Summary
בנינו מודל סימולציה כדי להעריך את מאפייני זרימת המשאבה ואת הביצועים של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר הבודד במפעילים אלקטרוהידרוסטטיים ולחקור את היעילות הכוללת במגוון רחב של תנאי עבודה של מכלול משאבת המנוע בניסוי.
Abstract
מפעיל אלקטרוהידרוסטטי (EHA) יכול להיות החלופה המבטיחה ביותר בהשוואה למפעילי הסרוו ההידראוליים המסורתיים בזכות צפיפות ההספק הגבוהה, קלות התחזוקה והאמינות שלו. כיחידת כוח הליבה הקובעת את הביצועים וחיי השירות של ה- EHA, מכלול משאבת המנוע צריך להיות בעל טווח מהירות/לחץ רחב ותגובה דינמית גבוהה.
מאמר זה מציג שיטה לבדיקת הביצועים של מכלול משאבת המנוע באמצעות סימולציה וניסויים. מאפייני תפוקת הזרימה הוגדרו באמצעות סימולציה וניתוח של המכלול בתחילת הניסוי, מה שהוביל למסקנה האם המשאבה יכולה לעמוד בדרישות ה- EHA. סדרה של בדיקות ביצועים נערכו על מכלול משאבת המנוע באמצעות ספסל בדיקת משאבה בטווח המהירות של 1,450-9,000 סל"ד וטווח הלחץ של 1-30 MPa.
בדקנו את היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים לאחר שאישרנו את העקביות בין תוצאות הבדיקה של מאפייני פלט הזרימה לבין תוצאות הסימולציה. התוצאות הראו כי למכלול יש יעילות כוללת גבוהה יותר בעת עבודה ב-4,500-7,000 סל"ד בלחץ של 10-25 MPa וב-2,000-2,500 סל"ד תחת 5-15 MPa. בסך הכל, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לקבוע מראש אם מכלול משאבת המנוע עומד בדרישות EHA. יתר על כן, מאמר זה מציע שיטת בדיקה מהירה של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים, אשר יכול לסייע בחיזוי ביצועי EHA.
Introduction
ידוע כמפעיל משולב בדרך כלל עם צפיפות הספק גבוהה, ל- EHA יש סיכויים רחבים בתחומים כגון תעופה וחלל, תעופה, מכונות בנייה ורובוטיקה 1,2. ה- EHA מורכב בעיקר ממנוע סרוו, משאבה, צילינדר, מאגר בלחץ, בלוק שסתום, שסתומי בקרת מצב, שסתומי בקרת מודולים וחיישנים, המהווים מערכת הידראולית משולבת מאוד, מבוקרת משאבה, סגורה. הדיאגרמה הסכמטית והמודל הפיזיקלי מוצגים באיור 1 3,4,5,6,7. מכלול משאבת המנוע הוא כוח הליבה ומרכיב הבקרה, והוא קובע את הביצועים הסטטיים והדינמיים של ה- EHA7.
מכלול משאבת המנוע הקונבנציונלי מורכב ממנוע ומשאבה נפרדים, שפירים שלהם מחוברים על ידי צימוד פיר8. למבנה זה יש השפעות שליליות משמעותיות על הביצועים והחיים של EHA. ראשית, גם המנוע וגם המשאבה יישאו רטט גדול יחסית בשל דיוק ההרכבה, במיוחד במהירות גבוהה5. הרטט לא רק ישפיע על מאפייני הפלט של המשאבה אלא גם יאיץ את הבלאי של ממשקי החיכוך במשאבה, מה שיוביל לכישלון מכלול המנוע-משאבה9. שנית, יש לקבוע איטום בקצות הפיר של המשאבה, אשר אינו יכול למנוע דליפה באופן יסודי. בינתיים, היעילות המכנית של מכלול משאבת המנוע פוחתת עם התנגדות חיכוך גוברת10. שלישית, ההיפוך התכוף של מכלול משאבת המנוע יאיץ את הבלאי של הצימוד ויגדיל את האפשרות לשבר עייפות, מה שיפחית את אמינות המערכת של EHA11,12.
לפיכך, מכלול משאבת מנוע קואקסיאלי בעל פיר יחיד בתוך בית משותף פותח כדי למנוע חסרונות אלה. המבנה מוצג באיור 2. עיצוב ללא צימוד מאומץ ברכיב זה, אשר יכול בו זמנית להגדיל את הביצועים הדינמיים ואת מצב הסיכה של המנוע והמשאבה. עיצוב קואקסיאלי יחיד זה מבטיח את היישור של שני הרוטורים ומשפר את האיזון הדינמי בתנאים של מהירות גבוהה. יתר על כן, דיור משותף מבטל באופן יסודי את דליפת קצה הפיר.
בדיקת מאפייני הפלט של מכלול משאבת המנוע EHA היא בעלת משמעות רבה לאופטימיזציה ולשיפור ביצועי EHA. עם זאת, ישנם מחקרים מעטים יחסית על בדיקות ביצועים של מכלול משאבת המנוע, במיוחד עבור EHAs. לכן, ערכנו שיטת בדיקה של שילוב סימולציה וניסויים. שיטה זו מתאימה לבדיקת מכלולי משאבת מנוע עם מגוון רחב של תנאי הפעלה, במיוחד משאבות EHA.
ישנם שני אתגרים עיקריים: הראשון הוא לבנות מודל סימולציה מדויק כדי לנתח את מאפייני זרימת הפלט של משאבת המנוע ולספק סיוע לתכנון אופטימלי של מכלול משאבת המנוע. הקמנו מודל סימולציה של מכלול משאבת המנוע באמצעות מודלים היררכיים ומימשנו את ניתוח הסימולציה של זרימת הפלט על ידי שינוי פרמטרים שונים. השני הוא cavitation של אלמנט הבדיקה הנגרמת על ידי מהירות גבוהה, שהוא ההיבט החשוב ביותר המבדיל אותו משאבות רגילות. לכן, התמקדנו יותר בתכנון מערכת אספקת השמן בעת תכנון מערכת הבדיקה כדי לממש את הבדיקה בתנאי עבודה שונים.
בפרוטוקול זה הוקם מודל סימולציה חד מימדי כדי לדמות את מאפייני זרימת המשאבה בתחילה, תוך שיפוט אם מאפייני זרימת המשאבה עומדים בדרישות EHA. לאחר מכן, מאפייני הזרימה והיעילות הכוללת נבדקו באופן ניסיוני על ספסל בדיקה ייעודי, וקיבלו את מפת היעילות הכוללת שלא ניתן לדמות במדויק על ידי סימולציה. לבסוף, מאפייני זרימת המשאבה הושוו לתוצאות הניסוי כדי לאמת את דיוק תוצאות הסימולציה. בינתיים, מפת היעילות הכוללת התקבלה כדי להעריך את הביצועים של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר היחיד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. סימולציה של מאפייני זרימת המשאבה
- בנה את מודל הסימולציה של מכלול משאבת המנוע. פתח את פלטפורמת הסימולציה של AMESim והיכנס למצב SKETCH .
- בנו את מודל הסימולציה עבור בוכנה בודדת על פי המודל המתמטי הקינמטי ועקומת ההתפלגות (איור 3). תמצתו את מודל הבוכנה הבודדת כרכיב-על (איור 4).
הערה: המודל המתמטי הקינמטי העיקרי של הבוכנה (Eq (1)) מניב:
(1)
במשוואה זו, x הוא התזוזה המוחלטת של הבוכנה, β היא זווית השיפוע של לוחית השטיפה, φ היא זווית הפאזה של הבוכנה, R f הוא רדיוס ההתפלגות של גוש הצילינדר, df הוא קוטר ההתפלגות של גוש הצילינדר. - בנו את מודל המשאבה בהתחשב בדליפה ובחיכוך של לוחית השסתום (איור 4). כדי לבנות את מודול צלחת השסתום, התמקדו בעיקר באפקט החיכוך והויסות הצמיג של ממשק בלוק הבוכנה/צילינדר וממשק צלחת החלקלק/שטיפה.
- בנה את מודל המנוע באמצעות מודול מומנט אידיאלי (איור 4). השתמש במודול מומנט אידיאלי כדי לדמות את המנוע, תוך התעלמות מאובדן הברזל, אובדן הנחושת ואובדן הערבוב של המנוע.
- בנו את מודל הסימולציה עבור בוכנה בודדת על פי המודל המתמטי הקינמטי ועקומת ההתפלגות (איור 3). תמצתו את מודל הבוכנה הבודדת כרכיב-על (איור 4).
- הגדר את הפרמטרים העיקריים של דגם הרכבת משאבת המנוע.
- הגדר את הפרמטרים של מכלול משאבת המנוע בהתאם לטבלה 1. היכנס למצב PARAMETER והגדר את הפרמטרים העיקריים על ידי לחיצה כפולה על הרכיב הספציפי במודל הסימולציה. הגדר את מהירות הסיבוב ולחץ הבדיקה בהתאם לטבלה 2.
- הגדר את הפרמטרים של קדם-הפעלה של המודל : זמן התחלה: 0 שניות, זמן סופי: 1 שניות, מרווח הדפסה: 1 ms.
- הפעל מראש את הסימולציה כדי להשיג את המצב היציב.
- הפעל את הסימולציה ובדוק אם המערכת תגיע למצב יציב בסוף הסימולציה. אם המערכת מגיעה למצב יציב, סמן את האפשרות השתמש בערכים סופיים ישנים בחלון הפעל פרמטרים . אם לא, אפס את השעה האחרונה בשלב 1.2.1 עד 2 שניות או אפילו יותר וחזור על שלב 1.2.2 עד שהמערכת תגיע למצב יציב.
- הגדר את פרמטרי ההפעלה של המודל: זמן התחלה: 0 שניות, זמן סופי: 0.2s, מרווח הדפסה: 0.002 ms.
- הפעל את הסימולציה ושמור את נתוני הסימולציה.
הערה: חזור על שלבים 1.2.1-1.2.4 עבור תנאי עבודה ספציפיים; שמור את הנתונים לאחר הסימולציה. - ייצא את נתוני הסימולציה והתווה את קווי המתאר האופייניים לזרימה של מכלול משאבת המנוע ב - OriginPro. חשב את הערך של זרימת המשאבה כממוצע של זרימת המשאבה שנרשמה בתוך 0.2 שניות.
- קביעת מאפייני זרימת פלט
- התווה את עקומת זרימת הפלט של מכלול משאבת המנוע במהירות המרבית בתנאי לחץ שונים.
- חשב את קצב זרימת הפלט הנדרש של המשאבה בהתאם למהירות המרבית הספציפית של EHA, והתווה את עקומת קצב זרימת הפלט הנדרשת בתנאי לחץ שונים.
- ודא שעקומת קצב הזרימה הנדרשת של ה- EHA עטופה בעקומת קצב זרימת הפלט של מכלול משאבת המנוע.
(1)2. הקמת הפלטפורמה הניסיונית
- להקים את ספסל הבדיקה.
- הכינו רכיבים הידראוליים של ספסל הבדיקה לפי טבלה 3. ודא שהפרמטרים העיקריים של כל רכיב עומדים בדרישות המפורטות בטבלה 3.
- לתכנן ולייצר את בלוקי השסתומים ההידראוליים ולבנות מערכת הידראולית על פי הדיאגרמה הסכמטית ההידראולית (איור 5). ודא שהמיקומים היחסיים של הרכיבים זהים לתרשים הסכמטי המוצג, וחיישני הלחץ וחיישני הטמפרטורה ממוקמים קרוב ככל האפשר לנקודת הבדיקה.
הערה: סדרת ניסויים זו נערכה על ספסל בדיקה ייעודי לסימולציה של עומס משאבה במהירות גבוהה ובלחץ גבוה, כפי שמוצג באיור 6. - תכנון וייצור כלי העבודה ובלוקי שסתומי הבדיקה. ודא שכלי התכנון הם בהתאם לממשק הספציפי של המשאבה הנבדקת וספסל הבדיקה.
- התקנת הממשקים המכניים (איור 7)
- חבר את פני הקצה של מכלול משאבת המנוע עם בלוק שסתום הבדיקה. השתמש בלפחות 4 ברגים כדי להבטיח ביצועי איטום טובים.
- תקן את מכלול משאבת המנוע ואת בלוק שסתום הבדיקה על שולחן העבודה של ספסל הבדיקה (איור 8). חבר את מכלול משאבת המנוע ואת בלוק שסתום הבדיקה לכלים הייעודיים עם ארבעה ברגים ואת הכלים לשולחן העבודה עם 2 ברגים.
הערה: ודא ששני הברגים חזקים מספיק כדי שלא יופיע רטט בעת ביצוע הבדיקה. - התקן שתי קבוצות של חיישני לחץ וטמפרטורה של יציאה A ויציאה B בבלוק שסתום הבדיקה. חבר חיישנים אלה ישירות ליציאת הדליפה לצורך ניטור דליפות.
הערה: יש צורך לתכנן ולייצר כלים שונים עבור מכלולי משאבות מנוע שונים שנבדקו כדי להשלים את הניסוי.
- חיבור הממשקים ההידראוליים (איור 7)
- חבר את שתי יציאות השמן בלחץ גבוה של מקור המשאבה עם יציאה A או B של בלוק שסתום הבדיקה.
- חבר את יציאת השמן בלחץ עם יציאת שמן הדליפה של המשאבה.
- מתיש אוויר של מכלול משאבת המנוע
- ודא ששסתום ההקלה של מערכת אספקת הנפט נמצא במצב פריקה. הפעל את מנוע אספקת השמן במשך 3 דקות כדי למצות את האוויר של מערכת הבדיקה ולחמם אותו.
הערה: זמן הריצה הספציפי נקבע בהתאם לתנאים הספציפיים של ספסל הבדיקה. המטרה העיקרית של שלב זה היא להבטיח שהשמן זורם במלואו לכל רכיב במעגל הבדיקה וטמפרטורת פני השטח של המשאבה הנבדקת קרובה לטמפרטורת השמן.
- ודא ששסתום ההקלה של מערכת אספקת הנפט נמצא במצב פריקה. הפעל את מנוע אספקת השמן במשך 3 דקות כדי למצות את האוויר של מערכת הבדיקה ולחמם אותו.
- כדי לבדוק אם יש דליפות במכלול משאבת המנוע, כבה את שסתום ההקלה של מערכת אספקת השמן. התאם את לחץ אספקת השמן ל-2 MPa למשך יותר מדקה אחת.
הערה: זה יעזור לגלות אם יש דליפה ברורה במערכת הבדיקה, כגון דליפה שנגרמה על ידי כשל של O-ring.- חפש נזילה במכלול משאבת המנוע. אם הוא דולף, תחילה, כבה את המערכת ההידראולית והחלף את החותם, ולאחר מכן חזור על שלבים 2.3 ו -2.4. אם אין דליפה, פתח את שסתום ההקלה של מערכת אספקת הנפט.
- חיבור הממשקים החשמליים (איור 9)
- חבר את ממשק ספק הכוח ואת ממשק האות הסיבובי למנהל ההתקן של מכלול משאבת המנוע.
- חבר את מנהל ההתקן לבקר באמצעות RS 442, תוך עבודה במצב דופלקס מלא.
- חבר את מנהל ההתקן לחשמל של 270 VDC.
- בדיקה ללא עומס של מכלול משאבת המנוע
- הפעל את משאבת אספקת השמן ושמור על שסתומי ההקלה של מערכות אספקת השמן והטעינה במצב פריקה. הפעל את הנהג והבקר ובדוק אם מכלול משאבת המנוע יכול לקבל את פקודת הבקרה כרגיל.
הערה: ניתן ללחוץ על יציאת הכניסה של מכלול משאבת המנוע באמצעות משאבת אספקת שמן, ובכך למנוע מהרכיב קוויטציה. - הגדר הוראה של 2,000 סל"ד קדימה למכלול משאבת המנוע. שים לב למצב העבודה של מכלול משאבת המנוע ובדוק אם יש דליפה בבלוק השסתום (ראה שלב 2.5).
- הגדר הוראה של 2,000 סל"ד לאחור למכלול משאבת המנוע. שים לב למצב העבודה של מכלול משאבת המנוע ובדוק אם יש דליפה בבלוק השסתום (ראה שלב 2.5).
- הפעל את משאבת אספקת השמן ושמור על שסתומי ההקלה של מערכות אספקת השמן והטעינה במצב פריקה. הפעל את הנהג והבקר ובדוק אם מכלול משאבת המנוע יכול לקבל את פקודת הבקרה כרגיל.
3. בדיקת זרימת המשאבה והיעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע
- הגדרת מערכת אספקת הנפט
- הפעל את משאבת אספקת השמן והעבר את שסתומי ההקלה של מערכת אספקת השמן ומערכת הטעינה למצב הטעינה.
- התאם את שסתום ההקלה של אספקת השמן ללחץ אספקת השמן המינימלי של 0.6 MPa. בצע את השלבים 3.1.2.1-3.1.2.3 כדי לבחור psmin.
הערה: psmin הוא הלחץ ביציאת הכניסה של מכלול משאבת המנוע כדי למנוע קוויטציה.- התאם את לחץ אספקת השמן ל- 1 MPa או יותר, אשר נקבע על ידי מכלול משאבת המנוע שנבדק.
- התאם את מהירות הסיבוב של מכלול משאבת המנוע הנבדקת ל-9,000 סל"ד, וודא שזרימת המשאבה שווה לזרימת המשאבה התיאורטית. אחרת, הגדל את לחץ אספקת השמן כדי למנוע קוויטציה.
- הפחת את לחץ אספקת השמן באיטיות ותעד את שינוי זרימת המשאבה. התווה את זרימת המשאבה היחסית לעומת לחץ אספקת הנפט, ומצא את נקודת ההנעה של זרימת המשאבה - לחץ אספקת השמן של נקודה זו הוא לחץ אספקת השמן המינימלי psmin.
- התאם את שסתום שחרור העומס ל - psmin.
- הפעל את מערכת בקרת הטמפרטורה והתאם את טמפרטורת השמן ל -30 מעלות צלזיוס.
- הפעל את המצלמה התרמית כדי לזהות את טמפרטורת פני השטח של מכלול משאבת המנוע.
- שלח הוראות בקרה למכלול משאבת המנוע כדי לגרום לו לפעול ברציפות במהירות מסוימת (טבלה 2).
- התאם את שסתום שחרור העומס והגדל בהדרגה את לחץ העומס לערך מסוים (טבלה 2). החזיקו במשך 4 שניות בכל לחץ מדוד קריטי.
הערה: שימו לב לטמפרטורת המנוע במהלך הניסוי. ודא שהטמפרטורה של משטח מכלול משאבת המנוע נמוכה מ-100 מעלות צלזיוס. - לאחר שהלחץ מגיע לערך הספציפי של המהירות, התאם את שסתום שחרור העומס בחזרה ל- 1 MPa.
- חזור על שלבים 3.3 ו- 3.4 עד לבדיקת המאפיינים של כל נקודות מדידת הלחץ הקריטיות בהתאם לטבלה 2.
- ייצא את נתוני הזרימה הניסיוניים והתווה את המפה האופיינית לזרימת המשאבה של מכלול משאבת המנוע.
- חשב את היעילות הכוללת ηo של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים והתווה את מפת היעילות הכוללת.
הערה: היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע ניתנת על ידי Eq (2):
. (2)
כאשר Po הוא כוח הפלט של מכלול משאבת המנוע, Pi הוא כוח הכניסה של הנהג, משאבת Q היא זרימת המשאבה; Δp הוא הפרש לחץ המשאבה; כוח U הוא מתח היציאה של ספק הכוח; הספק I הוא זרם הפלט של ספק הכוח.
. (2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תוצאת הסימולציה של זרימת הפריקה (איור 10A) הצביעה על כך שזרימת הפריקה ירדה מעט עם העלייה בלחץ העומס כאשר המהירות הייתה קבועה. יתר על כן, קצב זרימת הפלט עלה באופן ליניארי עם הגברת המהירות כאשר הלחץ קבוע, אם לשפוט לפי אותו רוחב חגורה. כדי להעריך ישירות את הביצועים של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים, שרטטנו את דיאגרמת היעילות הנפחית שלו (איור 11A). הוא הראה כי היעילות הנפחית של המשאבה הייתה גבוהה יותר בעוד הלחץ והמהירות היו נמוכים יחסית. כאשר המהירות הייתה 3,000 סל"ד, לחץ הפלט המרבי ליעילות נפחית של 95% היה 5 MPa; כאשר המהירות הייתה 8,000 סל"ד, ערך זה עלה במהירות ל-23 MPa.
איור 10B מראה את תוצאות הניסוי של זרימת הפריקה, אשר עולות בקנה אחד עם הסימולציה. ההבדל הקל בין תוצאות הניסוי לתוצאות הסימולציה הוא שכאשר המהירות גבוהה מ-5,000 סל"ד, זרימת התפוקה יורדת תחילה ואז עולה עם הלחץ העולה. איור 11B מראה את היעילות הנפחית של הניסוי. תוצאות הניסוי שונות מתוצאות הסימולציה, במיוחד כאשר מכלול משאבת המנוע פועל במהירות גבוהה ובלחץ נמוך. כאשר ירידת הלחץ נמוכה מ -10 MPa, היעילות הנפחית פוחתת עם העלייה במהירות הסיבוב.
איור 12 מצביע על ההבדלים ביעילות הנפחית ובזרימת המשאבה בין התוצאות המדומות והניסוייות. באיור זה מוצג כי תוצאות הסימולציה של זרימת המשאבה תואמות היטב את תוצאות הניסוי. יתר על כן, שגיאת יעילות נפח נשמרת גם בתוך 10%. כאשר המהירות גבוהה מ-4,000 סל"ד, ניתן לשלוט בשגיאה בטווח של 4%. איור 13 מראה את היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע. כאשר מכלול משאבת המנוע עובד בתנאי עבודה של מהירות נמוכה ולחץ גבוה או מהירות גבוהה ולחץ נמוך, היעילות הכוללת שלו נמוכה יחסית, במיוחד במהירות גבוהה ולחץ נמוך כאשר היעילות הכוללת שלו יורדת ל ~ 10%. כאשר ירידת הלחץ היא בטווח של 5 עד 15 MPa, והמהירות היא 2,000-8,000 סל"ד, היעילות הכוללת שלה יכולה להגיע עד 60%.
איור 1: מבנה ותרשים סכמטי של EHA. התמונה העליונה של המודל היא המודל התלת-ממדי של ה-EHA, והתמונה התחתונה היא הדיאגרמה הסכמטית. קיצור: EHA = מפעיל אלקטרוהידרוסטטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: מבנה מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר הבודד. איור זה מתאר את המבנה הפנימי של מכלול משאבת מנוע, המורכב מבית, פיר, רוטור, סליל סטטור, מקודד, צלחת קצה אחורית, צלחת שטיפה, בוכנה, בלוק צילינדר וצלחת שסתום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: מודל סימולציה של בוכנה בודדת. איור זה מציג את ההרכב של מודל בוכנה בודדת, כולל מודל חלל נפח בוכנה, מודל חלוקת זרימה ומודל נעלי בית. הפונקציה f(x,y) מציינת את אובדן כוח החיכוך של ממשק צלחת השטיפה/נעל הבית, והפונקציה f(x,y,z) מציינת את אובדן כוח החיכוך הצמיגי של ממשק בלוק הבוכנה/צילינדר. המספרים באיור זה מצביעים על הממשקים של רכיב העל במודל סימולציית הבוכנה הבודדת. קיצורים: PCI = בוכנה / ממשק בלוק צילינדר; SSI = ממשק צלחת שטיפה / נעלי בית; P = לחץ; V = מהירות; μ = מקדם חיכוך; Q = זרימה; A, B = יציאות של מכלול משאבת המנוע; M = מסה; F = כוח אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: מודל סימולציה של מכלול מנוע-משאבה. מודל הרכבת משאבת המנוע מורכב בעיקר מ -9 דגמי בוכנה יחידה עם זוויות פאזה שונות, דגם מנוע אידיאלי ודגם חיכוך צלחת שסתום. הפונקציה f(x,y) מציינת את הפסדי הנטישה של המשאבה, הפונקציה העליונה f(x,y,z) מציינת את אובדן כוח הנפח של ממשק בלוק הצילינדר/לוח השסתום, והתחתונה מציינת את אובדן כוח החיכוך של ממשק בלוק הצילינדר/לוח השסתום. המספרים באיור זה מצביעים על הממשקים של רכיב העל במודל הסימולציה של בוכנה אחת. קיצורים: CVI = בלוק צילינדר / ממשק צלחת שסתום; P = לחץ; V = מהירות; μ = מקדם חיכוך; Q = זרימה; A, B = יציאות של מכלול משאבת המנוע; M = מסה; F = כוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 5: דיאגרמה סכמטית הידראולית של הניסויים. איור זה מתאר את התוכנית ההידראולית של הניסוי. מעגל גשר המורכב מארבעה שסתומי בדיקה משמש להחלפת כיווני הזרימה. קיצורים: D = מנהל ההתקן של משאבת אספקת השמן; P = לחץ; T = טמפרטורה; I = חיישן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 6: הרכב מבני של ספסל הבדיקה. תמונה זו מציגה את הרכב ספסל הבדיקה: לוח הבקרה, המערכת ההידראולית, מצנן השמן ולוח הבדיקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 7: התקנת מכלול משאבת המנוע. תצלום זה מציג את מצב ההתקנה של מכלול משאבת המנוע ואת פריסת חיישני הלחץ והטמפרטורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 8: חיבור של הכלים. תמונה זו מראה את החיבור של מכלול משאבת המנוע ובלוק שסתום הבדיקה עם הכלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 9: חיבור הממשקים החשמליים. תמונה זו מציגה את החיבור של מכלול משאבת המנוע, הנהג והבקר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 10: סימולציה ותוצאות ניסוי של זרימת המשאבה. (A) קו המתאר מציג את התוצאות המדומות של זרימת המשאבה. התוצאות מצביעות על אניה טובה האופיינית לזרימת הפריקה. (B) קו המתאר מציג את תוצאות הניסוי של זרימת המשאבה. תוצאות הניסוי תואמות את תוצאות הסימולציה. סרגל הצבעים מציין את זרימת המשאבה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 11: סימולציה ותוצאות ניסוי של יעילות נפחית . (A) קו המתאר מציג את התוצאות המדומות של היעילות הנפחית. על פי תוצאות הסימולציה, היעילות הנפחית של מכלול משאבת המנוע גבוהה יחסית, למעט כאשר מכלול משאבת המנוע פועל במצב של לחץ גבוה ומהירות נמוכה. (B) קו המתאר מציג את תוצאות הניסוי של היעילות הנפחית. תוצאות הניסוי שונות מתוצאות הסימולציה, במיוחד בתנאי עבודה במהירות גבוהה ובלחץ נמוך. סרגל הצבעים מציין את היעילות הנפחית של %. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 12: יעילות וזרימת משאבה במהירויות שונות תחת ירידת הלחץ של 15 MPa. הקו השחור המוצק מייצג את תוצאות ניסוי היעילות הנפחית, והקו האדום מייצג את תוצאות הסימולציה. היעילות הנפחית עולה עם הגברת המהירות, ותוצאות הסימולציה קרובות יותר לתוצאות הניסוי כאשר המהירות גבוהה יותר. הקו השחור המקווקו מייצג את תוצאות הניסוי של זרימת המשאבה ואת הקו האדום את תוצאות הסימולציה. ניתן לראות מהדמות שתוצאות הסימולציה כמעט עולות בקנה אחד עם תוצאות הניסוי בטווח המהירות של 3,500-9,000 סל"ד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 13: תוצאות ניסוי של היעילות הכוללת. קו המתאר מראה את היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע. כאשר מכלול משאבת המנוע פועל בתנאים קיצוניים, היעילות הכוללת נמוכה יחסית. סרגל הצבעים מציין את % היעילות הכוללת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
| פרמטר | סמל | יחידה | ערך | ||
| קוטר החלוקה של גוש הצילינדר | דפ | מ"מ | 29.3 | ||
| זווית שיפוע צלחת שטיפה | β | ° | 9 | ||
| קוטר הבוכנה | דז | מ"מ | 7.5 | ||
| מספר בוכנה | Z | - | 9 | ||
| אורך חור ראש כדור בוכנה | lqt | מ"מ | 7.3 | ||
| קוטר חור ראש כדור בוכנה | דק.ט. | מ"מ | 1 | ||
| נפח לא חוקי של חלל הבוכנה | Vד | מ"מ3 | 392.69 | ||
| עובי סרט שמן של ממשק בלוק בוכנה/צילינדר | חפ | מיקרומטר | 3 | ||
| קוטר חור נעלי הבית | דס | מ"מ | 0.4 | ||
| אורך חור נעלי הבית | ls | מ"מ | 1.5 | ||
| קוטר חיצוני של חגורת איטום נעלי בית | דסו | מ"מ | 8.8 | ||
| קוטר פנימי של חגורת איטום נעלי בית | DSSI | מ"מ | 6.3 | ||
| עובי סרט השמן של ממשק צלחת החלקלקות/שטיפה | חס | מיקרומטר | 5 | ||
| קוטר פנימי של חגורת איטום פנימית של צלחת שסתום | דצ'י | מ"מ | 12.05 | ||
| קוטר חיצוני של חגורת איטום פנימית של צלחת שסתום | Dci | מ"מ | 13.15 | ||
| קוטר פנימי של חגורת איטום חיצונית של צלחת שסתום | ד קו | מ"מ | 16.15 | ||
| קוטר חיצוני של חגורת איטום חיצונית של צלחת שסתום | Dco | מ"מ | 17.3 | ||
| עובי סרט שמן של בלוק הצילינדר/ ממשק צלחת השסתום | חג | מיקרומטר | 10 | ||
| קוטר גוש הצילינדר | דג | מ"מ | 41.7 | ||
| אורך גוש הצילינדר | יבג | מ"מ | 27.8 | ||
טבלה 1: פרמטרים של סימולציה. טבלה זו מפרטת את הפרמטרים העיקריים של מודל סימולציית מכלול משאבת המנוע.
| מהירות קריטית (סל"ד) | הפרש לחץ עומס קריטי לסימולציה (MPa) | הפרש לחץ עומס קריטי לבדיקה ניסיונית (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 | ||
טבלה 2: מהירות ולחץ ספציפיים של מכלול משאבת המנוע. טבלה זו מפרטת את נקודות העבודה הקריטיות של ניסויי הרכבת משאבת המנוע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בעת ביצוע שלבי ניסוי אלה, חשוב לוודא שנקודות מדידת הלחץ קרובות מספיק לנמל הנפט של המשאבה, מה שישפיע מאוד על תוצאות הניסוי. בנוסף, לשים לב ללחץ של יציאת הכניסה של הרכבה משאבת המנוע כדי להבטיח כי לא קיים cavitation, במיוחד בתנאי עבודה במהירות גבוהה.
שיטה זו מאפשרת התאמה דינמית של לחץ אספקת הנפט, תוך מימוש סימולציה מדויקת של תנאי עבודה שונים.
מגבלה של שיטה זו היא כי היעילות הכוללת של הרכבה מנוע-משאבה לא ניתן להשיג במדויק על ידי סימולציה. במודל הסימולציה, שלושת משטחי החיכוך העיקריים של המשאבה נמצאים תחת שימון סרט שמן מלא, מה שאומר שרק חיכוך צמיג קיים בממשק. עם זאת, המצב בפועל הוא שמצב סרט השמן עובר בין סיכה מלאה של סרט שמן לסיכוך גבולות, שלא ניתן לדמות על ידי מודל הסימולציה. לכן, אנו מתמקדים בשימוש במודל סימולציה כדי לדמות את המשאבה, אשר יש את היתרונות של עלות נמוכה ומהירות מהירה מבלי להיות מוגבל לפרמטרים בפועל של אב הטיפוס. בינתיים, אנו מפצים על מגבלה זו באמצעות שיטות ניסיוניות.
מגבלה נוספת היא שהשיטה אינה מדמה היטב את המאפיינים התרמיים של מכלול משאבת המנוע עבור EHA. מכיוון שה- EHA היא מערכת משולבת ביותר, מכלול משאבת המנוע מחובר היטב לצילינדר המפעיל ולמאגר הלחץ, מה שמוביל למצב תרמי מורכב. לפיכך, השיטה יכולה לבדוק רק את הביצועים של מכלול משאבת המנוע בתנאי טמפרטורה מסוים, בעוד טווח השתנות הטמפרטורה בפועל הוא רחב.
הביצועים המשופרים של מכלול משאבת המנוע מילאו תפקיד מכריע בקידום הפופולריות של EHA. בהתבסס על התוצאות שדווחו במאמר זה, עדיין יש מקום לשיפור היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע. בהשוואה לשיטות הקיימות, ניתן לחקור את מאפייני הרכבת משאבת המנוע בצורה יעילה יותר במגוון רחב של תנאי עבודה על ידי אימוץ פרוטוקול זה. שיטה זו צריכה להניח בסיס לאופטימיזציה של מכלול משאבת המנוע ולספק ערבות חזקה לפיתוח מהיר של EHA. בנוסף, יש לו משמעות רבה לבדיקת ביצועי משאבת המנוע ובכך למימוש העיצוב החיובי של משאבת המנוע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מצהירים כי אין להם ניגודי עניינים.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי פרויקט המטוסים האזרחיים הסיני [מס' MJ-2017-S49] וקרן המדע הפוסט-דוקטורט של סין [No.2021M700331].
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).
