Um método de modelagem e simulação para o design preliminar de uma bomba de deslocamento eletrovariar

Summary

Um modelo de simulação que suporta especificamente o desenho preliminar de uma bomba de deslocamento eletrovariável (EVDP) é desenvolvido e parcialmente verificado por experimentos. O desempenho de controle, vida, confiabilidade, etc., podem ser avaliados usando o modelo proposto, que abrange os principais requisitos de desempenho sob a tarefa de projeto preliminar EVDP.

Abstract

Atuadores eletro-hidrostáticos (EHAs) têm sido consideravelmente pesquisados na academia, e suas aplicações em vários campos industriais estão se expandindo. O EHA de velocidade variável tem agora priorizado o EHA de deslocamento variável, mas seu motor de condução e eletrônicos associados encontram problemas quando aplicados em aplicações de alta potência: baixa dinâmica, alta dissipação térmica, alto preço, etc. Por isso, considerou-se uma EHA de deslocamento variável equipada com uma bomba de deslocamento eletrovariável (EVDP). O EVDP em si é um sistema mecatrônico que integra uma bomba de pistão, um parafuso de bola, uma caixa de câmbio e um motor síncrono de ímã permanente (PMSM). Consequentemente, o EVDP precisa ser investigado para garantir seu desempenho em nível de sistema quando aplicado em um EHA. Além da pesquisa anterior sobre os parâmetros técnicos do EVDP, é necessário um método de design dedicado para reduzir ainda mais o custo de uso do EVDP e explorar seu potencial de desempenho. Aqui, um método de projeto preliminar EVDP baseado em simulação é selecionado para projetar um EVDP de 37 kW. Em primeiro lugar, um modelo multidisciplinar anteriormente proposto do EVDP é estendido melhorando a geração de parâmetros, incluindo a vida útil, confiabilidade, modelos de controle, etc. Em segundo lugar, o modelo proposto é parcialmente verificado usando um protótipo reduzido. Em terceiro lugar, o EVDP é simulado a um nível de sistema, suportado pelo modelo proposto. O desempenho do EVDP é avaliado de acordo com os requisitos de projeto especificados. A temperatura, largura de banda e precisão, confiabilidade e vida útil, etc., são todas previstas para o EVDP. Os resultados da simulação demonstram a aplicabilidade do EVDP no EHA de deslocamento variável. O método de modelagem e simulação proposto pode ser usado para avaliar o desempenho diversificado do EVDP e responder aos requisitos gerais de design. O método também pode apoiar a resolução dos desafios preliminares de projeto em termos de informação limitada e robustez. Portanto, o método proposto é apropriado para a realização do método de desenho preliminar EVDP baseado em simulação.

Introduction

Atuadores eletro-hidrostáticos (EHAs) estão recebendo cada vez mais interesse por aplicações como prensas industriais, grandes máquinas móveis, manipuladores de guindastes e controle de aeronaves primárias devido à combinação das vantagens tanto dos atuadores elétricos quanto dos atuadores hidráulicos¹. Dois tipos básicos de EHAs podem ser identificados: EHAs de velocidade variável e EHAs de deslocamento variável². Atualmente, o EHA de velocidade variável é mais popular do que o EHA de deslocamento variável devido à sua maior eficiência e simplicidade. No entanto, juntamente com o maior nível de potência do EHA, que é necessário em veículos pesados, como veículos de lançamento pesados³ e submarinos⁴, o motor de condução e a eletrônica associada da EHA de velocidade variável têm problemas relacionados à baixa dinâmica, alta dissipação térmica, alto preço, etc. Portanto, o EHA de deslocamento variável está sendo reconsiderado para essas aplicações de alta potência (>30 kW), pois seu controle é realizado através de um dispositivo de baixa potência que regula o deslocamento da bomba.

Uma grande preocupação que impede que o EHA de deslocamento variável seja tomado como prioridade é sua unidade de controle de deslocamento de bomba complicada, que por si só é um sistema hidráulico completo controlado por válvulas. A bomba de deslocamento eletrovariável (EVDP) foi proposta para resolver esse problema usando uma unidade de controle de deslocamento elétrico compacto. Este design melhora a compactação, eficiência, etc., do EHA de deslocamento variável, que resolve a fraqueza anterior até certo ponto. Portanto, o uso de EHAs de deslocamento variável para aplicações de alta potência pode ser facilitado usando o EVDP recém-proposto. No entanto, a complexidade do EVDP é significativamente maior em comparação com a bomba convencional de deslocamento variável controlada hidráulica, pois integra componentes de várias novas disciplinas. Consequentemente, surgiram atividades específicas de pesquisa baseadas em EVDP. Nosso grupo de pesquisa iniciou a pesquisa EVDP⁵ e continuou a desenvolvê-la⁶. Liu desenvolveu o EVDP para aplicações EHA e realizou testes experimentais⁷. Algumas empresas hidráulicas também fornecem produtos EVDP. Além da pesquisa sobre os componentes técnicos do EVDP, o método de projeto para responder aos requisitos reais de aplicação também é significativo para aumentar a competência do EVDP, reduzindo ainda mais o custo de uso de EVDPs e explorando seu potencial de desempenho. Assim, um método específico de design preliminar do EVDP é necessário para otimizar as compensações em seu desempenho em nível de sistema, analisando suas disciplinas acoplamentos. O projeto preliminar baseado em simulação é de interesse para este tipo de acoplamento multidisciplinar de produtos mecatrônicos⁸.

Embora nenhum modelo específico de simulação para o design preliminar da EVDP tenha sido proposto devido a ser um conceito recém-proposto, muita pesquisa tem sido investida em produtos mecatrônicos relacionados. Um modelo dinâmico de EHA foi construído para otimizar o desempenho de peso, eficiência e controle no projeto preliminar⁹, mas a vida útil, confiabilidade, características térmicas, etc., não foram envolvidas, que são índices essenciais de desempenho que devem ser considerados em design preliminar. Outro modelo dinâmico de EHA também tem sido utilizado para otimizar o custo, a eficiência e o desempenho de controle¹⁰, e um modelo térmico foi posteriormente desenvolvido para avaliar as características térmicas do EHA¹¹ otimizado, mas a confiabilidade e a vida útil não foram consideradas. Um método de projeto preliminar de atuador eletromecânico abrangente (EMA) foi apresentado¹². Modelos específicos com diferentes funções capazes de analisar características diferentes foram propostos para este método, e a confiabilidade e modelos de vida também foram desenvolvidos¹³. A resistência mecânica, a capacidade de potência, o desempenho térmico, etc., poderiam ser avaliados, mas o desempenho do controle não estava envolvido. Outro método de design preliminar da EMA utilizou um modelo dinâmico da EMA e modelos de dimensionamento de componentes associados¹⁴. O custo, peso, vida útil da fadiga, capacidade de energia, restrições físicas, etc., estiveram envolvidos na análise da simulação, mas a confiabilidade e o desempenho de controle não foram incluídos. Um modelo dinâmico foi proposto para o design de otimização de um trem hidráulico híbrido¹⁵. A capacidade de energia, eficiência, controle, etc., poderiam ser simuladas, mas a confiabilidade e a vida não foram consideradas. Foram propostos modelos para análise de um sistema de atuação de controle de voo baseado em EHA, dentro dos quais foram utilizadas equações simples de transmissão de energia e funções de peso^. Considerando que os modelos foram utilizados para análises em nível de veículo e em nível de missão, a cobertura limitada de atributos dos modelos foi apropriada. Como um dos principais componentes da EHA, a servo motors tem atraído atenção separada em relação à modelagem e design, e os resultados também são instrutivos para o desenvolvimento do modelo EHA. Redes térmicas, modelos de peso, etc., também podem ser consideradas para modelagem EHA 17,18,19. A literatura revisada indica que, mesmo considerando os resultados dos produtos relacionados ao EVDP, os modelos desenvolvidos não analisam todos os atributos de desempenho influentes dos produtos para o desenho preliminar. O desempenho de controle, o desempenho térmico, a confiabilidade e a vida útil são os atributos mais negligenciados na construção dos modelos. Portanto, este artigo propõe um pacote modelo capaz de analisar todos os atributos de desempenho mais influentes para o design preliminar do EVDP. A análise de simulação também é apresentada para melhor ilustrar as funções do modelo. Este artigo é uma extensão de uma publicação^{anterior 20}, pois melhora a geração de parâmetros, envolve o modelo de vida, modelo de confiabilidade e modelo de controle, otimiza o custo de cálculo, valida o modelo e realiza análises de simulação aprofundadas, etc.

A unidade convencional de controle hidráulico de uma bomba de pistão de deslocamento variável é substituída por um atuador elétrico para melhorar a compactação e reduzir a dissipação de calor, como mostrado na Figura 1. O atuador elétrico consiste em um parafuso de bola, uma caixa de câmbio e um motor síncrono de ímã permanente (PMSM). O atuador elétrico conecta a placa de swashplate através de uma barra para regular o deslocamento da bomba. Quando aplicado em EHAs, a posição de rotação de swashplate EVDP é controlada por loop fechado através da modulação do PMSM. O atuador elétrico é integrado com a bomba de pistão em um caso mútuo para formar um componente integral. Este design submerge o atuador elétrico no fluido de trabalho e, por meio deste, fortalece os efeitos de acoplamento multi-domínio.

Como o EVDP é um produto mecatrônico típico de vários domínios, seu design preliminar desempenha um papel essencial na otimização de trade-offs em seu desempenho em nível de sistema e delineando os requisitos de design de componentes. O processo é ilustrado na Figura 2 com base no esquema de projeto baseado em simulação^10,12. A etapa 1 analisa primeiro a arquitetura EVDP selecionada, como na Figura 1, e conclui os parâmetros de design com base nos requisitos de desempenho especificados. Em seguida, a tarefa de design geralmente é transformada em um problema de otimização para explorar a otimização de desempenho do EVDP. Isso é realizado convertendo os parâmetros de projeto em variáveis de otimização e convertendo os requisitos de desempenho em objetivos e restrições. Vale ressaltar que os parâmetros de design precisam ser classificados em categorias ativas, orientadas e empíricas. Apenas os parâmetros ativos são usados como variáveis de otimização devido às suas características de independência. As outras duas categorias são geradas automaticamente pela estimativa dos parâmetros ativos. Portanto, o Passo 2 desenvolve os modelos de estimativa dos parâmetros orientados e empíricos. Estas ferramentas de estimativa são utilizadas em cada iteração da otimização, bem como na Etapa 5 para formular todos os parâmetros de simulação necessários. A etapa 3 constrói os modelos de cálculo para cada objetivo ou restrição de otimização, o que reflete o desempenho necessário. Esses modelos devem ser computacionalmente eficientes; caso contrário, o custo de cálculo de otimização seria inaceitável. A etapa 4 realiza o cálculo de otimização, que geralmente é multiprofissionado e multidisciplinar. Também lida com as incertezas do parâmetro na fase preliminar de projeto. A etapa 5 constrói um modelo global do EVDP projetado e o utiliza para validar os resultados de otimização simulando o EVDP em ciclos típicos de dever. Este modelo é a ferramenta final para avaliar os resultados preliminares do projeto. Portanto, este modelo deve ter a mais alta fidelidade e envolver todas as características influentes em um estilo apertado de acoplamento. Finalmente, os resultados preliminares de desempenho do projeto e os resultados de dimensionamento em nível de sistema são obtidos.

Este artigo se concentra no método de modelagem e simulação do sistema do EVDP, que envolve a realização da análise dos parâmetros nos Passos 1 e a conclusão das Etapas 2 e 5. Em primeiro lugar, os parâmetros de design são derivados com base na arquitetura EVDP e nos requisitos de design, e são classificados em três subcategorias. Em segundo lugar, os modelos de estimativa para os parâmetros não ativos são desenvolvidos com base em leis de dimensionamento, catálogos de componentes, funções empíricas, etc. Em terceiro lugar, o modelo geral do EVDP é construído usando equações de acoplamento multidisciplinar e sub models adicionais de vida e confiabilidade, e o modelo é parcialmente verificado por experimentos. Por fim, os resultados de dimensionamento anteriores são importados para o modelo construído para realizar análises de simulação em ciclos típicos de serviço. O desempenho em nível de sistema é deduzido com base nos resultados da simulação. A sensibilidade do parâmetro e a robustez do projeto também são avaliadas. Como resultado, este artigo desenvolve um método específico de modelagem e simulação para o design preliminar do EVDP. O desempenho do EVDP para aplicação no EHA é amplamente previsto. O método proposto é uma ferramenta prática para o desenvolvimento de EVDPs e EHAs de deslocamento variável para aplicações de alta potência. O método também pode ser referido para o desenvolvimento de ferramentas de simulação para outros tipos de produtos mecatrônicos. O EVDP neste artigo refere-se à bomba de deslocamento variável eletro-mecanicamente controlada, mas a bomba de deslocamento variável eletro-hidráulica controlada está fora do escopo deste papel.

Protocol

NOTA: Matlab e Simcenter Amesim (conhecida como plataforma de simulação de sistema a seguir) foram utilizados neste protocolo e estão listados na Tabela de Materiais. No entanto, o protocolo proposto não se limita à implementação nesses dois aplicativos de software. 1. Selecionar e classificar os parâmetros de design EVDP (Passo 1 na Figura 2). Desmonte a arquitetura do EVDP na <strong class="xfi…

Representative Results

Esta seção apresenta os resultados obtidos com a realização de todas as etapas de protocolo, que constituem parte da Etapa 1, toda da Etapa 2, e toda a Etapa 5 do método de projeto preliminar EVDP na Figura 2. As informações de entrada no protocolo incluem os esquemas EVDP na Figura 1, os parâmetros ativos otimizados (esclarecidos na Etapa 5.1.1.1.) do EVDP a partir da Etapa 4 da Figura 2, e as tarefas de simulação de dese…

Discussion

O conceito e outros componentes técnicos do EVDP foram apresentados em publicações anteriores ^6,31, demonstrando a aplicabilidade e as vantagens do EVDP. Em vez de estudar o próprio EVDP, este artigo continuou a estudar o método de projeto em relação às necessidades reais futuras de aplicação. Um método de design específico é necessário para este tipo de produto de acoplamento altamente integrado e multidisciplinar, que exige trocas delicadas de des…

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