Modellering och experimentell analys av enaxlig koaxial motorpumpenhet i elektrohydrostatiska ställdon
Summary
Vi byggde en simuleringsmodell för att utvärdera pumpflödesegenskaper och prestanda för den enaxliga koaxialmotorpumpenheten i elektrohydrostatiska ställdon och undersöka den totala effektiviteten i en bred uppsättning arbetsförhållanden för motorpumpenheten experimentellt.
Abstract
Ett elektrohydrostatiskt ställdon (EHA) kan vara det mest lovande alternativet jämfört med de traditionella hydrauliska servoställdonen för sin höga effekttäthet, enkla underhåll och tillförlitlighet. Som den kärnkraftenhet som bestämmer EHA: s prestanda och livslängd, bör motorpumpenheten samtidigt ha ett brett hastighets- / tryckområde och ett högt dynamiskt svar.
Detta dokument presenterar en metod för att testa motorpumpens prestanda genom simulering och experiment. Flödesutgångsegenskaperna definierades genom simulering och analys av enheten i början av experimentet, vilket ledde till slutsatsen om pumpen kunde uppfylla kraven i EHA. En serie prestandatester utfördes på motorpumpenheten via en pumptestbänk i hastighetsområdet 1 450-9 000 varv / min och tryckområdet 1-30 MPa.
Vi testade motorpumpens totala effektivitet under olika arbetsförhållanden efter att ha bekräftat överensstämmelsen mellan testresultaten för flödesutgångsegenskaperna med simuleringsresultaten. Resultaten visade att enheten har högre total effektivitet vid arbete vid 4 500-7 000 rpm under trycket 10-25 MPa och vid 2 000-2 500 rpm under 5-15 MPa. Sammantaget kan denna metod användas för att i förväg bestämma om motorpumpenheten uppfyller kraven i EHA. Dessutom föreslår detta dokument en snabb testmetod för motorpumpenheten under olika arbetsförhållanden, vilket kan hjälpa till att förutsäga EHA-prestanda.
Introduction
EHA är känt som ett typiskt integrerat ställdon med hög effekttäthet och har breda utsikter inom områden som flyg-, flyg-, byggmaskiner och robotik 1,2. EHA består huvudsakligen av en servomotor, pump, cylinder, trycksatt behållare, ventilblock, lägesreglerventiler, modulreglerventiler och sensorer, som utgör ett mycket integrerat, pumpstyrt, slutet hydraulsystem. Det schematiska diagrammet och den fysiska modellen visas i figur 1 3,4,5,6,7. Motorpumpenheten är kärnkraften och styrkomponenten, och den bestämmer den statiska och dynamiska prestandan hos EHA7.
Den konventionella motorpumpenheten består av en separat motor och pump, vars axlar är anslutna med en axelkoppling8. Denna struktur har betydande negativa effekter på EHA: s prestanda och livslängd. För det första kommer både motorn och pumpen att bära en relativt stor vibration på grund av monteringsnoggrannheten, särskilt vid hög hastighet5. Vibrationer påverkar inte bara pumpens utgångsegenskaper utan påskyndar också slitaget på friktionsgränssnitten i pumpen, vilket leder till att motorpumpenheten9 misslyckas. För det andra måste tätningar ställas in vid pumpens axeländar, vilket inte i grunden kan förhindra läckage. Under tiden minskar den mekaniska effektiviteten hos motorpumpenheten med ökande friktionsmotstånd10. För det tredje kommer den frekventa vändningen av motorpumpenheten att påskynda slitaget på kopplingen och öka risken för utmattningsbrott, vilket minskar systemets tillförlitlighet hos EHA11,12.
Således utvecklades en enaxlig koaxial motorpumpenhet i ett delat hus för att undvika dessa brister. Strukturen visas i figur 2. En design utan koppling antas i denna komponent, vilket samtidigt kan öka motorns och pumpens dynamiska prestanda och smörjstatus. Denna koaxialdesign med en axel säkerställer inriktningen av de två rotorerna och förbättrar dynamisk balans under höghastighetsförhållanden. Dessutom eliminerar delat hus i grunden axelslutläckage.
Att testa utgångsegenskaperna hos EHA-motorpumpenheten är av stor betydelse för optimering och förbättring av EHA-prestanda. Det finns dock relativt få studier om prestandatestning av motorpumpenheten, särskilt för EHA. Därför genomförde vi en testmetod för att kombinera simulering och experiment. Denna metod är lämplig för testning av motorpumpaggregat med ett brett spektrum av driftsförhållanden, särskilt EHA-pumpar.
Det finns två huvudutmaningar: den första är att bygga en exakt simuleringsmodell för att analysera motorpumpens utgångsflödesegenskaper och ge hjälp för optimal design av motorpumpenheten. Vi har etablerat en simuleringsmodell av motorpumpenheten genom hierarkisk modellering och realiserat simuleringsanalysen av utgångsflödet genom att ändra olika parametrar. Den andra är kavitationen av testelementet som orsakas av hög hastighet, vilket är den viktigaste aspekten som skiljer den från vanliga pumpar. Därför fokuserade vi mer på utformningen av oljeförsörjningssystemet när vi utformade testsystemet för att förverkliga testet under olika arbetsförhållanden.
I detta protokoll upprättades en endimensionell simuleringsmodell för att simulera pumpflödesegenskaperna initialt och bedöma om pumpflödesegenskaperna uppfyller kraven i EHA. Därefter testades flödesegenskaperna och den totala effektiviteten experimentellt på en dedikerad testbänk och erhöll den övergripande effektivitetskartan som inte kan simuleras exakt genom simulering. Slutligen jämfördes pumpflödesegenskaperna med de experimentella resultaten för att verifiera noggrannheten i simuleringsresultaten. Under tiden erhölls den övergripande effektivitetskartan för att utvärdera prestandan hos den enaxlade koaxialmotorpumpenheten.
Protocol
Representative Results
Discussion
När du utför dessa experimentella steg är det viktigt att se till att tryckmätningspunkterna är tillräckligt nära pumpens oljeport, vilket i hög grad skulle påverka de experimentella resultaten. Var dessutom uppmärksam på trycket i motorpumpaggregatets inloppsport för att säkerställa att ingen kavitation existerar, särskilt vid höghastighetsarbetsförhållanden.
Denna metod möjliggör en dynamisk justering av oljetillförseltrycket och realiserar en exakt simulering av olika a…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Chinese Civil Aircraft Project [No. MJ-2017-S49] och 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).
