Modelagem e Análise Experimental do Conjunto Motor-Bomba Coaxial de Eixo Único em Atuadores Eletro-Hidrostáticos
Summary
Construímos um modelo de simulação para avaliar as características de fluxo da bomba e o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único em atuadores eletro-hidrostáticos e investigar a eficiência geral em um amplo conjunto de condições de trabalho do conjunto motor-bomba experimentalmente.
Abstract
Um atuador eletro-hidrostático (EHA) pode ser a alternativa mais promissora em comparação com os servo-atuadores hidráulicos tradicionais por sua alta densidade de potência, facilidade de manutenção e confiabilidade. Como a unidade de potência central que determina o desempenho e a vida útil do EHA, o conjunto motor-bomba deve possuir simultaneamente uma ampla faixa de velocidade/pressão e uma alta resposta dinâmica.
Este trabalho apresenta um método para testar o desempenho do conjunto motor-bomba através de simulação e experimentação. As características de saída de vazão foram definidas por meio de simulação e análise da montagem no início do experimento, levando à conclusão de se a bomba poderia atender aos requisitos do EHA. Uma série de testes de desempenho foram realizados no conjunto motor-bomba através de um banco de ensaio de bomba na faixa de velocidade de 1.450-9.000 rpm e na faixa de pressão de 1-30 MPa.
Testamos a eficiência geral do conjunto motor-bomba sob várias condições de trabalho depois de confirmar a consistência entre os resultados do teste das características de saída de fluxo com os resultados da simulação. Os resultados mostraram que o conjunto tem maior eficiência geral ao trabalhar a 4.500-7.000 rpm sob a pressão de 10-25 MPa e a 2.000-2.500 rpm sob 5-15 MPa. No geral, esse método pode ser utilizado para determinar com antecedência se o conjunto motor-bomba atende aos requisitos do EHA. Além disso, este trabalho propõe um método de teste rápido do conjunto motor-bomba em várias condições de trabalho, o que poderia auxiliar na previsão do desempenho do EHA.
Introduction
Conhecido como um atuador tipicamente integrado com alta densidade de potência, o EHA tem amplas perspectivas em áreas como aeroespacial, aviação, máquinas de construção e robótica 1,2. O EHA consiste principalmente em um servomotor, bomba, cilindro, reservatório pressurizado, bloco de válvulas, válvulas de controle de modo, válvulas de controle de módulo e sensores, constituindo um sistema hidráulico fechado altamente integrado, controlado por bomba. O diagrama esquemático e o modelo físico são mostrados na Figura 1 3,4,5,6,7. O conjunto motor-bomba é a potência central e o componente de controle, e determina o desempenho estático e dinâmico do EHA7.
O conjunto moto-bomba convencional consiste em um motor e uma bomba separados, cujos eixos são conectados por um acoplamento de eixo8. Esta estrutura tem efeitos negativos significativos no desempenho e na vida útil do EHA. Primeiro, tanto o motor quanto a bomba suportarão uma vibração relativamente grande devido à precisão da montagem, especialmente em alta velocidade5. A vibração não só afetará as características de saída da bomba, mas também acelerará o desgaste das interfaces de atrito na bomba, levando à falha do conjunto motor-bomba9. Em segundo lugar, as vedações devem ser colocadas nas extremidades do eixo da bomba, o que não pode fundamentalmente impedir vazamentos. Enquanto isso, a eficiência mecânica do conjunto motor-bomba diminui com o aumento da resistência ao atrito10. Em terceiro lugar, a reversão frequente do conjunto motor-bomba acelerará o desgaste do acoplamento e aumentará a possibilidade de fratura por fadiga, reduzindo a confiabilidade do sistema do EHA11,12.
Assim, um conjunto de motor-bomba coaxial de eixo único dentro de uma carcaça compartilhada foi desenvolvido para evitar essas deficiências. A estrutura é mostrada na Figura 2. Um projeto sem acoplamento é adotado neste componente, o que poderia aumentar simultaneamente o desempenho dinâmico e o status de lubrificação do motor e da bomba. Este projeto coaxial de eixo único garante o alinhamento dos dois rotores e melhora o equilíbrio dinâmico em condições de alta velocidade. Além disso, a carcaça compartilhada elimina fundamentalmente o vazamento da extremidade do eixo.
Testar as características de saída do conjunto motor-bomba EHA é de grande importância para a otimização e melhoria do desempenho do EHA. No entanto, existem relativamente poucos estudos sobre testes de desempenho do conjunto motor-bomba, especialmente para EHAs. Portanto, realizamos um método de teste de combinação de simulação e experimentos. Este método é adequado para testar conjuntos de motobombas com uma ampla gama de condições de operação, especialmente bombas EHA.
Existem dois desafios principais: o primeiro é construir um modelo de simulação preciso para analisar as características do fluxo de saída da motobomba e fornecer assistência para o projeto ideal do conjunto motobomba. Estabelecemos um modelo de simulação do conjunto motor-bomba através de modelagem hierárquica e realizamos a análise de simulação do fluxo de saída alterando diferentes parâmetros. O segundo é a cavitação do elemento de teste causada por alta velocidade, que é o aspecto mais importante que o distingue das bombas comuns. Portanto, nos concentramos mais no projeto do sistema de fornecimento de óleo ao projetar o sistema de teste para realizar o teste sob várias condições de trabalho.
Neste protocolo, um modelo de simulação unidimensional foi estabelecido para simular as características de fluxo da bomba inicialmente, julgando se as características de fluxo da bomba atendem aos requisitos da EHA. Em seguida, as características de fluxo e a eficiência geral foram testadas experimentalmente em uma bancada de testes dedicada, obtendo o mapa de eficiência geral que não pode ser simulado com precisão por simulação. Por fim, as características de vazão da bomba foram comparadas com os resultados experimentais para verificar a acurácia dos resultados da simulação. Enquanto isso, o mapa geral de eficiência foi obtido para avaliar o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ao realizar essas etapas experimentais, é importante certificar-se de que os pontos de medição de pressão estão próximos o suficiente da porta de óleo da bomba, o que influenciaria muito os resultados experimentais. Além disso, preste atenção à pressão da porta de entrada do conjunto motor-bomba para garantir que não exista cavitação, especialmente em condições de trabalho de alta velocidade.
Este método permite um ajuste dinâmico da pressão de fornecimento de óleo, realiz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Projeto de Aeronaves Civis Chinesas [No. MJ-2017-S49] e pela 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 |
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