電気油圧アクチュエータにおける単軸同軸モータポンプアセンブリのモデリングと実験解析
Summary
電気ハイドロスタティックアクチュエータにおける単軸同軸モータポンプアセンブリのポンプ流量特性と性能を評価するためのシミュレーションモデルを構築し、モータポンプアセンブリの幅広い作業条件での全体的な効率を実験的に調査しました。
Abstract
静電アクチュエータ(EHA)は、その高い出力密度、メンテナンスの容易さ、および信頼性のために、従来の油圧サーボアクチュエータと比較して最も有望な代替手段となります。EHAの性能と耐用年数を決定するコアパワーユニットとして、モーターポンプアセンブリは、広い速度/圧力範囲と高い動的応答を同時に備えている必要があります。
この論文では、シミュレーションと実験を通じてモーターポンプアセンブリの性能をテストする方法を紹介します。流量出力特性は、実験開始時のアセンブリのシミュレーションと分析を通じて定義され、ポンプがEHAの要件を満たすことができるかどうかの結論に至りました。一連の性能試験は、ポンプテストベンチを介して、1,450〜9,000 rpmの速度範囲および1〜30MPaの圧力範囲でモーターポンプアセンブリで実施されました。
流量出力特性の試験結果とシミュレーション結果との整合性を確認した後、さまざまな作業条件下でモーターポンプアセンブリの全体的な効率をテストしました。結果は、10〜25MPaの圧力下で4,500〜7,000rpmで、5〜15MPaの下で2,000〜2,500rpmで作業する場合、アセンブリの全体的な効率が高いことを示しました。全体として、この方法は、モーターポンプアセンブリがEHAの要件を満たしているかどうかを事前に判断するために利用できます。さらに、この論文は、EHA性能の予測に役立つ可能性のある、さまざまな作業条件でのモーターポンプアセンブリの迅速なテスト方法を提案します。
Introduction
EHAは、高出力密度の典型的な統合アクチュエータとして知られており、航空宇宙、航空、建設機械、ロボット工学などの分野で幅広い見通しを持っています1,2。EHAは主にサーボモーター、ポンプ、シリンダー、加圧リザーバー、バルブブロック、モード制御バルブ、モジュール制御バルブ、センサーで構成され、高度に統合されたポンプ制御のクローズド油圧システムを構成します。概略図と物理モデルを図13、4、5、6、7に示します。モーターポンプアセンブリはコアパワーおよび制御コンポーネントであり、EHA7の静的および動的性能を決定します。
従来のモーター – ポンプアセンブリは、独立したモータおよびポンプからなり、そのシャフトはシャフトカップリング8によって接続されている。この構造は、EHAのパフォーマンスと寿命に重大な悪影響を及ぼします。まず、モーターとポンプの両方が、特に高速5での組み立て精度のために比較的大きな振動に耐えます。振動は、ポンプの出力特性に影響を与えるだけでなく、ポンプ内の摩擦インターフェースの摩耗を加速させ、モーターポンプアセンブリ9の故障につながります。第二に、ポンプのシャフト端にシールを設定する必要がありますが、これは漏れを根本的に防ぐことはできません。一方、モータ – ポンプアセンブリの機械的効率は、摩擦抵抗の増加とともに低下する10。第三に、モーターポンプアセンブリの頻繁な逆転は、カップリングの摩耗を加速し、疲労破壊の可能性を高め、EHA11,12のシステムの信頼性を低下させます。
したがって、これらの欠点を回避するために、共有ハウジング内の単軸同軸モーターポンプアセンブリが開発されました。構造を 図 2 に示します。このコンポーネントにはカップリングなしの設計が採用されており、モーターとポンプの動的性能と潤滑状態を同時に向上させることができます。この単軸同軸設計により、2つのローターの位置合わせが保証され、高速条件下での動的バランスが向上します。さらに、共有ハウジングは基本的にシャフトエンドの漏れを排除します。
EHAモーターポンプアセンブリの出力特性をテストすることは、EHA性能の最適化と改善にとって非常に重要です。ただし、特にEHAの場合、モーターポンプアセンブリの性能テストに関する研究は比較的少ないです。そこで、シミュレーションと実験を組み合わせた試験方法を実施しました。この方法は、幅広い動作条件、特にEHAポンプのモーターポンプアセンブリのテストに適しています。
2つの主な課題があり、1つ目は、モーターポンプの出力流量特性を解析するための正確なシミュレーションモデルを構築し、モーターポンプアセンブリの最適設計を支援することです。モータポンプ組立のシミュレーションモデルを階層モデリングにより確立し、異なるパラメータを変更することで出力フローのシミュレーション解析を実現しました。2つ目は、高速によって引き起こされる試験要素のキャビテーションであり、これは通常のポンプと区別する最も重要な側面です。そのため、さまざまな作業条件下でのテストを実現するためのテストシステムを設計する際には、オイル供給システムの設計に重点を置いています。
このプロトコルでは、ポンプ流量特性を最初にシミュレートするために1次元シミュレーションモデルを確立し、ポンプ流量特性がEHAの要件を満たしているかどうかを判断しました。次に、流れ特性と総合効率を専用のテストベンチで実験的にテストし、シミュレーションでは正確にシミュレーションできない総合効率マップを取得しました。最後に、ポンプの流量特性を実験結果と比較し、シミュレーション結果の精度を検証しました。一方、単軸同軸モーターポンプアセンブリの性能を評価するために、全体的な効率マップが得られました。
Protocol
Representative Results
Discussion
これらの実験ステップを実施する際には、圧力測定点がポンプのオイルポートに十分近いことを確認することが重要であり、実験結果に大きく影響します。さらに、モーターポンプアセンブリの入口ポートの圧力に注意して、特に高速作業条件でキャビテーションが存在しないようにしてください。
この方法により、給油圧力を動的に調整でき、さまざまな作業条件の?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国民間航空機プロジェクト[No.MJ-2017-S49]および中国ポスドク科学基金会[No.2021M700331]の支援を受けました。
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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