Un metodo di modellazione e simulazione per la progettazione preliminare di una pompa volumetricamente variabile

Summary

Un modello di simulazione che supporta specificamente la progettazione preliminare di una pompa a cilindrata elettrovariabile (EVDP) viene sviluppato e parzialmente verificato dagli esperimenti. Le prestazioni di controllo, la durata, l’affidabilità, ecc., Possono essere valutate utilizzando il modello proposto, che copre i principali requisiti prestazionali nell’ambito del compito di progettazione preliminare EVDP.

Abstract

Gli attuatori elettroidrostatici (EHA) sono stati considerevolmente studiati nel mondo accademico e le loro applicazioni in vari campi industriali si stanno espandendo. L’EHA a velocità variabile ha ora assunto la priorità sull’EHA a cilindrata variabile, ma il suo motore di guida e l’elettronica associata incontrano problemi quando applicati in applicazioni ad alta potenza: bassa dinamica, elevata dissipazione termica, prezzo elevato, ecc. Pertanto, è stato preso in considerazione un EHA a cilindrata variabile dotato di una pompa a cilindrata elettrovariabile (EVDP). L’EVDP stesso è un sistema meccatronico che integra una pompa a pistone, una vite a ricircolo di sfere, un riduttore e un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM). Di conseguenza, l’EVDP deve essere studiato per garantire le sue prestazioni a livello di sistema quando applicato in un EHA. Oltre alla precedente ricerca sui parametri tecnici dell’EVDP, è necessario un metodo di progettazione dedicato per ridurre ulteriormente il costo di utilizzo dell’EVDP ed esplorare il suo potenziale prestazionale. Qui, viene selezionato un metodo di progettazione preliminare EVDP basato sulla simulazione per la progettazione di un EVDP da 37 kW. In primo luogo, un modello multidisciplinare precedentemente proposto dell’EVDP viene esteso migliorando la generazione dei parametri, compresa la durata dell’EVDP, l’affidabilità, i modelli di controllo, ecc. In secondo luogo, il modello proposto viene parzialmente verificato utilizzando un prototipo ridimensionato. In terzo luogo, l’EVDP è simulato a livello di sistema, supportato dal modello proposto. Le prestazioni EVDP vengono valutate in base ai requisiti di progettazione specificati. La temperatura, la larghezza di banda e la precisione, l’affidabilità e la durata, ecc., Sono tutti previsti per l’EVDP. I risultati della simulazione dimostrano l’applicabilità dell’EVDP nell’EHA a spostamento variabile. Il metodo di modellazione e simulazione proposto può essere utilizzato per valutare diverse prestazioni EVDP e rispondere ai requisiti generali di progettazione. Il metodo può anche supportare la risoluzione delle sfide di progettazione preliminare in termini di informazioni limitate e robustezza. Pertanto, il metodo proposto è appropriato per la realizzazione del metodo di progettazione preliminare EVDP basato sulla simulazione.

Introduction

Gli attuatori elettroidrostatici (EHA) stanno ricevendo un crescente interesse per applicazioni come presse industriali, grandi macchine mobili, manipolatori di gru e controllo primario degli aeromobili grazie alla loro combinazione dei vantaggi di attuatori elettrici e attuatori idraulici¹. Si possono identificare due tipi fondamentali di EHA: EHA a velocità variabile e EHA a cilindrata variabile². Attualmente, l’EHA a velocità variabile è più popolare dell’EHA a cilindrata variabile grazie alla sua maggiore efficienza e semplicità. Tuttavia, insieme al livello di potenza più elevato dell’EHA, che è necessario nei veicoli pesanti, come i veicoli di lancio pesanti³ e i sottomarini⁴, il motore di guida e l’elettronica associata dell’EHA a velocità variabile hanno problemi legati a bassa dinamica, elevata dissipazione termica, prezzo elevato, ecc. Pertanto, l’EHA a cilindrata variabile viene riconsiderato per queste applicazioni ad alta potenza (>30 kW), poiché il suo controllo è realizzato tramite un dispositivo a bassa potenza che regola lo spostamento della pompa.

Una delle principali preoccupazioni che impedisce che l’EHA a cilindrata variabile venga presa come priorità è la sua ingombrante unità di controllo della cilindrata della pompa, che a sua volta è un sistema idraulico completo controllato da valvole. La pompa a cilindrata elettrovariabile (EVDP) è stata proposta per affrontare questo problema utilizzando un’unità di controllo della cilindrata elettrica compatta. Questo design migliora la compattezza, l’efficienza, ecc., dell’EHA a cilindrata variabile, che risolve in una certa misura la debolezza precedente. Pertanto, l’uso di EHA a cilindrata variabile per applicazioni ad alta potenza può essere facilitato utilizzando l’EVDP appena proposto. Tuttavia, la complessità dell’EVDP è significativamente maggiore rispetto alla pompa a cilindrata variabile convenzionale controllata idraulicamente in quanto integra componenti di diverse nuove discipline. Di conseguenza, sono emerse specifiche attività di ricerca basate su EVDP. Il nostro gruppo di ricerca ha avviato la ricerca EVDP⁵ e ha continuato a svilupparla⁶. Liu ha sviluppato l’EVDP per applicazioni EHA e ha eseguito test sperimentali⁷. Alcune aziende idrauliche forniscono anche prodotti EVDP. Oltre alla ricerca relativa ai componenti tecnici dell’EVDP, il metodo di progettazione per rispondere ai reali requisiti applicativi è anche significativo per migliorare la competenza dell’EVDP riducendo ulteriormente il costo dell’utilizzo degli EVDP ed esplorando il loro potenziale prestazionale. Pertanto, è necessario uno specifico metodo di progettazione preliminare EVDP per ottimizzare i compromessi nelle prestazioni a livello di sistema analizzando le discipline accoppiate. La progettazione preliminare basata sulla simulazione è di interesse per questo tipo di accoppiamento multidisciplinare di prodotti meccatronici⁸.

Sebbene non siano stati proposti modelli di simulazione specifici per la progettazione preliminare EVDP a causa del fatto che si tratta di un concetto appena proposto, molte ricerche sono state investite in prodotti meccatronici correlati. Un modello EHA dinamico è stato costruito per ottimizzare il peso, l’efficienza e le prestazioni di controllo nel progetto preliminare⁹, ma la durata, l’affidabilità, le caratteristiche termiche, ecc., Non sono stati coinvolti, che sono indici di prestazione essenziali che dovrebbero essere considerati nella progettazione preliminare. Un altro modello EHA dinamico è stato utilizzato anche per ottimizzare i costi, l’efficienza e le prestazioni di controllo¹⁰, e successivamente è stato sviluppato un modello termico per valutare le caratteristiche termiche dell’EHA¹¹ ottimizzato, ma l’affidabilità e la durata non sono state considerate. È stato presentato un metodo di progettazione preliminare completo dell’attuatore elettromeccanico (EMA)¹². Per questo metodo sono stati proposti modelli specifici con diverse funzioni in grado di analizzare caratteristiche diverse e sono stati sviluppati anche modelli di affidabilità e durata¹³. La resistenza meccanica, la capacità di potenza, le prestazioni termiche, ecc., Con la presente si poteva valutare, ma le prestazioni di controllo non erano coinvolte. Un altro metodo di progettazione preliminare EMA utilizzava un modello EMA dinamico e i modelli di dimensionamento dei componenti associati¹⁴. Il costo, il peso, la durata a fatica, la capacità di potenza, i vincoli fisici, ecc., Sono stati coinvolti nell’analisi di simulazione, ma l’affidabilità e le prestazioni di controllo non sono state incluse. È stato proposto un modello dinamico per la progettazione di ottimizzazione di una trasmissione ibrida idraulica¹⁵. La capacità di potenza, l’efficienza, il controllo, ecc., Potevano essere simulati, ma l’affidabilità e la durata non sono state considerate. Sono stati proposti modelli per l’analisi di un sistema di attuazione del controllo di volo basato su EHA, all’interno del quale sono state utilizzate semplici equazioni di trasmissione della potenza e funzioni di peso¹⁶. Considerando che i modelli sono stati utilizzati per analisi a livello di veicolo e di missione, la limitata copertura degli attributi dei modelli era appropriata. Come componente principale dell’EHA, i servomotori hanno attirato un’attenzione separata per quanto riguarda la modellazione e la progettazione, e i risultati sono anche istruttivi per lo sviluppo del modello EHA. Reti termiche, modelli di peso, ecc., Possono anche essere considerati per la modellazione EHA 17,18,19. La letteratura rivista indica che, anche considerando i risultati dei prodotti relativi all’EVDP, i modelli sviluppati non analizzano tutti gli attributi prestazionali influenti dei prodotti per la progettazione preliminare. Le prestazioni di controllo, le prestazioni termiche, l’affidabilità e la durata sono gli attributi che sono stati più trascurati nella costruzione dei modelli. Pertanto, questo documento propone un pacchetto di modelli in grado di analizzare tutti gli attributi prestazionali più influenti per il progetto preliminare EVDP. Viene inoltre presentata l’analisi di simulazione per illustrare meglio le funzioni del modello. Questo documento è un’estensione di una precedente pubblicazione²⁰, in quanto migliora la generazione dei parametri, coinvolge il modello di durata, il modello di affidabilità e il modello di controllo, ottimizza il costo di calcolo, convalida il modello e conduce analisi di simulazione approfondite, ecc.

La centralina idraulica convenzionale di una pompa a pistoni a cilindrata variabile viene sostituita con un attuatore elettrico per migliorare la compattezza e ridurre la dissipazione del calore, come mostrato nella Figura 1. L’attuatore elettrico è costituito da una vite a ricircolo di sfere, un riduttore e un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM). L’attuatore elettrico collega la piastra di lavaggio tramite una barra per regolare lo spostamento della pompa. Quando applicato in EHA, la posizione rotazionale della piastra di lavaggio EVDP è controllata a circuito chiuso modulando il PMSM. L’attuatore elettrico è integrato con la pompa a pistone in un caso comune per formare un componente integrale. Questo design immerge l’attuatore elettrico nel fluido di lavoro e rafforza gli effetti di accoppiamento multi-dominio.

Poiché l’EVDP è un tipico prodotto meccatronico multi-dominio, la sua progettazione preliminare svolge un ruolo essenziale nell’ottimizzazione dei compromessi nelle prestazioni a livello di sistema e nella definizione dei requisiti di progettazione dei componenti. Il processo è illustrato nella Figura 2 basata sullo schema di progettazione basato sulla simulazione^10,12. Il passaggio 1 analizza innanzitutto l’architettura EVDP selezionata, come nella Figura 1, e conclude i parametri di progettazione in base ai requisiti di prestazione specificati. Quindi, l’attività di progettazione viene solitamente trasformata in un problema di ottimizzazione per esplorare l’ottimizzazione delle prestazioni dell’EVDP. Ciò viene effettuato convertendo i parametri di progettazione in variabili di ottimizzazione e convertendo i requisiti di prestazione in obiettivi e vincoli. Vale la pena notare che i parametri di progettazione devono essere classificati in categorie attive, guidate ed empiriche. Solo i parametri attivi vengono utilizzati come variabili di ottimizzazione a causa delle loro caratteristiche di indipendenza. Le altre due categorie sono generate automaticamente dalla stima dai parametri attivi. Pertanto, la Fase 2 sviluppa i modelli di stima dei parametri guidati ed empirici. Questi strumenti di stima vengono utilizzati in ogni iterazione dell’ottimizzazione, nonché nel passaggio 5 per la formulazione di tutti i parametri di simulazione richiesti. Il passaggio 3 crea i modelli di calcolo per ogni obiettivo o vincolo di ottimizzazione, che riflette le prestazioni richieste. Questi modelli dovrebbero essere computazionalmente efficienti; in caso contrario, il costo di calcolo dell’ottimizzazione sarebbe inaccettabile. La fase 4 esegue il calcolo dell’ottimizzazione, che di solito è multi-obiettivo e multidisciplinare. Si occupa anche delle incertezze dei parametri nella fase di progettazione preliminare. La fase 5 costruisce un modello complessivo dell’EVDP progettato e lo utilizza per convalidare i risultati dell’ottimizzazione simulando l’EVDP in cicli di lavoro tipici. Questo modello è lo strumento definitivo per valutare i risultati preliminari del progetto. Pertanto, questo modello dovrebbe avere la massima fedeltà e coinvolgere tutte le caratteristiche influenti in uno stile di accoppiamento stretto. Infine, si ottengono i risultati preliminari delle prestazioni di progettazione e i risultati del dimensionamento a livello di sistema.

Questo documento si concentra sul metodo di modellazione e simulazione del sistema dell’EVDP, che prevede la conduzione dell’analisi dei parametri nella fase 1 e il completamento dei passaggi 2 e 5. In primo luogo, i parametri di progettazione sono derivati in base all’architettura EVDP e ai requisiti di progettazione e sono classificati in tre sottocategorie. In secondo luogo, i modelli di stima per i parametri non attivi sono sviluppati sulla base di leggi di scala, cataloghi di componenti, funzioni empiriche, ecc. In terzo luogo, il modello complessivo dell’EVDP è costruito utilizzando equazioni di accoppiamento multidisciplinari e sottomodelli aggiuntivi di durata e affidabilità, e il modello è parzialmente verificato da esperimenti. Infine, i risultati del dimensionamento precedente vengono importati nel modello costruito per eseguire analisi di simulazione in cicli di lavoro tipici. Le prestazioni a livello di sistema vengono dedotte in base ai risultati della simulazione. Vengono inoltre valutate la sensibilità dei parametri e la robustezza del progetto. Di conseguenza, questo documento sviluppa un metodo di modellazione e simulazione specifico per la progettazione preliminare EVDP. Le prestazioni dell’EVDP per l’applicazione nell’EHA sono previste in modo completo. Il metodo proposto si pone come uno strumento pratico per lo sviluppo di EVDP e EHA a cilindrata variabile per applicazioni ad alta potenza. Il metodo può anche essere indicato per lo sviluppo di strumenti di simulazione per altri tipi di prodotti meccatronici. L’EVDP in questo documento si riferisce alla pompa a cilindrata variabile controllata elettromeccanicamente, ma la pompa a cilindrata variabile controllata elettroidraulicamente è fuori dallo scopo di questo documento.

Protocol

NOTA: Matlab e Simcenter Amesim (di seguito denominata piattaforma di simulazione del sistema) sono stati utilizzati in questo protocollo e sono elencati nella Tabella dei materiali. Tuttavia, il protocollo proposto non si limita all’implementazione in queste due applicazioni software. 1. Selezione e classificazione dei parametri di progettazione EVDP (Fase 1 nella Figura 2). Smontare l’architettura dell…

Representative Results

In questa sezione vengono presentati i risultati ottenuti eseguendo tutte le fasi del protocollo, che costituiscono parte del passaggio 1, di tutto il passaggio 2 e di tutto il passaggio 5 del metodo di progettazione preliminare EVDP nella Figura 2. Le informazioni di input nel protocollo includono gli schemi EVDP nella Figura 1, i parametri attivi ottimizzati (chiariti nel passaggio 5.1.1.) dell’EVDP dal passaggio 4 della Figura 2 …

Discussion

Il concetto e altri componenti tecnici dell’EVDP sono stati presentati nelle precedenti pubblicazioni ^6,31, dimostrando l’applicabilità e i vantaggi dell’EVDP. Invece di studiare l’EVDP stesso, questo documento ha continuato a studiare il metodo di progettazione in relazione alle future esigenze applicative reali. Per questo tipo di prodotto di accoppiamento altamente integrato e multidisciplinare è necessario un metodo di progettazione specifico, che richiede …

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