En modellerings- og simuleringsmetode for foreløpig utforming av en elektrovariabel forskyvningspumpe

Summary

En simuleringsmodell som spesifikt støtter den foreløpige utformingen av en elektrovariabel forskyvningspumpe (EVDP), utvikles og delvis verifiseres av eksperimenter. Kontrollytelsen, levetiden, påliteligheten, etc., kan alle evalueres ved hjelp av den foreslåtte modellen, som dekker de viktigste ytelseskravene under EVDP foreløpig designoppgave.

Abstract

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHAer) har blitt betydelig forsket på i akademia, og deres anvendelser på ulike industrifelt utvides. EHA med variabel hastighet har nå prioritert EHA med variabel forskyvning, men kjøremotoren og tilhørende elektronikk støter på problemer når den brukes i høyeffektsapplikasjoner: lavdynamikk, høy termisk spredning, høy pris, etc. Derfor er det vurdert en EHA med variabel forskyvning utstyrt med en elektrovariabel forskyvningspumpe (EVDP). EVDP i seg selv er et mekatronisk system som integrerer en stempelpumpe, en kuleskrue, en girkasse og en permanent magnetsynkronmotor (PMSM). Følgelig må EVDP undersøkes for å sikre ytelsen på systemnivå når den brukes i en EHA. I tillegg til den tidligere forskningen på de tekniske parametrene til EVDP, er det nødvendig med en dedikert designmetode for ytterligere å redusere kostnadene ved å bruke EVDP og utforske ytelsespotensialet. Her er en simuleringsbasert EVDP foreløpig designmetode valgt for å designe en 37 kW EVDP. For det første utvides en tidligere foreslått tverrfaglig modell av EVDP ved å forbedre parametergenereringen, inkludert EVDP-levetid, pålitelighet, kontrollmodeller, etc. For det andre er den foreslåtte modellen delvis verifisert ved hjelp av en nedbegradert prototype. For det tredje simuleres EVDP på systemnivå, støttet av den foreslåtte modellen. EVDP-ytelsen evalueres i henhold til de angitte designkravene. Temperatur, båndbredde og nøyaktighet, pålitelighet og levetid, etc., er alle spådd for EVDP. Simuleringsresultatene viser EVDP’s anvendbarhet i EHA med variabel forskyvning. Den foreslåtte modellerings- og simuleringsmetoden kan brukes til å evaluere ulike EVDP-ytelser og svare på generelle designkrav. Metoden kan også støtte løsning av de foreløpige designutfordringene når det gjelder begrenset informasjon og robusthet. Derfor er den foreslåtte metoden egnet for realisering av den simuleringsbaserte EVDP foreløpige designmetoden.

Introduction

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHAer) får økende interesse for bruksområder som industrielle presser, store mobile maskiner, kranmanipulatorer og primærflykontroll på grunn av deres kombinasjon av fordelene med både elektriske aktuatorer og hydrauliske aktuatorer¹. To grunnleggende typer EHAer kan identifiseres: EHAer med variabel hastighet og EHAer med variabel forskyvning². For tiden er EHA med variabel hastighet mer populær enn EHA med variabel forskyvning på grunn av høyere effektivitet og enkelhet. Men sammen med det høyere effektnivået til EHA, som er nødvendig i tunge kjøretøy, for eksempel tunge lanseringskjøretøy³ og ubåter⁴, har kjøremotoren og tilhørende elektronikk av variabelhastighet EHA problemer knyttet til lav dynamikk, høy termisk spredning, høy pris, etc. Derfor blir EHA med variabel forskyvning revurdert for disse høyeffektsapplikasjonene (>30 kW), da kontrollen realiseres via en laveffektsenhet som regulerer pumpeforskyvningen.

En stor bekymring som forhindrer at EHA med variabel forskyvning blir prioritert, er den tungvinte pumpeforskyvningskontrollenheten, som i seg selv er et komplett ventilstyrt hydraulisk system. Den elektrovariable forskyvningspumpen (EVDP) er foreslått for å løse dette problemet ved hjelp av en kompakt elektrisk forskyvningskontrollenhet. Denne utformingen forbedrer kompaktiteten, effektiviteten, etc., til EHA med variabel forskyvning, som løser den forrige svakheten til en viss grad. Derfor kan bruk av EHAer med variabel forskyvning for høyeffektsapplikasjoner forenkles ved hjelp av den nylig foreslåtte EVDP. Imidlertid er kompleksiteten til EVDP betydelig større sammenlignet med den konvensjonelle hydraulisk styrte variabelforskyvningspumpen da den integrerer komponenter fra flere nye disipliner. Følgelig har det dukket opp spesifikke EVDP-baserte forskningsaktiviteter. Vår forskningsgruppe startet EVDP-forskningen⁵ og har fortsatt å utvikle den⁶. Liu utviklet EVDP for EHA-applikasjoner og utførte eksperimentelle tester⁷. Noen hydrauliske selskaper tilbyr også EVDP-produkter. I tillegg til forskningen på de tekniske komponentene i EVDP, er designmetoden for å svare på reelle applikasjonskrav også viktig for å forbedre EVDP-kompetansen ved å ytterligere redusere kostnadene ved å bruke EVDPer og utforske deres ytelsespotensial. Derfor er en spesifikk EVDP foreløpig designmetode nødvendig for å optimalisere avveininger i ytelsen på systemnivå ved å analysere de koblede disiplinene. Den simuleringsbaserte foreløpige utformingen er av interesse for denne typen tverrfaglig kobling av mekatroniske produkter⁸.

Selv om det ikke er foreslått noen spesifikke simuleringsmodeller for EVDP foreløpig design på grunn av at det er et nylig foreslått konsept, er det investert mye forskning i relaterte mekatroniske produkter. En dynamisk EHA-modell er bygget for å optimalisere vekt-, effektivitets- og kontrollytelsen i foreløpig design⁹, men levetiden, påliteligheten, termiske egenskaper, etc., var ikke involvert, noe som er viktige ytelsesindekser som bør vurderes i foreløpig design. En annen dynamisk EHA-modell har også blitt brukt til å optimalisere kostnads-, effektivitets- og kontrollytelse¹⁰, og en termisk modell ble senere utviklet for å evaluere de termiske egenskapene til den optimaliserte EHA¹¹, men påliteligheten og levetiden ble ikke vurdert. En omfattende elektromekanisk aktuator (EMA) foreløpig designmetode er presentert¹². Det er foreslått spesifikke modeller med ulike funksjoner som kan analysere ulike egenskaper for denne metoden, og pålitelighets- og levetidsmodeller er også utviklet¹³. Den mekaniske styrken, kraftevnen, termisk ytelse, etc., kunne herved evalueres, men kontrollytelsen var ikke involvert. En annen EMA foreløpig designmetode benyttet en dynamisk EMA-modell og tilhørende komponentstørrelsesmodeller¹⁴. Kostnaden, vekten, utmattelsestiden, kraftkapasiteten, fysiske begrensninger, etc., var involvert i simuleringsanalysen, men pålitelighet og kontrollytelse var ikke inkludert. En dynamisk modell ble foreslått for optimaliseringsdesign av et hydraulisk hybriddrivtog¹⁵. Kraftkapasiteten, effektiviteten, kontrollen osv., kunne simuleres, men påliteligheten og levetiden ble ikke vurdert. Modeller for å analysere et EHA-basert flykontrollaktiveringssystem er foreslått, der enkle kraftoverføringsligninger og vektfunksjoner ble brukt¹⁶. Med tanke på at modellene ble brukt til analyser på kjøretøynivå og oppdragsnivå, var den begrensede attributtdekningen av modellene hensiktsmessig. Som en viktig del av EHA har servomotorer tiltrukket seg egen oppmerksomhet når det gjelder modellering og design, og resultatene er også lærerike for EHA-modellutvikling. Termiske nettverk, vektmodeller, etc., kan også vurderes for EHA-modellering 17,18,19. Den gjennomgåtte litteraturen indikerer at selv med tanke på resultatene fra produkter relatert til EVDP, analyserer de utviklede modellene ikke alle de innflytelsesrike ytelsesattributtene til produktene for den foreløpige designen. Kontrollytelsen, termisk ytelse, pålitelighet og levetid er egenskapene som har blitt mest neglisjert i konstruksjonen av modellene. Derfor foreslår dette dokumentet en modellpakke som er i stand til å analysere alle de mest innflytelsesrike ytelsesattributtene for EVDP foreløpig design. Simuleringsanalysen presenteres også for bedre å illustrere modellfunksjonene. Dette dokumentet er en utvidelse av en tidligere publikasjon²⁰, da det forbedrer parametergenereringen, involverer levetidsmodellen, pålitelighetsmodellen og kontrollmodellen, optimaliserer beregningskostnadene, validerer modellen og utfører grundig simuleringsanalyse, etc.

Den konvensjonelle hydrauliske kontrollenheten til en stempelpumpe med variabel forskyvning erstattes med en elektrisk aktuator for å forbedre kompaktiteten og redusere varmespredningen, som vist i figur 1. Den elektriske aktuatoren består av en kuleskrue, en girkasse og en permanent magnetsynkronmotor (PMSM). Den elektriske aktuatoren kobler til swashplaten via en bar for å regulere pumpeforskyvningen. Når den påføres i EHAer, lukkes EVDP-overføringsplatens rotasjonsposisjon med lukket sløyfe ved å modulere PMSM. Den elektriske aktuatoren er integrert med stempelpumpen i et gjensidig tilfelle for å danne en integrert komponent. Denne utformingen senker den elektriske aktuatoren i arbeidsfluidet og styrker herved flerdomenekoblingseffektene.

Siden EVDP er et typisk mekatronisk produkt med flere domener, spiller den foreløpige designen en viktig rolle i å optimalisere avveininger i ytelsen på systemnivå og skissere komponentdesignkravene. Prosessen er illustrert i figur 2 basert på den simuleringsbaserte designordningen^10,12. Trinn 1 analyserer først den valgte EVDP-arkitekturen, som i figur 1, og avslutter designparametrene basert på de angitte ytelseskravene. Deretter blir designoppgaven vanligvis forvandlet til et optimaliseringsproblem for å utforske ytelsesoptimaliseringen til EVDP. Dette gjøres ved å konvertere designparametrene til optimaliseringsvariabler og konvertere ytelseskravene til mål og begrensninger. Det er verdt å merke seg at designparametrene må klassifiseres i aktive, drevne og empiriske kategorier. Bare de aktive parameterne brukes som optimaliseringsvariabler på grunn av uavhengighetsfunksjonene. De to andre kategoriene genereres automatisk ved estimering fra de aktive parameterne. Derfor utvikler trinn 2 estimeringsmodellene til de drevne og empiriske parametrene. Disse estimeringsverktøyene brukes i hver gjentakelse av optimaliseringen, så vel som i trinn 5 for å formulere alle nødvendige simuleringsparametere. Trinn 3 bygger beregningsmodellene for hvert optimaliseringsmål eller hver begrensning, noe som gjenspeiler den nødvendige ytelsen. Disse modellene skal være beregningseffektive; Ellers vil optimaliseringsberegningskostnaden være uakseptabel. Trinn 4 utfører optimaliseringsberegningen, som vanligvis er multi-objektiv og tverrfaglig. Den omhandler også parameterusikkerhet i den foreløpige designfasen. Trinn 5 konstruerer en overordnet modell av den designede EVDP og bruker den til å validere optimaliseringsresultatene ved å simulere EVDP under typiske driftssykluser. Denne modellen er det ultimate verktøyet for å evaluere de foreløpige designresultatene. Derfor bør denne modellen ha den høyeste troskapen og involvere alle de innflytelsesrike egenskapene i en tett koblingsstil. Til slutt oppnås de foreløpige ytelsesresultatene for utformingen og dimensjonsresultatene på systemnivå.

Dette dokumentet fokuserer på systemmodellerings- og simuleringsmetoden til EVDP, som innebærer å gjennomføre parameteranalysen i trinn 1 og fullføre trinn 2 og 5. For det første er designparametrene avledet basert på EVDP-arkitekturen og designkravene, og de er klassifisert i tre underkategorier. For det andre utvikles estimeringsmodellene for de ikke-aktive parametrene basert på skaleringslover, komponentkataloger, empiriske funksjoner, etc. For det tredje er den overordnede modellen til EVDP konstruert ved hjelp av tverrfaglige koblingsligninger og ekstra levetids- og pålitelighetsundermodeller, og modellen er delvis verifisert av eksperimenter. Til slutt importeres de tidligere størrelsesresultatene til den konstruerte modellen for å utføre simuleringsanalyse under typiske driftssykluser. Ytelsen på systemnivå utledes basert på simuleringsresultatene. Parameterfølsomheten og robustheten til designet evalueres også. Som et resultat utvikler dette papiret en spesifikk modellerings- og simuleringsmetode for EVDP foreløpig design. EVDP’s ytelse for anvendelse i EHA er omfattende spådd. Den foreslåtte metoden står som et praktisk verktøy for å utvikle EVDPer og EHAer med variabel forskyvning for bruksområder med høy effekt. Metoden kan også refereres til for å utvikle simuleringsverktøy for andre typer mekatroniske produkter. EVDP i dette papiret refererer til den elektromekanisk styrte variabelforskyvningspumpen, men den elektrohydraulisk styrte variabelforskyvningspumpen er utenfor dette papirets omfang.

Protocol

MERK: Matlab og Simcenter Amesim (referert til som systemsimuleringsplattform heretter) ble brukt i denne protokollen og er oppført i materialtabellen. Den foreslåtte protokollen er imidlertid ikke begrenset til implementering i disse to programmene. 1. Velge og klassifisere EVDP-designparametrene (trinn 1 i figur 2). Demonter arkitekturen til EVDP i figur 1 i en stempelpu…

Representative Results

Denne delen presenterer resultatene fra å utføre alle protokolltrinnene, som utgjør en del av trinn 1, hele trinn 2 og hele trinn 5 av EVDP-foreløpig utformingsmetoden i figur 2. Inndatainformasjonen i protokollen inkluderer EVDP-skjemaene i figur 1, de optimaliserte aktive parametrene (avklart i trinn 5.1.1.) for EVDP fra trinn 4 i figur 2, og EVDP-ytelsessimuleringsoppgavene, som er relatert til EVDP-designkravene. Resultatene…

Discussion

Konseptet og andre tekniske komponenter i EVDP har blitt presentert i tidligere publikasjoner ^6,31, som viser anvendelsen og fordelene ved EVDP. I stedet for å studere EVDP selv, fortsatte denne artikkelen å studere designmetoden i forhold til fremtidige reelle applikasjonsbehov. En spesifikk designmetode er nødvendig for denne typen svært integrerte og tverrfaglige koblingsprodukter, som krever delikate ytelsesavveininger og optimalisering. Dette dokumentet …

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