de puissance lors du déplacement de la flèche vers le haut. Par conséquent, la consommation de carburant est également plus faible (Fig. 9).
Fig. 9 Puissance du moteur et consommation de carburant pour la géométrie A (lignes rouges) et la géométrie B (lignes bleues).
Comme indiqué précédemment, la modification de la géométrie du bras d’excavation a également une influence sur la force du vérin. La figure 10 présente le tracé de la force du vérin de la flèche pour les deux géométries.
Fig. 10 Force du vérin de la flèche pour la géométrie A (lignes rouges) et la géométrie B (lignes bleues).
ISBM et étude des performances des pelles hydrauliques
En utilisant un processus d’ISBM, nous avons pu :
- Comprendre en profondeur les performances de la pelle hydraulique avant que la CAO ne soit effectuée.
- Obtenir des analyses comparatives virtuelles de diverses configurations de machines qui nous ont permis d’optimiser les sous-systèmes de la pelle hydraulique et d’explorer différentes conceptions.
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Simcenter for Heavy Equipment Performance Engineering (Simcenter pour l’ingénierie du rendement des équipements lourds) : https://www.youtube.com/watch?v=cnZXdKdb7xU
Cross referencing results across multiple runs with Simcenter Amesim (Regroupement des résultats de plusieurs essais avec Simcenter Amesim) : https://www.youtube.com/watch?v=NBeJD4W2iEg