एक इलेक्ट्रो-वेरिएबल विस्थापन पंप के प्रारंभिक डिजाइन के लिए एक मॉडलिंग और सिमुलेशन विधि
Summary
एक सिमुलेशन मॉडल विशेष रूप से एक इलेक्ट्रो-चर विस्थापन पंप (ईवीडीपी) के प्रारंभिक डिजाइन का समर्थन करता है, जिसे प्रयोगों द्वारा विकसित और आंशिक रूप से सत्यापित किया जाता है। नियंत्रण प्रदर्शन, जीवन, विश्वसनीयता, आदि, सभी का मूल्यांकन प्रस्तावित मॉडल का उपयोग करके किया जा सकता है, जो ईवीडीपी प्रारंभिक डिजाइन कार्य के तहत मुख्य प्रदर्शन आवश्यकताओं को कवर करता है।
Abstract
इलेक्ट्रो-हाइड्रोस्टेटिक एक्ट्यूएटर्स (ईएचए) को अकादमिक क्षेत्र में काफी शोध किया गया है, और विभिन्न औद्योगिक क्षेत्रों में उनके अनुप्रयोगों का विस्तार हो रहा है। चर-गति ईएचए ने अब चर-विस्थापन ईएचए पर प्राथमिकता ली है, लेकिन इसकी ड्राइविंग मोटर और संबंधित इलेक्ट्रॉनिक्स उच्च शक्ति अनुप्रयोगों में लागू होने पर मुद्दों का सामना करते हैं: कम गतिशीलता, उच्च थर्मल अपव्यय, उच्च मूल्य, आदि। इसलिए, एक वैरिएबल-विस्थापन ईएचए एक इलेक्ट्रो-वेरिएबल विस्थापन पंप (ईवीडीपी) से लैस माना गया है। EVDP अपने आप में एक mechatronic प्रणाली है कि एक पिस्टन पंप, एक गेंद पेंच, एक गियरबॉक्स, और एक स्थायी चुंबक तुल्यकालिक मोटर (PMSM) को एकीकृत करता है। नतीजतन, ईवीडीपी को ईएचए में लागू होने पर इसके सिस्टम-स्तर के प्रदर्शन को सुनिश्चित करने के लिए जांच करने की आवश्यकता है। ईवीडीपी के तकनीकी मापदंडों पर पिछले शोध के अलावा, ईवीडीपी का उपयोग करने और इसकी प्रदर्शन क्षमता की खोज करने की लागत को कम करने के लिए एक समर्पित डिजाइन विधि आवश्यक है। यहां, एक सिमुलेशन आधारित ईवीडीपी प्रारंभिक डिजाइन विधि को 37 किलोवाट ईवीडीपी डिजाइन करने के लिए चुना गया है। सबसे पहले, EVDP के पहले से प्रस्तावित बहु-विषयक मॉडल को पैरामीटर पीढ़ी में सुधार करके बढ़ाया जाता है, जिसमें EVDP जीवन, विश्वसनीयता, नियंत्रण मॉडल आदि शामिल हैं। दूसरे, प्रस्तावित मॉडल को आंशिक रूप से एक डाउनसाइज़्ड प्रोटोटाइप का उपयोग करके सत्यापित किया जाता है। तीसरा, EVDP एक प्रणाली स्तर पर नकली है, प्रस्तावित मॉडल द्वारा समर्थित है। EVDP प्रदर्शन निर्दिष्ट डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार मूल्यांकन किया जाता है। तापमान, बैंडविड्थ और सटीकता, विश्वसनीयता और जीवनकाल, आदि, सभी ईवीडीपी के लिए भविष्यवाणी की जाती है। सिमुलेशन परिणाम चर-विस्थापन ईएचए में ईवीडीपी की प्रयोज्यता को प्रदर्शित करते हैं। प्रस्तावित मॉडलिंग और सिमुलेशन विधि का उपयोग विविध ईवीडीपी प्रदर्शन का मूल्यांकन करने और सामान्य डिजाइन आवश्यकताओं का जवाब देने के लिए किया जा सकता है। विधि सीमित जानकारी और मजबूती के संदर्भ में प्रारंभिक डिजाइन चुनौतियों के समाधान का भी समर्थन कर सकती है। इसलिए, प्रस्तावित विधि सिमुलेशन-आधारित EVDP प्रारंभिक डिजाइन विधि की प्राप्ति के लिए उपयुक्त है।
Introduction
इलेक्ट्रो-हाइड्रोस्टेटिक एक्ट्यूएटर्स (ईएचए) औद्योगिक प्रेस, बड़े मोबाइल मशीनरी, क्रेन मैनिपुलेटर्स और प्राथमिक विमान नियंत्रण जैसे अनुप्रयोगों के लिए बढ़ती रुचि प्राप्त कर रहे हैं, क्योंकि दोनों इलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर्स और हाइड्रोलिक एक्ट्यूएटर्स1 के फायदों के संयोजन के कारण। ईएचए के दो बुनियादी प्रकारों की पहचान की जा सकती है: चर-गति ईएचए और चर-विस्थापन ईएचए2। वर्तमान में, चर-गति ईएचए अपनी उच्च दक्षता और सादगी के कारण चर-विस्थापन ईएचए की तुलना में अधिक लोकप्रिय है। हालांकि, ईएचए के उच्च शक्ति स्तर के साथ, जो भारी वाहनों में आवश्यक है, जैसे कि भारी लॉन्च वाहन3 और पनडुब्बियां4, ड्राइविंग मोटर और चर-गति ईएचए के संबंधित इलेक्ट्रॉनिक्स में कम गतिशीलता, उच्च थर्मल अपव्यय, उच्च कीमत, आदि से संबंधित मुद्दे हैं। इसलिए, चर-विस्थापन ईएचए को इन उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों (>30 किलोवाट) के लिए पुनर्विचार किया जा रहा है, क्योंकि इसका नियंत्रण पंप विस्थापन को नियंत्रित करने वाले कम-शक्ति वाले डिवाइस के माध्यम से महसूस किया जाता है।
एक प्रमुख चिंता जो चर-विस्थापन ईएचए को प्राथमिकता के रूप में लेने से रोकती है, वह है इसकी बोझिल पंप विस्थापन नियंत्रण इकाई, जो स्वयं एक पूर्ण वाल्व-नियंत्रित हाइड्रोलिक सिस्टम है। इलेक्ट्रो-वेरिएबल विस्थापन पंप (EVDP) को एक कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रिक विस्थापन नियंत्रण इकाई का उपयोग करके इस समस्या को हल करने के लिए प्रस्तावित किया गया है। यह डिजाइन चर-विस्थापन ईएचए की कॉम्पैक्टनेस, दक्षता, आदि में सुधार करता है, जो पिछली कमजोरी को एक निश्चित डिग्री तक हल करता है। इसलिए, उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए चर-विस्थापन ईएचए का उपयोग नए प्रस्तावित ईवीडीपी का उपयोग करके सुविधाजनक बनाया जा सकता है। हालांकि, पारंपरिक हाइड्रोलिक रूप से नियंत्रित चर-विस्थापन पंप की तुलना में ईवीडीपी की जटिलता काफी अधिक है क्योंकि यह कई नए विषयों के घटकों को एकीकृत करता है। नतीजतन, विशिष्ट ईवीडीपी-आधारित अनुसंधान गतिविधियां उभरी हैं। हमारे शोध समूह ने EVDP अनुसंधान5 शुरू किया और इसे विकसित करना जारी रखाहै। लियू ने ईएचए अनुप्रयोगों के लिए ईवीडीपी विकसित किया और प्रयोगात्मक परीक्षण7 का प्रदर्शन किया। कुछ हाइड्रोलिक कंपनियां ईवीडीपी उत्पाद भी प्रदान करती हैं। ईवीडीपी के तकनीकी घटकों के बारे में शोध के अलावा, वास्तविक आवेदन आवश्यकताओं का जवाब देने के लिए डिजाइन विधि ईवीडीपी का उपयोग करने की लागत को और कम करके और उनकी प्रदर्शन क्षमता की खोज करके ईवीडीपी की क्षमता को बढ़ाने के लिए भी महत्वपूर्ण है। इसलिए, एक विशिष्ट ईवीडीपी प्रारंभिक डिजाइन विधि अपने युग्मित विषयों का विश्लेषण करके अपने सिस्टम-स्तर के प्रदर्शन में ट्रेड-ऑफ को अनुकूलित करने के लिए आवश्यक है। सिमुलेशन-आधारित प्रारंभिक डिजाइन मेक्ट्रोनिक उत्पादों के इस प्रकार के बहुआयामी युग्मन के लिए ब्याज का है8।
यद्यपि ईवीडीपी प्रारंभिक डिजाइन के लिए कोई विशिष्ट सिमुलेशन मॉडल प्रस्तावित नहीं किया गया है क्योंकि यह एक नई प्रस्तावित अवधारणा है, संबंधित मेक्ट्रोनिक उत्पादों में बहुत शोध का निवेश किया गया है। प्रारंभिक डिजाइन9 में वजन, दक्षता और नियंत्रण प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए एक गतिशील ईएचए मॉडल बनाया गया है, लेकिन जीवनकाल, विश्वसनीयता, थर्मल विशेषताएं, आदि शामिल नहीं थे, जो आवश्यक प्रदर्शन सूचकांक हैं जिन्हें प्रारंभिक डिजाइन में माना जाना चाहिए। लागत, दक्षता और नियंत्रण प्रदर्शन10 को अनुकूलित करने के लिए एक और गतिशील ईएचए मॉडल का भी उपयोग किया गया है, और बाद में अनुकूलित ईएचए11 की थर्मल विशेषताओं का मूल्यांकन करने के लिए एक थर्मल मॉडल विकसित किया गया था, लेकिन विश्वसनीयता और जीवनकाल पर विचार नहीं किया गया था। एक व्यापक इलेक्ट्रो-मैकेनिकल एक्ट्यूएटर (ईएमए) प्रारंभिक डिजाइनविधि प्रस्तुत की गई है। इस विधि के लिए विभिन्न विशेषताओं का विश्लेषण करने में सक्षम विभिन्न कार्यों के साथ विशिष्ट मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं, और विश्वसनीयता और जीवनकाल मॉडल भी विकसित किए गएहैं। यांत्रिक शक्ति, बिजली क्षमता, थर्मल प्रदर्शन, आदि, एतद्द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है, लेकिन नियंत्रण प्रदर्शन शामिल नहीं था। एक अन्य ईएमए प्रारंभिक डिजाइन विधि ने एक गतिशील ईएमए मॉडल और संबंधित घटक आकार मॉडल14 का उपयोग किया। लागत, वजन, थकान जीवन, शक्ति क्षमता, शारीरिक बाधाएं, आदि, सिमुलेशन विश्लेषण में शामिल थे, लेकिन विश्वसनीयता और नियंत्रण प्रदर्शन शामिल नहीं थे। एक हाइड्रोलिक हाइब्रिड ड्राइव ट्रेन15 के अनुकूलन डिजाइन के लिए एक गतिशील मॉडल प्रस्तावित किया गया था। शक्ति क्षमता, दक्षता, नियंत्रण, आदि को नकली किया जा सकता है, लेकिन विश्वसनीयता और जीवन पर विचार नहीं किया गया था। ईएचए-आधारित उड़ान नियंत्रण एक्चुएशन सिस्टम का विश्लेषण करने के लिए मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं, जिसके भीतर सरल शक्ति संचरण समीकरणों और वजनकार्यों का उपयोग किया गया था। यह देखते हुए कि मॉडल का उपयोग वाहन-स्तर और मिशन-स्तर के विश्लेषण के लिए किया गया था, मॉडल की सीमित विशेषता कवरेज उपयुक्त थी। ईएचए के एक प्रमुख घटक के रूप में, सर्वो मोटर्स ने मॉडलिंग और डिजाइन के बारे में अलग से ध्यान आकर्षित किया है, और परिणाम ईएचए मॉडल विकास के लिए भी शिक्षाप्रद हैं। थर्मल नेटवर्क, वजन मॉडल, आदि, ईएचए मॉडलिंग17,18,19 के लिए भी विचार किया जा सकता है। समीक्षा किए गए साहित्य से संकेत मिलता है कि, यहां तक कि ईवीडीपी से संबंधित उत्पादों के परिणामों पर विचार करते हुए, विकसित मॉडल प्रारंभिक डिजाइन के लिए उत्पादों के सभी प्रभावशाली प्रदर्शन विशेषताओं का विश्लेषण नहीं करते हैं। नियंत्रण प्रदर्शन, थर्मल प्रदर्शन, विश्वसनीयता, और जीवनकाल वे विशेषताएं हैं जिन्हें मॉडल के निर्माण में सबसे अधिक उपेक्षित किया गया है। इसलिए, यह पेपर एक मॉडल पैकेज का प्रस्ताव करता है जो ईवीडीपी प्रारंभिक डिजाइन के लिए सभी सबसे प्रभावशाली प्रदर्शन विशेषताओं का विश्लेषण करने में सक्षम है। सिमुलेशन विश्लेषण भी मॉडल कार्यों को बेहतर ढंग से चित्रित करने के लिए प्रस्तुत किया जाता है। यह पेपर पिछले प्रकाशन20 का एक विस्तार है, क्योंकि यह पैरामीटर पीढ़ी में सुधार करता है, इसमें लाइफटाइम मॉडल, विश्वसनीयता मॉडल और नियंत्रण मॉडल शामिल हैं, गणना लागत को अनुकूलित करता है, मॉडल को मान्य करता है, और गहराई से सिमुलेशन विश्लेषण करता है, आदि।
एक चर-विस्थापन पिस्टन पंप की पारंपरिक हाइड्रोलिक नियंत्रण इकाई को कॉम्पैक्टनेस में सुधार करने और गर्मी अपव्यय को कम करने के लिए एक इलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर के साथ बदल दिया जाता है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। इलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर में एक बॉल स्क्रू, एक गियरबॉक्स और एक स्थायी चुंबक तुल्यकालिक मोटर (पीएमएसएम) शामिल हैं। इलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर पंप विस्थापन को विनियमित करने के लिए एक बार के माध्यम से स्वाशप्लेट को जोड़ता है। जब ईएचए में लागू किया जाता है, तो ईवीडीपी स्वाशप्लेट घूर्णन स्थिति पीएमएसएम को मॉड्युलेट करके नियंत्रित बंद-लूप होती है। इलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर को एक अभिन्न घटक बनाने के लिए एक पारस्परिक मामले में पिस्टन पंप के साथ एकीकृत किया जाता है। यह डिजाइन काम कर रहे तरल पदार्थ में बिजली actuator जलमग्न और इसके द्वारा बहु डोमेन युग्मन प्रभाव को मजबूत करता है.
चूंकि EVDP एक विशिष्ट बहु-डोमेन मेक्ट्रोनिक उत्पाद है, इसलिए इसका प्रारंभिक डिजाइन अपने सिस्टम-स्तर के प्रदर्शन में ट्रेड-ऑफ को अनुकूलित करने और घटक डिजाइन आवश्यकताओं को रेखांकित करने में एक आवश्यक भूमिका निभाता है। इस प्रक्रिया को सिमुलेशन-आधारित डिज़ाइन योजना10,12 के आधार पर चित्र 2 में चित्रित किया गया है। चरण 1 सबसे पहले चयनित EVDP आर्किटेक्चर का विश्लेषण करता है, जैसा कि चित्र 1 में है, और निर्दिष्ट प्रदर्शन आवश्यकताओं के आधार पर डिज़ाइन पैरामीटर को समाप्त करता है। उसके बाद, डिज़ाइन कार्य आमतौर पर EVDP के प्रदर्शन ऑप्टिमाइज़ेशन का पता लगाने के लिए एक ऑप्टिमाइज़ेशन समस्या में परिवर्तित हो जाता है। यह डिजाइन पैरामीटर को अनुकूलन चर में परिवर्तित करके और प्रदर्शन आवश्यकताओं को उद्देश्यों और बाधाओं में परिवर्तित करके किया जाता है। यह ध्यान देने योग्य है कि डिजाइन मापदंडों को सक्रिय, संचालित और अनुभवजन्य श्रेणियों में वर्गीकृत करने की आवश्यकता है। केवल सक्रिय पैरामीटर उनकी स्वतंत्रता सुविधाओं के कारण अनुकूलन चर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। अन्य दो श्रेणियां स्वचालित रूप से सक्रिय पैरामीटर से अनुमान द्वारा उत्पन्न होती हैं। इसलिए, चरण 2 संचालित और अनुभवजन्य मापदंडों के अनुमान मॉडल विकसित करता है। इन आकलन उपकरणों का उपयोग ऑप्टिमाइज़ेशन के प्रत्येक पुनरावृत्ति में किया जाता है, साथ ही साथ सभी आवश्यक सिमुलेशन पैरामीटर तैयार करने के लिए चरण 5 में भी उपयोग किया जाता है। चरण 3 प्रत्येक ऑप्टिमाइज़ेशन उद्देश्य या बाधा के लिए गणना मॉडल बनाता है, जो आवश्यक प्रदर्शन को दर्शाता है। इन मॉडलों को कम्प्यूटेशनल रूप से कुशल होना चाहिए; अन्यथा, अनुकूलन गणना लागत अस्वीकार्य होगी। चरण 4 ऑप्टिमाइज़ेशन गणना करता है, जो आमतौर पर बहु-उद्देश्य और बहुआयामी होता है। यह प्रारंभिक डिजाइन चरण में पैरामीटर अनिश्चितताओं से भी निपटता है। चरण 5 डिज़ाइन किए गए EVDP का एक समग्र मॉडल बनाता है और विशिष्ट शुल्क चक्रों के तहत EVDP का अनुकरण करके अनुकूलन परिणामों को मान्य करने के लिए इसका उपयोग करता है। यह मॉडल प्रारंभिक डिजाइन परिणामों का मूल्यांकन करने के लिए अंतिम उपकरण है। इसलिए, इस मॉडल में उच्चतम निष्ठा होनी चाहिए और एक तंग युग्मन शैली में सभी प्रभावशाली विशेषताओं को शामिल किया जाना चाहिए। अंत में, प्रारंभिक डिजाइन प्रदर्शन परिणाम और सिस्टम-स्तर आयाम परिणाम प्राप्त होते हैं।
यह पेपर EVDP के सिस्टम मॉडलिंग और सिमुलेशन विधि पर केंद्रित है, जिसमें चरण 1 में पैरामीटर विश्लेषण करना और चरण 2 और 5 को पूरा करना शामिल है। सबसे पहले, डिजाइन पैरामीटर ईवीडीपी आर्किटेक्चर और डिजाइन आवश्यकताओं के आधार पर व्युत्पन्न होते हैं, और उन्हें तीन उप-श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है। दूसरे, गैर-सक्रिय पैरामीटरों के लिए आकलन मॉडल स्केलिंग कानूनों, घटक कैटलॉग, अनुभवजन्य कार्यों आदि के आधार पर विकसित किए जाते हैं। तीसरा, ईवीडीपी के समग्र मॉडल का निर्माण बहु-विषयक युग्मन समीकरणों और अतिरिक्त जीवनकाल और विश्वसनीयता उप-मॉडल का उपयोग करके किया जाता है, और मॉडल को आंशिक रूप से प्रयोगों द्वारा सत्यापित किया जाता है। अंत में, पिछले आकार के परिणामों को विशिष्ट शुल्क चक्रों के तहत सिमुलेशन विश्लेषण करने के लिए निर्मित मॉडल में आयात किया जाता है। सिमुलेशन परिणामों के आधार पर सिस्टम-स्तर के प्रदर्शन का अनुमान लगाया जाता है। पैरामीटर संवेदनशीलता और डिजाइन की मजबूती का भी मूल्यांकन किया जाता है। नतीजतन, यह पेपर ईवीडीपी प्रारंभिक डिजाइन के लिए एक विशिष्ट मॉडलिंग और सिमुलेशन विधि विकसित करता है। ईएचए में आवेदन के लिए ईवीडीपी के प्रदर्शन की व्यापक रूप से भविष्यवाणी की गई है। प्रस्तावित विधि उच्च शक्ति अनुप्रयोगों के लिए EVDPs और चर-विस्थापन EHAs के विकास के लिए एक व्यावहारिक उपकरण के रूप में खड़ा है। इस विधि को अन्य प्रकार के मेकाट्रोनिक उत्पादों के लिए सिमुलेशन उपकरण विकसित करने के लिए भी संदर्भित किया जा सकता है। इस पेपर में ईवीडीपी इलेक्ट्रो-मैकेनिकल रूप से नियंत्रित चर-विस्थापन पंप को संदर्भित करता है, लेकिन इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक रूप से नियंत्रित चर-विस्थापन पंप इस पेपर के दायरे से बाहर है।
Protocol
Representative Results
Discussion
ईवीडीपी की अवधारणा और अन्य तकनीकी घटकों को पिछले प्रकाशनों 6,31 में प्रस्तुत किया गया है, जो ईवीडीपी की प्रयोज्यता और लाभों का प्रदर्शन करता है। EVDP का अध्ययन करने के बजाय, इस पेपर ने ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकइस शोध का समर्थन करने के लिए बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ प्रेसिजन मेकाट्रॉनिक्स एंड कंट्रोल्स को स्वीकार करते हैं।
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 |
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