Summary
Wir haben ein Simulationsmodell erstellt, um die Pumpenströmungseigenschaften und die Leistung der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpenbaugruppe in elektrohydrostatischen Aktuatoren zu bewerten und den Gesamtwirkungsgrad unter einer Vielzahl von Arbeitsbedingungen der Motor-Pumpen-Baugruppe experimentell zu untersuchen.
Abstract
Ein elektrohydrostatischer Aktuator (EHA) kann aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, Wartungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit die vielversprechendste Alternative im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Servoaktuatoren sein. Als Kernaggregat, das die Leistung und Lebensdauer des EHA bestimmt, sollte die Motor-Pumpen-Baugruppe gleichzeitig einen weiten Drehzahl-/Druckbereich und ein hohes dynamisches Ansprechverhalten besitzen.
In diesem Artikel wird eine Methode zum Testen der Leistung der Motor-Pumpen-Baugruppe durch Simulation und Experimente vorgestellt. Die Durchflussleistungseigenschaften wurden durch Simulation und Analyse der Baugruppe zu Beginn des Experiments definiert, was zu dem Schluss führte, ob die Pumpe die Anforderungen der EHA erfüllen konnte. Eine Reihe von Leistungstests wurde an der Motor-Pumpen-Baugruppe über einen Pumpenprüfstand im Drehzahlbereich von 1.450-9.000 U/min und im Druckbereich von 1-30 MPa durchgeführt.
Wir testeten den Gesamtwirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen, nachdem wir die Übereinstimmung zwischen den Testergebnissen der Durchflussleistungseigenschaften und den Simulationsergebnissen bestätigt hatten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Baugruppe einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufweist, wenn sie bei 4.500-7.000 U/min unter dem Druck von 10-25 MPa und bei 2.000-2.500 U/min unter 5-15 MPa arbeitet. Insgesamt kann dieses Verfahren genutzt werden, um im Vorfeld festzustellen, ob die Motor-Pumpen-Baugruppe die Anforderungen der EHA erfüllt. Darüber hinaus schlägt dieses Papier ein Schnelltestverfahren für die Motor-Pumpen-Baugruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen vor, das bei der Vorhersage der EHA-Leistung helfen könnte.
Introduction
Bekannt als typischerweise integrierter Aktuator mit hoher Leistungsdichte, hat der EHA breite Perspektiven in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt, Baumaschinen und Robotik 1,2. Die EHA besteht hauptsächlich aus Servomotor, Pumpe, Zylinder, Druckbehälter, Ventilblock, Moderegelventilen, Modulregelventilen und Sensoren, die ein hochintegriertes, pumpengesteuertes, geschlossenes Hydrauliksystem bilden. Das schematische Diagramm und das physikalische Modell sind in Abbildung 1 3,4,5,6,7 dargestellt. Die Motor-Pumpen-Baugruppe ist die Kernleistung und die Steuerungskomponente und bestimmt das statische und dynamische Verhalten der EHA7.
Die konventionelle Motor-Pumpen-Baugruppe besteht aus einem separaten Motor und einer Pumpe, deren Wellen durch eine Wellenkupplung8 verbunden sind. Diese Struktur hat erhebliche negative Auswirkungen auf die Leistung und Lebensdauer der EHA. Erstens werden sowohl der Motor als auch die Pumpe aufgrund der Montagegenauigkeit eine relativ große Vibration tragen, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit5. Vibrationen beeinflussen nicht nur die Leistungseigenschaften der Pumpe, sondern beschleunigen auch den Verschleiß der Reibungsschnittstellen in der Pumpe, was zum Ausfall der Motor-Pumpen-Baugruppeführt 9. Zweitens müssen an den Wellenenden der Pumpe Dichtungen angebracht werden, die ein Auslaufen nicht grundsätzlich verhindern können. Gleichzeitig nimmt der mechanische Wirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe mit zunehmendem Reibungswiderstandab 10. Drittens beschleunigt das häufige Umkehren der Motor-Pumpen-Baugruppe den Verschleiß der Kupplung und erhöht die Möglichkeit eines Ermüdungsbruchs, wodurch die Systemzuverlässigkeit des EHA11,12 verringert wird.
So wurde eine einwellige koaxiale Motor-Pumpen-Baugruppe innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses entwickelt, um diese Mängel zu vermeiden. Die Struktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei diesem Bauteil wird ein kupplungsloses Design verwendet, das gleichzeitig die dynamische Leistung und den Schmierzustand von Motor und Pumpe erhöhen könnte. Dieses koaxiale Einwellendesign gewährleistet die Ausrichtung der beiden Rotoren und verbessert die dynamische Balance unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen. Darüber hinaus eliminiert das gemeinsame Gehäuse Leckagen der Wellenenden grundlegend.
Die Prüfung der Leistungseigenschaften der EHA-Motor-Pumpen-Baugruppe ist von großer Bedeutung für die Optimierung und Verbesserung der EHA-Leistung. Es gibt jedoch relativ wenige Studien zur Leistungsprüfung der Motor-Pumpen-Baugruppe, insbesondere für EHAs. Daher haben wir eine Testmethode zur Kombination von Simulation und Experimenten durchgeführt. Dieses Verfahren eignet sich für die Prüfung von Motor-Pumpen-Baugruppen mit einer Vielzahl von Betriebsbedingungen, insbesondere von EHA-Pumpen.
Es gibt zwei Hauptherausforderungen: Die erste besteht darin, ein genaues Simulationsmodell zu erstellen, um die Ausgangsströmungseigenschaften der Motorpumpe zu analysieren und Unterstützung für die optimale Auslegung der Motor-Pumpen-Baugruppe zu bieten. Wir haben ein Simulationsmodell der Motor-Pumpen-Baugruppe durch hierarchische Modellierung etabliert und die Simulationsanalyse des Ausgangsflusses durch Änderung verschiedener Parameter realisiert. Die zweite ist die Kavitation des Testelements, die durch hohe Geschwindigkeit verursacht wird, was der wichtigste Aspekt ist, der es von gewöhnlichen Pumpen unterscheidet. Daher haben wir uns bei der Auslegung des Testsystems mehr auf das Design des Ölversorgungssystems konzentriert, um den Test unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu realisieren.
In diesem Protokoll wurde ein eindimensionales Simulationsmodell erstellt, um zunächst die Pumpenströmungseigenschaften zu simulieren und zu beurteilen, ob die Pumpenströmungseigenschaften den Anforderungen der EHA entsprechen. Anschließend wurden die Strömungseigenschaften und der Gesamtwirkungsgrad auf einem speziellen Prüfstand experimentell getestet, um die Gesamteffizienzkarte zu erhalten, die durch Simulation nicht genau simuliert werden kann. Schließlich wurden die Strömungseigenschaften der Pumpe mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu überprüfen. In der Zwischenzeit wurde die Gesamteffizienzkarte erstellt, um die Leistung der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpenbaugruppe zu bewerten.
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Protocol
1. Simulation des Pumpendurchflussverhaltens
- Erstellen Sie das Simulationsmodell der Motor-Pumpen-Baugruppe. Öffnen Sie die Simulationsplattform AMESim und wechseln Sie in den SKETCH-Modus .
- Erstellen Sie das Simulationsmodell für einen einzelnen Kolben gemäß dem kinematischen mathematischen Modell und der Verteilungskurve (Abbildung 3). Kapseln Sie das Einkolbenmodell als Superkomponente (Abbildung 4).
ANMERKUNG: Das kinematische Hauptmodell des Kolbens (Gleichung (1)) ergibt:
(1)
In dieser Gleichung ist x die absolute Verschiebung des Kolbens, β der Neigungswinkel der Taumelscheibe, φ der Phasenwinkel des Kolbens, R f der Verteilungsradius des Zylinderblocks, df der Verteilungsdurchmesser des Zylinderblocks. - Erstellen Sie das Pumpenmodell unter Berücksichtigung der Leckage und Reibung der Ventilplatte (Abbildung 4). Konzentrieren Sie sich beim Bau des Ventilplattenmoduls hauptsächlich auf die viskose Reibung und den Drosselungseffekt der Kolben-/Zylinderblockschnittstelle und der Slipper/Taumelscheiben-Schnittstelle.
- Bauen Sie das Motormodell über ein ideales Drehmomentmodul (Abbildung 4). Verwenden Sie ein ideales Drehmomentmodul, um den Motor zu simulieren, und ignorieren Sie den Eisenverlust, den Kupferverlust und den Rührverlust des Motors.
- Erstellen Sie das Simulationsmodell für einen einzelnen Kolben gemäß dem kinematischen mathematischen Modell und der Verteilungskurve (Abbildung 3). Kapseln Sie das Einkolbenmodell als Superkomponente (Abbildung 4).
- Stellen Sie die Hauptparameter des Motor-Pumpen-Baugruppenmodells ein.
- Stellen Sie die Parameter der Motor-Pumpen-Baugruppe gemäß Tabelle 1 ein. Wechseln Sie in den PARAMETER-Modus und setzen Sie die Hauptparameter durch Doppelklick auf die spezifische Komponente im Simulationsmodell. Stellen Sie die Drehzahl und den Prüfdruck gemäß Tabelle 2 ein.
- Stellen Sie die Vorlaufparameter des Modells ein: Startzeit: 0 s, Endzeit: 1 s, Druckintervall: 1 ms.
- Führen Sie die Simulation vorab aus, um den stationären Zustand zu erreichen.
- Führen Sie die Simulation aus und prüfen Sie, ob das System am Ende der Simulation den stationären Zustand erreicht. Wenn das System den stabilen Zustand erreicht, aktivieren Sie im Fenster Run Parameters (Ausführungsparameter) die Option Use old final values (Alte Endwerte verwenden). Wenn nicht, setzen Sie die Endzeit in Schritt 1.2.1 auf 2 s oder länger zurück und wiederholen Sie Schritt 1.2.2, bis das System den stationären Zustand erreicht.
- Stellen Sie die Ausführungsparameter des Modells ein: Startzeit: 0 s, Endzeit: 0,2 s, Druckintervall: 0,002 ms.
- Führen Sie die Simulation aus und speichern Sie die Simulationsdaten.
HINWEIS: Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1-1.2.4 für eine bestimmte Arbeitsbedingung. Speichern Sie die Daten nach der Simulation. - Exportieren Sie die Simulationsdaten und zeichnen Sie die Strömungskontur der Motor-Pumpen-Baugruppe in OriginPro. Berechnen Sie den Wert des Pumpendurchflusses als Durchschnitt des innerhalb von 0,2 s aufgezeichneten Pumpendurchflusses.
- Bestimmung der Ausgangsflusseigenschaften
- Zeichnen Sie die Ausgangsflusskurve der Motor-Pumpen-Baugruppe bei maximaler Drehzahl unter verschiedenen Druckbedingungen auf.
- Berechnen Sie den erforderlichen Ausgangsdurchsatz der Pumpe entsprechend der spezifischen EHA-Höchstdrehzahl und zeichnen Sie die erforderliche Durchflusskurve bei verschiedenen Druckbedingungen auf.
- Stellen Sie sicher, dass die erforderliche Durchflusskurve der EHA von der Ausgangsdurchflusskurve der Motor-Pumpen-Baugruppe umhüllt ist.
(1)2. Einrichtung der Experimentierplattform
- Richten Sie den Prüfstand ein.
- Bereiten Sie hydraulische Komponenten des Prüfstandes gemäß Tabelle 3 vor. Stellen Sie sicher, dass die Schlüsselparameter jeder Komponente die in Tabelle 3 aufgeführten Anforderungen erfüllen.
- Entwerfen und fertigen Sie die hydraulischen Ventilblöcke und bauen Sie ein Hydrauliksystem gemäß dem hydraulischen Schaltplan (Abbildung 5). Stellen Sie sicher, dass die relativen Positionen der Komponenten mit dem schematischen Diagramm übereinstimmen und die Drucksensoren und Temperatursensoren so nah wie möglich am Prüfpunkt positioniert sind.
HINWEIS: Diese Versuchsreihe wurde auf einem speziellen Hochgeschwindigkeits- und Hochdruck-Pumpenbelastungsprüfstand durchgeführt, wie in Abbildung 6 dargestellt. - Konstruktion und Herstellung der Werkzeuge und Testventilblöcke. Stellen Sie sicher, dass die Konstruktionswerkzeuge der spezifischen Schnittstelle der getesteten Pumpe und des Prüfstands entsprechen.
- Installation der mechanischen Schnittstellen (Abbildung 7)
- Verbinden Sie die Stirnfläche der Motor-Pumpen-Baugruppe mit dem Prüfventilblock. Verwenden Sie mindestens 4 Schrauben, um eine gute Dichtungsleistung zu gewährleisten.
- Befestigen Sie die Motorpumpenbaugruppe und den Prüfventilblock auf der Werkbank des Prüfstandes (Abbildung 8). Verbinden Sie die Motorpumpenbaugruppe und den Prüfventilblock mit vier Schrauben mit dem dedizierten Werkzeug und die Werkzeuge mit 2 Schrauben mit der Werkbank.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die beiden Schrauben ausreichend stark sind, damit während der Durchführung des Tests keine Vibrationen auftreten. - Installieren Sie zwei Gruppen von Druck- und Temperatursensoren von Anschluss A und Anschluss B am Prüfventilblock. Schließen Sie diese Sensoren zur Leckageüberwachung direkt an den Leckageanschluss an.
HINWEIS: Es ist notwendig, verschiedene Werkzeuge für verschiedene getestete Motorpumpenbaugruppen zu entwerfen und herzustellen, um das Experiment abzuschließen.
- Anschluss der hydraulischen Schnittstellen (Bild 7)
- Verbinden Sie die beiden Hochdruck-Ölkanäle der Pumpenquelle mit Anschluss A oder B des Prüfventilblocks.
- Verbinden Sie den Druckölanschluss mit dem Leckageölanschluss der Pumpe.
- Absaugung der Motor-Pumpen-Baugruppe
- Stellen Sie sicher, dass sich das Überdruckventil des Ölversorgungssystems im Entladezustand befindet. Lassen Sie den Ölversorgungsmotor 3 Minuten lang laufen, um die Luft des Prüfsystems abzusaugen und zu erwärmen.
HINWEIS: Die spezifische Laufzeit wird entsprechend den spezifischen Bedingungen des Prüfstandes bestimmt. Der Hauptzweck dieses Schritts besteht darin, sicherzustellen, dass das Öl vollständig in jede Komponente des Prüfkreislaufs fließt und die Oberflächentemperatur der getesteten Pumpe nahe an der Öltemperatur liegt.
- Stellen Sie sicher, dass sich das Überdruckventil des Ölversorgungssystems im Entladezustand befindet. Lassen Sie den Ölversorgungsmotor 3 Minuten lang laufen, um die Luft des Prüfsystems abzusaugen und zu erwärmen.
- Um das Überdruckventil des Ölversorgungssystems auf Lecks in der Motorpumpenbaugruppe zu prüfen. Stellen Sie den Ölversorgungsdruck für mehr als 1 min auf 2 MPa ein.
HINWEIS: Auf diese Weise können Sie herausfinden, ob das Testsystem offensichtlich undicht ist, z. B. die Leckage, die durch den Ausfall des O-Rings verursacht wird.- Suchen Sie nach Leckagen in der Motor-Pumpen-Baugruppe. Wenn es undicht ist, schalten Sie zuerst das Hydrauliksystem ab, ersetzen Sie die Dichtung, und wiederholen Sie dann die Schritte 2.3 und 2.4. Wenn keine Leckage vorliegt, öffnen Sie das Überdruckventil des Ölversorgungssystems.
- Anschluss der elektrischen Schnittstellen (Abbildung 9)
- Verbinden Sie die Stromversorgungsschnittstelle und die Drehsignalschnittstelle mit dem Treiber der Motorpumpenbaugruppe.
- Verbinden Sie den Treiber über RS 442 mit dem Controller und arbeiten Sie im Vollduplex-Modus.
- Schließen Sie den Treiber an die 270-VDC-Stromversorgung an.
- Leerlaufprüfung der Motor-Pumpen-Baugruppe
- Lassen Sie die Ölversorgungspumpe laufen und halten Sie die Überdruckventile der Ölversorgungs- und -ladesysteme im Entladezustand. Schalten Sie den Treiber und die Steuerung ein und prüfen Sie, ob die Motor-Pumpen-Baugruppe den Steuerbefehl normal empfangen kann.
HINWEIS: Der Einlassanschluss der Motor-Pumpen-Baugruppe kann über eine Ölversorgungspumpe unter Druck gesetzt werden, wodurch eine Kavitation der Komponente verhindert wird. - Stellen Sie eine Anweisung von 2.000 U/min vorwärts zur Motor-Pumpen-Baugruppe ein. Beobachten Sie den Arbeitszustand der Motor-Pumpen-Baugruppe und prüfen Sie, ob der Ventilblock undicht ist (siehe Schritt 2.5).
- Stellen Sie eine Anweisung von 2.000 U/min rückwärts auf die Motor-Pumpen-Baugruppe ein. Beobachten Sie den Arbeitszustand der Motor-Pumpen-Baugruppe und prüfen Sie, ob der Ventilblock undicht ist (siehe Schritt 2.5).
- Lassen Sie die Ölversorgungspumpe laufen und halten Sie die Überdruckventile der Ölversorgungs- und -ladesysteme im Entladezustand. Schalten Sie den Treiber und die Steuerung ein und prüfen Sie, ob die Motor-Pumpen-Baugruppe den Steuerbefehl normal empfangen kann.
3. Prüfung des Pumpendurchflusses und des Gesamtwirkungsgrads der Motor-Pumpen-Baugruppe
- Einstellung des Ölversorgungssystems
- Lassen Sie die Ölversorgungspumpe laufen und schalten Sie die Überdruckventile des Ölversorgungssystems und des Ladesystems in den Ladezustand.
- Stellen Sie das Überdruckventil der Ölversorgung auf den minimalen Ölversorgungsdruck p smin von 0,6 MPa ein. Führen Sie die Schritte 3.1.2.1-3.1.2.3 aus, um psmin auszuwählen.
HINWEIS: psmin ist der Druck im Einlassanschluss der Motorpumpenbaugruppe, um Kavitation zu vermeiden.- Stellen Sie den Ölversorgungsdruck auf 1 MPa oder mehr ein, was von der getesteten Motor-Pumpen-Baugruppe entschieden wird.
- Stellen Sie die Drehzahl der getesteten Motor-Pumpen-Baugruppe auf 9.000 U/min ein und stellen Sie sicher, dass der Pumpendurchfluss dem theoretischen Pumpendurchfluss entspricht. Andernfalls erhöhen Sie den Ölversorgungsdruck, um Kavitation zu vermeiden.
- Reduzieren Sie den Ölversorgungsdruck langsam und notieren Sie die Änderung des Pumpendurchflusses. Zeichnen Sie den relativen Pumpendurchfluss im Vergleich zum Ölversorgungsdruck auf und ermitteln Sie den Wendepunkt des Pumpenstroms - der Ölversorgungsdruck dieses Punktes ist derminimale Ölversorgungsdruck p smin.
- Stellen Sie das Überdruckventil auf psmin ein.
- Schalten Sie die Temperaturregelung ein und stellen Sie die Öltemperatur auf 30 °C ein.
- Schalten Sie die Wärmebildkamera ein, um die Oberflächentemperatur der Motor-Pumpen-Baugruppe zu erkennen.
- Senden Sie Steueranweisungen an die Motor-Pumpen-Baugruppe, damit sie kontinuierlich mit einer bestimmten Geschwindigkeit läuft (Tabelle 2).
- Stellen Sie das Überdruckventil ein und erhöhen Sie den Lastdruck schrittweise auf einen bestimmten Wert (Tabelle 2). Bei jedem kritischen gemessenen Druck 4 s halten.
HINWEIS: Achten Sie während des Experiments genau auf die Motortemperatur. Stellen Sie sicher, dass die Temperatur der Motorpumpenbaugruppe unter 100 °C liegt. - Nachdem der Druck den spezifischen Wert der Drehzahl erreicht hat, stellen Sie das Überdruckventil wieder auf 1 MPa ein.
- Wiederholen Sie die Schritte 3.3 und 3.4, bis die Eigenschaften aller kritischen Druckmessstellen gemäß Tabelle 2 geprüft sind.
- Exportieren Sie die experimentellen Durchflussdaten und zeichnen Sie die Kennlinie des Pumpendurchflusses der Motor-Pumpen-Baugruppe.
- Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad ηo der Motor-Pumpen-Baugruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und zeichnen Sie die Gesamteffizienzkarte auf.
ANMERKUNG: Der Gesamtwirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe wird durch Gleichung (2) angegeben:
. (2)
Dabei ist Po die Ausgangsleistung der Motor-Pumpen-Baugruppe, Pi die Eingangsleistung des Treibers, Q-Pumpe der Pumpenstrom; Δp ist die Pumpendruckdifferenz; U-Leistung ist die Ausgangsspannung der Stromversorgung; ILeistung ist der Ausgangsstrom der Stromversorgung.
. (2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Das Simulationsergebnis des Abflussstroms (Bild 10A) zeigte, dass der Abflussstrom mit dem Anstieg des Lastdrucks bei konstanter Drehzahl leicht abnahm. Darüber hinaus stieg der Abtriebsdurchsatz linear mit steigender Geschwindigkeit bei konstantem Druck an, wenn man die gleiche Bandbreite betrachtet. Um die Leistung der Motor-Pumpen-Baugruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen direkt zu bewerten, haben wir ihr volumetrisches Effizienzdiagramm gezeichnet (Abbildung 11A). Es zeigte sich, dass der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe höher war, während Druck und Drehzahl relativ niedrig waren. Wenn die Drehzahl 3.000 U/min betrug, betrug der maximale Ausgangsdruck für einen volumetrischen Wirkungsgrad von 95% 5 MPa; bei einer Drehzahl von 8.000 U/min stieg dieser Wert schnell auf 23 MPa.
Abbildung 10B zeigt die experimentellen Ergebnisse der Abflussströmung, die gut mit der Simulation übereinstimmen. Der kleine Unterschied zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Simulationsergebnissen besteht darin, dass bei einer höheren Drehzahl als 5.000 U/min der Ausgangsstrom zuerst abnimmt und dann mit dem steigenden Druck zunimmt. Abbildung 11B zeigt die volumetrische Effizienz des Experiments. Die experimentellen Ergebnisse unterscheiden sich von den Simulationsergebnissen, insbesondere wenn die Motor-Pumpen-Baugruppe mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck arbeitet. Wenn der Druckabfall kleiner als 10 MPa ist, nimmt der volumetrische Wirkungsgrad mit zunehmender Drehzahl ab.
Abbildung 12 zeigt die Unterschiede im volumetrischen Wirkungsgrad und im Pumpendurchfluss zwischen den simulierten und experimentellen Ergebnissen. In dieser Abbildung ist dargestellt, dass die Simulationsergebnisse des Pumpenstroms gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Darüber hinaus wird der Volumeneffizienzfehler ebenfalls innerhalb von 10% gehalten. Wenn die Drehzahl höher als 4.000 U/min ist, kann der Fehler innerhalb von 4% kontrolliert werden. Abbildung 13 zeigt den Gesamtwirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe. Wenn die Motor-Pumpen-Baugruppe unter den Arbeitsbedingungen von niedriger Geschwindigkeit und hohem Druck oder hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck arbeitet, ist ihr Gesamtwirkungsgrad relativ niedrig, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck, wenn ihr Gesamtwirkungsgrad auf ~ 10% sinkt. Wenn der Druckabfall im Bereich von 5 bis 15 MPa liegt und die Drehzahl 2.000-8.000 U/min beträgt, kann der Gesamtwirkungsgrad bis zu 60% erreichen.
Abbildung 1: Aufbau und schematische Darstellung der EHA. Das obere Bild des Modells ist das 3D-Modell der EHA und das untere Bild ist das schematische Diagramm. Abkürzung: EHA = electrohydrostatic actuator. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Aufbau der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpe-Baugruppe. Diese Abbildung zeigt den inneren Aufbau einer Motor-Pumpe-Baugruppe, bestehend aus Gehäuse, Welle, Rotor, Statorspule, Encoder, hinterer Endplatte, Taumelscheibe, Kolben, Zylinderblock und Ventilplatte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Simulationsmodell eines einzelnen Kolbens. Diese Abbildung zeigt die Zusammensetzung eines Einkolbenmodells, einschließlich eines Kolbenvolumenhohlraummodells, eines Durchflussverteilungsmodells und eines Slippermodells. Die Funktion f(x,y) gibt den Reibungskraftverlust der Taumelscheibe/Slipper-Schnittstelle an, und die Funktion f(x,y,z) gibt den viskosen Reibleistungsverlust der Kolben/Zylinderblock-Schnittstelle an. Die Zahlen in dieser Abbildung zeigen die Schnittstellen der Superkomponente des Einkolbensimulationsmodells. Abkürzungen: PCI = Kolben/Zylinder-Blockschnittstelle; SSI = Taumelscheibe/Slipper-Schnittstelle; P = Druck; V = Geschwindigkeit; μ = Reibungskoeffizient; Q = Durchfluss; A, B = Anschlüsse der Motor-Pumpen-Baugruppe; M = Masse; F = Kraft Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Simulationsmodell der Motor-Pumpen-Baugruppe. Das Motor-Pumpen-Montagemodell besteht hauptsächlich aus 9 Einkolbenmodellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln, einem idealen Motormodell und einem Ventilplattenreibungsmodell. Die Funktion f(x,y) gibt die Rührverluste der Pumpe an, die obere Funktion f(x,y,z) die Volumenverlustleistung der Schnittstelle Zylinderblock/Ventilplatte und die untere die Reibungsleistungsverluste der Schnittstelle Zylinderblock/Ventilplatte. Die Zahlen in dieser Abbildung zeigen die Schnittstellen der Superkomponente des Einkolben-Simulationsmodells. Abkürzungen: CVI = Cylinder block/ valve plate interface; P = Druck; V = Geschwindigkeit; μ = Reibungskoeffizient; Q = Durchfluss; A, B = Anschlüsse der Motor-Pumpen-Baugruppe; M = Masse; F = Kraft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Hydraulische schematische Darstellung der Experimente. Diese Abbildung zeigt das hydraulische Schema des Experiments. Zum Schalten der Strömungsrichtungen wird ein Brückenkreis aus vier Rückschlagventilen verwendet. Abkürzungen: D = Treiber der Ölförderpumpe; P = Druck; T = Temperatur; I = Sensor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Strukturelle Zusammensetzung des Prüfstands. Dieses Foto zeigt die Zusammensetzung des Prüfstands: Bedienfeld, Hydrauliksystem, Ölkühler und Testplatine. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Einbau der Motor-Pumpen-Baugruppe. Dieses Foto zeigt den Einbauzustand der Motor-Pumpen-Baugruppe und das Layout der Druck- und Temperatursensoren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: Anschluss der Werkzeuge. Dieses Foto zeigt die Verbindung der Motor-Pumpen-Baugruppe und des Prüfventilblocks mit dem Werkzeug. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 9: Anschluss der elektrischen Schnittstellen. Dieses Foto zeigt die Verbindung der Motor-Pumpe-Baugruppe, des Treibers und der Steuerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 10: Simulations- und Versuchsergebnisse des Pumpendurchflusses . (A) Die Höhenlinie zeigt die simulierten Ergebnisse des Pumpendurchflusses. Die Ergebnisse deuten auf eine gute Liner-Eigenschaft des Abflussstroms hin. (B) Die Höhenlinie zeigt die experimentellen Ergebnisse der Pumpenströmung. Die Experimentergebnisse stimmen mit den Simulationsergebnissen überein. Der Farbbalken zeigt den Pumpendurchfluss an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 11: Simulations- und experimentelle Ergebnisse des volumetrischen Wirkungsgrades. (A) Die Höhenlinie zeigt die simulierten Ergebnisse des volumetrischen Wirkungsgrades. Nach den Simulationsergebnissen ist der volumetrische Wirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe relativ hoch, außer wenn die Motor-Pumpen-Baugruppe in einem Zustand mit hohem Druck und niedriger Drehzahl arbeitet. (B) Die Höhenlinie zeigt die experimentellen Ergebnisse des volumetrischen Wirkungsgrades. Die experimentellen Ergebnisse unterscheiden sich von den Simulationsergebnissen, insbesondere unter Hochgeschwindigkeits- und Niederdruckbedingungen. Der Farbbalken zeigt den volumetrischen Wirkungsgrad in % an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 12: Wirkungsgrad und Pumpendurchfluss verschiedener Drehzahlen unter dem Druckabfall von 15 MPa. Die durchgezogene schwarze Linie stellt die experimentellen Ergebnisse der volumetrischen Effizienz dar, und die rote Linie stellt die Simulationsergebnisse dar. Der volumetrische Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Geschwindigkeit, und die Simulationsergebnisse sind näher an den experimentellen Ergebnissen, wenn die Geschwindigkeit höher ist. Die gestrichelte schwarze Linie stellt die experimentellen Ergebnisse der Pumpenströmung und die rote Linie die Simulationsergebnisse dar. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Simulationsergebnisse nahezu mit den experimentellen Ergebnissen im Drehzahlbereich von 3.500-9.000 U/min übereinstimmen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 13: Experimentelle Ergebnisse der Gesamteffizienz. Die Höhenlinie zeigt den Gesamtwirkungsgrad der Motor-Pumpe-Baugruppe. Wenn die Motor-Pumpen-Baugruppe unter extremen Bedingungen arbeitet, ist der Gesamtwirkungsgrad relativ gering. Der Farbbalken zeigt den prozentualen Gesamtwirkungsgrad an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Parameter | Symbol | Einheit | Wert | ||
| Verteilungsdurchmesser des Zylinderblocks | df | Mm | 29.3 | ||
| Neigungswinkel der Taumelscheibe | β | ° | 9 | ||
| Durchmesser des Kolbens | dz | Mm | 7.5 | ||
| Kolbennummer | Z | - | 9 | ||
| Länge der Kolbenkugelkopfbohrung | lqt | Mm | 7.3 | ||
| Durchmesser der Kolbenkugelkopfbohrung | dqt | Mm | 1 | ||
| Ungültiges Volumen des Kolbenhohlraums | Vd | mm3 | 392.69 | ||
| Ölfilmdicke der Kolben-Zylinder-Blockschnittstelle | HP | μm | 3 | ||
| Durchmesser des Slipperlochs | ds | Mm | 0.4 | ||
| Länge des Pantoffellochs | ls | Mm | 1.5 | ||
| Außendurchmesser des Pantoffeldichtungsriemens | dsso | Mm | 8.8 | ||
| Innendurchmesser des Slipper-Dichtungsbandes | DSSI | Mm | 6.3 | ||
| Ölfilmdicke der Slipper/Taumelscheiben-Schnittstelle | HS | μm | 5 | ||
| Innendurchmesser des Innendichtbandes der Ventilplatte | dci | Mm | 12.05 | ||
| Außendurchmesser des inneren Dichtbandes der Ventilplatte | Dci | Mm | 13.15 | ||
| Innendurchmesser des äußeren Dichtungsbandes der Ventilplatte | dco | Mm | 16.15 | ||
| Außendurchmesser des äußeren Dichtungsbandes der Ventilplatte | Dco | Mm | 17.3 | ||
| Ölfilmdicke der Schnittstelle Zylinderblock/Ventilplatte | Hc | μm | 10 | ||
| Durchmesser des Zylinderblocks | dc | Mm | 41.7 | ||
| Länge des Zylinderblocks | lc | Mm | 27.8 | ||
Tabelle 1: Simulationsparameter. In dieser Tabelle sind die wichtigsten Parameter des Simulationsmodells für die Motor-Pumpen-Baugruppe aufgeführt.
| Kritische Drehzahl (U/min) | Kritische Last Druckdifferenz für Simulation (MPa) | Kritische Last Druckdifferenz für experimentelle Prüfung (MPa) | ||
| 1,450 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 2,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 3,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 4,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6,9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 5,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 | ||
| 6,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 | ||
| 8,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15 | ||
| 9,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12 | ||
Tabelle 2: Spezifische Drehzahl und Druck der Motor-Pumpen-Baugruppe. Diese Tabelle listet die kritischen Arbeitspunkte der Motor-Pumpen-Montageversuche auf.
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Discussion
Bei der Durchführung dieser Versuchsschritte ist darauf zu achten, dass die Druckmessstellen nahe genug am Ölanschluss der Pumpe liegen, was die Versuchsergebnisse stark beeinflussen würde. Achten Sie außerdem auf den Druck der Einlassöffnung der Motorpumpenbaugruppe, um sicherzustellen, dass keine Kavitation auftritt, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsarbeitsbedingungen.
Diese Methode ermöglicht eine dynamische Anpassung des Ölversorgungsdrucks und realisiert eine genaue Simulation verschiedener Arbeitsbedingungen.
Eine Einschränkung dieser Methode besteht darin, dass der Gesamtwirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe nicht durch Simulation genau ermittelt werden kann. Im Simulationsmodell befinden sich die drei Hauptreibungsflächen der Pumpe unter voller Ölfilmschmierung, was bedeutet, dass nur viskose Reibung in der Grenzfläche vorhanden ist. Die tatsächliche Situation ist jedoch, dass der Zustand des Ölfilms zwischen vollständiger Ölfilmschmierung und Grenzschmierung wechselt, was vom Simulationsmodell nicht simuliert werden kann. Daher konzentrieren wir uns auf die Verwendung eines Simulationsmodells zur Simulation der Pumpe, das die Vorteile von niedrigen Kosten und hoher Geschwindigkeit hat, ohne auf die tatsächlichen Parameter des Prototyps beschränkt zu sein. Inzwischen gleichen wir diese Einschränkung durch experimentelle Methoden aus.
Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass das Verfahren die thermischen Eigenschaften der Motor-Pumpen-Baugruppe für EHA nicht sehr gut simuliert. Da es sich bei der EHA um ein hochintegriertes System handelt, ist die Motor-Pumpen-Baugruppe eng mit dem Betätigungszylinder und dem Druckbehälter verbunden, was zu einer komplexen thermischen Situation führt. Daher kann das Verfahren die Leistung der Motor-Pumpen-Baugruppe nur unter einer bestimmten Temperaturbedingung testen, während der tatsächliche Temperaturschwankungsbereich breit ist.
Die verbesserte Leistung der Motor-Pumpen-Baugruppe hat eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Popularität von EHA gespielt. Basierend auf den in diesem Artikel berichteten Ergebnissen gibt es noch Raum für Verbesserungen der Gesamteffizienz der Motor-Pumpen-Baugruppe. Im Vergleich zu den bestehenden Methoden können die Eigenschaften der Motor-Pumpen-Montage unter einer Vielzahl von Arbeitsbedingungen durch die Anwendung dieses Protokolls effizienter untersucht werden. Diese Methode sollte eine Grundlage für die Optimierung der Motor-Pumpen-Baugruppe bilden und eine starke Garantie für die schnelle Entwicklung von EHA bieten. Darüber hinaus ist es von großer Bedeutung, um die Leistung der Motorpumpe zu testen und damit das formschlüssige Design der Motorpumpe zu realisieren.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde vom Chinese Civil Aircraft Project [No. MJ-2017-S49] und der China Postdoctoral Science Foundation [No.2021M700331] unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AmeSim simulation platform | Siemens | Amesim 16 | |
| DAQ card | Advantech | PCI1710 | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.04E1RS, 0.02-4 L/min | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.4E1RS, 0.2-40 L/min | |
| Industrial Computer | Advantech | 610H | |
| Oil supply motor | Siemens | 1TL0001-1BB23-3JA5 | |
| Oil supply pump | Kangbaishi | P222RF01DT | |
| OriginPro | OriginLab Corporation | OriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200 | |
| Pressure sensor | Feejoy | PI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/50YV | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/315YV | |
| Spindle motor | HAOZHI | DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS | Max speed: 18,000 rpm; Power: 22 kW |
| Temperature sensor | Feejoy | TI-A42M1A180/30+F1 |
References
- Yu, B., Wu, S., Jiao, Z., Shang, Y. Multi-objective optimization design of an electrohydrostatic actuator based on a particle swarm optimization algorithm and an analytic hierarchy process. Energies. 11 (9), 2426 (2018).
- Chao, Q., et al. Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems. Energies. 11 (9), 2266 (2018).
- Zhao, J., et al. Experimental research on tribological characteristics of TiAlN coated valve plate in electro-hydrostatic actuator pumps. Tribology International. 155, 106782 (2021).
- Zhao, J., et al. Review of cylinder block/valve plate interface in axial piston pumps: Theoretical models, experimental investigations, and optimal design. Chinese Journal of Aeronautics. 34 (1), 111-134 (2021).
- Chao, Q., Zhang, J., Xu, B., Huang, H., Pan, M. A review of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps in aerospace applications: challenges and solutions. Journal of Mechanical Design. 141 (5), 050801 (2019).
- Fu, Y., et al. Design and performance analysis of position-based impedance control for an electrohydrostatic actuation system. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (3), 584-596 (2018).
- Alle, N., Hiremath, S. S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. Review on electro hydrostatic actuator for flight control. International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).
- Chakraborty, I., Mavris, D. N., Emeneth, M., Schneegans, A. A methodology for vehicle and mission level comparison of More Electric Aircraft subsystem solutions: Application to the flight control actuation system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 229 (6), 1088-1102 (2014).
- Zhang, T., He, D. A reliability-based robust design method for the sealing of slipper-swash plate friction pair in hydraulic piston pump. IEEE Transactions on Reliability. 67 (2), 459-469 (2018).
- Guo, S., Chen, J., Lu, Y., Wang, Y., Dong, H. Hydraulic piston pump in civil aircraft: current status, future directions and critical technologies. Chinese Journal of Aeronautics. 33 (1), 16-30 (2020).
- Habibi, S., Goldenberg, A. Design of a new high-performance electrohydraulic actuator. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 5 (2), 158-164 (1999).
- Xu, B., Hu, M., Zhang, J., Mao, Z. Distribution characteristics and impact on pump's efficiency of hydro-mechanical losses of axial piston pump over wide operating ranges. Journal of Central South University. 24 (3), 609-624 (2017).
