Een modellerings- en simulatiemethode voor het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verplaatsingspomp

Summary

Een simulatiemodel dat specifiek het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) ondersteunt, wordt ontwikkeld en gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. De controleprestaties, levensduur, betrouwbaarheid, enz., Kunnen allemaal worden geëvalueerd met behulp van het voorgestelde model, dat de belangrijkste prestatie-eisen in het kader van de evdp-voorlopige ontwerptaak omvat.

Abstract

Elektrohydrostatische actuatoren (ETA’s) zijn aanzienlijk onderzocht in de academische wereld en hun toepassingen op verschillende industriële gebieden breiden zich uit. De EHA met variabele snelheid heeft nu voorrang gekregen op de EHA met variabele verplaatsing, maar de aandrijfmotor en bijbehorende elektronica ondervinden problemen bij toepassing in toepassingen met een hoog vermogen: lage dynamiek, hoge thermische dissipatie, hoge prijs, enz. Daarom is een EHA met variabele verplaatsing uitgerust met een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) overwogen. De EVDP zelf is een mechatronisch systeem dat een zuigerpomp, een kogelomloopspindel, een versnellingsbak en een permanente magneetsynchronisatiemotor (PMSM) integreert. Bijgevolg moet de EVDP worden onderzocht om de prestaties op systeemniveau te waarborgen wanneer deze in een EHA wordt toegepast. Naast het eerdere onderzoek naar de technische parameters van het EVDP is een specifieke ontwerpmethode nodig om de kosten van het gebruik van het EVDP verder te verlagen en het prestatiepotentieel ervan te verkennen. Hier wordt een op simulatie gebaseerde EVDP voorlopige ontwerpmethode geselecteerd voor het ontwerpen van een EVDP van 37 kW. Ten eerste wordt een eerder voorgesteld multidisciplinair model van het EVDP uitgebreid door de parametergeneratie te verbeteren, inclusief de levensduur van het EVDP, de betrouwbaarheid, de besturingsmodellen, enz. Ten tweede wordt het voorgestelde model gedeeltelijk geverifieerd met behulp van een verkleind prototype. Ten derde wordt het EVDP gesimuleerd op systeemniveau, ondersteund door het voorgestelde model. De EVDP-prestaties worden geëvalueerd volgens de gespecificeerde ontwerpvereisten. De temperatuur, bandbreedte en nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en levensduur, enz., Worden allemaal voorspeld voor de EVDP. De simulatieresultaten tonen de toepasbaarheid van de EVDP in EHA met variabele verplaatsing. De voorgestelde modellerings- en simulatiemethode kan worden gebruikt om diverse EVDP-prestaties te evalueren en te reageren op algemene ontwerpvereisten. De methode kan ook de oplossing van de voorlopige ontwerpuitdagingen ondersteunen in termen van beperkte informatie en robuustheid. Daarom is de voorgestelde methode geschikt voor de realisatie van de op simulatie gebaseerde EVDP-voorlopige ontwerpmethode.

Introduction

Elektrohydrostatische actuatoren (ETA’s) krijgen steeds meer belangstelling voor toepassingen zoals industriële persen, grote mobiele machines, kraanmanipulatoren en primaire vliegtuigbesturing vanwege hun combinatie van de voordelen van zowel elektrische actuatoren als hydraulische actuatoren¹. Er kunnen twee basistypen ETA’s worden geïdentificeerd: ETA’s met variabele snelheid en ETA’s met variabele verplaatsing². Momenteel is de EHA met variabele snelheid populairder dan de EHA met variabele verplaatsing vanwege de hogere efficiëntie en eenvoud. Samen met het hogere vermogensniveau van de EHA, dat nodig is in zware voertuigen, zoals zware lanceervoertuigen³ en onderzeeërs⁴, hebben de aandrijfmotor en bijbehorende elektronica van de EHA met variabele snelheid problemen met betrekking tot lage dynamiek, hoge thermische dissipatie, hoge prijs, enz. Daarom wordt de EHA met variabele verplaatsing heroverwogen voor deze toepassingen met een hoog vermogen (>30 kW), omdat de regeling ervan wordt gerealiseerd via een apparaat met een laag vermogen dat de pompverplaatsing regelt.

Een belangrijke zorg die voorkomt dat EHA met variabele verplaatsing als prioriteit wordt genomen, is de omslachtige pompverplaatsingsregelingseenheid, die zelf een compleet klepgestuurd hydraulisch systeem is. De elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) is voorgesteld om dit probleem aan te pakken door gebruik te maken van een compacte elektrische verplaatsingsregeling. Dit ontwerp verbetert de compactheid, efficiëntie, enz., van de EHA met variabele verplaatsing, die de vorige zwakte tot op zekere hoogte oplost. Daarom kan het gebruik van ETA’s met variabele verplaatsing voor toepassingen met een hoog vermogen worden vergemakkelijkt door gebruik te maken van het nieuw voorgestelde EVDP. De complexiteit van de EVDP is echter aanzienlijk groter in vergelijking met de conventionele hydraulisch gestuurde pomp met variabele verplaatsing, omdat deze componenten uit verschillende nieuwe disciplines integreert. Bijgevolg zijn er specifieke op EVDP gebaseerde onderzoeksactiviteiten ontstaan. Onze onderzoeksgroep startte het EVDP-onderzoek⁵ en is het verder ontwikkeld⁶. Liu ontwikkelde de EVDP voor EHA-toepassingen en voerde experimentele tests uit⁷. Sommige hydraulische bedrijven leveren ook EVDP-producten. Naast het onderzoek naar de technische componenten van het EVDB is de ontwerpmethode voor het reageren op echte toepassingsvereisten ook belangrijk voor het vergroten van de competentie van het EVDP door de kosten van het gebruik van EVDP’s verder te verlagen en hun prestatiepotentieel te verkennen. Daarom is een specifieke EVDP voorlopige ontwerpmethode nodig voor het optimaliseren van afwegingen in de prestaties op systeemniveau door de gekoppelde disciplines te analyseren. Het op simulatie gebaseerde voorontwerp is van belang voor dit type multidisciplinaire koppeling van mechatronische producten⁸.

Hoewel er geen specifieke simulatiemodellen voor evdp-voorontwerp zijn voorgesteld omdat het een nieuw voorgesteld concept is, is er veel onderzoek gedaan naar gerelateerde mechatronische producten. Een dynamisch EHA-model is gebouwd om het gewicht, de efficiëntie en de controleprestaties in voorlopig ontwerp⁹ te optimaliseren, maar de levensduur, betrouwbaarheid, thermische kenmerken, enz., Waren niet betrokken, wat essentiële prestatie-indexen zijn waarmee rekening moet worden gehouden in het voorlopige ontwerp. Een ander dynamisch EHA-model is ook gebruikt om de kosten, efficiëntie en controleprestaties¹⁰ te optimaliseren, en een thermisch model werd vervolgens ontwikkeld om de thermische kenmerken van de geoptimaliseerde EHA¹¹ te evalueren, maar de betrouwbaarheid en levensduur werden niet overwogen. Een uitgebreide elektromechanische actuator (EMA) voorlopige ontwerpmethode is gepresenteerd¹². Specifieke modellen met verschillende functies die in staat zijn om verschillende kenmerken te analyseren, zijn voorgesteld voor deze methode, en betrouwbaarheid en levensduur modellen zijn ook ontwikkeld¹³. De mechanische sterkte, het vermogen, de thermische prestaties, enz., Konden hierbij worden geëvalueerd, maar de controleprestaties waren niet betrokken. Een andere voorlopige ontwerpmethode van ema maakte gebruik van een dynamisch EMA-model en bijbehorende componentgroottemodellen¹⁴. De kosten, het gewicht, de levensduur van de vermoeiing, de vermogenscapaciteit, fysieke beperkingen, enz., waren betrokken bij de simulatieanalyse, maar betrouwbaarheid en controleprestaties werden niet meegenomen. Een dynamisch model werd voorgesteld voor het optimalisatieontwerp van een hydraulische hybride aandrijflijn¹⁵. De vermogenscapaciteit, efficiëntie, controle, enz., Konden worden gesimuleerd, maar de betrouwbaarheid en levensduur werden niet overwogen. Modellen voor het analyseren van een op EHA gebaseerd vluchtbesturingsbedieningssysteem zijn voorgesteld, waarbinnen eenvoudige krachtoverbrengingsvergelijkingen en gewichtsfuncties werden gebruikt¹⁶. Aangezien de modellen werden gebruikt voor analyses op voertuigniveau en missieniveau, was de beperkte attribuutdekking van de modellen passend. Als een belangrijk onderdeel van de EHA hebben servomotoren afzonderlijke aandacht getrokken met betrekking tot modellering en ontwerp, en de resultaten zijn ook leerzaam voor de ontwikkeling van EHA-modellen. Thermische netwerken, gewichtsmodellen, enz., Kunnen ook worden overwogen voor EHA-modellering 17,18,19. De beoordeelde literatuur geeft aan dat, zelfs gezien de resultaten van producten met betrekking tot de EVDP, de ontwikkelde modellen niet alle invloedrijke prestatiekenmerken van de producten voor het voorlopige ontwerp analyseren. De controleprestaties, thermische prestaties, betrouwbaarheid en levensduur zijn de kenmerken die het meest zijn verwaarloosd bij de constructie van de modellen. Daarom stelt dit artikel een modelpakket voor dat in staat is om alle meest invloedrijke prestatiekenmerken voor het voorlopige ontwerp van evdp te analyseren. De simulatieanalyse wordt ook gepresenteerd om de modelfuncties beter te illustreren. Dit artikel is een uitbreiding van een eerdere publicatie²⁰, omdat het de parametergeneratie verbetert, het levensduurmodel, het betrouwbaarheidsmodel en het besturingsmodel omvat, de berekeningskosten optimaliseert, het model valideert en diepgaande simulatieanalyses uitvoert, enz.

De conventionele hydraulische regeleenheid van een zuigerpomp met variabele verplaatsing wordt vervangen door een elektrische actuator om de compactheid te verbeteren en de warmteafvoer te verminderen, zoals weergegeven in figuur 1. De elektrische actuator bestaat uit een kogelomloopspindel, een versnellingsbak en een permanente magneetsynchronisatiemotor (PMSM). De elektrische actuator verbindt de spoelplaat via een staaf om de pompverplaatsing te regelen. Bij toepassing in ETA’s wordt de rotatiepositie van de EVDP-swashplate closed-loop geregeld door de PMSM te moduleren. De elektrische actuator is in een onderling geval geïntegreerd met de zuigerpomp om een integraal onderdeel te vormen. Dit ontwerp dompelt de elektrische actuator onder in de werkvloeistof en versterkt hiermee de multi-domein koppelingseffecten.

Aangezien de EVDP een typisch multi-domein mechatronisch product is, speelt het voorlopige ontwerp een essentiële rol bij het optimaliseren van afwegingen in de prestaties op systeemniveau en het schetsen van de vereisten voor het ontwerpen van componenten. Het proces wordt geïllustreerd in figuur 2 op basis van het op simulatie gebaseerde ontwerpschema^10,12. Stap 1 analyseert eerst de geselecteerde EVDP-architectuur, zoals in figuur 1, en concludeert de ontwerpparameters op basis van de gespecificeerde prestatie-eisen. Vervolgens wordt de ontwerptaak meestal omgezet in een optimalisatieprobleem om de prestatieoptimalisatie van de EVDP te verkennen. Dit wordt uitgevoerd door de ontwerpparameters om te zetten in optimalisatievariabelen en de prestatie-eisen om te zetten in doelstellingen en beperkingen. Het is vermeldenswaard dat de ontwerpparameters moeten worden ingedeeld in actieve, gedreven en empirische categorieën. Alleen de actieve parameters worden gebruikt als optimalisatievariabelen vanwege hun onafhankelijkheidskenmerken. De andere twee categorieën worden automatisch gegenereerd door schatting van de actieve parameters. Daarom ontwikkelt Stap 2 de schattingsmodellen van de gedreven en empirische parameters. Deze schattingstools worden gebruikt in elke iteratie van de optimalisatie, evenals in stap 5 voor het formuleren van alle vereiste simulatieparameters. Stap 3 bouwt de rekenmodellen voor elke optimalisatiedoelstelling of -beperking, die de vereiste prestaties weerspiegelt. Deze modellen moeten rekenkundig efficiënt zijn; anders zouden de berekeningskosten van de optimalisatie onaanvaardbaar zijn. Stap 4 voert de optimalisatieberekening uit, die meestal multi-objectief en multidisciplinair is. Ook wordt ingegaan op de parameteronzekerheden in de voorontwerpfase. Stap 5 construeert een algemeen model van de ontworpen EVDP en gebruikt deze voor het valideren van de optimalisatieresultaten door de EVDP te simuleren onder typische duty cycles. Dit model is het ultieme hulpmiddel voor het evalueren van de voorlopige ontwerpresultaten. Daarom moet dit model de hoogste getrouwheid hebben en alle invloedrijke kenmerken in een strakke koppelingsstijl betrekken. Ten slotte worden de voorlopige ontwerpprestatieresultaten en de dimensioneringsresultaten op systeemniveau verkregen.

Dit artikel richt zich op de systeemmodellerings- en simulatiemethode van de EVDP, waarbij de parameteranalyse in stap 1 wordt uitgevoerd en stap 2 en 5 worden voltooid. Ten eerste worden de ontwerpparameters afgeleid op basis van de EVDP-architectuur en de ontwerpvereisten en worden ze ingedeeld in drie subcategorieën. Ten tweede worden de schattingsmodellen voor de niet-actieve parameters ontwikkeld op basis van schaalwetten, componentencatalogi, empirische functies, enz. Ten derde wordt het algemene model van de EVDP geconstrueerd met behulp van multidisciplinaire koppelingsvergelijkingen en aanvullende submodellen voor levensduur en betrouwbaarheid, en het model wordt gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. Ten slotte worden de vorige maatresultaten geïmporteerd in het geconstrueerde model om simulatieanalyses uit te voeren onder typische taakcycli. De prestaties op systeemniveau worden afgeleid op basis van de simulatieresultaten. De parametergevoeligheid en de robuustheid van het ontwerp worden ook geëvalueerd. Als gevolg hiervan ontwikkelt dit artikel een specifieke modellerings- en simulatiemethode voor evdp-voorontwerp. De prestaties van de EVDP voor toepassing in de EHA worden uitgebreid voorspeld. De voorgestelde methode is een praktisch hulpmiddel voor de ontwikkeling van EVDP’s en ETA’s met variabele verplaatsing voor toepassingen met een hoog vermogen. De methode kan ook worden gebruikt voor het ontwikkelen van simulatietools voor andere soorten mechatronische producten. De EVDP in dit artikel verwijst naar de elektromechanisch geregelde pomp met variabele verplaatsing, maar de elektrohydraulisch geregelde pomp met variabele verplaatsing valt buiten het bestek van dit artikel.

Protocol

OPMERKING: Matlab en Simcenter Amesim (hierna systeemsimulatieplatform genoemd) werden in dit protocol gebruikt en staan vermeld in de Materiaaltabel. Het voorgestelde protocol is echter niet beperkt tot implementatie in deze twee softwaretoepassingen. 1. Selecteren en classificeren van de EVDP-ontwerpparameters (stap 1 in figuur 2). Ontmantel de architectuur van de EVDP in figuur 1<…

Representative Results

Deze sectie presenteert de resultaten die zijn verkregen van het uitvoeren van alle protocolstappen, die deel uitmaken van stap 1, stap 2 en stap 5 van de voorlopige EVDP-ontwerpmethode in figuur 2. De invoerinformatie in het protocol omvat de EVDP-schema’s in figuur 1, de geoptimaliseerde actieve parameters (verduidelijkt in stap 5.1.1.) van de EVDP uit stap 4 van figuur 2 en de EVDP-prestatiesimulatietaken, die betrekking hebben o…

Discussion

Het concept en andere technische componenten van het EVDP zijn gepresenteerd in eerdere publicaties ^6,31, waaruit de toepasbaarheid en voordelen van het EVDP blijken. In plaats van het EVDP zelf te bestuderen, bleef dit artikel de ontwerpmethode bestuderen in relatie tot toekomstige echte toepassingsbehoeften. Een specifieke ontwerpmethode is noodzakelijk voor dit type sterk geïntegreerd en multidisciplinair koppelingsproduct, wat delicate prestatieafwegingen en…

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