Modélisation et analyse expérimentale de l’ensemble motopompe coaxiale à arbre unique dans des actionneurs électrohydrostatiques
Summary
Nous avons construit un modèle de simulation pour évaluer les caractéristiques de débit de la pompe et les performances de l’ensemble motopompe coaxiale à arbre unique dans les actionneurs électrohydrostatiques et étudier expérimentalement l’efficacité globale dans un large éventail de conditions de travail de l’ensemble moto-pompe.
Abstract
Un actionneur électrohydrostatique (EHA) peut être l’alternative la plus prometteuse par rapport aux servo-actionneurs hydrauliques traditionnels pour sa densité de puissance élevée, sa facilité d’entretien et sa fiabilité. En tant qu’unité de puissance centrale qui détermine les performances et la durée de vie de l’EHA, l’ensemble motopompe doit posséder simultanément une large plage de vitesse/pression et une réponse dynamique élevée.
Cet article présente une méthode pour tester les performances de l’ensemble motopompe par simulation et expérimentation. Les caractéristiques de sortie du débit ont été définies par simulation et analyse de l’assemblage au début de l’expérience, ce qui a permis de déterminer si la pompe pouvait répondre aux exigences de l’EHA. Une série d’essais de performance ont été effectués sur l’ensemble motopompe via un banc d’essai de pompe dans la plage de vitesse de 1 450 à 9 000 tr/min et la plage de pression de 1 à 30 MPa.
Nous avons testé l’efficacité globale de l’ensemble moteur-pompe dans diverses conditions de travail après avoir confirmé la cohérence entre les résultats des tests des caractéristiques de sortie du débit et les résultats de la simulation. Les résultats ont montré que l’assemblage a une efficacité globale plus élevée lorsqu’il travaille à 4 500-7 000 tr/min sous la pression de 10-25 MPa et à 2 000-2 500 tr/min sous 5-15 MPa. Dans l’ensemble, cette méthode peut être utilisée pour déterminer à l’avance si l’ensemble moto-pompe répond aux exigences de l’EHA. En outre, cet article propose une méthode d’essai rapide de l’ensemble moto-pompe dans diverses conditions de travail, qui pourrait aider à prédire les performances de l’EHA.
Introduction
Connu comme un actionneur typiquement intégré avec une densité de puissance élevée, l’EHA a de vastes perspectives dans des domaines tels que l’aérospatiale, l’aviation, les machines de construction et la robotique 1,2. L’EHA se compose principalement d’un servomoteur, d’une pompe, d’un cylindre, d’un réservoir sous pression, d’un bloc de soupapes, de vannes de régulation de mode, de vannes de commande de module et de capteurs, constituant un système hydraulique fermé, hautement intégré, contrôlé par pompe. Le diagramme schématique et le modèle physique sont illustrés à la figure 1 3,4,5,6,7. L’ensemble motopompe est la puissance centrale et le composant de commande, et il détermine les performances statiques et dynamiques de l’EHA7.
L’ensemble motopompe conventionnel se compose d’un moteur et d’une pompe séparés, dont les arbres sont reliés par un accouplement d’arbre8. Cette structure a des effets négatifs importants sur les performances et la durée de vie de l’EHA. Tout d’abord, le moteur et la pompe supporteront une vibration relativement importante en raison de la précision d’assemblage, en particulier à grande vitesse5. Les vibrations affecteront non seulement les caractéristiques de sortie de la pompe, mais accéléreront également l’usure des interfaces de friction dans la pompe, entraînant la défaillance de l’ensemble moto-pompe9. Deuxièmement, les joints doivent être placés aux extrémités de l’arbre de la pompe, ce qui ne peut pas fondamentalement empêcher les fuites. Pendant ce temps, l’efficacité mécanique de l’ensemble motopompe diminue avec l’augmentation de la résistance au frottement10. Troisièmement, l’inversion fréquente de l’ensemble moto-pompe accélérera l’usure de l’accouplement et augmentera le risque de rupture par fatigue, réduisant ainsi la fiabilité du système de l’EHA11,12.
Ainsi, un ensemble motopompe coaxiale à arbre unique dans un boîtier partagé a été développé pour éviter ces lacunes. La structure est illustrée à la figure 2. Une conception sans accouplement est adoptée dans ce composant, ce qui pourrait simultanément augmenter les performances dynamiques et l’état de lubrification du moteur et de la pompe. Cette conception coaxiale à arbre unique assure l’alignement des deux rotors et améliore l’équilibre dynamique dans des conditions de vitesse élevée. De plus, les logements partagés éliminent fondamentalement les fuites d’extrémité de puits.
Le test des caractéristiques de sortie de l’ensemble motopompe EHA est d’une grande importance pour l’optimisation et l’amélioration des performances de l’EHA. Cependant, il existe relativement peu d’études sur les essais de performance de l’ensemble motopompe, en particulier pour les EHA. Par conséquent, nous avons mené une méthode de test combinant simulation et expériences. Cette méthode convient aux essais d’ensembles motopompes avec une large gamme de conditions de fonctionnement, en particulier les pompes EHA.
Il y a deux défis principaux: le premier est de construire un modèle de simulation précis pour analyser les caractéristiques de débit de sortie de la motopompe et fournir une assistance pour la conception optimale de l’ensemble motopompe. Nous avons établi un modèle de simulation de l’ensemble moto-pompe grâce à la modélisation hiérarchique et réalisé l’analyse de simulation du débit de sortie en modifiant différents paramètres. La seconde est la cavitation de l’élément de test causée par une vitesse élevée, qui est l’aspect le plus important qui le distingue des pompes ordinaires. Par conséquent, nous nous sommes davantage concentrés sur la conception du système d’alimentation en huile lors de la conception du système de test pour réaliser le test dans diverses conditions de travail.
Dans ce protocole, un modèle de simulation unidimensionnel a été établi pour simuler initialement les caractéristiques de débit de la pompe, en jugeant si les caractéristiques de débit de la pompe répondent aux exigences de l’EHA. Ensuite, les caractéristiques d’écoulement et l’efficacité globale ont été testées expérimentalement sur un banc d’essai dédié, obtenant la carte d’efficacité globale qui ne peut pas être simulée avec précision par simulation. Enfin, les caractéristiques de débit de la pompe ont été comparées aux résultats expérimentaux pour vérifier l’exactitude des résultats de simulation. Entre-temps, la carte d’efficacité globale a été obtenue pour évaluer les performances de l’ensemble motopompe coaxiale à arbre unique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lors de la réalisation de ces étapes expérimentales, il est important de s’assurer que les points de mesure de pression sont suffisamment proches de l’orifice d’huile de la pompe, ce qui influencerait grandement les résultats expérimentaux. De plus, faites attention à la pression de l’orifice d’entrée de l’ensemble motopompe pour vous assurer qu’il n’y a pas de cavitation, en particulier dans des conditions de travail à grande vitesse.
Cette méthode permet un ajustemen…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Chinese Civil Aircraft Project [No. MJ-2017-S49] et la 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
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