النمذجة والتحليل التجريبي لمجموعة المضخة ذات المحرك المحوري أحادي المحور في المحركات الكهروهيدروستاتيكية
Summary
قمنا ببناء نموذج محاكاة لتقييم خصائص تدفق المضخة وأداء مجموعة مضخة المحرك المحورية أحادية العمود في المشغلات الكهروهيدروستاتيكية والتحقيق في الكفاءة الكلية في مجموعة واسعة من ظروف العمل لمجموعة مضخة المحرك تجريبيا.
Abstract
يمكن أن يكون المحرك الكهروهيدروستاتيكي (EHA) هو البديل الواعد مقارنة بمشغلات المؤازرة الهيدروليكية التقليدية لكثافة الطاقة العالية وسهولة الصيانة والموثوقية. باعتبارها وحدة الطاقة الأساسية التي تحدد أداء وعمر خدمة EHA ، يجب أن تمتلك مجموعة مضخة المحرك في نفس الوقت نطاق سرعة / ضغط واسع واستجابة ديناميكية عالية.
تقدم هذه الورقة طريقة لاختبار أداء مجموعة مضخة المحرك من خلال المحاكاة والتجريب. تم تحديد خصائص خرج التدفق من خلال محاكاة وتحليل التجميع في بداية التجربة ، مما أدى إلى استنتاج ما إذا كانت المضخة يمكن أن تلبي متطلبات EHA. تم إجراء سلسلة من اختبارات الأداء على مجموعة مضخة المحرك عبر منصة اختبار المضخة في نطاق سرعة 1450-9000 دورة في الدقيقة ونطاق ضغط من 1-30 ميجا باسكال.
اختبرنا الكفاءة الكلية لمجموعة مضخة المحرك في ظل ظروف عمل مختلفة بعد التأكد من الاتساق بين نتائج الاختبار لخصائص خرج التدفق مع نتائج المحاكاة. أظهرت النتائج أن التجميع يتمتع بكفاءة إجمالية أعلى عند العمل عند 4500-7000 دورة في الدقيقة تحت ضغط 10-25 ميجا باسكال وعند 2000-2500 دورة في الدقيقة تحت 5-15 ميجا باسكال. بشكل عام ، يمكن استخدام هذه الطريقة لتحديد ما إذا كانت مجموعة مضخة المحرك تلبي متطلبات EHA مسبقا. علاوة على ذلك ، تقترح هذه الورقة طريقة اختبار سريعة لتجميع مضخة المحرك في ظروف العمل المختلفة ، والتي يمكن أن تساعد في التنبؤ بأداء EHA.
Introduction
يعرف EHA بأنه مشغل متكامل عادة بكثافة طاقة عالية ، ولديه آفاق واسعة في مجالات مثل الفضاء والطيران وآلات البناء والروبوتات 1,2. يتكون EHA بشكل أساسي من محرك سيرفو ، ومضخة ، وأسطوانة ، وخزان مضغوط ، وكتلة صمام ، وصمامات تحكم في الوضع ، وصمامات تحكم في الوحدة ، وأجهزة استشعار ، تشكل نظاما هيدروليكيا مغلقا يتم التحكم فيه بدرجة عالية ويتم التحكم فيه بالمضخة. يظهر الرسم التخطيطي والنموذج المادي في الشكل 13،4،5،6،7. مجموعة مضخة المحرك هي القوة الأساسية ومكون التحكم ، وهي تحدد الأداء الثابت والديناميكي ل EHA7.
تتكون مجموعة مضخة المحرك التقليدية من محرك ومضخة منفصلين ، يتم توصيل مهاويهما بواسطة اقتران عمود8. هذا الهيكل له آثار سلبية كبيرة على أداء وعمر EHA. أولا ، سيتحمل كل من المحرك والمضخة اهتزازا كبيرا نسبيا بسبب دقة التجميع ، خاصة عند السرعة العالية5. لن يؤثر الاهتزاز على خصائص إخراج المضخة فحسب ، بل سيؤثر أيضا على تآكل واجهات الاحتكاك في المضخة ، مما يؤدي إلى فشل مجموعة مضخة المحرك9. ثانيا ، يجب وضع موانع التسرب في نهايات عمود المضخة ، والتي لا يمكنها منع التسرب بشكل أساسي. وفي الوقت نفسه ، تنخفض الكفاءة الميكانيكية لمجموعة مضخة المحرك مع زيادة مقاومة الاحتكاك10. ثالثا ، سيؤدي الانعكاس المتكرر لمجموعة مضخة المحرك إلى تسريع تآكل أداة التوصيل وزيادة إمكانية كسر التعب ، مما يقلل من موثوقية نظام EHA11,12.
وبالتالي ، تم تطوير مجموعة مضخة محرك محورية أحادية المحور داخل مسكن مشترك لتجنب أوجه القصور هذه. يظهر الهيكل في الشكل 2. تم اعتماد تصميم بدون اقتران في هذا المكون ، والذي يمكن أن يزيد في نفس الوقت من الأداء الديناميكي وحالة التشحيم للمحرك والمضخة. يضمن هذا التصميم المحوري أحادي العمود محاذاة الدوارين ويحسن التوازن الديناميكي في ظل ظروف السرعة العالية. علاوة على ذلك ، فإن السكن المشترك يزيل بشكل أساسي تسرب نهاية العمود.
يعد اختبار خصائص الإخراج لمجموعة مضخة المحرك EHA ذا أهمية كبيرة لتحسين وتحسين أداء EHA. ومع ذلك ، هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات حول اختبار أداء مجموعة مضخة المحرك ، خاصة بالنسبة ل EHAs. لذلك ، أجرينا طريقة اختبار للجمع بين المحاكاة والتجارب. هذه الطريقة مناسبة لاختبار مجموعات مضخات المحرك مع مجموعة واسعة من ظروف التشغيل ، وخاصة مضخات EHA.
هناك تحديان رئيسيان: الأول هو بناء نموذج محاكاة دقيق لتحليل خصائص تدفق الإخراج لمضخة المحرك وتقديم المساعدة للتصميم الأمثل لمجموعة مضخة المحرك. لقد أنشأنا نموذج محاكاة لتجميع مضخة المحرك من خلال النمذجة الهرمية وحققنا تحليل المحاكاة لتدفق الإخراج عن طريق تغيير المعلمات المختلفة. والثاني هو تجويف عنصر الاختبار الناجم عن السرعة العالية ، وهو الجانب الأكثر أهمية الذي يميزه عن المضخات العادية. لذلك ، ركزنا أكثر على تصميم نظام إمداد الزيت عند تصميم نظام الاختبار لتحقيق الاختبار في ظل ظروف العمل المختلفة.
في هذا البروتوكول ، تم إنشاء نموذج محاكاة أحادي البعد لمحاكاة خصائص تدفق المضخة في البداية ، والحكم على ما إذا كانت خصائص تدفق المضخة تلبي متطلبات EHA. بعد ذلك ، تم اختبار خصائص التدفق والكفاءة الكلية تجريبيا على منضدة اختبار مخصصة ، والحصول على خريطة الكفاءة الشاملة التي لا يمكن محاكاتها بدقة عن طريق المحاكاة. أخيرا ، تمت مقارنة خصائص تدفق المضخة مع النتائج التجريبية للتحقق من دقة نتائج المحاكاة. وفي الوقت نفسه ، تم الحصول على خريطة الكفاءة الشاملة لتقييم أداء مجموعة مضخة المحرك المحورية أحادية المحور.
Protocol
Representative Results
Discussion
عند إجراء هذه الخطوات التجريبية ، من المهم التأكد من أن نقاط قياس الضغط قريبة بدرجة كافية من منفذ الزيت للمضخة ، مما سيؤثر بشكل كبير على النتائج التجريبية. بالإضافة إلى ذلك ، انتبه إلى ضغط منفذ مدخل مجموعة مضخة المحرك لضمان عدم وجود تجويف ، خاصة في ظروف العمل عالية السرعة.
تت…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل مشروع الطائرات المدنية الصينية [No. MJ-2017-S49] ومؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية [No.2021M700331].
Materials
| AmeSim simulation platform | Siemens | Amesim 16 | |
| DAQ card | Advantech | PCI1710 | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.04E1RS, 0.02-4 L/min | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.4E1RS, 0.2-40 L/min | |
| Industrial Computer | Advantech | 610H | |
| Oil supply motor | Siemens | 1TL0001-1BB23-3JA5 | |
| Oil supply pump | Kangbaishi | P222RF01DT | |
| OriginPro | OriginLab Corporation | OriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200 | |
| Pressure sensor | Feejoy | PI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/50YV | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/315YV | |
| Spindle motor | HAOZHI | DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS | Max speed: 18,000 rpm; Power: 22 kW |
| Temperature sensor | Feejoy | TI-A42M1A180/30+F1 |
References
- Yu, B., Wu, S., Jiao, Z., Shang, Y. Multi-objective optimization design of an electrohydrostatic actuator based on a particle swarm optimization algorithm and an analytic hierarchy process. Energies. 11 (9), 2426 (2018).
- Chao, Q., et al. Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems. Energies. 11 (9), 2266 (2018).
- Zhao, J., et al. Experimental research on tribological characteristics of TiAlN coated valve plate in electro-hydrostatic actuator pumps. Tribology International. 155, 106782 (2021).
- Zhao, J., et al. Review of cylinder block/valve plate interface in axial piston pumps: Theoretical models, experimental investigations, and optimal design. Chinese Journal of Aeronautics. 34 (1), 111-134 (2021).
- Chao, Q., Zhang, J., Xu, B., Huang, H., Pan, M. A review of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps in aerospace applications: challenges and solutions. Journal of Mechanical Design. 141 (5), 050801 (2019).
- Fu, Y., et al. Design and performance analysis of position-based impedance control for an electrohydrostatic actuation system. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (3), 584-596 (2018).
- Alle, N., Hiremath, S. S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. Review on electro hydrostatic actuator for flight control. International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).
- Chakraborty, I., Mavris, D. N., Emeneth, M., Schneegans, A. A methodology for vehicle and mission level comparison of More Electric Aircraft subsystem solutions: Application to the flight control actuation system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 229 (6), 1088-1102 (2014).
- Zhang, T., He, D. A reliability-based robust design method for the sealing of slipper-swash plate friction pair in hydraulic piston pump. IEEE Transactions on Reliability. 67 (2), 459-469 (2018).
- Guo, S., Chen, J., Lu, Y., Wang, Y., Dong, H. Hydraulic piston pump in civil aircraft: current status, future directions and critical technologies. Chinese Journal of Aeronautics. 33 (1), 16-30 (2020).
- Habibi, S., Goldenberg, A. Design of a new high-performance electrohydraulic actuator. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 5 (2), 158-164 (1999).
- Xu, B., Hu, M., Zhang, J., Mao, Z. Distribution characteristics and impact on pump’s efficiency of hydro-mechanical losses of axial piston pump over wide operating ranges. Journal of Central South University. 24 (3), 609-624 (2017).
