מידול וניתוח ניסיוני של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל פיר יחיד במפעילים אלקטרוהידרוסטטיים
Summary
בנינו מודל סימולציה כדי להעריך את מאפייני זרימת המשאבה ואת הביצועים של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר הבודד במפעילים אלקטרוהידרוסטטיים ולחקור את היעילות הכוללת במגוון רחב של תנאי עבודה של מכלול משאבת המנוע בניסוי.
Abstract
מפעיל אלקטרוהידרוסטטי (EHA) יכול להיות החלופה המבטיחה ביותר בהשוואה למפעילי הסרוו ההידראוליים המסורתיים בזכות צפיפות ההספק הגבוהה, קלות התחזוקה והאמינות שלו. כיחידת כוח הליבה הקובעת את הביצועים וחיי השירות של ה- EHA, מכלול משאבת המנוע צריך להיות בעל טווח מהירות/לחץ רחב ותגובה דינמית גבוהה.
מאמר זה מציג שיטה לבדיקת הביצועים של מכלול משאבת המנוע באמצעות סימולציה וניסויים. מאפייני תפוקת הזרימה הוגדרו באמצעות סימולציה וניתוח של המכלול בתחילת הניסוי, מה שהוביל למסקנה האם המשאבה יכולה לעמוד בדרישות ה- EHA. סדרה של בדיקות ביצועים נערכו על מכלול משאבת המנוע באמצעות ספסל בדיקת משאבה בטווח המהירות של 1,450-9,000 סל”ד וטווח הלחץ של 1-30 MPa.
בדקנו את היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים לאחר שאישרנו את העקביות בין תוצאות הבדיקה של מאפייני פלט הזרימה לבין תוצאות הסימולציה. התוצאות הראו כי למכלול יש יעילות כוללת גבוהה יותר בעת עבודה ב-4,500-7,000 סל”ד בלחץ של 10-25 MPa וב-2,000-2,500 סל”ד תחת 5-15 MPa. בסך הכל, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לקבוע מראש אם מכלול משאבת המנוע עומד בדרישות EHA. יתר על כן, מאמר זה מציע שיטת בדיקה מהירה של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים, אשר יכול לסייע בחיזוי ביצועי EHA.
Introduction
ידוע כמפעיל משולב בדרך כלל עם צפיפות הספק גבוהה, ל- EHA יש סיכויים רחבים בתחומים כגון תעופה וחלל, תעופה, מכונות בנייה ורובוטיקה 1,2. ה- EHA מורכב בעיקר ממנוע סרוו, משאבה, צילינדר, מאגר בלחץ, בלוק שסתום, שסתומי בקרת מצב, שסתומי בקרת מודולים וחיישנים, המהווים מערכת הידראולית משולבת מאוד, מבוקרת משאבה, סגורה. הדיאגרמה הסכמטית והמודל הפיזיקלי מוצגים באיור 1 3,4,5,6,7. מכלול משאבת המנוע הוא כוח הליבה ומרכיב הבקרה, והוא קובע את הביצועים הסטטיים והדינמיים של ה- EHA7.
מכלול משאבת המנוע הקונבנציונלי מורכב ממנוע ומשאבה נפרדים, שפירים שלהם מחוברים על ידי צימוד פיר8. למבנה זה יש השפעות שליליות משמעותיות על הביצועים והחיים של EHA. ראשית, גם המנוע וגם המשאבה יישאו רטט גדול יחסית בשל דיוק ההרכבה, במיוחד במהירות גבוהה5. הרטט לא רק ישפיע על מאפייני הפלט של המשאבה אלא גם יאיץ את הבלאי של ממשקי החיכוך במשאבה, מה שיוביל לכישלון מכלול המנוע-משאבה9. שנית, יש לקבוע איטום בקצות הפיר של המשאבה, אשר אינו יכול למנוע דליפה באופן יסודי. בינתיים, היעילות המכנית של מכלול משאבת המנוע פוחתת עם התנגדות חיכוך גוברת10. שלישית, ההיפוך התכוף של מכלול משאבת המנוע יאיץ את הבלאי של הצימוד ויגדיל את האפשרות לשבר עייפות, מה שיפחית את אמינות המערכת של EHA11,12.
לפיכך, מכלול משאבת מנוע קואקסיאלי בעל פיר יחיד בתוך בית משותף פותח כדי למנוע חסרונות אלה. המבנה מוצג באיור 2. עיצוב ללא צימוד מאומץ ברכיב זה, אשר יכול בו זמנית להגדיל את הביצועים הדינמיים ואת מצב הסיכה של המנוע והמשאבה. עיצוב קואקסיאלי יחיד זה מבטיח את היישור של שני הרוטורים ומשפר את האיזון הדינמי בתנאים של מהירות גבוהה. יתר על כן, דיור משותף מבטל באופן יסודי את דליפת קצה הפיר.
בדיקת מאפייני הפלט של מכלול משאבת המנוע EHA היא בעלת משמעות רבה לאופטימיזציה ולשיפור ביצועי EHA. עם זאת, ישנם מחקרים מעטים יחסית על בדיקות ביצועים של מכלול משאבת המנוע, במיוחד עבור EHAs. לכן, ערכנו שיטת בדיקה של שילוב סימולציה וניסויים. שיטה זו מתאימה לבדיקת מכלולי משאבת מנוע עם מגוון רחב של תנאי הפעלה, במיוחד משאבות EHA.
ישנם שני אתגרים עיקריים: הראשון הוא לבנות מודל סימולציה מדויק כדי לנתח את מאפייני זרימת הפלט של משאבת המנוע ולספק סיוע לתכנון אופטימלי של מכלול משאבת המנוע. הקמנו מודל סימולציה של מכלול משאבת המנוע באמצעות מודלים היררכיים ומימשנו את ניתוח הסימולציה של זרימת הפלט על ידי שינוי פרמטרים שונים. השני הוא cavitation של אלמנט הבדיקה הנגרמת על ידי מהירות גבוהה, שהוא ההיבט החשוב ביותר המבדיל אותו משאבות רגילות. לכן, התמקדנו יותר בתכנון מערכת אספקת השמן בעת תכנון מערכת הבדיקה כדי לממש את הבדיקה בתנאי עבודה שונים.
בפרוטוקול זה הוקם מודל סימולציה חד מימדי כדי לדמות את מאפייני זרימת המשאבה בתחילה, תוך שיפוט אם מאפייני זרימת המשאבה עומדים בדרישות EHA. לאחר מכן, מאפייני הזרימה והיעילות הכוללת נבדקו באופן ניסיוני על ספסל בדיקה ייעודי, וקיבלו את מפת היעילות הכוללת שלא ניתן לדמות במדויק על ידי סימולציה. לבסוף, מאפייני זרימת המשאבה הושוו לתוצאות הניסוי כדי לאמת את דיוק תוצאות הסימולציה. בינתיים, מפת היעילות הכוללת התקבלה כדי להעריך את הביצועים של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר היחיד.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעת ביצוע שלבי ניסוי אלה, חשוב לוודא שנקודות מדידת הלחץ קרובות מספיק לנמל הנפט של המשאבה, מה שישפיע מאוד על תוצאות הניסוי. בנוסף, לשים לב ללחץ של יציאת הכניסה של הרכבה משאבת המנוע כדי להבטיח כי לא קיים cavitation, במיוחד בתנאי עבודה במהירות גבוהה.
שיטה זו מאפשרת התאמה דינמית של לחץ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי פרויקט המטוסים האזרחיים הסיני [מס’ MJ-2017-S49] וקרן המדע הפוסט-דוקטורט של סין [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).
