Modellering og eksperimentel analyse af enkeltakselkoaksialmotorpumpeenheden i elektrohydrostatiske aktuatorer
Summary
Vi byggede en simuleringsmodel til at evaluere pumpeflowegenskaber og ydeevne for enkeltakselkoaksialmotorpumpeenheden i elektrohydrostatiske aktuatorer og undersøge den samlede effektivitet under et bredt sæt arbejdsforhold i motorpumpeenheden eksperimentelt.
Abstract
En elektrohydrostatisk aktuator (EHA) kan være det mest lovende alternativ sammenlignet med de traditionelle hydrauliske servoaktuatorer for dens høje effekttæthed, lette vedligeholdelse og pålidelighed. Som den centrale kraftenhed, der bestemmer EHA’s ydeevne og levetid, skal motorpumpeenheden samtidig have et bredt hastigheds-/trykområde og en høj dynamisk respons.
Dette papir præsenterer en metode til at teste motorpumpeenhedens ydeevne gennem simulering og eksperimentering. Flowudgangsegenskaberne blev defineret gennem simulering og analyse af enheden i begyndelsen af eksperimentet, hvilket førte til konklusionen om, hvorvidt pumpen kunne opfylde kravene i EHA. En række ydelsestest blev udført på motorpumpeenheden via en pumpetestbænk i hastighedsområdet 1.450-9.000 o / min og trykområdet 1-30 MPa.
Vi testede motorpumpeenhedens samlede effektivitet under forskellige arbejdsforhold efter at have bekræftet overensstemmelsen mellem testresultaterne af flowudgangsegenskaberne og simuleringsresultaterne. Resultaterne viste, at samlingen har højere samlet effektivitet, når den arbejder ved 4.500-7.000 o / min under tryk på 10-25 MPa og ved 2.000-2.500 o / min under 5-15 MPa. Samlet set kan denne metode anvendes til på forhånd at afgøre, om motorpumpeenheden opfylder kravene i EHA. Desuden foreslår dette papir en hurtig testmetode for motorpumpeenheden under forskellige arbejdsforhold, som kan hjælpe med at forudsige EHA-ydeevne.
Introduction
EHA er kendt som en typisk integreret aktuator med høj effekttæthed og har brede udsigter inden for områder som luftfart, luftfart, entreprenørmaskiner og robotik 1,2. EHA består hovedsageligt af en servomotor, pumpe, cylinder, trykbeholder, ventilblok, tilstandsreguleringsventiler, modulreguleringsventiler og sensorer, der udgør et højt integreret, pumpestyret, lukket hydraulisk system. Det skematiske diagram og den fysiske model er vist i figur 1 3,4,5,6,7. Motorpumpeenheden er kernekraften og kontrolkomponenten, og den bestemmer EHA7’s statiske og dynamiske ydeevne.
Den konventionelle motorpumpeenhed består af en separat motor og pumpe, hvis aksler er forbundet med en akselkobling8. Denne struktur har betydelige negative virkninger på EH’s ydeevne og levetid. For det første vil både motoren og pumpen bære en relativt stor vibration på grund af monteringsnøjagtigheden, især ved høj hastighed5. Vibrationer vil ikke kun påvirke pumpens udgangsegenskaber, men også fremskynde slid på friktionsgrænsefladerne i pumpen, hvilket fører til svigt i motorpumpeenheden9. For det andet skal tætninger indstilles ved pumpens akselender, hvilket ikke grundlæggende kan forhindre lækage. I mellemtiden falder motorpumpeenhedens mekaniske effektivitet med stigende friktionsmodstand10. For det tredje vil den hyppige vending af motorpumpeenheden fremskynde koblingens slid og øge muligheden for træthedsbrud, hvilket reducerer systempålideligheden af EHA11,12.
Således blev der udviklet en enkeltakslet koaksial motorpumpeenhed i et delt hus for at undgå disse mangler. Strukturen er vist i figur 2. Et design uden kobling er vedtaget i denne komponent, hvilket samtidig kan øge motorens og pumpens dynamiske ydeevne og smørestatus. Dette enkeltakselkoaksiale design sikrer justeringen af de to rotorer og forbedrer dynamisk balance under højhastighedsforhold. Desuden eliminerer delt hus fundamentalt akselendelækage.
Test af outputegenskaberne for EHA-motorpumpeenheden er af stor betydning for optimering og forbedring af EHA-ydeevnen. Der er dog relativt få undersøgelser af ydeevnetest af motorpumpeenheden, især for EHA’er. Derfor gennemførte vi en testmetode til at kombinere simulering og eksperimenter. Denne metode er velegnet til test af motorpumpesamlinger med en bred vifte af driftsforhold, især EHA-pumper.
Der er to hovedudfordringer: Den første er at opbygge en nøjagtig simuleringsmodel til at analysere motorpumpens udgangsstrømningsegenskaber og yde hjælp til det optimale design af motorpumpeenheden. Vi har etableret en simuleringsmodel af motorpumpeenheden gennem hierarkisk modellering og realiseret simuleringsanalysen af outputflowet ved at ændre forskellige parametre. Det andet er kavitationen af testelementet forårsaget af høj hastighed, hvilket er det vigtigste aspekt, der adskiller det fra almindelige pumper. Derfor fokuserede vi mere på designet af olieforsyningssystemet, da vi designede testsystemet for at realisere testen under forskellige arbejdsforhold.
I denne protokol blev der etableret en endimensionel simuleringsmodel for at simulere pumpens strømningsegenskaber i første omgang ved at bedømme, om pumpens strømningsegenskaber opfylder kravene i EHA. Derefter blev flowegenskaberne og den samlede effektivitet eksperimentelt testet på en dedikeret testbænk og opnåede det samlede effektivitetskort, der ikke kan simuleres nøjagtigt ved simulering. Endelig blev pumpens flowegenskaber sammenlignet med de eksperimentelle resultater for at verificere nøjagtigheden af simuleringsresultaterne. I mellemtiden blev det samlede effektivitetskort opnået for at evaluere ydeevnen for enkeltakselkoaksialmotorpumpeenheden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved udførelse af disse eksperimentelle trin er det vigtigt at sikre, at trykmålepunkterne er tæt nok på pumpens olieport, hvilket i høj grad vil påvirke de eksperimentelle resultater. Derudover skal du være opmærksom på trykket på motorpumpeenhedens indløbsport for at sikre, at der ikke findes kavitation, især ved højhastighedsarbejdsforhold.
Denne metode muliggør en dynamisk justering af olieforsyningstrykket og realiserer en nøjagtig simulering af forskellige arbejdsforhold.</…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Chinese Civil Aircraft Project [Nr. MJ-2017-S49] og China Postdoctoral Science Foundation [No.2021M700331].
Materials
| 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 |
Riferimenti
- 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).
