Summary
Construímos um modelo de simulação para avaliar as características de fluxo da bomba e o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único em atuadores eletro-hidrostáticos e investigar a eficiência geral em um amplo conjunto de condições de trabalho do conjunto motor-bomba experimentalmente.
Abstract
Um atuador eletro-hidrostático (EHA) pode ser a alternativa mais promissora em comparação com os servo-atuadores hidráulicos tradicionais por sua alta densidade de potência, facilidade de manutenção e confiabilidade. Como a unidade de potência central que determina o desempenho e a vida útil do EHA, o conjunto motor-bomba deve possuir simultaneamente uma ampla faixa de velocidade/pressão e uma alta resposta dinâmica.
Este trabalho apresenta um método para testar o desempenho do conjunto motor-bomba através de simulação e experimentação. As características de saída de vazão foram definidas por meio de simulação e análise da montagem no início do experimento, levando à conclusão de se a bomba poderia atender aos requisitos do EHA. Uma série de testes de desempenho foram realizados no conjunto motor-bomba através de um banco de ensaio de bomba na faixa de velocidade de 1.450-9.000 rpm e na faixa de pressão de 1-30 MPa.
Testamos a eficiência geral do conjunto motor-bomba sob várias condições de trabalho depois de confirmar a consistência entre os resultados do teste das características de saída de fluxo com os resultados da simulação. Os resultados mostraram que o conjunto tem maior eficiência geral ao trabalhar a 4.500-7.000 rpm sob a pressão de 10-25 MPa e a 2.000-2.500 rpm sob 5-15 MPa. No geral, esse método pode ser utilizado para determinar com antecedência se o conjunto motor-bomba atende aos requisitos do EHA. Além disso, este trabalho propõe um método de teste rápido do conjunto motor-bomba em várias condições de trabalho, o que poderia auxiliar na previsão do desempenho do EHA.
Introduction
Conhecido como um atuador tipicamente integrado com alta densidade de potência, o EHA tem amplas perspectivas em áreas como aeroespacial, aviação, máquinas de construção e robótica 1,2. O EHA consiste principalmente em um servomotor, bomba, cilindro, reservatório pressurizado, bloco de válvulas, válvulas de controle de modo, válvulas de controle de módulo e sensores, constituindo um sistema hidráulico fechado altamente integrado, controlado por bomba. O diagrama esquemático e o modelo físico são mostrados na Figura 1 3,4,5,6,7. O conjunto motor-bomba é a potência central e o componente de controle, e determina o desempenho estático e dinâmico do EHA7.
O conjunto moto-bomba convencional consiste em um motor e uma bomba separados, cujos eixos são conectados por um acoplamento de eixo8. Esta estrutura tem efeitos negativos significativos no desempenho e na vida útil do EHA. Primeiro, tanto o motor quanto a bomba suportarão uma vibração relativamente grande devido à precisão da montagem, especialmente em alta velocidade5. A vibração não só afetará as características de saída da bomba, mas também acelerará o desgaste das interfaces de atrito na bomba, levando à falha do conjunto motor-bomba9. Em segundo lugar, as vedações devem ser colocadas nas extremidades do eixo da bomba, o que não pode fundamentalmente impedir vazamentos. Enquanto isso, a eficiência mecânica do conjunto motor-bomba diminui com o aumento da resistência ao atrito10. Em terceiro lugar, a reversão frequente do conjunto motor-bomba acelerará o desgaste do acoplamento e aumentará a possibilidade de fratura por fadiga, reduzindo a confiabilidade do sistema do EHA11,12.
Assim, um conjunto de motor-bomba coaxial de eixo único dentro de uma carcaça compartilhada foi desenvolvido para evitar essas deficiências. A estrutura é mostrada na Figura 2. Um projeto sem acoplamento é adotado neste componente, o que poderia aumentar simultaneamente o desempenho dinâmico e o status de lubrificação do motor e da bomba. Este projeto coaxial de eixo único garante o alinhamento dos dois rotores e melhora o equilíbrio dinâmico em condições de alta velocidade. Além disso, a carcaça compartilhada elimina fundamentalmente o vazamento da extremidade do eixo.
Testar as características de saída do conjunto motor-bomba EHA é de grande importância para a otimização e melhoria do desempenho do EHA. No entanto, existem relativamente poucos estudos sobre testes de desempenho do conjunto motor-bomba, especialmente para EHAs. Portanto, realizamos um método de teste de combinação de simulação e experimentos. Este método é adequado para testar conjuntos de motobombas com uma ampla gama de condições de operação, especialmente bombas EHA.
Existem dois desafios principais: o primeiro é construir um modelo de simulação preciso para analisar as características do fluxo de saída da motobomba e fornecer assistência para o projeto ideal do conjunto motobomba. Estabelecemos um modelo de simulação do conjunto motor-bomba através de modelagem hierárquica e realizamos a análise de simulação do fluxo de saída alterando diferentes parâmetros. O segundo é a cavitação do elemento de teste causada por alta velocidade, que é o aspecto mais importante que o distingue das bombas comuns. Portanto, nos concentramos mais no projeto do sistema de fornecimento de óleo ao projetar o sistema de teste para realizar o teste sob várias condições de trabalho.
Neste protocolo, um modelo de simulação unidimensional foi estabelecido para simular as características de fluxo da bomba inicialmente, julgando se as características de fluxo da bomba atendem aos requisitos da EHA. Em seguida, as características de fluxo e a eficiência geral foram testadas experimentalmente em uma bancada de testes dedicada, obtendo o mapa de eficiência geral que não pode ser simulado com precisão por simulação. Por fim, as características de vazão da bomba foram comparadas com os resultados experimentais para verificar a acurácia dos resultados da simulação. Enquanto isso, o mapa geral de eficiência foi obtido para avaliar o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Simulação das características de fluxo da bomba
- Construa o modelo de simulação do conjunto motor-bomba. Abra a plataforma de simulação AMESim e entre no modo SKETCH .
- Construir o modelo de simulação para um único pistão de acordo com o modelo matemático cinemático e a curva de distribuição (Figura 3). Encapsular o modelo de pistão único como um super componente (Figura 4).
NOTA: O principal modelo matemático cinemático do pistão (Eq (1)) produz:
(1)
Nesta equação, x é o deslocamento absoluto do pistão, β é o ângulo de inclinação da placa de oscilação, φ é o ângulo de fase do pistão, R f é o raio de distribuição do bloco de cilindros, df é o diâmetro de distribuição do bloco de cilindros. - Construir o modelo de bomba considerando o vazamento e atrito da placa valvar (Figura 4). Para construir o módulo de placa de válvula, concentre-se principalmente no atrito viscoso e no efeito de estrangulamento da interface de pistão/bloco de cilindro e interface de placa de deslizamento/swash.
- Construa o modelo do motor através de um módulo de torque ideal (Figura 4). Use um módulo de torque ideal para simular o motor, ignorando a perda de ferro, a perda de cobre e a perda de agitação do motor.
- Construir o modelo de simulação para um único pistão de acordo com o modelo matemático cinemático e a curva de distribuição (Figura 3). Encapsular o modelo de pistão único como um super componente (Figura 4).
- Defina os principais parâmetros do modelo de montagem motor-bomba.
- Defina os parâmetros do conjunto motor-bomba de acordo com a Tabela 1. Entre no modo PARAMETER e defina os parâmetros principais clicando duas vezes no componente específico no modelo de simulação. Regule a velocidade de rotação e a pressão de ensaio de acordo com o quadro 2.
- Defina os parâmetros de pré-execução do modelo: Hora de início: 0 s, Hora final: 1 s, Intervalo de impressão: 1 ms.
- Execute previamente a simulação para alcançar o estado estacionário.
- Execute a simulação e verifique se o sistema atingirá o estado estacionário no final da simulação. Se o sistema atingir o estado estacionário, marque a opção Usar valores finais antigos na janela Executar parâmetros . Caso contrário, redefina a hora final na etapa 1.2.1 para 2 s ou até mais e repita a etapa 1.2.2 até que o sistema atinja o estado estacionário.
- Defina os parâmetros de execução do modelo: Hora de início: 0 s, Hora final: 0,2s, Intervalo de impressão: 0,002 ms.
- Execute a simulação e salve os dados da simulação.
NOTA: Repita as etapas 1.2.1-1.2.4 para uma condição de trabalho específica; salve os dados após a simulação. - Exporte os dados de simulação e plote o contorno característico de fluxo do conjunto motor-bomba no OriginPro. Calcular o valor do caudal da bomba como a média do caudal da bomba registado no prazo de 0,2 s.
- Determinação das características do caudal de saída
- Plotar a curva de fluxo de saída do conjunto motor-bomba na velocidade máxima sob diferentes condições de pressão.
- Calcule a taxa de fluxo de saída necessária da bomba de acordo com a velocidade máxima específica do EHA e plote a curva de vazão de saída necessária em diferentes condições de pressão.
- Certifique-se de que a curva de vazão necessária do EHA seja envolvida pela curva de taxa de fluxo de saída do conjunto motor-bomba.
(1)2. Criação da plataforma experimental
- Estabeleça a bancada de teste.
- Preparar os componentes hidráulicos da bancada de ensaio de acordo com a Tabela 3. Verifique se os principais parâmetros de cada componente atendem aos requisitos listados na Tabela 3.
- Projetar e fabricar os blocos de válvulas hidráulicas e construir um sistema hidráulico de acordo com o diagrama esquemático hidráulico (Figura 5). Certifique-se de que as posições relativas dos componentes sejam as mesmas do diagrama esquemático mostrado e que os sensores de pressão e os sensores de temperatura estejam posicionados o mais próximo possível do ponto de teste.
NOTA: Esta série de experimentos foi conduzida em um banco de ensaio dedicado de simulação de carga de bomba de alta velocidade e alta pressão, como mostrado na Figura 6. - Projetar e fabricar os blocos de válvulas de ferramental e teste. Certifique-se de que o ferramental de projeto esteja de acordo com a interface específica da bomba testada e da bancada de teste.
- Instalação das interfaces mecânicas (Figura 7)
- Conecte a face final do conjunto motor-bomba com o bloco de válvulas de teste. Use pelo menos 4 parafusos para garantir um bom desempenho de vedação.
- Fixe o conjunto motor-bomba e o bloco da válvula de teste na bancada de trabalho da bancada de teste (Figura 8). Conecte o conjunto motor-bomba e o bloco de válvulas de teste ao ferramental dedicado com quatro parafusos e o ferramental à bancada de trabalho com 2 parafusos.
NOTA: Certifique-se de que os dois parafusos são suficientemente fortes para que não apareça qualquer vibração durante a realização do ensaio. - Instale dois grupos de sensores de pressão e temperatura da porta A e da porta B no bloco da válvula de teste. Conecte esses sensores diretamente à porta de vazamento para monitoramento de vazamentos.
NOTA: É necessário projetar e fabricar diferentes ferramentas para diferentes conjuntos de motobombas testadas para concluir o experimento.
- Conexão das interfaces hidráulicas (Figura 7)
- Conecte as duas portas de óleo de alta pressão da fonte da bomba com a porta A ou B do bloco da válvula de teste.
- Conecte a porta de óleo pressurizado com a porta de óleo de vazamento da bomba.
- Exaustão a ar do conjunto motor-bomba
- Certifique-se de que a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo está no estado de descarga. Ligue o motor de alimentação de óleo por 3 minutos para exaurir o ar do sistema de teste e aquecê-lo.
NOTA: O tempo de execução específico é determinado de acordo com as condições específicas do banco de ensaios. O principal objetivo desta etapa é garantir que o óleo esteja fluindo totalmente para cada componente do circuito de teste e que a temperatura da superfície da bomba testada esteja próxima da temperatura do óleo.
- Certifique-se de que a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo está no estado de descarga. Ligue o motor de alimentação de óleo por 3 minutos para exaurir o ar do sistema de teste e aquecê-lo.
- Para verificar se há vazamentos no conjunto do motor-bomba, desligue a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo. Ajuste a pressão de alimentação de óleo para 2 MPa por mais de 1 min.
NOTA: Isso ajudará a descobrir se há algum vazamento óbvio no sistema de teste, como o vazamento causado pela falha do O-ring.- Procure por vazamento no conjunto motor-bomba. Se vazar, primeiro, desligue o sistema hidráulico e substitua a vedação e, em seguida, repita as etapas 2.3 e 2.4. Se não houver vazamento, abra a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo.
- Conexão das interfaces elétricas (Figura 9)
- Conecte a interface da fonte de alimentação e a interface de sinal rotativo ao driver do conjunto do motobomba.
- Conecte o driver ao controlador via RS 442, trabalhando no modo full-duplex.
- Conecte o driver à alimentação de 270 VDC.
- Inspeção sem carga do conjunto motor-bomba
- Execute a bomba de abastecimento de óleo e mantenha as válvulas de alívio dos sistemas de fornecimento e carregamento de óleo no estado de descarga. Ligue o motorista e o controlador e verifique se o conjunto motor-bomba pode receber o comando de controle normalmente.
NOTA: A porta de entrada do conjunto motor-bomba pode ser pressurizada através de uma bomba de fornecimento de óleo, evitando a cavitação do componente. - Defina uma instrução de 2.000 rpm para a frente do conjunto motor-bomba. Observe o estado de funcionamento do conjunto motor-bomba e verifique se há fugas no bloco de válvulas (ver passo 2.5).
- Defina uma instrução de 2.000 rpm inversa para o conjunto motor-bomba. Observe o estado de funcionamento do conjunto motor-bomba e verifique se há fugas no bloco de válvulas (ver passo 2.5).
- Execute a bomba de abastecimento de óleo e mantenha as válvulas de alívio dos sistemas de fornecimento e carregamento de óleo no estado de descarga. Ligue o motorista e o controlador e verifique se o conjunto motor-bomba pode receber o comando de controle normalmente.
3. Fluxo da bomba e teste de eficiência geral do conjunto motor-bomba
- Configuração do sistema de fornecimento de óleo
- Execute a bomba de fornecimento de óleo e comute as válvulas de alívio do sistema de fornecimento de óleo e do sistema de carregamento para o estado de carregamento.
- Ajuste a válvula de alívio de fornecimento de óleo para a pressão mínima de fornecimento de óleo p smin de 0,6 MPa. Siga as etapas 3.1.2.1-3.1.2.3 para selecionar psmin.
NOTA: psmin é a pressão na porta de entrada do conjunto motor-bomba para evitar a cavitação.- Ajuste a pressão de alimentação de óleo para 1 MPa ou mais, o que é decidido pelo conjunto motor-bomba testado.
- Ajuste a velocidade de rotação do conjunto motor-bomba testado para 9.000 rpm, certificando-se de que o fluxo da bomba seja igual ao fluxo teórico da bomba. Caso contrário, aumente a pressão de fornecimento de óleo para evitar a cavitação.
- Reduza a pressão de fornecimento de óleo lentamente e registre a mudança do fluxo da bomba. Plote o fluxo relativo da bomba versus a pressão de fornecimento de óleo e encontre o ponto de inflexão do fluxo da bomba - a pressão de fornecimento de óleo deste ponto é a pressão mínima de fornecimento de óleo psmin.
- Ajuste a válvula de alívio de carga para psmin.
- Ligue o sistema de controle de temperatura e ajuste a temperatura do óleo para 30 °C.
- Ligue o termovisor para detectar a temperatura da superfície do conjunto motor-bomba.
- Envie instruções de controle para o conjunto motor-bomba para fazê-lo funcionar continuamente a uma velocidade específica (Tabela 2).
- Ajustar a válvula de alívio de carga e aumentar gradualmente a pressão de carga para um valor específico (Tabela 2). Segure por 4 s a cada pressão crítica medida.
NOTA: Preste muita atenção à temperatura do motor durante o experimento. Certifique-se de que a temperatura da superfície do conjunto do motor-bomba é inferior a 100 °C. - Depois que a pressão atingir o valor específico da velocidade, ajuste a válvula de alívio de carga de volta para 1 MPa.
- Repetir as etapas 3.3 e 3.4 até que as características de todos os pontos críticos de medição da pressão sejam ensaiadas de acordo com o quadro 2.
- Exporte os dados de fluxo experimental e plote o mapa característico do fluxo da bomba do conjunto motor-bomba.
- Calcule a eficiência geral ηo do conjunto motor-bomba em diferentes condições de trabalho e plote o mapa de eficiência geral.
NOTA: A eficiência global do conjunto motor-bomba é dada pela Eq (2):
. (2)
Onde P o é a potência de saída do conjunto motor-bomba, Pi é a potência de entrada do motorista, Qbomba éo fluxo da bomba; Δp é a diferença de pressão da bomba; Apotência U é a tensão de saída da fonte de alimentação; Ipower é a corrente de saída da fonte de alimentação.
. (2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
O resultado da simulação do fluxo de descarga (Figura 10A) indicou que o fluxo de descarga diminuiu ligeiramente com o aumento da pressão de carga quando a velocidade era constante. Além disso, a taxa de fluxo de saída aumentou linearmente com o aumento da velocidade quando a pressão é constante, a julgar pela mesma largura da correia. Para avaliar diretamente o desempenho do conjunto motor-bomba sob diferentes condições de trabalho, plotamos seu diagrama de eficiência volumétrica (Figura 11A). Ele mostrou que a eficiência volumétrica da bomba foi maior, enquanto a pressão e a velocidade foram relativamente baixas. Quando a velocidade era de 3.000 rpm, a pressão máxima de saída para eficiência volumétrica de 95% era de 5 MPa; quando a velocidade era de 8.000 rpm, esse valor subiu rapidamente para 23 MPa.
A Figura 10B mostra os resultados experimentais do fluxo de descarga, que coincidem bem com a simulação. A pequena diferença entre os resultados experimentais e os resultados da simulação é que, quando a velocidade é superior a 5.000 rpm, o fluxo de saída diminui primeiro e depois aumenta com o aumento da pressão. A Figura 11B mostra a eficiência volumétrica do experimento. Os resultados experimentais diferem dos resultados da simulação, especialmente quando o conjunto motor-bomba trabalha em alta velocidade e baixa pressão. Quando a queda de pressão é inferior a 10 MPa, a eficiência volumétrica diminui com o aumento da velocidade de rotação.
A Figura 12 indica as diferenças na eficiência volumétrica e no fluxo da bomba entre os resultados simulados e experimentais. Mostra-se nesta figura que os resultados da simulação do fluxo da bomba estão em boa concordância com os resultados experimentais. Além disso, o erro de eficiência de volume também é mantido dentro de 10%. Quando a velocidade é superior a 4.000 rpm, o erro pode ser controlado dentro de 4%. A Figura 13 mostra a eficiência geral do conjunto motor-bomba. Quando o conjunto motor-bomba funciona nas condições de trabalho de baixa velocidade e alta pressão ou alta velocidade e baixa pressão, sua eficiência total é relativamente baixa, especialmente em alta velocidade e baixa pressão, quando sua eficiência total cai para ~ 10%. Quando a queda de pressão está na faixa de 5 a 15 MPa, e a velocidade é de 2.000-8.000 rpm, sua eficiência total pode chegar a até 60%.
Figura 1: Estrutura e diagrama esquemático do EHA. A imagem superior do modelo é o modelo 3D do EHA, e a imagem inferior é o diagrama esquemático. Abreviação: EHA = atuador eletro-hidrostático. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Estrutura do conjunto motobomba coaxial de eixo único. Esta figura descreve a estrutura interior de um conjunto motor-bomba, que consiste em carcaça, eixo, rotor, bobina do estator, codificador, placa traseira, placa de oscilação, pistão, bloco de cilindro e placa de válvula. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Modelo de simulação de um único pistão. Esta figura mostra a composição de um modelo de pistão único, incluindo um modelo de cavidade de volume de pistão, um modelo de distribuição de fluxo e um modelo de chinelo. A função f(x,y) indica a perda de potência de atrito da interface swash plate/slipper, e a função f(x,y,z) indica a perda de potência de atrito viscosa da interface pistão/bloco de cilindro. Os números nesta figura indicam as interfaces do supercomponente do modelo de simulação de pistão único. Abreviaturas: PCI = interface Pistão/Bloco de cilindros; SSI = Interface Swash plate/Slipper; P = pressão; V = velocidade; μ = coeficiente de atrito; Q = fluxo; A, B = portas do conjunto motor-bomba; M = massa; F = força Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Modelo de simulação do conjunto motor-bomba. O modelo de montagem motor-bomba é composto principalmente de 9 modelos de pistão único com diferentes ângulos de fase, um modelo de motor ideal e um modelo de atrito da placa de válvula. A função f(x,y) indica as perdas de agitação da bomba, a função superior f(x,y,z) indica a perda de potência de volume da interface bloco de cilindro/placa de válvula e a inferior indica a perda de potência de atrito da interface de bloco de cilindro/placa de válvula. Os números nesta figura indicam as interfaces do supercomponente do modelo de simulação de pistão único. Abreviaturas: CVI = Bloco de cilindros/interface de placa de válvula; P = pressão; V = velocidade; μ = coeficiente de atrito; Q = fluxo; A, B = portas do conjunto motor-bomba; M = massa; F = força. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Diagrama esquemático hidráulico dos experimentos. Esta figura descreve o esquema hidráulico do experimento. Um circuito de ponte composto por quatro válvulas de retenção é usado para alternar as direções do fluxo. Abreviaturas: D = condutor da bomba de abastecimento de óleo; P = pressão; T = temperatura; I = sensor. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Composição estrutural do banco de ensaio. Esta fotografia mostra a composição da bancada de teste: o painel de controle, o sistema hidráulico, o resfriador de óleo e a placa de teste. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Instalação do conjunto motor-bomba. Esta fotografia mostra o estado de instalação do conjunto motobomba e o layout dos sensores de pressão e temperatura. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Conexão das ferramentas. Esta fotografia mostra a conexão do conjunto motor-bomba e do bloco de válvulas de teste com o ferramental. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Conexão das interfaces elétricas. Esta fotografia mostra a conexão do conjunto motor-bomba, o driver e o controlador. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: Simulação e resultados experimentais do fluxo da bomba. (A) A linha de contorno mostra os resultados simulados do fluxo da bomba. Os resultados indicam um bom revestimento característico do fluxo de descarga. (B) A linha de contorno mostra os resultados experimentais do fluxo da bomba. Os resultados do experimento estão de acordo com os resultados da simulação. A barra de cores indica o fluxo da bomba. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: Simulação e resultados experimentais da eficiência volumétrica. (A) A linha de contorno mostra os resultados simulados da eficiência volumétrica. De acordo com os resultados da simulação, a eficiência volumétrica do conjunto motor-bomba é relativamente alta, exceto quando o conjunto motor-bomba está trabalhando em uma condição de alta pressão e baixa velocidade. (B) A linha de contorno mostra os resultados experimentais da eficiência volumétrica. Os resultados experimentais diferem dos resultados da simulação, especialmente em condições de trabalho de alta velocidade e baixa pressão. A barra de cores indica a % de eficiência volumétrica. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 12: Eficiência e fluxo da bomba de diferentes velocidades sob a queda de pressão de 15 MPa. A linha preta sólida representa os resultados experimentais de eficiência volumétrica e a linha vermelha representa os resultados da simulação. A eficiência volumétrica aumenta com o aumento da velocidade, e os resultados da simulação são mais próximos dos resultados experimentais quando a velocidade é maior. A linha preta tracejada representa os resultados experimentais do fluxo da bomba e a linha vermelha os resultados da simulação. Pode-se ver a partir da figura que os resultados da simulação quase coincidem com os resultados experimentais na faixa de velocidade de 3.500-9.000 rpm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 13: Resultados experimentais da eficiência global. A linha de contorno mostra a eficiência total do conjunto motor-bomba. Quando o conjunto motor-bomba funciona em condições extremas, a eficiência geral é relativamente baixa. A barra de cores indica a % de eficiência geral. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Parâmetro | Símbolo | Unidade | Valor | ||
| Diâmetro de distribuição do bloco de cilindros | df | milímetro | 29.3 | ||
| Ângulo de inclinação da placa de oscilação | β | ° | 9 | ||
| Diâmetro do pistão | dz | milímetro | 7.5 | ||
| Número do pistão | Z | - | 9 | ||
| Comprimento do orifício da cabeça da esfera do pistão | lqt | milímetro | 7.3 | ||
| Diâmetro do orifício da cabeça da esfera do pistão | dqt | milímetro | 1 | ||
| Volume inválido da cavidade do êmbolo | Vd | milímetro3 | 392.69 | ||
| Espessura do filme de óleo da interface do pistão/bloco do cilindro | hp | μm | 3 | ||
| Diâmetro do orifício do chinelo | ds | milímetro | 0.4 | ||
| Comprimento do orifício do chinelo | ls | milímetro | 1.5 | ||
| Diâmetro exterior da correia de vedação do chinelo | dsso | milímetro | 8.8 | ||
| Diâmetro interno da correia de vedação do chinelo | dssi | milímetro | 6.3 | ||
| Espessura da película de óleo da interface chinelo/placa de oscilação | hs | μm | 5 | ||
| Diâmetro interno da correia de vedação interna da placa da válvula | dci | milímetro | 12.05 | ||
| Diâmetro do exterior da correia de vedação interna da placa da válvula | Dci | milímetro | 13.15 | ||
| Diâmetro interno da correia de vedação do extensor da placa da válvula | dco | milímetro | 16.15 | ||
| Diâmetro do exterior da correia de vedação do exterior da placa da válvula | Dco | milímetro | 17.3 | ||
| Espessura do filme de óleo da interface do bloco do cilindro / placa da válvula | hc | μm | 10 | ||
| Diâmetro do bloco de cilindros | dc | milímetro | 41.7 | ||
| Comprimento do bloco de cilindros | lc | milímetro | 27.8 | ||
Tabela 1: Parâmetros de simulação. Esta tabela lista os principais parâmetros do modelo de simulação de montagem motor-bomba.
| Velocidade crítica (rpm) | Diferença de pressão de carga crítica para simulação (MPa) | Diferença de pressão de carga crítica para teste experimental (MPa) | ||
| 1,450 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 2,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 3,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 4,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6,9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 5,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 | ||
| 6,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 | ||
| 8,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15 | ||
| 9,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12 | ||
Tabela 2: Velocidade e pressão específicas do conjunto motor-bomba. Esta tabela lista os pontos críticos de trabalho dos experimentos de montagem de motobombas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ao realizar essas etapas experimentais, é importante certificar-se de que os pontos de medição de pressão estão próximos o suficiente da porta de óleo da bomba, o que influenciaria muito os resultados experimentais. Além disso, preste atenção à pressão da porta de entrada do conjunto motor-bomba para garantir que não exista cavitação, especialmente em condições de trabalho de alta velocidade.
Este método permite um ajuste dinâmico da pressão de fornecimento de óleo, realizando uma simulação precisa de diferentes condições de trabalho.
Uma limitação deste método é que a eficiência total do conjunto motor-bomba não pode ser obtida com precisão por simulação. No modelo de simulação, as três principais superfícies de atrito da bomba estão sob lubrificação completa do filme de óleo, o que significa que apenas o atrito viscoso existe na interface. No entanto, a situação real é que o estado do filme de óleo alterna entre a lubrificação completa do filme de óleo e a lubrificação de limite, que não pode ser simulada pelo modelo de simulação. Portanto, nos concentramos em usar um modelo de simulação para simular a bomba, que tem as vantagens de baixo custo e velocidade rápida sem se limitar aos parâmetros reais do protótipo. Enquanto isso, compensamos essa limitação por meio de métodos experimentais.
Outra limitação é que o método não simula muito bem as características térmicas do conjunto motor-bomba para EHA. Como o EHA é um sistema altamente integrado, o conjunto motor-bomba está firmemente conectado ao cilindro de acionamento e ao reservatório pressurizado, levando a uma situação térmica complexa. Assim, o método só pode testar o desempenho do conjunto motor-bomba sob uma condição de temperatura específica, enquanto a faixa de variação de temperatura real é ampla.
O melhor desempenho do conjunto motor-bomba desempenhou um papel crucial na promoção da popularidade do EHA. Com base nos resultados relatados neste artigo, ainda há espaço para melhoria da eficiência geral do conjunto motor-bomba. Em comparação com os métodos existentes, as características do conjunto motor-bomba podem ser investigadas de forma mais eficiente sob uma ampla gama de condições de trabalho, adotando este protocolo. Este método deve estabelecer uma base para otimizar o conjunto motor-bomba e fornecer uma forte garantia para o rápido desenvolvimento do EHA. Além disso, é de grande importância para testar o desempenho da motobomba e, assim, realizar o projeto positivo da motobomba.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Os autores declaram que não têm conflitos de interesse.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo Projeto de Aeronaves Civis Chinesas [No. MJ-2017-S49] e pela China Postdoctoral Science Foundation [No.2021M700331].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
