Метод моделирования и имитационного моделирования предварительного проектирования электроизменяющегося объемного насоса

Summary

Разработана и частично проверена экспериментами имитационная модель, специально поддерживающая предварительный проект электроизмерительного объемного насоса (EVDP). Эффективность управления, срок службы, надежность и т. Д. Могут быть оценены с использованием предлагаемой модели, которая охватывает основные требования к производительности в рамках задачи предварительного проектирования EVDP.

Abstract

Электрогидростатические приводы (ЭХА) были значительно исследованы в академических кругах, и их применение в различных промышленных областях расширяется. EHA с переменной скоростью в настоящее время имеет приоритет над EHA с переменным смещением, но его приводной двигатель и связанная с ним электроника сталкиваются с проблемами при применении в приложениях с высокой мощностью: низкая динамика, высокое рассеивание тепла, высокая цена и т. Д. Поэтому был рассмотрен вопрос о EHA с переменным рабочим объемом, оснащенный электроизмерительным объемным насосом (EVDP). Сама EVDP представляет собой мехатронную систему, которая объединяет поршневой насос, шарико-винтовой пар, редуктор и синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM). Следовательно, EVDP необходимо исследовать, чтобы обеспечить его производительность на системном уровне при применении в EHA. В дополнение к предыдущим исследованиям технических параметров EVDP, для дальнейшего снижения стоимости использования EVDP и изучения его потенциала производительности необходим специализированный метод проектирования. Здесь выбран метод предварительного проектирования EVDP на основе моделирования для проектирования EVDP мощностью 37 кВт. Во-первых, ранее предложенная мультидисциплинарная модель EVDP расширяется за счет улучшения генерации параметров, включая срок службы EVDP, надежность, модели управления и т.д. Во-вторых, предложенная модель частично проверяется с использованием уменьшенного прототипа. В-третьих, EVDP моделируется на системном уровне, поддерживаемом предлагаемой моделью. Производительность EVDP оценивается в соответствии с заданными требованиями к проектированию. Температура, пропускная способность и точность, надежность и срок службы и т. Д. Все это прогнозируется для EVDP. Результаты моделирования демонстрируют применимость EVDP в EHA с переменным смещением. Предлагаемый метод моделирования и имитационного моделирования может быть использован для оценки различных характеристик EVDP и реагирования на общие требования к проектированию. Этот метод также может способствовать решению проблем предварительного проектирования с точки зрения ограниченной информации и надежности. Поэтому предложенный способ является подходящим для реализации метода предварительного проектирования EVDP на основе моделирования.

Introduction

Электрогидростатические приводы (ЭХА) получают все больший интерес для таких применений, как промышленные прессы, крупное мобильное оборудование, крановые манипуляторы и первичное управление воздушным судном из-за их сочетания преимуществ как электрических приводов, так и гидравлических приводов¹. Можно выделить два основных типа ЭХА: ЭХА с переменной скоростью и ЭХА с переменным смещением². В настоящее время EHA с переменной скоростью более популярен, чем EHA с переменным смещением из-за его более высокой эффективности и простоты. Однако, наряду с более высоким уровнем мощности EHA, который необходим в тяжелых транспортных средствах, таких как тяжелые ракеты-носители³ и подводные лодки⁴, приводной двигатель и связанная с ним электроника EHA с переменной скоростью имеют проблемы, связанные с низкой динамикой, высокой рассеиваемостью тепла, высокой ценой и т. Д. Поэтому EHA с переменным рабочим объемом пересматривается для этих высокомощных применений (>30 кВт), поскольку его управление осуществляется с помощью устройства малой мощности, которое регулирует объем насоса.

Одной из основных проблем, которая препятствует тому, чтобы EHA с переменным рабочим объемом рассматривался в качестве приоритета, является его громоздкий блок управления рабочим объемом насоса, который сам по себе представляет собой полную гидравлическую систему с клапанным управлением. Для решения этой проблемы был предложен электроизмерительный объемный насос (EVDP) с использованием компактного электрического блока управления перемещением. Такая конструкция улучшает компактность, эффективность и т.д. ЭГА с переменным смещением, что в определенной степени устраняет предыдущую слабость. Таким образом, использование ЭХА с переменным смещением для применения с высокой мощностью может быть облегчено за счет использования недавно предложенного EVDP. Тем не менее, сложность EVDP значительно выше по сравнению с обычным гидравлически управляемым насосом с переменным рабочим объемом, поскольку он объединяет компоненты из нескольких новых дисциплин. В результате появилась конкретная исследовательская деятельность на основе ЕВПР. Наша исследовательская группа начала исследование EVDP⁵ и продолжила его разработку⁶. Лю разработал EVDP для приложений EHA и провел экспериментальные испытания⁷. Некоторые гидравлические компании также поставляют продукты EVDP. В дополнение к исследованиям, касающимся технических компонентов EVDP, метод проектирования для удовлетворения реальных требований применения также имеет важное значение для повышения компетентности EVDP за счет дальнейшего снижения стоимости использования EVDP и изучения их потенциала производительности. Следовательно, для оптимизации компромиссов в производительности на системном уровне путем анализа связанных дисциплин необходим конкретный метод предварительного проектирования EVDP. Предварительный проект на основе моделирования представляет интерес для этого типа междисциплинарной связи мехатронных изделий⁸.

Хотя никаких конкретных имитационных моделей для предварительного проектирования EVDP не было предложено из-за того, что это недавно предложенная концепция, много исследований было вложено в соответствующие мехатронные продукты. Динамическая модель EHA была построена для оптимизации веса, эффективности и производительности управления в предварительном проекте⁹, но срок службы, надежность, тепловые характеристики и т. Д. Не были задействованы, которые являются существенными показателями производительности, которые следует учитывать при предварительном проектировании. Другая динамическая модель EHA также была использована для оптимизации затрат, эффективности и производительности управления¹⁰, и впоследствии была разработана тепловая модель для оценки тепловых характеристик оптимизированной EHA¹¹, но надежность и срок службы не были рассмотрены. Представлен комплексный метод предварительного проектирования электромеханического привода (ЕМА)¹². Для этого метода были предложены конкретные модели с различными функциями, способные анализировать различные характеристики, а также разработаны модели надежности и срока службы¹³. Таким образом, можно было оценить механическую прочность, мощность, тепловые характеристики и т.д., но эффективность управления не была задействована. Другой метод предварительного проектирования EMA использовал динамическую модель EMA и связанные с ней модели размеров компонентов¹⁴. Стоимость, вес, срок службы усталости, мощность, физические ограничения и т. Д. Были задействованы в анализе моделирования, но надежность и эффективность управления не были включены. Предложена динамическая модель для оптимизации конструкции гидравлической гибридной трансмиссии¹⁵. Мощность, эффективность, управление и т. Д. Могли быть смоделированы, но надежность и срок службы не учитывались. Предложены модели для анализа системы управления полетом на основе EHA, в рамках которой использовались простые уравнения передачи мощности и весовые функции¹⁶. С учетом того, что эти модели использовались для анализа на уровне автотранспортных средств и на уровне миссий, ограниченный охват характеристик моделей является уместным. Как основной компонент EHA, серводвигатели привлекли отдельное внимание в отношении моделирования и проектирования, и результаты также поучительны для разработки модели EHA. Тепловые сети, весовые модели и т. Д. Также могут быть рассмотрены для моделирования EHA 17,18,19. В рецензируемой литературе указывается, что даже с учетом результатов от продуктов, связанных с EVDP, разработанные модели не анализируют все влиятельные эксплуатационные характеристики продуктов для предварительного проектирования. Управляющая производительность, тепловые характеристики, надежность и срок службы – это атрибуты, которыми больше всего пренебрегали при построении моделей. Поэтому в данной работе предлагается модельный пакет, способный анализировать все наиболее влиятельные атрибуты производительности для предварительного проектирования EVDP. Анализ моделирования также представлен для лучшей иллюстрации функций модели. Эта статья является продолжением предыдущей публикации²⁰, поскольку она улучшает генерацию параметров, включает в себя модель жизненного цикла, модель надежности и модель управления, оптимизирует стоимость расчета, проверяет модель и проводит углубленный анализ моделирования и т. Д.

Обычный гидравлический блок управления поршневого насоса с переменным рабочим объемом заменяется электрическим приводом для повышения компактности и уменьшения рассеивания тепла, как показано на рисунке 1. Электрический привод состоит из шарико-винтового парового механизма, редуктора и синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM). Электрический привод соединяет перемычку через стержень для регулирования объема насоса. При применении в EHA вращательное положение плиты EVDP контролируется замкнутым контуром путем модуляции PMSM. Электрический привод интегрирован с поршневым насосом во взаимном корпусе, образуя неотъемлемую составляющую. Такая конструкция погружает электропривод в рабочую жидкость и тем самым усиливает эффекты многодоменной связи.

Поскольку EVDP является типичным многодоменным мехатронным продуктом, его предварительный дизайн играет важную роль в оптимизации компромиссов в его производительности на системном уровне и изложении требований к проектированию компонентов. Процесс проиллюстрирован на рисунке 2 на основе схемы проектирования на основе моделирования^10,12. Шаг 1 сначала анализирует выбранную архитектуру EVDP, как показано на рисунке 1, и заключает проектные параметры на основе заданных требований к производительности. Затем задача проектирования обычно преобразуется в задачу оптимизации для изучения оптимизации производительности EVDP. Это осуществляется путем преобразования проектных параметров в переменные оптимизации и преобразования требований к производительности в цели и ограничения. Стоит отметить, что проектные параметры необходимо классифицировать на активные, управляемые и эмпирические категории. В качестве переменных оптимизации используются только активные параметры из-за их особенностей независимости. Две другие категории автоматически генерируются оценкой по активным параметрам. Поэтому шаг 2 разрабатывает оценочные модели управляемых и эмпирических параметров. Эти инструменты оценки используются в каждой итерации оптимизации, а также на шаге 5 для формулирования всех необходимых параметров моделирования. На шаге 3 строятся вычислительные модели для каждой цели или ограничения оптимизации, которые отражают требуемую производительность. Эти модели должны быть вычислительно эффективными; в противном случае затраты на оптимизацию расчета будут неприемлемы. Шаг 4 выполняет расчет оптимизации, который обычно является многоцелевым и многодисциплинарным. В нем также рассматриваются неопределенности параметров на этапе предварительного проектирования. Шаг 5 строит общую модель спроектированного EVDP и использует ее для проверки результатов оптимизации путем моделирования EVDP при типичных рабочих циклах. Эта модель является окончательным инструментом для оценки предварительных результатов проектирования. Поэтому данная модель должна обладать высочайшей точностью и включать в себя все влиятельные характеристики в стиле плотной сцепки. Наконец, получены предварительные результаты проектирования и результаты определения размеров на системном уровне.

В данной статье основное внимание уделяется методу системного моделирования и имитационного моделирования EVDP, который включает в себя проведение анализа параметров на этапе 1 и выполнение шагов 2 и 5. Во-первых, параметры проектирования выводятся на основе архитектуры EVDP и требований к проектированию, и они классифицируются на три подкатегории. Во-вторых, модели оценки неактивных параметров разрабатываются на основе законов масштабирования, каталогов компонентов, эмпирических функций и т.д. В-третьих, общая модель EVDP построена с использованием междисциплинарных уравнений связи и дополнительных подмоделей времени службы и надежности, и модель частично проверяется экспериментами. Наконец, предыдущие результаты калибровки импортируются в построенную модель для выполнения имитационного анализа в типичных рабочих циклах. Производительность системного уровня выводится на основе результатов моделирования. Также оценивается чувствительность параметров и прочность конструкции. В результате в данной работе разрабатывается конкретный метод моделирования и имитационного моделирования для предварительного проектирования EVDP. Производительность EVDP для применения в EHA всесторонне прогнозируется. Предлагаемый метод выступает в качестве практического инструмента для разработки БВВЭ и ЭХА с переменным рабочим объемом для применений с высокой мощностью. Метод также может быть использован для разработки инструментов моделирования для других типов мехатронных продуктов. EVDP в этой статье относится к электромеханически управляемому насосу с переменным рабочим объемом, но электрогидравлически управляемый насос с переменным рабочим объемом выходит за рамки данной статьи.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Matlab и Simcenter Amesim (далее именуемые платформой системного моделирования) использовались в этом протоколе и перечислены в Таблице материалов. Однако предлагаемый протокол не ограничивается реализацией в этих двух программных приложениях. 1. Выбор и к…

Representative Results

В этом разделе представлены результаты, полученные в результате выполнения всех этапов протокола, которые являются частью шага 1, всего шага 2 и всего шага 5 метода предварительного проектирования EVDP на рисунке 2. Входная информация в протоколе включает схемы EVDP <strong class="x…

Discussion

Концепция и другие технические компоненты EVDP были представлены в предыдущих публикациях ^6,31, демонстрируя применимость и преимущества EVDP. Вместо того, чтобы изучать сам EVDP, в этом документе продолжалось изучение метода проектирования в связи с будущими ?…

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