طريقة نمذجة ومحاكاة للتصميم الأولي لمضخة إزاحة كهرومتغيرة
Summary
تم تطوير نموذج محاكاة يدعم على وجه التحديد التصميم الأولي لمضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة (EVDP) والتحقق منه جزئيا من خلال التجارب. يمكن تقييم أداء التحكم والعمر والموثوقية وما إلى ذلك باستخدام النموذج المقترح ، والذي يغطي متطلبات الأداء الرئيسية في إطار مهمة التصميم الأولي ل EVDP.
Abstract
تم بحث المحركات الكهروهيدروستاتيكية (EHAs) بشكل كبير في الأوساط الأكاديمية ، وتتوسع تطبيقاتها في مختلف المجالات الصناعية. لقد أخذت EHA متغيرة السرعة الآن الأولوية على EHA متغيرة الإزاحة ، لكن محرك القيادة الخاص بها والإلكترونيات المرتبطة بها تواجه مشكلات عند تطبيقها في التطبيقات عالية الطاقة: الديناميكيات المنخفضة ، والتبديد الحراري العالي ، والسعر المرتفع ، وما إلى ذلك. لذلك ، تم النظر في EHA متغير الإزاحة مجهز بمضخة إزاحة كهربائية متغيرة (EVDP). EVDP نفسه هو نظام ميكاترونيك يدمج مضخة مكبس ، وبرغي كروي ، وعلبة تروس ، ومحرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM). وبالتالي ، يجب التحقيق في EVDP لضمان أدائها على مستوى النظام عند تطبيقها في EHA. بالإضافة إلى الأبحاث السابقة حول المعلمات التقنية ل EVDP ، من الضروري وجود طريقة تصميم مخصصة لزيادة تقليل تكلفة استخدام EVDP واستكشاف إمكانات أدائها. هنا ، يتم اختيار طريقة التصميم الأولي EVDP القائمة على المحاكاة لتصميم EVDP 37 كيلو واط. أولا ، يتم توسيع نموذج متعدد التخصصات مقترح سابقا ل EVDP من خلال تحسين توليد المعلمات ، بما في ذلك عمر EVDP ، والموثوقية ، ونماذج التحكم ، وما إلى ذلك. ثانيا ، يتم التحقق جزئيا من النموذج المقترح باستخدام نموذج أولي أصغر حجما. ثالثا ، تتم محاكاة EVDP على مستوى النظام ، بدعم من النموذج المقترح. يتم تقييم أداء EVDP وفقا لمتطلبات التصميم المحددة. يتم التنبؤ بدرجة الحرارة وعرض النطاق الترددي والدقة والموثوقية والعمر الافتراضي ، وما إلى ذلك ، ل EVDP. تظهر نتائج المحاكاة قابلية تطبيق EVDP في EHA متغير الإزاحة. يمكن استخدام طريقة النمذجة والمحاكاة المقترحة لتقييم أداء EVDP المتنوع والاستجابة لمتطلبات التصميم العامة. يمكن أن تدعم هذه الطريقة أيضا حل تحديات التصميم الأولية من حيث المعلومات المحدودة والمتانة. ولذلك، فإن الطريقة المقترحة مناسبة لتحقيق طريقة التصميم الأولي ل EVDP القائمة على المحاكاة.
Introduction
تتلقى المحركات الكهروهيدروستاتيكية (EHAs) اهتماما متزايدا بتطبيقات مثل المكابس الصناعية والآلات المتنقلة الكبيرة ومناورات الرافعات والتحكم الأساسي في الطائرات بسبب مزيجها بين مزايا كل من المحركات الكهربائية والمحركات الهيدروليكية1. يمكن تحديد نوعين أساسيين من EHAs: EHAs متغيرة السرعة و EHAsمتغيرة الإزاحة 2. حاليا ، EHA متغير السرعة أكثر شعبية من EHA متغير الإزاحة بسبب كفاءته العالية وبساطته. ومع ذلك ، إلى جانب ارتفاع مستوى الطاقة في EHA ، وهو أمر مطلوب في المركبات الثقيلة ، مثل مركبات الإطلاق الثقيلة3 والغواصات4 ، فإن محرك القيادة والإلكترونيات المرتبطة به في EHA متغيرة السرعة لديها مشكلات تتعلق بالديناميكيات المنخفضة ، والتبديد الحراري العالي ، والسعر المرتفع ، إلخ. لذلك ، يتم إعادة النظر في EHA متغير الإزاحة لهذه التطبيقات عالية الطاقة (>30 كيلو واط) ، حيث يتم تحقيق التحكم فيها عبر جهاز منخفض الطاقة ينظم إزاحة المضخة.
أحد الشواغل الرئيسية التي تمنع أخذ EHA متغير الإزاحة كأولوية هو وحدة التحكم في إزاحة المضخة المرهقة ، والتي هي في حد ذاتها نظام هيدروليكي كامل يتم التحكم فيه بواسطة الصمام. تم اقتراح مضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة (EVDP) لمعالجة هذه المشكلة باستخدام وحدة تحكم في الإزاحة الكهربائية المدمجة. يعمل هذا التصميم على تحسين الاكتناز والكفاءة وما إلى ذلك من EHA متغير الإزاحة ، مما يحل الضعف السابق إلى درجة معينة. ولذلك، يمكن تيسير استخدام EHAs متغيرة الإزاحة للتطبيقات عالية الطاقة باستخدام EVDP المقترح حديثا. ومع ذلك ، فإن تعقيد EVDP أكبر بكثير مقارنة بمضخة الإزاحة المتغيرة التقليدية التي يتم التحكم فيها هيدروليكيا لأنها تدمج مكونات من العديد من التخصصات الجديدة. ونتيجة لذلك، ظهرت أنشطة بحثية محددة قائمة على برنامج EVDP. بدأت مجموعتنا البحثية بحث EVDP5 واستمرت في تطويره6. طور ليو EVDP لتطبيقات EHA وأجرى اختبارات تجريبية7. توفر بعض الشركات الهيدروليكية أيضا منتجات EVDP. بالإضافة إلى البحث المتعلق بالمكونات التقنية ل EVDP ، فإن طريقة التصميم للاستجابة لمتطلبات التطبيق الحقيقية مهمة أيضا لتعزيز كفاءة EVDP من خلال زيادة تقليل تكلفة استخدام EVDPs واستكشاف إمكانات أدائها. وبالتالي ، فإن طريقة التصميم الأولي المحددة ل EVDP ضرورية لتحسين المقايضات في أدائها على مستوى النظام من خلال تحليل تخصصاتها المقترنة. التصميم الأولي القائم على المحاكاة هو موضع اهتمام لهذا النوع من الاقتران متعدد التخصصات لمنتجات الميكاترونيك8.
على الرغم من عدم اقتراح نماذج محاكاة محددة للتصميم الأولي ل EVDP نظرا لكونه مفهوما مقترحا حديثا ، فقد تم استثمار الكثير من الأبحاث في منتجات الميكاترونيك ذات الصلة. تم بناء نموذج EHA ديناميكي لتحسين الوزن والكفاءة وأداء التحكم في التصميم الأولي9 ، ولكن العمر الافتراضي والموثوقية والخصائص الحرارية وما إلى ذلك ، لم تكن متورطة ، وهي مؤشرات أداء أساسية يجب مراعاتها في التصميم الأولي. كما تم استخدام نموذج EHA ديناميكي آخر لتحسين التكلفة والكفاءة وأداء التحكم10 ، وتم تطوير نموذج حراري لاحقا لتقييم الخصائص الحرارية ل EHA11 الأمثل ، ولكن لم يتم النظر في الموثوقية والعمر. تم تقديم طريقة تصميم أولية شاملة للمشغل الكهروميكانيكي (EMA)12. تم اقتراح نماذج محددة ذات وظائف مختلفة قادرة على تحليل خصائص مختلفة لهذه الطريقة ، كما تم تطوير نماذج الموثوقية والعمرالافتراضي 13. يمكن بموجب هذا تقييم القوة الميكانيكية ، والقدرة على الطاقة ، والأداء الحراري ، وما إلى ذلك ، ولكن أداء التحكم لم يكن متورطا. استخدمت طريقة تصميم أولية أخرى ل EMA نموذجا ديناميكيا ل EMA ونماذج تحجيم المكونات المرتبطة به14. وشارك في تحليل المحاكاة التكلفة والوزن وعمر التعب والقدرة على الطاقة والقيود المادية وما إلى ذلك، ولكن لم يتم تضمين الموثوقية وأداء التحكم. تم اقتراح نموذج ديناميكي للتصميم الأمثل لمجموعة نقل الحركة الهيدروليكية الهجينة15. يمكن محاكاة قدرة الطاقة والكفاءة والتحكم وما إلى ذلك ، ولكن لم يتم النظر في الموثوقية والحياة. تم اقتراح نماذج لتحليل نظام تشغيل التحكم في الطيران القائم على EHA ، والذي تم من خلاله استخدام معادلات نقل الطاقة البسيطة ووظائف الوزن16. وبالنظر إلى أن النماذج استخدمت في التحليلات على مستوى المركبات وعلى مستوى البعثات، فإن التغطية المحدودة للسمات للنماذج كانت مناسبة. كعنصر رئيسي في EHA ، جذبت محركات المؤازرة اهتماما منفصلا فيما يتعلق بالنمذجة والتصميم ، والنتائج مفيدة أيضا لتطوير نموذج EHA. يمكن أيضا النظر في الشبكات الحرارية ونماذج الوزن وما إلى ذلك لنمذجة EHA17،18،19. تشير الأدبيات التي تمت مراجعتها إلى أنه حتى بالنظر إلى نتائج المنتجات المتعلقة ب EVDP ، فإن النماذج المتقدمة لا تحلل جميع سمات الأداء المؤثرة للمنتجات للتصميم الأولي. أداء التحكم والأداء الحراري والموثوقية والعمر الافتراضي هي السمات الأكثر إهمالا في بناء النماذج. لذلك ، تقترح هذه الورقة حزمة نموذجية قادرة على تحليل جميع سمات الأداء الأكثر تأثيرا للتصميم الأولي ل EVDP. كما يتم تقديم تحليل المحاكاة لتوضيح وظائف النموذج بشكل أفضل. هذه الورقة هي امتداد لمنشور سابق20 ، لأنها تحسن توليد المعلمات ، وتتضمن نموذج العمر الافتراضي ، ونموذج الموثوقية ، ونموذج التحكم ، وتحسن تكلفة الحساب ، وتتحقق من صحة النموذج ، وتجري تحليلا متعمقا للمحاكاة ، إلخ.
يتم استبدال وحدة التحكم الهيدروليكية التقليدية لمضخة المكبس متغيرة الإزاحة بمشغل كهربائي لتحسين الاكتناز وتقليل تبديد الحرارة ، كما هو موضح في الشكل 1. يتكون المحرك الكهربائي من برغي كروي وعلبة تروس ومحرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM). يقوم المحرك الكهربائي بتوصيل لوحة الغسل عبر قضيب لتنظيم إزاحة المضخة. عند تطبيقه في EHAs ، يتم التحكم في الوضع الدوراني للوحة الغسيل EVDP في حلقة مغلقة عن طريق تعديل PMSM. يتم دمج المحرك الكهربائي مع مضخة المكبس في حالة متبادلة لتشكيل مكون متكامل. هذا التصميم يغمر المحرك الكهربائي في سائل العمل ويعزز هنا تأثيرات الاقتران متعددة المجالات.
نظرا لأن EVDP هو منتج ميكاترونيك نموذجي متعدد المجالات ، فإن تصميمه الأولي يلعب دورا أساسيا في تحسين المقايضات في أدائه على مستوى النظام وتحديد متطلبات تصميم المكونات. يتم توضيح العملية في الشكل 2 استنادا إلى مخطط التصميم القائم على المحاكاة10,12. تقوم الخطوة 1 أولا بتحليل بنية EVDP المحددة ، كما في الشكل 1 ، وتختتم معلمات التصميم بناء على متطلبات الأداء المحددة. بعد ذلك ، عادة ما يتم تحويل مهمة التصميم إلى مشكلة تحسين لاستكشاف تحسين أداء EVDP. يتم ذلك عن طريق تحويل معلمات التصميم إلى متغيرات التحسين وتحويل متطلبات الأداء إلى أهداف وقيود. تجدر الإشارة إلى أن معلمات التصميم تحتاج إلى تصنيفها إلى فئات نشطة ومدفوعة وتجريبية. يتم استخدام المعلمات النشطة فقط كمتغيرات تحسين بسبب ميزات استقلاليتها. يتم إنشاء الفئتين الأخريين تلقائيا عن طريق التقدير من المعلمات النشطة. لذلك ، تقوم الخطوة 2 بتطوير نماذج التقدير للمعلمات المدفوعة والتجريبية. يتم استخدام أدوات التقدير هذه في كل تكرار للتحسين ، وكذلك في الخطوة 5 لصياغة جميع معلمات المحاكاة المطلوبة. تبني الخطوة 3 نماذج الحساب لكل هدف أو قيد تحسين ، مما يعكس الأداء المطلوب. وينبغي أن تكون هذه النماذج فعالة حسابيا؛ خلاف ذلك ، فإن تكلفة حساب التحسين ستكون غير مقبولة. تقوم الخطوة 4 بإجراء حساب التحسين ، والذي عادة ما يكون متعدد الأهداف ومتعدد التخصصات. كما أنه يتعامل مع عدم اليقين في المعلمات في مرحلة التصميم الأولي. تقوم الخطوة 5 ببناء نموذج شامل ل EVDP المصمم واستخدامه للتحقق من صحة نتائج التحسين من خلال محاكاة EVDP في إطار دورات العمل النموذجية. هذا النموذج هو الأداة النهائية لتقييم نتائج التصميم الأولية. لذلك ، يجب أن يكون لهذا النموذج أعلى دقة وأن يتضمن جميع الخصائص المؤثرة بأسلوب اقتران ضيق. وأخيرا ، يتم الحصول على نتائج أداء التصميم الأولية ونتائج الأبعاد على مستوى النظام.
تركز هذه الورقة على طريقة نمذجة النظام والمحاكاة الخاصة ب EVDP ، والتي تتضمن إجراء تحليل المعلمة في الخطوة 1 وإكمال الخطوتين 2 و 5. أولا ، يتم اشتقاق معلمات التصميم بناء على بنية EVDP ومتطلبات التصميم ، ويتم تصنيفها إلى ثلاث فئات فرعية. ثانيا ، يتم تطوير نماذج التقدير للمعلمات غير النشطة بناء على قوانين القياس ، وكتالوجات المكونات ، والوظائف التجريبية ، وما إلى ذلك. ثالثا ، يتم بناء النموذج العام ل EVDP باستخدام معادلات اقتران متعددة التخصصات ونماذج فرعية إضافية مدى الحياة والموثوقية ، ويتم التحقق من النموذج جزئيا عن طريق التجارب. وأخيرا، يتم استيراد نتائج التحجيم السابقة إلى النموذج الذي تم بناؤه لإجراء تحليل المحاكاة في إطار دورات العمل النموذجية. يتم استنتاج الأداء على مستوى النظام بناء على نتائج المحاكاة. كما يتم تقييم حساسية المعلمة ومتانة التصميم. ونتيجة لذلك، تطور هذه الورقة طريقة نمذجة ومحاكاة محددة للتصميم الأولي ل EVDP. يتم التنبؤ بشكل شامل بأداء EVDP للتطبيق في EHA. وتمثل الطريقة المقترحة أداة عملية لتطوير EVDPs و EHAs متغيرة الإزاحة للتطبيقات عالية الطاقة. يمكن أيضا الرجوع إلى هذه الطريقة لتطوير أدوات محاكاة لأنواع أخرى من منتجات الميكاترونيك. يشير EVDP في هذه الورقة إلى مضخة الإزاحة المتغيرة التي يتم التحكم فيها كهروميكانيكيا ، ولكن مضخة الإزاحة المتغيرة التي يتم التحكم فيها كهربائيا هيدروليكيا خارج نطاق هذه الورقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد عرض مفهوم هذا البرنامج وعناصره التقنية الأخرى في المنشورات السابقة 6,31، مما يدل على إمكانية تطبيق هذا البرنامج ومزاياه. بدلا من دراسة EVDP نفسه ، واصلت هذه الورقة دراسة طريقة التصميم فيما يتعلق باحتياجات التطبيق الحقيقية المستقبلية. تعد طريقة التصميم الم…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف المؤلفون بمعهد بكين للميكاترونيكس الدقيق والضوابط لدعم هذا البحث.
Materials
| Ball screw | NSK | PSS | |
| EVDP prototype | Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls | customized | 7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa |
| EVDP testrig | Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls | customized | Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc. |
| Gearhead | Maxon | GP | |
| Matlab | Mathworks | R2020a | |
| Permannet magnet synchronous motor | Maxon | 393023 | |
| Piston pump | Bosch Rexroth | A10VZO | |
| Simcenter Amesim | Siemens | 2021.1 | system simulation platform |
References
- Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives. Energies. 12 (7), 1293 (2019).
- Alle, N., Hiremath, 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).
- Garrison, M., Steffan, S. Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2006).
- Smith, S., Irving, J. Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles. Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , (2006).
- Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).
- Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator. The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering. 459, 2563-2573 (2018).
- Liu, E. . The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system. , (2015).
- Jean-Charles, M. Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems. Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).
- Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators. Processes. 7, 274 (2019).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems. 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887 (1998).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).
- Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. Optimal preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).
- Liscouët, J., Budinger, M., Mare, J. C. Design for reliability of electromechanical actuators. 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 174-182 (2010).
- Arriola, D., et al. A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators. 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 166-174 (2016).
- Baer, K., Ericson, L., Krus, P. Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle. International Journal of Fluid Power. , (2018).
- Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio. Energies. 11 (5), 1173 (2018).
- Sun, X., et al. Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications. IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).
- Gerada, D., et al. Holistic electrical machine optimization for system integration. IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).
- Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).
- Han, X., et al. Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump. Scandinavian International Conference on Fluid Power. , 362-374 (2019).
- Liscouët, J., Budinger, M., Maré, J. C., Orieux, S. Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions. Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).
- Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).
- Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Maré, J. C. Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).
- Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. Applicability of pump models for varying operational conditions. ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).
- Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. . Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , (2011).
- Whitaker, S. Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles. AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).
- Li, C., Jiao, Z. Calculation method for thermal-hydraulic system simulation. Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).
- Li, C., Jiao, Z. Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).
- Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).
- Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator. Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. , 612-620 (2022).
- De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems. AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).
- Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties. 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, 136-142 (2014).
- Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems. Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).
