Case: Melhoria de desempenho do elevador de tesoura via simulação
- Alvaro Filho
- 6 de mai.
- 9 min de leitura
Haulotte usa Simcenter para aumentar a altura máxima de trabalho do elevador Pulseo em 25% e a capacidade de carga em 50%
Desafios
Tornar os canteiros de obras ecologicamente corretos
Definir uma arquitetura de e-machine ideal, garantindo a estabilidade da máquina
Criar um protótipo certo na primeira vez
Resultados
Desempenho aprimorado durante a transição de um motor ICE para um motor elétrico
Aumento da altura máxima de trabalho em 25% e da capacidade de carga em 50%
Redução do número de protótipos e do tempo gasto em campanhas de teste
Alinhado com os regulamentos de segurança e emissões
Com o Simcenter, passamos de um motor a combustão de 23 kW para um motor elétrico de 12 kW, ao mesmo tempo em que melhoramos o desempenho geral do elevador de tesoura.
Arnaud Chaigne, Chefe da Divisão de Simulação e Validação Digital, Haulotte
A segurança é primordial
Dê uma olhada em qualquer canteiro de obras e você verá muitos elevadores de tesoura sendo usados para uma variedade de tarefas. De trabalhos de pintura interna a reformas externas, esse tipo de elevador de construção com sua plataforma de elevação precisa ter um bom desempenho em uma variedade de condições desafiadoras.
Projetos ao ar livre podem ser especialmente difíceis para esse tipo de equipamento. O solo pode ser lamacento, irregular e difícil de navegar. Declives íngremes e lamacentos exigem bom desempenho de tração para fazer o trabalho.
Outro fator-chave são as regulamentações de ruído e emissão. Os elevadores não podem emitir gases de escape e não podem exceder certos níveis de decibéis para a segurança do operador e da equipe geral, especialmente em ambientes fechados. Isso significa que os engenheiros precisam reduzir o ruído geral gerado pelo motor e pelos sistemas de atuação, bem como atender aos padrões cada vez mais rigorosos aplicados aos motores de combustão interna (ICEs). À medida que mais áreas urbanas adotam zonas de baixa emissão, os fabricantes estão sendo forçados a acelerar a inovação e produzir equipamentos de energia alternativa. Em muitos casos, a eletricidade é o caminho mais viável a seguir.
Por fim, a segurança é primordial quando se trata de equipamentos de construção e elevadores em geral. Essas máquinas são todas sobre trabalhar bem acima do solo. Isso significa que a estabilidade é a maior prioridade para fabricantes e usuários finais.
Conhece alguém que tenha uma plataforma elevatória na garagem?
Como outros aspectos da indústria da construção, 80% dos clientes de elevação final não são usuários finais, mas empresas de aluguel de equipamentos. As empresas de aluguel precisam oferecer máquinas versáteis e de alto desempenho aos seus clientes. Os clientes não querem alugar máquinas diferentes para o mesmo local. Oferecer um versátil de alto desempenho é um grande trunfo quando se trata de gerenciar uma frota de aluguel.
Entre na gama Pulseo
Para preencher essa lacuna no mercado, a Haulotte, uma das principais fabricantes e fornecedoras de equipamentos de elevação do mundo, sediada em Lorette, França, desenvolveu a Pulseo, uma linha de elevadores elétricos de tesoura de última geração para todos os terrenos. Adequadas para trabalho interno e externo, as plataformas Pulseo totalmente elétricas oferecem desempenho superior em comparação aos modelos anteriores com motor de combustão.
Para desenvolver esses novos modelos, Arnaud Chaigne, chefe da divisão de simulação e validação digital da Haulotte, e sua equipe de engenheiros usaram simulação para estudar possibilidades de design e prever o desempenho da máquina.
“A simulação nos permitiu avaliar a viabilidade de diferentes cenários de inovação, levando em consideração o impacto em vários sistemas, como hidráulico, elétrico e controles, bem como a estabilidade da máquina e a segurança do operador”, diz Chaigne.
Avaliação de arquitetura de design usando Simcenter Amesim
Ferramentas de simulação de escolha
A Haulotte usa ferramentas de software Simcenter™ para simulação mecânica e de sistema. O Simcenter faz parte da plataforma de negócios Siemens Xcelerator de software, hardware e serviços. Usando essas ferramentas de simulação, os engenheiros da Haulotte desenvolveram uma linha de elevadores de tesoura com motor elétrico de 12 quilowatts (kW) prontos para o mercado. Os novos elevadores apresentaram melhor desempenho em comparação ao modelo anterior, que apresentava um motor de combustão interna (ICE) de 23 kW. Os novos elevadores de tesoura elétricos não são apenas livres de poluição e silenciosos, mas também apresentam melhor desempenho geral, incluindo uma altura máxima de acionamento de trabalho de 15 metros (m) em vez de 12 m e uma capacidade de carga de 750 quilogramas (kg) em vez de 500 kg.
Para determinar a arquitetura ideal para futuras plataformas elevatórias de tesoura Pulseo todo-terreno, Chaigne usou o software Simcenter Amesim™ para simulação do sistema. Uma das partes mais difíceis da tarefa foi otimizar o desempenho do motor elétrico. Ao contrário dos ICEs convencionais, para obter a potência necessária do motor elétrico, a equipe teve que lidar com muito mais problemas e restrições de design.
Para começar, Chaigne identificou as perdas de energia em todos os níveis: do motor até toda a estrutura, incluindo a distribuição hidráulica.
“Começamos modelando o sistema térmico existente para identificar as partes que mais consomem energia (mapeamento de perda de energia)”, diz Chaigne. “Ao fazer isso, conseguimos definir uma nova arquitetura mais adequada a uma máquina totalmente elétrica, onde todo o consumo de energia conta.”
Definindo uma arquitetura de sistema ideal
Como parte do projeto para definir a arquitetura ideal, a equipe trabalhou no dimensionamento da bateria do sistema elétrico.
Como Chaigne explica, “Para dimensionar a bateria adequadamente, tivemos que estudar duas áreas principais: por um lado, a quantidade total de energia necessária para as necessidades operacionais do dia a dia e, por outro lado, as altas demandas de energia durante as fases transitórias. O risco é superdimensionar o design para se adaptar a esses picos de energia. Portanto, trabalhamos na modelagem da lei de controle para limitar esses picos.”
Durante as fases de análise, Chaigne e sua equipe observaram que os picos ocorreram logo no início da elevação, quando os atuadores iniciaram o movimento.
“Para otimizar o tamanho da bateria, tivemos que desenvolver leis de controle para suavizar os picos de potência, ao mesmo tempo em que oferecíamos um tempo de elevação similar”, diz Chaigne. “Isso resultou em um nível de potência constante durante todo o movimento de elevação.”
Ferramenta de fluxo de trabalho personalizada e orientada a processos usando o software NX™ Open, no Simcenter 3D
Simulação da estabilidade da máquina em operação, usando o Simcenter 3D Motion
Usando o Simcenter 3D Motion para obter estabilidade
Regulamentos em vários países estipulam que elevadores devem permanecer estáveis, quer estejam se movendo para uma posição no local de trabalho ou parados; por exemplo, com o operador ou trabalhadores na plataforma.
“Para melhorar a produtividade com nossa nova plataforma elevatória tipo tesoura, foi necessário estudar sua estabilidade em trânsito”, diz Chaigne. “Quando a máquina está se movendo e sendo implantada, você precisa estudar o comportamento do eixo oscilante para garantir a estabilidade geral do veículo.”
Para poder antecipar todos os cenários possíveis, Chaigne e sua equipe usaram o software Simcenter 3D Motion para estudar o comportamento dinâmico do elevador de tesoura.
“Usamos a simulação dinâmica multicorpo do Simcenter para dimensionar os elevadores de tesoura para garantir a estabilidade”, diz Chaigne. “Isso tornou possível encontrar o melhor compromisso entre desempenho e peso da máquina e economizar tempo durante o desenvolvimento.”
Trabalho externo em andamento com o Pulseo
Democratizando a simulação
“Como especialista em simulação, sou responsável por garantir que nossas ferramentas de simulação sejam acessíveis”, afirma Chaigne. “As possibilidades de personalização no Simcenter 3D via NX Open tornaram possível integrar nossas regras de negócios e normas regulatórias para acelerar o processo de cálculo e reduzir o risco de erro.”
Quando o escritório de design Haulotte realiza as várias análises de estabilidade, as normas padrão conduzem o processo. Um dos problemas é que os padrões variam de região para região e os requisitos podem cobrir alguns fatores variáveis: desde os ambientais, como a força do vento, até os iniciados pelo homem, como o impacto do operador ou o manuseio do equipamento, como a posição da carga e os ângulos de trabalho.
“Paralelamente ao gerenciamento dos parâmetros padrões, tentamos tornar nossos modelos criados no escritório de design o mais preditivos possível”, explica Chaigne. “Isso significa levar em conta parâmetros que influenciam a estabilidade, como o comportamento do pneu, a rigidez real e sua distribuição de peso. Após o modelo ter sido definido, precisamos verificar a estabilidade de acordo com as diferentes configurações padrões; esta etapa pode ser relativamente longa e tediosa.”
Economizando tempo e eliminando trabalho tedioso
Para economizar tempo e melhorar o processo de análise dos cálculos de estabilidade, a equipe desenvolveu uma ferramenta de fluxo de trabalho personalizada e orientada ao processo usando o software NX™ Open, um módulo de automação de interface de programação de aplicativos (API) para o Simcenter 3D.
“Em termos concretos, o NX Open nos permite automatizar a entrada de dados, levando em conta as várias normas”, diz Chaigne. “Durante o pós-processamento, ele fornece informações claras sobre estabilidade. Isso permite que não especialistas usem modelos Simcenter 3D Motion mais complexos.”
A co-simulação melhora o desempenho
Ao trabalhar na série elétrica Pulseo, a equipe de engenharia co-simula modelos 3D do Simcenter usados para análise de estrutura e estabilidade com modelos de simulação de sistema Simcenter Amesim usados para análise de energia e dimensionamento de bateria.
Chaigne explica: “Para máquinas elétricas, o consumo de energia é extremamente importante. Usar o Simcenter 3D Motion nos permite modelar as forças nos atuadores hidráulicos levando em conta a cinemática, distribuição de massa, atrito e efeitos dinâmicos. Temos uma percepção real dos detalhes do nível de pressão e, portanto, da energia necessária para esses atuadores.”
A equipe trabalha com dois tipos de processos de co-simulação.
“No primeiro caso, os dois programas de software operam simultaneamente e trocam informações para convergir em direção a uma solução comum”, diz Chaigne. “No segundo caso, usamos o Simcenter 3D Motion para gerar tabelas de força de acordo com a posição do cilindro e então usamos essas informações no Simcenter Amesim.”
Como as plataformas elevatórias tipo tesoura operam principalmente hidraulicamente usando vários atuadores, a distribuição de tensões pela estrutura varia de acordo com o equilíbrio de pressão nos atuadores hidráulicos. Chaigne diz: “A co-simulação nos permite analisar as tensões em condições normais e durante falhas; por exemplo, uma ruptura de mangueira. Podemos ver como as transferências de carga ocorrem e o impacto na pressão do cilindro hidráulico.”
Usando simulação para reduzir campanhas de testes físicos
“Cálculos e simulações fazem parte do nosso processo de validação teórica para garantir que nosso design tenha atingido um certo nível de maturidade antes de fabricar o primeiro protótipo”, diz Chaigne. “No entanto, a fase de teste continua essencial. A simulação nos ajuda a identificar os casos mais críticos em termos de estabilidade, avaliando parâmetros como posição da máquina, cargas e forças.”
Os casos críticos identificados são então verificados durante os testes.
“Verificamos se os resultados dos testes correspondem à simulação”, confirma Chaigne. “Este loop de análise de teste-simulação é necessário para melhorar nossos modelos. Usar modelos de simulação limita protótipos e, portanto, reduz o tempo que gastamos nas campanhas de teste.”
Usando simulação para entender o comportamento de desempenho
“A simulação nos ajuda a definir a arquitetura geral do sistema, mas a usamos durante diferentes fases de desenvolvimento, como para solucionar problemas que ocorreram durante os testes. Certamente, a simulação fornece uma visão mais profunda do comportamento de desempenho indesejado e também das causas”, explica Chaigne. “Para reproduzir o desempenho com precisão, você precisa modelar diferentes fenômenos físicos. Isso inclui identificar parâmetros influentes e avaliar alternativas imediatamente. Trabalhando assim, somos capazes de atingir a fase de prototipagem com uma arquitetura mais madura e até definitiva.”
De acordo com Chaigne, dentro de um escritório de design, é essencial não isolar a equipe de análise de simulação da equipe de teste de protótipo. Os loops de simulação e teste devem ser integrados em um processo colaborativo para permitir que os problemas detectados durante o teste sejam resolvidos o mais rápido possível usando simulação.
Trabalho interno em andamento com o Pulseo
Desempenho superior e segurança ideal
Usar as ferramentas de simulação do Simcenter foi um fator-chave de sucesso no design e desenvolvimento dos novos elevadores elétricos de tesoura Pulseo todo-terreno da Haulotte. A equipe conseguiu cumprir todos os padrões de segurança de estabilidade operacional, bem como vários requisitos relacionados a emissões de ruído e poluição do ar. Graças aos recursos de simulação do Simcenter, a equipe criou um design ideal que apresentou um desempenho superior em comparação ao modelo anterior com um ICE.
“Com o Simcenter, passamos de um motor a combustão de 23 kW para um motor elétrico de 12 kW, ao mesmo tempo em que melhoramos o desempenho geral do elevador de tesoura. A altura máxima de trabalho aumentou 25% de 12 m para 15 m e a capacidade de carga aumentou 50% de 500 kg para 750 kg”, conclui Chaigne.
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