Une méthode de modélisation et de simulation pour la conception préliminaire d’une pompe volumétrique électrovariante

Summary

Un modèle de simulation soutenant spécifiquement la conception préliminaire d’une pompe à cylindrée électrovariable (EVDP) est développé et partiellement vérifié par des expériences. Les performances de contrôle, la durée de vie, la fiabilité, etc., peuvent toutes être évaluées à l’aide du modèle proposé, qui couvre les principales exigences de performance dans le cadre de la tâche de conception préliminaire EVDP.

Abstract

Les actionneurs électro-hydrostatiques (EHA) ont fait l’objet de nombreuses recherches dans le milieu universitaire et leurs applications dans divers domaines industriels se développent. L’EHA à vitesse variable a désormais la priorité sur l’EHA à déplacement variable, mais son moteur d’entraînement et l’électronique associée rencontrent des problèmes lorsqu’ils sont appliqués dans des applications à haute puissance : faible dynamique, dissipation thermique élevée, prix élevé, etc. Par conséquent, un EHA à cylindrée variable équipé d’une pompe à cylindrée électrovariable (EVDP) a été envisagé. L’EVDP lui-même est un système mécatronique qui intègre une pompe à piston, une vis à billes, une boîte de vitesses et un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM). Par conséquent, l’EVDP doit être étudié pour assurer sa performance au niveau du système lorsqu’il est appliqué dans une EHA. En plus des recherches antérieures sur les paramètres techniques de l’EVDP, une méthode de conception dédiée est nécessaire pour réduire davantage le coût d’utilisation de l’EVDP et explorer son potentiel de performance. Ici, une méthode de conception préliminaire EVDP basée sur la simulation est sélectionnée pour la conception d’un EVDP de 37 kW. Tout d’abord, un modèle multidisciplinaire de l’EVDP précédemment proposé est étendu en améliorant la génération de paramètres, y compris la durée de vie de l’EVDP, la fiabilité, les modèles de contrôle, etc. Deuxièmement, le modèle proposé est partiellement vérifié à l’aide d’un prototype réduit. Troisièmement, l’EVDP est simulé au niveau du système, soutenu par le modèle proposé. Les performances evDP sont évaluées en fonction des exigences de conception spécifiées. La température, la bande passante et la précision, la fiabilité et la durée de vie, etc., sont toutes prévues pour l’EVDP. Les résultats de la simulation démontrent l’applicabilité de l’EVDP dans l’EHA à déplacement variable. La méthode de modélisation et de simulation proposée peut être utilisée pour évaluer diverses performances EVDP et répondre aux exigences générales de conception. La méthode peut également aider à résoudre les défis de conception préliminaire en termes d’informations limitées et de robustesse. Par conséquent, la méthode proposée est appropriée pour la réalisation de la méthode de conception préliminaire EVDP basée sur la simulation.

Introduction

Les actionneurs électro-hydrostatiques (EHA) suscitent un intérêt croissant pour des applications telles que les presses industrielles, les grandes machines mobiles, les manipulateurs de grues et la commande primaire des avions en raison de leur combinaison des avantages des actionneurs électriques et des actionneurs hydrauliques¹. Deux types de base d’EHA peuvent être identifiés : les EHA à vitesse variable et les EHA à déplacement variable². Actuellement, l’EHA à vitesse variable est plus populaire que l’EHA à déplacement variable en raison de son efficacité et de sa simplicité supérieures. Cependant, avec le niveau de puissance plus élevé de l’EHA, qui est nécessaire dans les véhicules lourds, tels que les lanceurs lourds³ et les sous-marins⁴, le moteur d’entraînement et l’électronique associée de l’EHA à vitesse variable ont des problèmes liés à une faible dynamique, une dissipation thermique élevée, un prix élevé, etc. Par conséquent, l’EHA à cylindrée variable est reconsidérée pour ces applications de haute puissance (>30 kW), car son contrôle est réalisé via un dispositif de faible puissance qui régule le déplacement de la pompe.

Une préoccupation majeure qui empêche l’EHA à déplacement variable d’être considéré comme une priorité est sa lourde unité de contrôle du déplacement de la pompe, qui est elle-même un système hydraulique complet contrôlé par soupape. La pompe à cylindrée électrovariable (EVDP) a été proposée pour résoudre ce problème en utilisant une unité de commande de déplacement électrique compacte. Cette conception améliore la compacité, l’efficacité, etc., de l’EHA à déplacement variable, ce qui résout la faiblesse précédente dans une certaine mesure. Par conséquent, l’utilisation d’EHA à déplacement variable pour les applications de grande puissance peut être facilitée par l’utilisation du nouveau PDVE proposé. Cependant, la complexité de l’EVDP est nettement plus grande par rapport à la pompe à cylindrée variable à commande hydraulique conventionnelle car elle intègre des composants de plusieurs nouvelles disciplines. Par conséquent, des activités de recherche spécifiques basées sur l’EVDP ont vu le jour. Notre groupe de recherche a commencé la recherche EVDP⁵ et a continué à la développer⁶. Liu a développé l’EVDP pour les applications EHA et a effectué des tests expérimentaux⁷. Certaines entreprises hydrauliques fournissent également des produits EVDP. En plus de la recherche concernant les composants techniques de l’EVDP, la méthode de conception pour répondre aux exigences réelles de l’application est également importante pour améliorer les compétences de l’EVDP en réduisant davantage le coût d’utilisation des EVDP et en explorant leur potentiel de performance. Par conséquent, une méthode de conception préliminaire EVDP spécifique est nécessaire pour optimiser les compromis dans ses performances au niveau du système en analysant ses disciplines couplées. La conception préliminaire basée sur la simulation est intéressante pour ce type de couplage multidisciplinaire de produits mécatroniques⁸.

Bien qu’aucun modèle de simulation spécifique pour la conception préliminaire de l’EVDP n’ait été proposé en raison du fait qu’il s’agit d’un concept nouvellement proposé, de nombreuses recherches ont été investies dans des produits mécatroniques connexes. Un modèle EHA dynamique a été construit pour optimiser le poids, l’efficacité et les performances de contrôle dans la conception préliminaire⁹, mais la durée de vie, la fiabilité, les caractéristiques thermiques, etc., n’ont pas été impliquées, qui sont des indices de performance essentiels qui devraient être pris en compte dans la conception préliminaire. Un autre modèle EHA dynamique a également été utilisé pour optimiser les coûts, l’efficacité et les performances de contrôle¹⁰, et un modèle thermique a ensuite été développé pour évaluer les caractéristiques thermiques de l’EHA¹¹ optimisé, mais la fiabilité et la durée de vie n’ont pas été prises en compte. Une méthode complète de conception préliminaire de l’actionneur électromécanique (EMA) a été présentée¹². Des modèles spécifiques avec différentes fonctions capables d’analyser différentes caractéristiques ont été proposés pour cette méthode, et des modèles de fiabilité et de durée de vie ont également été développés¹³. La résistance mécanique, la capacité de puissance, les performances thermiques, etc., pouvaient ainsi être évaluées, mais les performances de contrôle n’étaient pas impliquées. Une autre méthode de conception préliminaire de l’EMA a utilisé un modèle EMA dynamique et des modèles de dimensionnement des composants associés¹⁴. Le coût, le poids, la durée de vie en fatigue, la capacité de puissance, les contraintes physiques, etc., ont été impliqués dans l’analyse de simulation, mais la fiabilité et les performances de contrôle n’ont pas été incluses. Un modèle dynamique a été proposé pour la conception d’optimisation d’un groupe motopropulseur hybride hydraulique¹⁵. La capacité de puissance, l’efficacité, le contrôle, etc., pouvaient être simulés, mais la fiabilité et la durée de vie n’ont pas été prises en compte. Des modèles d’analyse d’un système d’actionnement des commandes de vol basé sur l’EHA ont été proposés, dans lesquels des équations de transmission de puissance simples et des fonctions de poids ont été utilisées¹⁶. Étant donné que les modèles ont été utilisés pour des analyses au niveau des véhicules et des missions, la couverture limitée des attributs des modèles était appropriée. En tant que composant majeur de l’EHA, les servomoteurs ont attiré une attention distincte en ce qui concerne la modélisation et la conception, et les résultats sont également instructifs pour le développement de modèles EHA. Les réseaux thermiques, les modèles de poids, etc., peuvent également être pris en compte pour la modélisation EHA ^17,18,19. La littérature examinée indique que, même en tenant compte des résultats des produits liés à l’EVDP, les modèles développés n’analysent pas tous les attributs de performance influents des produits pour la conception préliminaire. Les performances de contrôle, les performances thermiques, la fiabilité et la durée de vie sont les attributs qui ont été les plus négligés dans la construction des modèles. Par conséquent, cet article propose un ensemble de modèles capable d’analyser tous les attributs de performance les plus influents pour la conception préliminaire de l’EVDP. L’analyse de simulation est également présentée pour mieux illustrer les fonctions du modèle. Cet article est une extension d’une publication précédente²⁰, car il améliore la génération de paramètres, implique le modèle de durée de vie, le modèle de fiabilité et le modèle de contrôle, optimise le coût de calcul, valide le modèle et effectue une analyse de simulation approfondie, etc.

L’unité de commande hydraulique conventionnelle d’une pompe à piston à cylindrée variable est remplacée par un actionneur électrique pour améliorer la compacité et réduire la dissipation de chaleur, comme le montre la figure 1. L’actionneur électrique se compose d’une vis à billes, d’une boîte de vitesses et d’un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM). L’actionneur électrique relie la plaque tournante via une barre pour réguler le déplacement de la pompe. Lorsqu’elle est appliquée dans les EHA, la position de rotation de la plaque tournante EVDP swashplate est contrôlée en boucle fermée en modulant le PMSM. L’actionneur électrique est intégré à la pompe à piston dans un boîtier mutuel pour former un composant intégral. Cette conception immerge l’actionneur électrique dans le fluide de travail et renforce ainsi les effets de couplage multi-domaines.

Comme l’EVDP est un produit mécatronique multi-domaines typique, sa conception préliminaire joue un rôle essentiel dans l’optimisation des compromis dans ses performances au niveau du système et la définition des exigences de conception des composants. Le processus est illustré à la figure 2 basée sur le schéma de conception basé sur la simulation^10,12. L’étape 1 analyse d’abord l’architecture EVDP sélectionnée, comme dans la figure 1, et conclut les paramètres de conception en fonction des exigences de performance spécifiées. Ensuite, la tâche de conception est généralement transformée en un problème d’optimisation pour explorer l’optimisation des performances de l’EVDP. Ceci est réalisé en convertissant les paramètres de conception en variables d’optimisation et en convertissant les exigences de performance en objectifs et contraintes. Il convient de noter que les paramètres de conception doivent être classés en catégories actives, pilotées et empiriques. Seuls les paramètres actifs sont utilisés comme variables d’optimisation en raison de leurs caractéristiques d’indépendance. Les deux autres catégories sont générées automatiquement par estimation à partir des paramètres actifs. Par conséquent, l’étape 2 développe les modèles d’estimation des paramètres pilotés et empiriques. Ces outils d’estimation sont utilisés dans chaque itération de l’optimisation, ainsi qu’à l’étape 5 pour formuler tous les paramètres de simulation requis. L’étape 3 construit les modèles de calcul pour chaque objectif ou contrainte d’optimisation, ce qui reflète les performances requises. Ces modèles doivent être efficaces sur le plan informatique; sinon, le coût de calcul de l’optimisation serait inacceptable. L’étape 4 effectue le calcul d’optimisation, qui est généralement multi-objectif et multidisciplinaire. Il traite également des incertitudes des paramètres dans la phase de conception préliminaire. L’étape 5 construit un modèle global de l’EVDP conçu et l’utilise pour valider les résultats d’optimisation en simulant l’EVDP selon des cycles de service typiques. Ce modèle est l’outil ultime pour évaluer les résultats de la conception préliminaire. Par conséquent, ce modèle devrait avoir la plus haute fidélité et impliquer toutes les caractéristiques influentes dans un style de couplage serré. Enfin, les résultats préliminaires de la performance de conception et les résultats de dimensionnement au niveau du système sont obtenus.

Cet article se concentre sur la méthode de modélisation et de simulation du système de l’EVDP, qui consiste à effectuer l’analyse des paramètres à l’étape 1 et à compléter les étapes 2 et 5. Tout d’abord, les paramètres de conception sont dérivés en fonction de l’architecture EVDP et des exigences de conception, et ils sont classés en trois sous-catégories. Deuxièmement, les modèles d’estimation des paramètres non actifs sont développés sur la base de lois de mise à l’échelle, de catalogues de composants, de fonctions empiriques, etc. Troisièmement, le modèle global de l’EVDP est construit à l’aide d’équations de couplage multidisciplinaires et de sous-modèles supplémentaires de durée de vie et de fiabilité, et le modèle est partiellement vérifié par des expériences. Enfin, les résultats de dimensionnement précédents sont importés dans le modèle construit pour effectuer une analyse de simulation dans le cadre de cycles de service typiques. Les performances au niveau du système sont déduites en fonction des résultats de la simulation. La sensibilité des paramètres et la robustesse de la conception sont également évaluées. En conséquence, cet article développe une méthode de modélisation et de simulation spécifique pour la conception préliminaire EVDP. Les performances de l’EVDP pour l’application dans l’EHA sont prédites de manière exhaustive. La méthode proposée constitue un outil pratique pour le développement d’EVDP et d’EHA à déplacement variable pour des applications à haute puissance. La méthode peut également être utilisée pour développer des outils de simulation pour d’autres types de produits mécatroniques. L’EVDP dans cet article fait référence à la pompe à cylindrée variable à commande électromécanique, mais la pompe à cylindrée variable à commande électrohydraulique est hors du champ d’application de cet article.

Protocol

REMARQUE: Matlab et Simcenter Amesim (ci-après dénommés plate-forme de simulation de système) ont été utilisés dans ce protocole et sont répertoriés dans la table des matériaux. Cependant, le protocole proposé ne se limite pas à l’implémentation dans ces deux applications logicielles. 1. Sélection et classification des paramètres de conception EVDP (étape 1 de la figure 2). Démontez l?…

Representative Results

Cette section présente les résultats obtenus en effectuant toutes les étapes du protocole, qui font partie de l’étape 1, de l’étape 2 et de toute l’étape 5 de la méthode de conception préliminaire evDP de la figure 2. Les informations d’entrée dans le protocole comprennent les schémas EVDP de la figure 1, les paramètres actifs optimisés (clarifiés à l’étape 5.1.1.) de l’EVDP de l’étape 4 de la figure 2,…

Discussion

Le concept et d’autres composants techniques de l’EVDP ont été présentés dans des publications précédentes ^6,31, démontrant l’applicabilité et les avantages de l’EVDP. Au lieu d’étudier l’EVDP lui-même, cet article a continué à étudier la méthode de conception par rapport aux besoins réels futurs de l’application. Une méthode de conception spécifique est nécessaire pour ce type de produit de couplage hautement intégré et multidis…

Materials

Ball screw	NSK	PSS
EVDP prototype	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa
EVDP testrig	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.
Gearhead	Maxon	GP
Matlab	Mathworks	R2020a
Permannet magnet synchronous motor	Maxon	393023
Piston pump	Bosch Rexroth	A10VZO
Simcenter Amesim	Siemens	2021.1	system simulation platform