Modellering og eksperimentell analyse av koaksialmotorpumpen med én aksel i elektrohydrostatiske aktuatorer
Summary
Vi bygde en simuleringsmodell for å evaluere pumpestrømningsegenskaper og ytelsen til koaksialmotorpumpeenheten med én aksel i elektrohydrostatiske aktuatorer og undersøke den totale effektiviteten i et bredt sett med arbeidsforhold for motor-pumpe-enheten eksperimentelt.
Abstract
En elektrohydrostatisk aktuator (EHA) kan være det mest lovende alternativet sammenlignet med de tradisjonelle hydrauliske servoaktuatorene for sin høye effekttetthet, enkle vedlikehold og pålitelighet. Som kjernekraftenheten som bestemmer ytelsen og levetiden til EHA, bør motorpumpeenheten samtidig ha et bredt hastighets- / trykkområde og en høy dynamisk respons.
Dette papiret presenterer en metode for å teste ytelsen til motor-pumpe montering gjennom simulering og eksperimentering. Strømningsutgangsegenskapene ble definert gjennom simulering og analyse av monteringen i begynnelsen av eksperimentet, noe som førte til konklusjonen om pumpen kunne oppfylle kravene til EHA. En serie ytelsestester ble utført på motorpumpeenheten via en pumpetestbenk i hastighetsområdet 1,450-9,000 o / min og trykkområdet 1-30 MPa.
Vi testet den totale effektiviteten til motor-pumpeenheten under forskjellige arbeidsforhold etter å ha bekreftet konsistensen mellom testresultatene av strømningsutgangsegenskapene med simuleringsresultatene. Resultatene viste at forsamlingen har høyere total effektivitet ved arbeid ved 4,500-7,000 o / min under trykket på 10-25 MPa og ved 2,000-2,500 o / min under 5-15 MPa. Samlet sett kan denne metoden brukes til å avgjøre på forhånd om motorpumpemonteringen oppfyller kravene til EHA. Videre foreslår dette papiret en rask testmetode for motorpumpemonteringen under forskjellige arbeidsforhold, noe som kan bidra til å forutsi EHA-ytelse.
Introduction
EHA er kjent som en typisk integrert aktuator med høy effekttetthet, og har brede utsikter innen områder som luftfart, luftfart, anleggsmaskiner og robotikk 1,2. EHA består hovedsakelig av en servomotor, pumpe, sylinder, trykkreservoar, ventilblokk, modusreguleringsventiler, modulreguleringsventiler og sensorer, som utgjør et høyt integrert, pumpestyrt, lukket hydraulisk system. Det skjematiske diagrammet og den fysiske modellen er vist i figur 1 3,4,5,6,7. Motorpumpeenheten er kjernekraften og kontrollkomponenten, og den bestemmer den statiske og dynamiske ytelsen til EHA7.
Den konvensjonelle motorpumpeenheten består av en separat motor og pumpe, hvis aksler er forbundet med en akselkobling8. Denne strukturen har betydelige negative effekter på ytelsen og levetiden til EHA. For det første vil både motoren og pumpen bære en relativt stor vibrasjon på grunn av monteringsnøyaktigheten, spesielt ved høy hastighet5. Vibrasjon vil ikke bare påvirke pumpens utgangsegenskaper, men også akselerere slitasjen på friksjonsgrensesnittene i pumpen, noe som fører til svikt i motorpumpeenheten9. For det andre må tetninger settes på akselenden av pumpen, noe som ikke fundamentalt kan forhindre lekkasje. I mellomtiden reduseres den mekaniske effektiviteten til motorpumpeenheten med økende friksjonsmotstand10. For det tredje vil den hyppige reverseringen av motorpumpeenheten akselerere slitasjen på koblingen og øke muligheten for tretthetsbrudd, noe som reduserer systempåliteligheten til EHA11,12.
Dermed ble det utviklet en koaksial motorpumpe med én aksel i et delt hus for å unngå disse manglene. Strukturen er vist i figur 2. En ikke-koblingsdesign er vedtatt i denne komponenten, noe som samtidig kan øke den dynamiske ytelsen og smørestatusen til motoren og pumpen. Denne koaksiale designen med én aksel sikrer justeringen av de to rotorene og forbedrer dynamisk balanse under høyhastighetsforhold. Videre eliminerer delte boliger fundamentalt lekkasje av akselenden.
Testing av utgangsegenskapene til EHA-motorpumpeenheten er av stor betydning for optimalisering og forbedring av EHA-ytelsen. Imidlertid er det relativt få studier på ytelsestesting av motorpumpeenheten, spesielt for EHAer. Derfor gjennomførte vi en testmetode for å kombinere simulering og eksperimenter. Denne metoden er egnet for testing av motorpumpeenheter med et bredt spekter av driftsforhold, spesielt EHA-pumper.
Det er to hovedutfordringer: Den første er å bygge en nøyaktig simuleringsmodell for å analysere utgangsstrømningsegenskapene til motorpumpen og gi hjelp til optimal utforming av motorpumpeenheten. Vi har etablert en simuleringsmodell av motorpumpeenheten gjennom hierarkisk modellering og realisert simuleringsanalysen av utgangsstrømmen ved å endre forskjellige parametere. Den andre er kavitasjonen av testelementet forårsaket av høy hastighet, som er det viktigste aspektet som skiller det fra vanlige pumper. Derfor fokuserte vi mer på utformingen av oljeforsyningssystemet når vi designet testsystemet for å realisere testen under ulike arbeidsforhold.
I denne protokollen ble det etablert en endimensjonal simuleringsmodell for å simulere pumpestrømningsegenskapene i utgangspunktet, og bedømme om pumpestrømningsegenskapene oppfyller kravene til EHA. Deretter ble strømningsegenskapene og den totale effektiviteten eksperimentelt testet på en dedikert testbenk, og oppnådde det totale effektivitetskartet som ikke kan simuleres nøyaktig ved simulering. Til slutt ble pumpestrømningsegenskapene sammenlignet med de eksperimentelle resultatene for å verifisere nøyaktigheten av simuleringsresultatene. I mellomtiden ble det samlede effektivitetskartet oppnådd for å evaluere ytelsen til koaksialmotorpumpeenheten med en aksel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Når du utfører disse eksperimentelle trinnene, er det viktig å sørge for at trykkmålepunktene er nær nok til pumpens oljeport, noe som i stor grad vil påvirke de eksperimentelle resultatene. I tillegg må du være oppmerksom på trykket på innløpsporten til motorpumpeenheten for å sikre at det ikke eksisterer kavitasjon, spesielt ved høyhastighets arbeidsforhold.
Denne metoden muliggjør en dynamisk justering av oljeforsyningstrykket, og realiserer en nøyaktig simulering av forskje…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Chinese Civil Aircraft Project [No. MJ-2017-S49] og 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 |
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).
