En modellerings- och simuleringsmetod för preliminär design av en elektrovariabel förskjutningspump

Summary

En simuleringsmodell som specifikt stöder den preliminära utformningen av en elektrovariabel förskjutningspump (EVDP) utvecklas och verifieras delvis genom experiment. Kontrollprestanda, livslängd, tillförlitlighet etc. kan alla utvärderas med hjälp av den föreslagna modellen, som täcker de viktigaste prestandakraven enligt EVDP: s preliminära designuppgift.

Abstract

Elektrohydrostatiska ställdon (EPA) har forskats avsevärt inom akademin, och deras tillämpningar inom olika industriområden expanderar. EHA med variabel hastighet har nu prioriterats framför EHA med variabel förskjutning, men dess drivmotor och tillhörande elektronik stöter på problem när den appliceras i applikationer med hög effekt: lågdynamik, hög termisk avledning, högt pris etc. Därför har en EHA med variabel förskjutning utrustad med en elektrovariabel förskjutningspump (EVDP) övervägts. EVDP i sig är ett mekatroniskt system som integrerar en kolvpump, en kulskruv, en växellåda och en permanentmagnet synkronmotor (PMSM). Följaktligen måste EVDP undersökas för att säkerställa dess prestanda på systemnivå när den tillämpas i en EHA. Förutom den tidigare forskningen om de tekniska parametrarna för EVDP är en dedikerad designmetod nödvändig för att ytterligare minska kostnaden för att använda EVDP och utforska dess prestandapotential. Här väljs en simuleringsbaserad EVDP preliminär designmetod för att designa en 37 kW EVDP. För det första utökas en tidigare föreslagen tvärvetenskaplig modell av EVDP genom att förbättra parametergenereringen, inklusive EVDP-livslängd, tillförlitlighet, kontrollmodeller etc. För det andra verifieras den föreslagna modellen delvis med hjälp av en förminskad prototyp. För det tredje simuleras EVDP på systemnivå, med stöd av den föreslagna modellen. EVDP-prestandan utvärderas enligt de angivna designkraven. Temperaturen, bandbredden och noggrannheten, tillförlitligheten och livslängden etc. förutspås alla för EVDP. Simuleringsresultaten visar EVDP: s tillämplighet i EHA med variabel förskjutning. Den föreslagna modellerings- och simuleringsmetoden kan användas för att utvärdera olika EVDP-prestanda och svara på allmänna designkrav. Metoden kan också stödja lösningen av de preliminära designutmaningarna i form av begränsad information och robusthet. Därför är den föreslagna metoden lämplig för förverkligandet av den simuleringsbaserade EVDP-preliminära designmetoden.

Introduction

Elektrohydrostatiska ställdon (EHA) får ett ökande intresse för applikationer som industripressar, stora mobila maskiner, kranmanipulatorer och primär flygplanskontroll på grund av deras kombination av fördelarna med både elektriska ställdon och hydrauliska ställdon¹. Två grundläggande typer av EPA kan identifieras: EHA med variabel hastighet och EHAs med variabel förskjutning². För närvarande är EHA med variabel hastighet mer populär än EHA med variabel förskjutning på grund av dess högre effektivitet och enkelhet. Men tillsammans med den högre effektnivån för EHA, som behövs i tunga fordon, såsom tunga lanseringsfordon³ och ubåtar⁴, har drivmotorn och tillhörande elektronik i EHA med variabel hastighet problem relaterade till låg dynamik, hög termisk avledning, högt pris etc. Därför omprövas EHA med variabel förskjutning för dessa applikationer med hög effekt (>30 kW), eftersom dess kontroll realiseras via en enhet med låg effekt som reglerar pumpförskjutningen.

Ett stort problem som förhindrar att EHA med variabel förskjutning prioriteras är dess besvärliga pumpförskjutningsstyrenhet, som i sig är ett komplett ventilstyrt hydraulsystem. Den elektrovariabla förskjutningspumpen (EVDP) har föreslagits för att lösa detta problem genom att använda en kompakt elektrisk förskjutningsstyrenhet. Denna design förbättrar kompaktiteten, effektiviteten etc. hos EHA med variabel förskjutning, vilket löser den tidigare svagheten till en viss grad. Därför kan användningen av EPA med variabel förskjutning för högeffektstillämpningar underlättas genom användning av den nyligen föreslagna EVDP. Komplexiteten hos EVDP är dock betydligt större jämfört med den konventionella hydrauliskt styrda pumpen med variabel förskjutning eftersom den integrerar komponenter från flera nya discipliner. Följaktligen har specifik EVDP-baserad forskningsverksamhet uppstått. Vår forskargrupp startade EVDP-forskningen⁵ och har fortsatt att utveckla den⁶. Liu utvecklade EVDP för EHA-applikationer och utförde experimentella tester⁷. Vissa hydrauliska företag tillhandahåller också EVDP-produkter. Förutom forskningen om de tekniska komponenterna i EVDP är designmetoden för att svara på verkliga applikationskrav också viktig för att förbättra EVDP: s kompetens genom att ytterligare minska kostnaden för att använda EVDP och utforska deras prestandapotential. Därför är en specifik evdp-preliminär designmetod nödvändig för att optimera avvägningar i dess prestanda på systemnivå genom att analysera dess kopplade discipliner. Den simuleringsbaserade preliminära designen är av intresse för denna typ av tvärvetenskaplig koppling av mekatroniska produkter⁸.

Även om inga specifika simuleringsmodeller för EVDP preliminär design har föreslagits på grund av att det är ett nyligen föreslaget koncept, har mycket forskning investerats i relaterade mekatroniska produkter. En dynamisk EHA-modell har byggts för att optimera vikt, effektivitet och kontrollprestanda i preliminär design⁹, men livslängden, tillförlitligheten, termiska egenskaper etc. var inte inblandade, vilket är viktiga prestandaindex som bör beaktas i preliminär design. En annan dynamisk EHA-modell har också använts för att optimera kostnad, effektivitet och kontrollprestanda¹⁰, och en termisk modell utvecklades därefter för att utvärdera de termiska egenskaperna hos den optimerade EHA¹¹, men tillförlitligheten och livslängden beaktades inte. En omfattande elektromekanisk ställdonsmetod (EMA) har presenterats¹². Specifika modeller med olika funktioner som kan analysera olika egenskaper har föreslagits för denna metod, och tillförlitlighets- och livslängdsmodeller har också utvecklats¹³. Den mekaniska hållfastheten, effektförmågan, termiska prestandan etc. kunde härmed utvärderas, men kontrollprestandan var inte inblandad. En annan preliminär designmetod från EMA använde en dynamisk EMA-modell och tillhörande komponentstorleksmodeller¹⁴. Kostnad, vikt, utmattningslivslängd, effektkapacitet, fysiska begränsningar etc. var inblandade i simuleringsanalysen, men tillförlitlighet och kontrollprestanda inkluderades inte. En dynamisk modell föreslogs för optimeringsdesign av en hydraulisk hybriddrivlina¹⁵. Effektkapaciteten, effektiviteten, kontrollen etc. kunde simuleras, men tillförlitligheten och livslängden beaktades inte. Modeller för analys av ett EHA-baserat flygkontrollmanövreringssystem har föreslagits, inom vilka enkla kraftöverföringsekvationer och viktfunktioner användes¹⁶. Med tanke på att modellerna användes för analyser på fordonsnivå och uppdragsnivå var modellernas begränsade attributtäckning lämplig. Som en viktig komponent i EHA har servomotorer väckt separat uppmärksamhet när det gäller modellering och design, och resultaten är också lärorika för EHA-modellutveckling. Termiska nätverk, viktmodeller etc. kan också övervägas för EHA-modellering 17,18,19. Den granskade litteraturen indikerar att även med tanke på resultaten från produkter relaterade till EVDP analyserar de utvecklade modellerna inte alla inflytelserika prestandaattribut för produkterna för den preliminära designen. Kontrollprestanda, termisk prestanda, tillförlitlighet och livslängd är de attribut som har försummats mest vid konstruktionen av modellerna. Därför föreslår detta dokument ett modellpaket som kan analysera alla de mest inflytelserika prestandaattributen för EVDP:s preliminära design. Simuleringsanalysen presenteras också för att bättre illustrera modellfunktionerna. Detta dokument är en förlängning av en tidigare publikation²⁰, eftersom det förbättrar parametergenereringen, involverar livstidsmodellen, tillförlitlighetsmodellen och kontrollmodellen, optimerar beräkningskostnaden, validerar modellen och genomför djupgående simuleringsanalys etc.

Den konventionella hydrauliska styrenheten för en kolvpump med variabel förskjutning ersätts med ett elektriskt ställdon för att förbättra kompaktiteten och minska värmeavledningen, som visas i figur 1. Det elektriska ställdonet består av en kulskruv, en växellåda och en permanentmagnetsynkronmotor (PMSM). Det elektriska ställdonet ansluter swashplattan via en stång för att reglera pumpens förskjutning. När evdp-swashplate-rotationspositionen appliceras i EPA:er styrs den med sluten slinga genom att PMSM moduleras. Det elektriska ställdonet är integrerat med kolvpumpen i ett ömsesidigt fodral för att bilda en integrerad komponent. Denna konstruktion sänker ner det elektriska ställdonet i arbetsvätskan och stärker därmed flerdomänkopplingseffekterna.

Eftersom EVDP är en typisk mekatronisk produkt med flera domäner spelar dess preliminära design en viktig roll för att optimera avvägningar i dess prestanda på systemnivå och beskriva komponentdesignkraven. Processen illustreras i figur 2 baserat på det simuleringsbaserade designschemat^10,12. Steg 1 analyserar först den valda EVDP-arkitekturen, som i figur 1, och avslutar designparametrarna baserat på de angivna prestandakraven. Sedan omvandlas designuppgiften vanligtvis till ett optimeringsproblem för att utforska prestandaoptimeringen av EVDP. Detta utförs genom att konvertera designparametrarna till optimeringsvariabler och konvertera prestandakraven till mål och begränsningar. Det är värt att notera att designparametrarna måste klassificeras i aktiva, drivna och empiriska kategorier. Endast de aktiva parametrarna används som optimeringsvariabler på grund av deras oberoendefunktioner. De andra två kategorierna genereras automatiskt genom uppskattning från de aktiva parametrarna. Därför utvecklar steg 2 estimeringsmodellerna för de drivna och empiriska parametrarna. Dessa uppskattningsverktyg används i varje iteration av optimeringen, liksom i steg 5 för att formulera alla nödvändiga simuleringsparametrar. Steg 3 skapar beräkningsmodellerna för varje optimeringsmål eller begränsning, vilket återspeglar den prestanda som krävs. Dessa modeller bör vara beräkningsmässigt effektiva; annars skulle optimeringsberäkningskostnaden vara oacceptabel. Steg 4 utför optimeringsberäkningen, som vanligtvis är multimål och tvärvetenskaplig. Det handlar också om parameterosäkerheterna i den preliminära designfasen. Steg 5 konstruerar en övergripande modell av den designade EVDP och använder den för att validera optimeringsresultaten genom att simulera EVDP under typiska arbetscykler. Denna modell är det ultimata verktyget för att utvärdera de preliminära designresultaten. Därför bör denna modell ha högsta trohet och involvera alla inflytelserika egenskaper i en tät kopplingsstil. Slutligen erhålls de preliminära designprestandaresultaten och dimensioneringsresultaten på systemnivå.

Detta dokument fokuserar på systemmodellerings- och simuleringsmetoden för EVDP, vilket innebär att man utför parameteranalysen i steg 1 och slutför steg 2 och 5. För det första härleds designparametrarna baserat på EVDP-arkitekturen och designkraven, och de klassificeras i tre underkategorier. För det andra utvecklas estimeringsmodellerna för de icke-aktiva parametrarna baserat på skalningslagar, komponentkataloger, empiriska funktioner etc. För det tredje konstrueras den övergripande modellen för EVDP med hjälp av tvärvetenskapliga kopplingsekvationer och ytterligare undermodeller för livslängd och tillförlitlighet, och modellen verifieras delvis genom experiment. Slutligen importeras de tidigare storleksresultaten till den konstruerade modellen för att utföra simuleringsanalys under typiska arbetscykler. Prestanda på systemnivå härleds baserat på simuleringsresultaten. Parameterkänsligheten och designens robusthet utvärderas också. Som ett resultat utvecklar detta dokument en specifik modellerings- och simuleringsmetod för EVDP preliminär design. EVDP: s prestanda för tillämpning i EHA förutspås omfattande. Den föreslagna metoden står som ett praktiskt verktyg för att utveckla EVDP och EPA med variabel förskjutning för applikationer med hög effekt. Metoden kan också användas för att utveckla simuleringsverktyg för andra typer av mekatroniska produkter. EVDP i detta dokument hänvisar till den elektromekaniskt styrda pumpen med variabel förskjutning, men den elektrohydrauliskt styrda pumpen med variabel förskjutning omfattas inte av detta papper.

Protocol

OBS: Matlab och Simcenter Amesim (nedan kallad systemsimuleringsplattform) användes i detta protokoll och listas i materialförteckningen. Det föreslagna protokollet är dock inte begränsat till implementering i dessa två program. 1. Välja och klassificera EVDP-designparametrarna (steg 1 i figur 2). Demontera EVDP: s arkitektur i figur 1 i en kolvpumpenhet, en kulskruv,…

Representative Results

I det här avsnittet presenteras resultaten från utförandet av alla protokollsteg, som utgör en del av steg 1, hela steg 2 och hela steg 5 i den preliminära EVDP-designmetoden i figur 2. Indatainformationen i protokollet inkluderar EVDP-scheman i figur 1, de optimerade aktiva parametrarna (förtydligade i steg 5.1.1.) i EVDP från steg 4 i figur 2 och EVDP-prestandasimuleringsuppgifterna, som relaterar till EVDP-designkraven. Re…

Discussion

Konceptet och andra tekniska komponenter i EVDP har presenterats i tidigare publikationer ^6,31, vilket visar tillämpligheten och fördelarna med EVDP. Istället för att studera själva EVDP fortsatte detta dokument att studera designmetoden i förhållande till framtida verkliga applikationsbehov. En specifik designmetod är nödvändig för denna typ av högintegrerad och tvärvetenskaplig kopplingsprodukt, vilket kräver känsliga prestandaavvägningar och op…

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