En modellerings- og simuleringsmetode til foreløbig design af en elektrovariabel forskydningspumpe

Summary

En simuleringsmodel, der specifikt understøtter det foreløbige design af en elektrovariabel fortrængningspumpe (EVDP), udvikles og delvist verificeres ved eksperimenter. Kontrolydelsen, levetiden, pålideligheden osv. kan alle evalueres ved hjælp af den foreslåede model, som dækker de vigtigste præstationskrav under EVDP’s foreløbige designopgave.

Abstract

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHA’er) er blevet undersøgt betydeligt i den akademiske verden, og deres anvendelser på forskellige industriområder udvides. EHA med variabel hastighed har nu fået prioritet over EHA med variabel forskydning, men dens drivmotor og tilhørende elektronik støder på problemer, når den anvendes i applikationer med høj effekt: lav dynamik, høj termisk spredning, høj pris osv. Derfor er en EHA med variabel forskydning udstyret med en elektrovariabel fortrængningspumpe (EVDP) blevet overvejet. EVDP selv er et mekatronisk system, der integrerer en stempelpumpe, en kugleskrue, en gearkasse og en permanent magnet synkronmotor (PMSM). EVDP skal derfor undersøges for at sikre dens ydeevne på systemniveau, når den anvendes i en EHA. Ud over den tidligere forskning i EVDP’s tekniske parametre er der behov for en særlig designmetode for yderligere at reducere omkostningerne ved at anvende EVDP og udforske dens præstationspotentiale. Her vælges en simuleringsbaseret EVDP foreløbig designmetode til at designe en 37 kW EVDP. For det første udvides en tidligere foreslået tværfaglig model af EVDP ved at forbedre parametergenereringen, herunder EVDP’s levetid, pålidelighed, kontrolmodeller osv. For det andet er den foreslåede model delvist verificeret ved hjælp af en downsized prototype. For det tredje simuleres EVDP på systemniveau, understøttet af den foreslåede model. EVDP-ydeevnen evalueres i henhold til de specificerede designkrav. Temperatur, båndbredde og nøjagtighed, pålidelighed og levetid osv. forudsiges alle for EVDP. Simuleringsresultaterne viser EVDP’s anvendelighed i EHA med variabel forskydning. Den foreslåede modellerings- og simuleringsmetode kan bruges til at evaluere forskellig EVDP-ydeevne og reagere på generelle designkrav. Metoden kan også understøtte løsningen af de foreløbige designudfordringer med hensyn til begrænset information og robusthed. Derfor er den foreslåede metode egnet til realisering af den simuleringsbaserede EVDP foreløbige designmetode.

Introduction

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHA’er) modtager stigende interesse for applikationer såsom industrielle presser, store mobile maskiner, kranmanipulatorer og primær flykontrol på grund af deres kombination af fordelene ved både elektriske aktuatorer og hydrauliske aktuatorer¹. To grundlæggende typer EHA’er kan identificeres: EHA’er med variabel hastighed og EHA’er med variabel forskydning². I øjeblikket er EHA med variabel hastighed mere populær end EHA med variabel forskydning på grund af dens højere effektivitet og enkelhed. Sammen med EHA’s højere effektniveau, som er nødvendigt i tunge køretøjer, såsom tunge løfteraketter³ og ubåde⁴, har køremotoren og tilhørende elektronik i EHA med variabel hastighed imidlertid problemer i forbindelse med lav dynamik, høj termisk spredning, høj pris osv. Derfor genovervejes EHA med variabel forskydning til disse applikationer med høj effekt (>30 kW), da dens styring realiseres via en laveffektenhed, der regulerer pumpens forskydning.

En stor bekymring, der forhindrer, at EHA med variabel forskydning tages som en prioritet, er dens besværlige pumpeforskydningskontrolenhed, som i sig selv er et komplet ventilstyret hydraulisk system. Den elektrovariable fortrængningspumpe (EVDP) er blevet foreslået for at løse dette problem ved hjælp af en kompakt elektrisk forskydningsstyreenhed. Dette design forbedrer kompaktiteten, effektiviteten osv. af EHA med variabel forskydning, hvilket til en vis grad løser den tidligere svaghed. Derfor kan anvendelsen af EHA’er med variabel forskydning til applikationer med høj effekt lettes ved hjælp af den nyligt foreslåede EVDP. EVDP’s kompleksitet er dog betydeligt større sammenlignet med den konventionelle hydraulisk styrede pumpe med variabel forskydning, da den integrerer komponenter fra flere nye discipliner. Derfor er der opstået specifikke EVDP-baserede forskningsaktiviteter. Vores forskningsgruppe startede EVDP-forskningen⁵ og har fortsat med at udvikle den⁶. Liu udviklede EVDP til EHA-applikationer og udførte eksperimentelle tests⁷. Nogle hydrauliske virksomheder leverer også EVDP-produkter. Ud over forskningen vedrørende de tekniske komponenter i EVDP er designmetoden til at reagere på reelle applikationskrav også vigtig for at forbedre EVDP’s kompetence ved yderligere at reducere omkostningerne ved at bruge EVDP’er og udforske deres præstationspotentiale. Derfor er en specifik EVDP foreløbig designmetode nødvendig for at optimere kompromiser i sin ydeevne på systemniveau ved at analysere sine koblede discipliner. Det simuleringsbaserede foreløbige design er af interesse for denne type tværfaglig kobling af mekatroniske produkter⁸.

Selvom der ikke er foreslået nogen specifikke simuleringsmodeller til EVDP-foreløbigt design, fordi det er et nyligt foreslået koncept, er der investeret meget forskning i relaterede mekatroniske produkter. En dynamisk EHA-model er blevet bygget for at optimere vægten, effektiviteten og kontrolydelsen i det foreløbige design⁹, men levetiden, pålideligheden, de termiske egenskaber osv. var ikke involveret, hvilket er væsentlige præstationsindekser, der bør overvejes i det foreløbige design. En anden dynamisk EHA-model er også blevet brugt til at optimere omkostnings-, effektivitets- og kontrolydelse¹⁰, og en termisk model blev efterfølgende udviklet til at evaluere de termiske egenskaber ved den optimerede EHA¹¹, men pålideligheden og levetiden blev ikke overvejet. En omfattende elektromekanisk aktuator (EMA) foreløbig designmetode er blevet præsenteret¹². Specifikke modeller med forskellige funktioner, der er i stand til at analysere forskellige egenskaber, er blevet foreslået til denne metode, og pålideligheds- og levetidsmodeller er også blevet udviklet¹³. Den mekaniske styrke, effektkapacitet, termiske ydeevne osv. kunne hermed evalueres, men kontrolydelsen var ikke involveret. En anden EMA-foreløbig designmetode anvendte en dynamisk EMA-model og tilhørende komponentstørrelsesmodeller¹⁴. Omkostninger, vægt, udmattelseslevetid, effektkapacitet, fysiske begrænsninger osv. var involveret i simuleringsanalysen, men pålidelighed og kontrolydelse blev ikke inkluderet. Der blev foreslået en dynamisk model til optimeringsdesign af et hydraulisk hybriddrivaggregat¹⁵. Effektkapaciteten, effektiviteten, styringen osv. kunne simuleres, men pålideligheden og levetiden blev ikke overvejet. Modeller til analyse af et EHA-baseret flyvekontrolaktiveringssystem er blevet foreslået, inden for hvilket enkle kraftoverførselsligninger og vægtfunktioner blev anvendt¹⁶. I betragtning af at modellerne blev anvendt til analyser på køretøjsniveau og missionsniveau, var modellernes begrænsede attributdækning passende. Som en vigtig del af EHA har servomotorer tiltrukket sig særskilt opmærksomhed med hensyn til modellering og design, og resultaterne er også lærerige for EHA-modeludvikling. Termiske netværk, vægtmodeller osv. kan også overvejes til EHA-modellering 17,18,19. Den gennemgåede litteratur indikerer, at selv i betragtning af resultaterne fra produkter relateret til EVDP analyserer de udviklede modeller ikke alle de indflydelsesrige præstationsegenskaber for produkterne til det foreløbige design. Kontrolydelsen, den termiske ydeevne, pålideligheden og levetiden er de egenskaber, der er blevet mest forsømt i konstruktionen af modellerne. Derfor foreslår dette papir en modelpakke, der er i stand til at analysere alle de mest indflydelsesrige præstationsattributter for EVDP’s foreløbige design. Simuleringsanalysen præsenteres også for bedre at illustrere modelfunktionerne. Dette papir er en udvidelse af en tidligere publikation²⁰, da det forbedrer parametergenereringen, involverer levetidsmodellen, pålidelighedsmodellen og kontrolmodellen, optimerer beregningsomkostningerne, validerer modellen og udfører dybdegående simuleringsanalyse osv.

Den konventionelle hydrauliske styreenhed i en stempelpumpe med variabel forskydning udskiftes med en elektrisk aktuator for at forbedre kompaktiteten og reducere varmeafledningen, som vist i figur 1. Den elektriske aktuator består af en kugleskrue, en gearkasse og en permanent magnet synkronmotor (PMSM). Den elektriske aktuator forbinder vaskepladen via en stang for at regulere pumpens forskydning. Når den anvendes i EHA’er, styres EVDP-swashplate-rotationspositionen i lukket kredsløb ved at modulere PMSM. Den elektriske aktuator er integreret med stempelpumpen i et gensidigt tilfælde for at danne en integreret komponent. Dette design nedsænker den elektriske aktuator i arbejdsvæsken og styrker dermed multidomænekoblingseffekterne.

Da EVDP er et typisk mekatronisk produkt med flere domæner, spiller dets foreløbige design en væsentlig rolle i optimeringen af kompromiser i dets ydeevne på systemniveau og skitserer kravene til komponentdesign. Processen er illustreret i figur 2 baseret på det simuleringsbaserede designskema^10,12. Trin 1 analyserer først den valgte EVDP-arkitektur, som i figur 1, og afslutter designparametrene baseret på de specificerede præstationskrav. Derefter omdannes designopgaven normalt til et optimeringsproblem for at udforske EVDP’s ydeevneoptimering. Dette udføres ved at konvertere designparametrene til optimeringsvariabler og konvertere præstationskravene til mål og begrænsninger. Det er værd at bemærke, at designparametrene skal klassificeres i aktive, drevne og empiriske kategorier. Kun de aktive parametre bruges som optimeringsvariabler på grund af deres uafhængighedsfunktioner. De to andre kategorier genereres automatisk ved estimering ud fra de aktive parametre. Derfor udvikler trin 2 estimeringsmodellerne for de drevne og empiriske parametre. Disse estimeringsværktøjer bruges i hver iteration af optimeringen såvel som i trin 5 til formulering af alle de krævede simuleringsparametre. Trin 3 bygger beregningsmodellerne for hvert optimeringsmål eller -begrænsning, som afspejler den krævede ydeevne. Disse modeller skal være beregningsmæssigt effektive; Ellers ville optimeringsberegningsomkostningerne være uacceptable. Trin 4 udfører optimeringsberegningen, som normalt er multi-objektiv og tværfaglig. Den omhandler også parameterusikkerhederne i den indledende designfase. Trin 5 konstruerer en overordnet model af den designede EVDP og bruger den til validering af optimeringsresultaterne ved at simulere EVDP under typiske driftscyklusser. Denne model er det ultimative værktøj til evaluering af de foreløbige designresultater. Derfor skal denne model have den højeste troskab og involvere alle de indflydelsesrige egenskaber i en tæt koblingsstil. Endelig opnås de foreløbige resultater af designydelsen og dimensioneringsresultaterne på systemniveau.

Dette papir fokuserer på EVDP’s systemmodellerings- og simuleringsmetode, som indebærer at udføre parameteranalysen i trin 1 og gennemføre trin 2 og 5. For det første er designparametrene afledt af EVDP-arkitekturen og designkravene, og de er klassificeret i tre underkategorier. For det andet udvikles estimeringsmodellerne for de ikke-aktive parametre baseret på skaleringslove, komponentkataloger, empiriske funktioner mv. For det tredje er evdp’s overordnede model konstrueret ved hjælp af tværfaglige koblingsligninger og yderligere levetids- og pålidelighedsundermodeller, og modellen er delvist verificeret af eksperimenter. Endelig importeres de tidligere størrelsesresultater til den konstruerede model for at udføre simuleringsanalyse under typiske driftscyklusser. Ydeevnen på systemniveau udledes baseret på simuleringsresultaterne. Parameterfølsomheden og designets robusthed evalueres også. Som et resultat udvikler dette papir en specifik modellerings- og simuleringsmetode til EVDP-foreløbigt design. EVDP’s ydeevne til anvendelse i EHA er omfattende forudsagt. Den foreslåede metode står som et praktisk redskab til udvikling af EVPP’er og EHA’er med variabel forskydning til applikationer med høj effekt. Metoden kan også henvises til til udvikling af simuleringsværktøjer til andre typer mekatroniske produkter. EVDP i dette papir refererer til den elektromekanisk styrede pumpe med variabel forskydning, men den elektrohydraulisk styrede variabelt fortrængningspumpe er uden for dette papirs anvendelsesområde.

Protocol

BEMÆRK: Matlab og Simcenter Amesim (i det følgende benævnt systemsimuleringsplatform) blev brugt i denne protokol og er angivet i materialetabellen. Den foreslåede protokol er dog ikke begrænset til implementering i disse to softwareapplikationer. 1. Valg og klassificering af EVDP-designparametrene (trin 1 i figur 2). Demonter EVDP’s arkitektur i figur 1 i en stempelpum…

Representative Results

Dette afsnit præsenterer resultaterne af at udføre alle de protokoltrin, der udgør en del af trin 1, hele trin 2 og hele trin 5 i EVDP’s foreløbige designmetode i figur 2. Inputoplysningerne i protokollen omfatter EVDP-skemaerne i figur 1, de optimerede aktive parametre (præciseret i trin 5.1.1.) i EVDP fra trin 4 i figur 2 og EVDP-præstationssimuleringsopgaverne, der vedrører EVDP-designkravene. Resultaterne af protokollen e…

Discussion

Konceptet og andre tekniske komponenter i EVDP er blevet præsenteret i tidligere publikationer ^6,31, hvilket viser anvendeligheden og fordelene ved EVDP. I stedet for at studere EVDP selv fortsatte dette papir med at studere designmetoden i forhold til fremtidige reelle applikationsbehov. En specifik designmetode er nødvendig for denne type højt integrerede og tværfaglige koblingsprodukt, hvilket kræver delikate præstationsafvejninger og optimering. Dette p…

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