שיטת מידול וסימולציה לתכנון ראשוני של משאבת תזוזה אלקטרו-משתנה
Summary
מודל סימולציה התומך באופן ספציפי בתכנון ראשוני של משאבת תזוזה אלקטרו-משתנה (EVDP) מפותח ומאומת חלקית על ידי ניסויים. ניתן להעריך את ביצועי הבקרה, החיים, האמינות וכו ‘, באמצעות המודל המוצע, המכסה את דרישות הביצועים העיקריות תחת משימת התכנון הראשונית של EVDP.
Abstract
מפעילים אלקטרו-הידרוסטטיים (EHAs) נחקרו במידה ניכרת באקדמיה, ויישומיהם בתחומים תעשייתיים שונים מתרחבים. ה-EHA בעל המהירות המשתנה קיבל כעת עדיפות על פני ה-EHA בעל התזוזה המשתנה, אך מנוע הנהיגה שלו והאלקטרוניקה הקשורה אליו נתקלים בבעיות כאשר הם מיושמים ביישומים בעלי הספק גבוה: דינמיקה נמוכה, פיזור תרמי גבוה, מחיר גבוה וכו’. לכן, EHA בעל תזוזה משתנה המצויד במשאבת תזוזה אלקטרו-משתנה (EVDP) נחשב. ה-EVDP עצמו הוא מערכת מכטרונית המשלבת משאבת בוכנה, בורג כדור, תיבת הילוכים ומנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM). כתוצאה מכך, יש לחקור את ה- EVDP כדי להבטיח את ביצועיו ברמת המערכת כאשר הוא מיושם ב- EHA. בנוסף למחקר הקודם על הפרמטרים הטכניים של EVDP, יש צורך בשיטת תכנון ייעודית כדי להפחית עוד יותר את עלות השימוש ב- EVDP ולחקור את פוטנציאל הביצועים שלו. כאן נבחרה שיטת תכנון ראשונית מבוססת סימולציה של EVDP לתכנון EVDP של 37 קילוואט. ראשית, מודל רב-תחומי שהוצע בעבר של EVDP מורחב על ידי שיפור יצירת הפרמטרים, כולל חיי EVDP, אמינות, מודלי בקרה וכו ‘. שנית, המודל המוצע מאומת חלקית באמצעות אב טיפוס מוקטן. שלישית, ה- EVDP מדומה ברמת המערכת, הנתמכת על ידי המודל המוצע. ביצועי ה- EVDP מוערכים על פי דרישות העיצוב שצוינו. הטמפרטורה, רוחב הפס והדיוק, האמינות ואורך החיים וכו’, כולם צפויים עבור ה-EVDP. תוצאות הסימולציה מדגימות את תחולת ה-EVDP ב-EHA בעל תזוזה משתנה. ניתן להשתמש בשיטת המידול וההדמיה המוצעת כדי להעריך ביצועי EVDP מגוונים ולהגיב לדרישות התכנון הכלליות. השיטה יכולה גם לתמוך בפתרון אתגרי התכנון הראשוניים במונחים של מידע מוגבל ועמידות. לכן, השיטה המוצעת מתאימה למימוש שיטת התכנון הראשונית מבוססת הסימולציה EVDP.
Introduction
מפעילים אלקטרו-הידרוסטטיים (EHAs) מקבלים עניין גובר ביישומים כגון מכבשים תעשייתיים, מכונות ניידות גדולות, מניפולטורים של מנוף ובקרת מטוסים ראשונית בשל שילוב היתרונות שלהם הן של מפעילים חשמליים והן של מפעילים הידראוליים1. ניתן לזהות שני סוגים בסיסיים של EHAs: EHAs במהירות משתנה ו- EHAs תזוזהמשתנה 2. נכון לעכשיו, EHA במהירות משתנה פופולרי יותר מאשר EHA תזוזה משתנה בשל היעילות והפשטות הגבוהה יותר שלה. עם זאת, יחד עם רמת ההספק הגבוהה יותר של ה- EHA, הדרושה בכלי רכב כבדים, כגון רכבי שיגור כבדים3 וצוללות4, המנוע המניע והאלקטרוניקה הנלווית של ה- EHA במהירות משתנה יש בעיות הקשורות לדינמיקה נמוכה, פיזור תרמי גבוה, מחיר גבוה וכו ‘. לכן, EHA בעל תזוזה משתנה נשקל מחדש עבור יישומים אלה בהספק גבוה (>30 קילוואט), שכן השליטה שלו מתממשת באמצעות התקן בהספק נמוך המווסת את תזוזת המשאבה.
אחד החששות העיקריים שמונעים מ-EHA בעל תזוזה משתנה להילקח בראש סדר העדיפויות הוא יחידת בקרת תזוזת המשאבה המסורבלת שלה, שהיא עצמה מערכת הידראולית מלאה הנשלטת על ידי שסתומים. משאבת התזוזה האלקטרו-משתנה (EVDP) הוצעה לטפל בבעיה זו באמצעות יחידת בקרת תזוזה חשמלית קומפקטית. עיצוב זה משפר את הקומפקטיות, היעילות וכו ‘, של ה- EHA בעל התזוזה המשתנה, אשר פותר את החולשה הקודמת במידה מסוימת. לכן, ניתן להקל על השימוש ב- EHAs בעלי תזוזה משתנה עבור יישומים בהספק גבוה באמצעות EVDP החדש שהוצע. עם זאת, המורכבות של ה- EVDP גדולה משמעותית בהשוואה למשאבת התזוזה המשתנה הקונבנציונלית הנשלטת באופן הידראולי מכיוון שהיא משלבת רכיבים ממספר דיסציפלינות חדשות. כתוצאה מכך, התגלו פעילויות מחקר ספציפיות המבוססות על EVDP. קבוצת המחקר שלנו התחילה את מחקר EVDP5 והמשיכה לפתח אותו6. ליו פיתח את ה- EVDP ליישומי EHA וביצע בדיקות ניסיוניות7. חלק מהחברות ההידראוליות מספקות גם מוצרי EVDP. בנוסף למחקר לגבי הרכיבים הטכניים של ה- EVDP, שיטת התכנון לתגובה לדרישות יישום אמיתיות משמעותית גם לשיפור יכולת ה- EVDP על ידי הפחתת העלות של שימוש ב- EVDP וחקר פוטנציאל הביצועים שלהם. לפיכך, שיטת תכנון ראשונית ספציפית של EVDP נחוצה למיטוב פשרות בביצועים ברמת המערכת שלה על ידי ניתוח הדיסציפלינות המצומדות שלה. התכנון הראשוני מבוסס הסימולציה מעניין סוג זה של צימוד רב-תחומי של מוצרים מכטרוניים8.
למרות שלא הוצעו מודלים ספציפיים של סימולציה לתכנון ראשוני של EVDP בשל היותו רעיון חדש שהוצע, הושקעו מחקרים רבים במוצרים מכטרוניים קשורים. מודל EHA דינמי נבנה כדי לייעל את ביצועי המשקל, היעילות והבקרה בתכנון ראשוני9, אך אורך החיים, האמינות, המאפיינים התרמיים וכו ‘, לא היו מעורבים, שהם מדדי ביצועים חיוניים שיש לקחת בחשבון בתכנון ראשוני. מודל EHA דינמי נוסף שימש גם כדי לייעל את העלות, היעילות וביצועי הבקרה10, ולאחר מכן פותח מודל תרמי כדי להעריך את המאפיינים התרמיים של ה- EHA11 הממוטב, אך האמינות ואורך החיים לא נלקחו בחשבון. הוצגה שיטת תכנון ראשונית מקיפה של מפעיל אלקטרו-מכני (EMA)12. מודלים ספציפיים עם פונקציות שונות המסוגלות לנתח מאפיינים שונים הוצעו לשיטה זו, וגם מודלים של אמינות ואורך חיים פותחו13. ניתן היה להעריך בזאת את החוזק המכני, יכולת הכוח, הביצועים התרמיים וכו ‘, אך ביצועי הבקרה לא היו מעורבים. שיטת תכנון ראשונית נוספת של EMA השתמשה במודל EMA דינמי ובמודלים נלווים של גודל רכיבים14. העלות, המשקל, חיי העייפות, יכולת הכוח, האילוצים הפיזיים וכו’, היו מעורבים בניתוח הסימולציה, אך האמינות וביצועי הבקרה לא נכללו. מודל דינמי הוצע לתכנון אופטימיזציה של רכבת הנעה היברידית הידראולית15. ניתן היה לדמות את יכולת ההספק, היעילות, הבקרה וכו ‘, אך האמינות והחיים לא נלקחו בחשבון. הוצעו מודלים לניתוח מערכת הפעלה של בקרת טיסה מבוססת EHA, שבמסגרתה נעשה שימוש במשוואות העברת כוח פשוטות ובפונקציות משקל16. בהתחשב בכך שהדגמים שימשו לניתוחים ברמת הרכב וברמת המשימה, כיסוי התכונות המוגבל של הדגמים היה מתאים. כמרכיב מרכזי ב- EHA, מנועי סרוו משכו תשומת לב נפרדת לגבי מידול ועיצוב, והתוצאות מאלפות גם לפיתוח מודל EHA. רשתות תרמיות, מודלים של משקל וכו ‘, יכולים להיחשב גם עבור מידול EHA 17,18,19. הספרות הנסקרת מצביעה על כך שגם בהתחשב בתוצאות ממוצרים הקשורים ל- EVDP, המודלים שפותחו אינם מנתחים את כל תכונות הביצועים המשפיעות של המוצרים עבור העיצוב הראשוני. ביצועי הבקרה, הביצועים התרמיים, האמינות ואורך החיים הם התכונות שהוזנחו ביותר בבניית הדגמים. לכן, מאמר זה מציע חבילת מודל המסוגלת לנתח את כל תכונות הביצועים המשפיעות ביותר עבור העיצוב הראשוני של EVDP. ניתוח הסימולציה מוצג גם כדי להמחיש טוב יותר את פונקציות המודל. מאמר זה הוא הרחבה של פרסום קודם20, שכן הוא משפר את יצירת הפרמטרים, כולל את מודל החיים, מודל האמינות ומודל הבקרה, מייעל את עלות החישוב, מאמת את המודל ומבצע ניתוח סימולציה מעמיק וכו ‘.
יחידת הבקרה ההידראולית הקונבנציונלית של משאבת בוכנה בעלת תזוזה משתנה מוחלפת במפעיל חשמלי כדי לשפר את הקומפקטיות ולהפחית את פיזור החום, כפי שמוצג באיור 1. המפעיל החשמלי מורכב מברג כדור, תיבת הילוכים ומנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM). המפעיל החשמלי מחבר את לוחית השטיפה באמצעות מוט כדי לווסת את תזוזת המשאבה. כאשר הוא מיושם ב- EHAs, המיקום הסיבובי של לוחית ה- EVDP נשלט בלולאה סגורה הנשלטת על ידי ויסות ה- PMSM. המפעיל החשמלי משולב עם משאבת הבוכנה במקרה הדדי כדי ליצור מרכיב אינטגרלי. תכנון זה מטביע את המפעיל החשמלי בנוזל העבודה ומחזק בזאת את אפקטי הצימוד הרב-תחומיים.
מכיוון שה-EVDP הוא מוצר מכטרוני טיפוסי מרובה תחומים, העיצוב הראשוני שלו ממלא תפקיד חיוני באופטימיזציה של פשרות בביצועים ברמת המערכת שלו ובהתוויית דרישות תכנון הרכיבים. התהליך מודגם באיור 2 בהתבסס על ערכת התכנון מבוססת הסימולציה10,12. שלב 1 מנתח תחילה את ארכיטקטורת ה-EVDP שנבחרה, כמו באיור 1, ומסכם את הפרמטרים של התכנון בהתבסס על דרישות הביצועים שצוינו. לאחר מכן, משימת העיצוב הופכת בדרך כלל לבעיית אופטימיזציה כדי לחקור את מיטוב הביצועים של EVDP. זה מתבצע על ידי המרת פרמטרי העיצוב למשתני אופטימיזציה והמרת דרישות הביצועים למטרות ואילוצים. ראוי לציין כי יש לסווג את הפרמטרים העיצוביים לקטגוריות פעילות, מונעות ואמפיריות. רק הפרמטרים הפעילים משמשים כמשתני אופטימיזציה בשל תכונות העצמאות שלהם. שתי הקטגוריות האחרות נוצרות באופן אוטומטי על ידי הערכה מהפרמטרים הפעילים. לכן, שלב 2 מפתח את מודלי ההערכה של הפרמטרים המונעים והאמפיריים. כלי הערכה אלה משמשים בכל איטרציה של האופטימיזציה, כמו גם בשלב 5 לגיבוש כל הפרמטרים הנדרשים לסימולציה. שלב 3 בונה את מודלי החישוב עבור כל מטרת אופטימיזציה או אילוץ, המשקף את הביצועים הנדרשים. מודלים אלה צריכים להיות יעילים מבחינה חישובית; אחרת, עלות חישוב האופטימיזציה תהיה בלתי מתקבלת על הדעת. שלב 4 מבצע את חישוב האופטימיזציה, שהוא בדרך כלל רב-תכליתי ורב-תחומי. הוא עוסק גם באי הוודאות בפרמטרים בשלב התכנון הראשוני. שלב 5 בונה מודל כולל של ה-EVDP המתוכנן ומשתמש בו לאימות תוצאות האופטימיזציה על ידי הדמיית ה-EVDP תחת מחזורי עבודה טיפוסיים. מודל זה הוא הכלי האולטימטיבי להערכת תוצאות התכנון הראשוניות. לכן, מודל זה צריך להיות בעל הנאמנות הגבוהה ביותר ולכלול את כל המאפיינים המשפיעים בסגנון צימוד הדוק. לבסוף, מתקבלות תוצאות הביצועים הראשוניות של התכנון ותוצאות הממדים ברמת המערכת.
מאמר זה מתמקד בשיטת מידול המערכת וההדמיה של EVDP, הכוללת ביצוע ניתוח הפרמטרים בשלב 1 והשלמת שלבים 2 ו-5. ראשית, הפרמטרים של העיצוב נגזרים על סמך ארכיטקטורת EVDP ודרישות התכנון, והם מסווגים לשלוש קטגוריות משנה. שנית, מודלי האומדן עבור הפרמטרים הלא פעילים מפותחים על בסיס חוקי קנה מידה, קטלוגים של רכיבים, פונקציות אמפיריות וכו ‘. שלישית, המודל הכולל של ה-EVDP נבנה באמצעות משוואות צימוד רב-תחומיות ותת-מודלים נוספים של אורך חיים ואמינות, והמודל מאומת חלקית על ידי ניסויים. לבסוף, תוצאות הגודל הקודמות מיובאות למודל הבנוי כדי לבצע ניתוח סימולציה תחת מחזורי עבודה טיפוסיים. הביצועים ברמת המערכת מסיקים על סמך תוצאות הסימולציה. רגישות הפרמטרים ועמידות העיצוב מוערכים גם הם. כתוצאה מכך, מאמר זה מפתח שיטת מידול וסימולציה ספציפית לתכנון ראשוני של EVDP. הביצועים של ה-EVDP ליישום ב-EHA צפויים באופן מקיף. השיטה המוצעת עומדת ככלי מעשי לפיתוח EVDPs ו- EHAs בעלי תזוזה משתנה עבור יישומים בהספק גבוה. ניתן להתייחס לשיטה גם לפיתוח כלי סימולציה לסוגים אחרים של מוצרים מכטרוניים. ה- EVDP במאמר זה מתייחס למשאבת התזוזה המשתנה הנשלטת אלקטרו-מכנית, אך משאבת התזוזה המשתנה הנשלטת אלקטרו-הידראולית אינה נכללת בתחום מאמר זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הרעיון ורכיבים טכניים אחרים של ה- EVDP הוצגו בפרסומים קודמים 6,31, המדגימים את הישימות והיתרונות של ה- EVDP. במקום ללמוד את ה-EVDP עצמו, מאמר זה המשיך ללמוד את שיטת התכנון ביחס לצרכי יישום אמיתיים עתידיים. שיטת תכנון ספציפית נחוצה לסוג זה של מוצר צימוד משולב ורב-תחומי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים למכון בייג’ינג למכוטרוניקה ובקרה מדויקת על תמיכתו במחקר זה.
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).
