Modelado y análisis experimental del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje en actuadores electrohidrostáticos
Summary
Construimos un modelo de simulación para evaluar las características del flujo de la bomba y el rendimiento del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje en actuadores electrohidrostáticos e investigar experimentalmente la eficiencia general en un amplio conjunto de condiciones de trabajo del conjunto motor-bomba.
Abstract
Un actuador electrohidrostático (EHA) puede ser la alternativa más prometedora en comparación con los servoactuadores hidráulicos tradicionales por su alta densidad de potencia, facilidad de mantenimiento y confiabilidad. Como unidad de potencia central que determina el rendimiento y la vida útil de la EHA, el conjunto motor-bomba debe poseer simultáneamente un amplio rango de velocidad / presión y una alta respuesta dinámica.
Este artículo presenta un método para probar el rendimiento del conjunto motor-bomba a través de la simulación y la experimentación. Las características de salida del flujo se definieron a través de la simulación y el análisis del conjunto al comienzo del experimento, lo que llevó a la conclusión de si la bomba podría cumplir con los requisitos de la EHA. Se realizaron una serie de pruebas de rendimiento en el conjunto motor-bomba a través de un banco de pruebas de bomba en el rango de velocidad de 1.450-9.000 rpm y el rango de presión de 1-30 MPa.
Probamos la eficiencia general del conjunto motor-bomba en diversas condiciones de trabajo después de confirmar la consistencia entre los resultados de la prueba de las características de salida de flujo con los resultados de la simulación. Los resultados mostraron que el conjunto tiene una mayor eficiencia general cuando se trabaja a 4.500-7.000 rpm bajo la presión de 10-25 MPa y a 2.000-2.500 rpm por debajo de 5-15 MPa. En general, este método se puede utilizar para determinar de antemano si el conjunto motor-bomba cumple con los requisitos de EHA. Además, este documento propone un método de prueba rápida del conjunto motor-bomba en diversas condiciones de trabajo, que podría ayudar a predecir el rendimiento de EHA.
Introduction
Conocido como un actuador típicamente integrado con alta densidad de potencia, el EHA tiene amplias perspectivas en áreas como la aeroespacial, la aviación, la maquinaria de construcción y la robótica 1,2. El EHA consiste principalmente en un servomotor, bomba, cilindro, depósito presurizado, bloque de válvulas, válvulas de control de modo, válvulas de control de módulo y sensores, que constituyen un sistema hidráulico cerrado, altamente integrado, controlado por bomba. El diagrama esquemático y el modelo físico se muestran en la figura 1 3,4,5,6,7. El conjunto motor-bomba es la potencia central y el componente de control, y determina el rendimiento estático y dinámico de la EHA7.
El conjunto motobomba convencional consiste en un motor y una bomba separados, cuyos ejes están conectados por un acoplamiento de eje8. Esta estructura tiene efectos negativos significativos en el rendimiento y la vida útil de la EHA. Primero, tanto el motor como la bomba soportarán una vibración relativamente grande debido a la precisión de ensamblaje, especialmente a alta velocidad5. La vibración no solo afectará las características de salida de la bomba, sino que también acelerará el desgaste de las interfaces de fricción en la bomba, lo que provocará la falla del conjunto motor-bomba9. En segundo lugar, los sellados deben colocarse en los extremos del eje de la bomba, lo que no puede evitar fundamentalmente las fugas. Mientras tanto, la eficiencia mecánica del conjunto motor-bomba disminuye con el aumento de la resistencia a la fricción10. En tercer lugar, la inversión frecuente del conjunto motor-bomba acelerará el desgaste del acoplamiento y aumentará la posibilidad de fractura por fatiga, reduciendo la fiabilidad del sistema de la EHA11,12.
Por lo tanto, se desarrolló un conjunto de motobomba coaxial de un solo eje dentro de una carcasa compartida para evitar estas deficiencias. La estructura se muestra en la Figura 2. Se adopta un diseño sin acoplamiento en este componente, que podría aumentar simultáneamente el rendimiento dinámico y el estado de lubricación del motor y la bomba. Este diseño coaxial de un solo eje garantiza la alineación de los dos rotores y mejora el equilibrio dinámico en condiciones de alta velocidad. Además, la carcasa compartida elimina fundamentalmente las fugas en el extremo del eje.
Probar las características de salida del conjunto de motobomba EHA es de gran importancia para la optimización y mejora del rendimiento de EHA. Sin embargo, hay relativamente pocos estudios sobre las pruebas de rendimiento del conjunto motobomba, especialmente para las EHA. Por lo tanto, realizamos un método de prueba de combinación de simulación y experimentos. Este método es adecuado para probar conjuntos de motobombas con una amplia gama de condiciones de funcionamiento, especialmente bombas EHA.
Hay dos desafíos principales: el primero es construir un modelo de simulación preciso para analizar las características del flujo de salida de la motobomba y proporcionar asistencia para el diseño óptimo del conjunto motor-bomba. Hemos establecido un modelo de simulación del conjunto motor-bomba a través de modelos jerárquicos y realizado el análisis de simulación del flujo de salida cambiando diferentes parámetros. El segundo es la cavitación del elemento de prueba causada por la alta velocidad, que es el aspecto más importante que lo distingue de las bombas ordinarias. Por lo tanto, nos centramos más en el diseño del sistema de suministro de aceite al diseñar el sistema de prueba para realizar la prueba en diversas condiciones de trabajo.
En este protocolo, se estableció un modelo de simulación unidimensional para simular inicialmente las características del flujo de la bomba, juzgando si las características del flujo de la bomba cumplen con los requisitos de EHA. Luego, las características del flujo y la eficiencia general se probaron experimentalmente en un banco de pruebas dedicado, obteniendo el mapa de eficiencia general que no se puede simular con precisión mediante simulación. Por último, las características del flujo de la bomba se compararon con los resultados experimentales para verificar la precisión de los resultados de la simulación. Mientras tanto, se obtuvo el mapa de eficiencia general para evaluar el rendimiento del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje.
Protocol
Representative Results
Discussion
Al realizar estos pasos experimentales, es importante asegurarse de que los puntos de medición de presión estén lo suficientemente cerca del puerto de aceite de la bomba, lo que influiría en gran medida en los resultados experimentales. Además, preste atención a la presión del puerto de entrada del conjunto motor-bomba para asegurarse de que no exista cavitación, especialmente en condiciones de trabajo de alta velocidad.
Este método permite un ajuste dinámico de la presión de sumini…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Proyecto de Aeronaves Civiles Chinas [No. MJ-2017-S49] y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China [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 |
References
- 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).
