Simulatietools tillen Franse elektrische lift naar hoger plan

Het gebruik van Siemens’ Simcenter-simulatietools was een belangrijke succesfactor in de ontwikkeling van Haulotte’s elektrische all-terrain hoogwerkers. Het designteam slaagde erin om te voldoen aan alle veiligheidseisen en milieunormen met een ontwerp dat bovendien beter presteert dan het vorige model met een verbrandingsmotor.

Alexander Pil

Van binnenschilderwerk tot buitenrenovatie, op een bouwplaats worden veel schaarhoogwerkers gebruikt. Zulke bouwliften met een hefplatform moeten goed presteren in verschillende uitdagende omstandigheden. Vooral buitenprojecten zijn soms zwaar voor dit soort apparatuur. De grond kan modderig, ongelijk en moeilijk begaanbaar zijn. Modderige steile hellingen vereisen goede tractie om de klus te klaren.

Een andere belangrijke drijfveer is de geluids- en emissieregelgeving. Liften mogen geen uitlaatgassen uitstoten en ze mogen vastgestelde decibelniveaus niet overschrijden voor de veiligheid en het werkcomfort van de operator en de rest van het bouwteam, zeker binnenshuis. Dit betekent dat ingenieurs het geluid dat de motor en de aandrijfsystemen genereren, moeten terugdringen en moeten voldoen aan de steeds strengere normen die worden gesteld aan verbrandingsmotoren. Nu steeds meer steden lage-emissiezones invoeren, worden fabrikanten gedwongen om te innoveren en apparatuur op alternatieve energie te ontwikkelen. In veel gevallen ligt een elektrische aandrijving het meest voor de hand.

Ten slotte staat veiligheid hoog in het vaandel als het gaat om bouwmachines en liften in het algemeen. Bij deze systemen draait het om werken hoog boven de grond. Dit betekent dat stabiliteit de hoogste prioriteit heeft voor zowel fabrikanten als eindgebruikers.

Ken je iemand die een schaarlift in zijn garage heeft staan? Waarschijnlijk niet want net als bij andere machines voor de bouwsector zijn 80 procent van de kopers van hoogwerkers geen eindgebruikers maar verhuurbedrijven. Die firma’s willen hun klanten hoogwaardige, veelzijdige machines kunnen bieden.

Simcenter

Met al deze requirements in het achterhoofd ontwikkelde Haulotte, een grote Franse fabrikant en leverancier van hijsapparatuur, de Pulseo-serie, een reeks elektrische schaarhoogwerkers voor alle terreinen. De volledig elektrische Pulseo-platforms zijn geschikt voor zowel binnen- als buitenwerk en bieden betere prestaties dan eerdere modellen met verbrandingsmotoren.

Om deze nieuwe modellen te ontwikkelen, gebruikten Arnaud Chaigne, hoofd van de simulatie- en digitale validatiedivisie bij Haulotte, en zijn engineeringteam simulatie om ontwerpmogelijkheden te bestuderen en machineprestaties te voorspellen. ‘Door die simulaties konden we de haalbaarheid van verschillende innovaties en scenario’s beoordelen, rekening houdend met de impact op verschillende systemen, zoals de hydrauliek, de elektronica en de besturing, evenals de stabiliteit van de machine en de veiligheid van de machinist’, zegt Chaigne.

Haulotte gebruikt Simcenter-softwaretools voor systeem- en mechanische simulatie. Simcenter maakt deel uit van Xcelerator, het geïntegreerde portfolio van software en diensten van Siemens Digital Industries Software. Met behulp van deze tools ontwikkelden de ingenieurs van Haulotte een lijn marktklare schaarliften met een elektrische motor van 12 kilowatt. De nieuwe hoogwerkers leveren betere prestaties in vergelijking met het vorige model, dat met een 23 kW verbrandingsmotor was uitgerust. De nieuwe elektrische uitvoeringen zijn niet alleen vrij van vervuiling en stil, maar ze hebben ook een hogere werkrijhoogte van 15 meter in plaats van 12 meter en een laadvermogen van 750 kg in plaats van 500 kg.

Om de optimale architectuur voor toekomstige Pulseo-schaarliften voor elk terrein te bepalen, gebruikte Chaigne de Simcenter Amesim-software. Een van de moeilijkste onderdelen van de taak was het optimaliseren van de prestaties van de elektromotor. Het team had te maken met veel meer ontwerpproblemen en beperkingen om het vereiste vermogen uit de elektromotor te halen dan bij conventionele verbrandingsmotoren.

Om te beginnen, identificeerde Chaigne de energieverliezen op alle niveaus: van de motor, door de hele constructie, inclusief de hydraulische distributie. ‘Eerst hebben we het bestaande thermische systeem gemodelleerd om de onderdelen te vinden die de meeste energie verbruiken’, vertelt Chaigne. ‘Hierdoor konden we een nieuwe architectuur definiëren die meer geschikt is voor een volledig elektrische machine waarin al het energieverbruik telt.’

Capaciteit en stabiliteit

Om de optimale architectuur te kunnen definiëren, werkte het team aan het dimensioneren van de batterij. Chaigne legt uit: ‘Daarvoor moesten we twee belangrijke scenario’s bestuderen: aan de ene kant de benodigde energie voor het dagelijkse gebruik en aan de andere kant de hoge stroombehoefte tijdens piekmomenten. Het risico is dat je de lat voor de batterij te hoog legt juist voor deze pieken. Daarom hebben we met modellen die pieken zo veel mogelijk beperkt.’

Tijdens de analyse zagen Chaigne en zijn team dat de pieken optraden aan het begin van de liftbeweging als de actuatoren net in actie komen. ‘Om de batterijcapaciteit te optimaliseren, moesten we besturingsregels ontwikkelen die de vermogenspieken afvlakken en tegelijkertijd een vergelijkbare heftijd bieden’, zegt Chaigne. ‘Dit nieuwe profiel resulteerde in een constant vermogen tijdens de hele beweging.’

Regelgeving in verschillende landen schrijft voor dat hefliften stabiel moeten blijven, of ze nu op een bouwplaats worden geplaatst of stilstaan – bijvoorbeeld met de bediener of bouwvakkers op het platform. ‘Om de productiviteit met onze nieuwe hoogwerkers te verbeteren, moesten we de stabiliteit ervan tijdens het transport bestuderen’, zegt Chaigne. ‘Wanneer de machine beweegt en wordt ingezet, moet je het gedrag van de schommelende as analyseren om de algehele voertuigstabiliteit te garanderen.’ Om te kunnen anticiperen op alle mogelijke scenario’s, gebruikten Chaigne en zijn team de Simcenter 3D Motion-software.

Co-simulatie

Bij het werken aan de elektrische Pulseo-serie combineerde het Franse engineeringteam Simcenter 3D-modellen die worden gebruikt voor structuur- en stabiliteitsanalyse met Simcenter Amesim-systeemsimulatiemodellen die worden gebruikt voor energieanalyse en batterijcapaciteit. Chaigne legt uit: ‘Voor elektrisch aangedreven machines is het energieverbruik extreem belangrijk. Met Simcenter 3D Motion kunnen we de krachten in de hydraulische actuatoren modelleren, rekening houdend met de kinematica, massaverdeling, wrijving en dynamische effecten. Zo hebben we inzicht in de details van het drukniveau, en dus de energie die nodig is voor deze actuatoren.’

Het team werkte met twee soorten co-simulatieprocessen. ‘In het eerste geval draaiden de twee softwareprogramma’s gelijktijdig en wisselden ze informatie uit om samen te komen tot een gemeenschappelijke oplossing’, zegt Chaigne. ‘In het tweede geval gebruikten we Simcenter 3D Motion om de krachttabellen te genereren op basis van de cilinderpositie en gebruikten we deze informatie in Simcenter Amesim.’

Aangezien schaarliften meestal hydraulisch werken met behulp van meerdere actuatoren, varieert de spanningsverdeling over de constructie afhankelijk van de drukbalans in de hydraulische actuatoren. Chaigne: ‘Co-simulatie stelt ons in staat om de spanningen te analyseren onder normale omstandigheden en tijdens storingen, bijvoorbeeld in het geval van een slangbreuk. We kunnen zien hoe de lastoverdrachten plaatsvinden en wat de impact is op de hydraulische cilinderdruk.’

Sneller testen

‘Berekeningen en simulaties maken deel uit van ons theoretische validatieproces om ervoor te zorgen dat ons ontwerp een bepaald niveau heeft bereikt voordat het eerste prototype wordt geproduceerd’, zegt Chaigne. ‘De testfase blijft echter essentieel. Simulatie helpt ons de meest kritieke gevallen op het gebied van stabiliteit te identificeren, door parameters zoals machinepositie, belastingen en krachten te evalueren.’

Die kritieke gevallen worden vervolgens geverifieerd tijdens de testfase. ‘We controleren of de testresultaten overeenkomen met de simulatie’, bevestigt Chaigne. ‘Deze test-simulatie-analyselus is nodig om onze modellen te verbeteren. Het gebruik van simulatiemodellen beperkt het aantal prototypes en vermindert daardoor de tijd die we besteden aan het testtraject.’

Simulatie helpt Haulotte bij het definiëren van de systeemarchitectuur. ‘Maar we gebruiken het tijdens meer fasen, zoals bij het oplossen van problemen die zich tijdens het testen hebben voorgedaan. Simulatie geeft een dieper inzicht in ongewenst gedrag en de oorzaken’, legt Chaigne uit. ‘Om de prestaties nauwkeurig weer te geven, moet je verschillende fysieke fenomenen modelleren. Dit omvat het identificeren van belangrijke parameters en het onmiddellijk evalueren van alternatieven. Door op deze manier te werken, zijn we in staat om de prototypingfase te bereiken met een meer volwassen, zelfs definitieve architectuur.’

Volgens Chaigne is het binnen een ontwerpafdeling essentieel om het simulatie-analyseteam niet te scheiden van het prototype-testteam. ‘Simulatie- en testloops moeten worden geïntegreerd in een samenwerkingsproces om de problemen die tijdens het testen de kop opsteken zo snel mogelijk op te lossen met behulp van simulatie’, besluit hij.