静电静压执行器中单轴同轴电机泵组件的建模与实验分析
Summary
我们建立了一个仿真模型来评估电动静液压执行器中单轴同轴电机泵组件的泵流量特性和性能，并通过实验研究了电机泵组件在各种工作条件下的整体效率。
Abstract
与传统的液压伺服执行器相比，电动静液压执行器（EHA）因其高功率密度、易于维护和可靠性而成为最有前途的替代方案。作为决定EHA性能和使用寿命的核心动力单元，电动泵组件应同时具有较宽的速度/压力范围和高动态响应。
本文提出了一种通过仿真和实验来测试电机泵组件性能的方法。在实验开始时通过对组件的仿真和分析来定义流量输出特性，从而得出泵是否能够满足EHA要求的结论。通过泵测试台在1，450-9，000 rpm的速度范围和1-30 MPa的压力范围内对电机泵组件进行了一系列性能测试。
在确认流量输出特性的测试结果与仿真结果的一致性后，我们测试了电机泵组件在各种工作条件下的整体效率。结果表明，该组件在10-25 MPa压力下以4，500-7，000 rpm工作，在5-15 MPa压力下以2，000-2，500 rpm工作时具有较高的整体效率。总体而言，该方法可用于预先确定电机泵组件是否符合EHA的要求。此外，本文还提出了一种在各种工况下对电机泵总成进行快速测试的方法，有助于预测EHA性能。
Introduction
EHA被称为具有高功率密度的典型集成执行器，在航空航天，航空，工程机械和机器人等领域具有广阔的前景1，2。EHA主要由伺服电机、泵、气缸、加压油箱、阀块、模式控制阀、模块控制阀和传感器组成，构成了一个高度集成、泵控、封闭的液压系统。原理图和物理模型如图1所示3，4，5，6，7。电动泵组件是核心动力和控制部件，它决定了EHA7的静态和动态性能。
传统的电机泵组件由独立的电机和泵组成，其轴通过联轴器8连接。这种结构对EHA的性能和寿命有明显的负面影响。首先，由于装配精度的原因，电机和泵都会承受比较大的振动，特别是在高速5下。振动不仅会影响泵的输出特性，还会加速泵内摩擦界面的磨损，导致电泵总成9失效。其次，必须在泵的轴端设置密封装置，这不能从根本上防止泄漏。同时，电机泵组件的机械效率随着摩擦阻力的增加而降低10。第三，电机泵组件的频繁反转会加速联轴器的磨损，增加疲劳断裂的可能性，降低EHA11，12的系统可靠性。
因此，在共享外壳内开发了单轴同轴电机泵组件，以避免这些缺点。结构如图 2所示。该组件采用无耦合设计，可同时提高电机和泵的动态性能和润滑状态。这种单轴同轴设计确保了两个转子的对准，并改善了高速条件下的动态平衡。此外，共享外壳从根本上消除了轴端泄漏。
测试EHA电机泵组件的输出特性对于EHA性能的优化和提高具有重要意义。然而，关于电动泵组件的性能测试的研究相对较少，尤其是EHA。因此，我们进行了仿真与实验相结合的测试方法。该方法适用于测试具有各种工作条件的电机泵组件，尤其是 EHA 泵。
主要挑战有两个：第一个是建立一个精确的仿真模型来分析电机泵的输出流量特性，并为电机泵组件的优化设计提供帮助。我们通过分层建模建立了电机泵总成的仿真模型，并通过改变不同的参数实现了输出流量的仿真分析。其次是高速引起的测试元件气蚀，这是区别于普通泵的最重要方面。因此，我们在设计测试系统时更注重供油系统的设计，以实现各种工况下的测试。
在该协议中，建立了一维仿真模型来初步模拟泵流量特性，判断泵流特性是否符合EHA的要求。然后，在专用试验台上对流动特性和整体效率进行实验测试，得到仿真无法准确模拟的整体效率图。最后，将泵的流量特性与实验结果进行了对比，验证了仿真结果的准确性。同时，获取了单轴同轴电机泵总成的整体效率图。
Protocol
Representative Results
Discussion
在进行这些实验步骤时，重要的是要确保压力测量点足够靠近泵的油口，这将极大地影响实验结果。此外，注意电机泵组件入口口的压力，以确保不存在气蚀，特别是在高速工作条件下。
该方法可以动态调节供油压力，实现对不同工况的精确模拟。
这种方法的局限性是无法通过仿真准确获得电机泵组件的总效率。在仿真模型中，泵的三个主要摩擦面处于…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国民用飞机项目[编号：MJ-2017-S49]和中国博士后科学基金[编号：2021M700331]的支持。
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 |
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