Modellazione e analisi sperimentale del gruppo motore-pompa coassiale monoalbero in attuatori elettroidrostatici
Summary
Abbiamo costruito un modello di simulazione per valutare sperimentalmente le caratteristiche di flusso della pompa e le prestazioni del gruppo motopompa coassiale monoalbero negli attuatori elettroidrostatici e studiare sperimentalmente l’efficienza complessiva in un’ampia gamma di condizioni di lavoro del gruppo motore-pompa.
Abstract
Un attuatore elettroidrostatico (EHA) può essere l’alternativa più promettente rispetto ai tradizionali servoattuatori idraulici per la sua elevata densità di potenza, facilità di manutenzione e affidabilità. Come unità di potenza principale che determina le prestazioni e la durata dell’EHA, il gruppo motore-pompa deve possedere contemporaneamente un ampio intervallo di velocità/pressione e un’elevata risposta dinamica.
Questo documento presenta un metodo per testare le prestazioni del gruppo motore-pompa attraverso la simulazione e la sperimentazione. Le caratteristiche di portata sono state definite attraverso la simulazione e l’analisi dell’assemblaggio all’inizio dell’esperimento, portando alla conclusione se la pompa potesse soddisfare i requisiti dell’EHA. Una serie di test delle prestazioni sono stati condotti sul gruppo motore-pompa tramite un banco di prova della pompa nella gamma di velocità di 1.450-9.000 giri / min e nell’intervallo di pressione di 1-30 MPa.
Abbiamo testato l’efficienza complessiva del gruppo motore-pompa in varie condizioni di lavoro dopo aver confermato la coerenza tra i risultati dei test delle caratteristiche di uscita del flusso con i risultati della simulazione. I risultati hanno mostrato che l’assemblaggio ha una maggiore efficienza complessiva quando si lavora a 4.500-7.000 giri / min sotto la pressione di 10-25 MPa e a 2.000-2.500 giri / min sotto 5-15 MPa. Nel complesso, questo metodo può essere utilizzato per determinare in anticipo se il gruppo motore-pompa soddisfa i requisiti di EHA. Inoltre, questo documento propone un metodo di test rapido del gruppo motore-pompa in varie condizioni di lavoro, che potrebbe aiutare a prevedere le prestazioni EHA.
Introduction
Conosciuto come attuatore tipicamente integrato con alta densità di potenza, l’EHA ha ampie prospettive in settori quali aerospaziale, aviazione, macchine edili e robotica 1,2. L’EHA è costituito principalmente da un servomotore, pompa, cilindro, serbatoio pressurizzato, blocco valvole, valvole di controllo modale, valvole di controllo del modulo e sensori, costituendo un sistema idraulico chiuso altamente integrato, controllato da pompa. Il diagramma schematico e il modello fisico sono mostrati in Figura 1 3,4,5,6,7. Il gruppo motore-pompa è la potenza principale e il componente di controllo e determina le prestazioni statiche e dinamiche dell’EHA7.
Il gruppo motopompa convenzionale è costituito da un motore e una pompa separati, i cui alberi sono collegati da un giunto albero8. Questa struttura ha effetti negativi significativi sulle prestazioni e sulla durata dell’EHA. Innanzitutto, sia il motore che la pompa sopporteranno una vibrazione relativamente grande a causa della precisione di assemblaggio, specialmente ad alta velocità5. Le vibrazioni non solo influiscono sulle caratteristiche di uscita della pompa, ma accelerano anche l’usura delle interfacce di attrito nella pompa, portando al guasto del gruppo motore-pompa9. In secondo luogo, le guarnizioni devono essere posizionate alle estremità dell’albero della pompa, che non possono fondamentalmente impedire perdite. Nel frattempo, l’efficienza meccanica del gruppo motore-pompa diminuisce con l’aumentare della resistenza all’attrito10. In terzo luogo, la frequente inversione del gruppo motore-pompa accelererà l’usura del giunto e aumenterà la possibilità di frattura da fatica, riducendo l’affidabilità del sistema dell’EHA11,12.
Pertanto, è stato sviluppato un gruppo motore-pompa coassiale monoalbero all’interno di un alloggiamento condiviso per evitare queste carenze. La struttura è illustrata nella Figura 2. In questo componente viene adottato un design senza accoppiamento, che potrebbe aumentare contemporaneamente le prestazioni dinamiche e lo stato di lubrificazione del motore e della pompa. Questo design coassiale monoalbero assicura l’allineamento dei due rotori e migliora l’equilibrio dinamico in condizioni di alta velocità. Inoltre, l’alloggiamento condiviso elimina fondamentalmente le perdite dell’estremità dell’albero.
Il test delle caratteristiche di uscita del gruppo motore-pompa EHA è di grande importanza per l’ottimizzazione e il miglioramento delle prestazioni EHA. Tuttavia, esistono relativamente pochi studi sui test delle prestazioni del gruppo motore-pompa, in particolare per gli EHA. Pertanto, abbiamo condotto un metodo di test per combinare simulazione ed esperimenti. Questo metodo è adatto per testare gruppi motopompa con un’ampia gamma di condizioni operative, in particolare pompe EHA.
Le sfide principali sono due: la prima è costruire un modello di simulazione accurato per analizzare le caratteristiche del flusso di uscita della motopompa e fornire assistenza per la progettazione ottimale del gruppo motore-pompa. Abbiamo stabilito un modello di simulazione dell’assemblaggio motore-pompa attraverso la modellazione gerarchica e realizzato l’analisi di simulazione del flusso di uscita modificando diversi parametri. Il secondo è la cavitazione dell’elemento di prova causata dall’alta velocità, che è l’aspetto più importante che lo distingue dalle normali pompe. Pertanto, ci siamo concentrati maggiormente sulla progettazione del sistema di alimentazione dell’olio durante la progettazione del sistema di test per realizzare il test in varie condizioni di lavoro.
In questo protocollo, è stato stabilito un modello di simulazione unidimensionale per simulare inizialmente le caratteristiche di flusso della pompa, giudicando se le caratteristiche di flusso della pompa soddisfano i requisiti di EHA. Successivamente, le caratteristiche di flusso e l’efficienza complessiva sono state testate sperimentalmente su un banco prova dedicato, ottenendo la mappa dell’efficienza complessiva che non può essere accuratamente simulata dalla simulazione. Infine, le caratteristiche di portata della pompa sono state confrontate con i risultati sperimentali per verificare l’accuratezza dei risultati della simulazione. Nel frattempo, è stata ottenuta la mappa dell’efficienza complessiva per valutare le prestazioni del gruppo motore-pompa coassiale monoalbero.
Protocol
Representative Results
Discussion
Quando si eseguono queste fasi sperimentali, è importante assicurarsi che i punti di misurazione della pressione siano abbastanza vicini alla porta dell’olio della pompa, il che influenzerebbe notevolmente i risultati sperimentali. Inoltre, prestare attenzione alla pressione della porta di ingresso del gruppo motopompa per garantire che non esista cavitazione, specialmente in condizioni di lavoro ad alta velocità.
Questo metodo consente una regolazione dinamica della pressione di alimentazio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dal Chinese Civil Aircraft Project [No. MJ-2017-S49] e dalla China Postdoctoral Science Foundation [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 |
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