Моделирование и экспериментальный анализ одновального коаксиального моторно-насосного агрегата в электрогидростатических приводах
Summary
Построена имитационная модель для оценки характеристик расхода насоса и производительности одновального коаксиального узла двигателя-насоса в электрогидростатических приводах и экспериментального исследования общей эффективности в широком наборе условий работы узла двигателя-насоса.
Abstract
Электрогидростатический привод (EHA) может быть наиболее перспективной альтернативой по сравнению с традиционными гидравлическими сервоприводами из-за его высокой плотности мощности, простоты обслуживания и надежности. В качестве основного силового агрегата, определяющего производительность и срок службы EHA, двигатель-насос в сборе должен одновременно обладать широким диапазоном скоростей/давлений и высокой динамической характеристикой.
В данной работе представлен метод проверки работоспособности моторно-насосного узла путем моделирования и экспериментирования. Выходные характеристики потока были определены путем моделирования и анализа сборки в начале эксперимента, что привело к выводу о том, может ли насос соответствовать требованиям EHA. Была проведена серия эксплуатационных испытаний на мотор-насосном агрегате через насосный испытательный стенд в диапазоне скоростей 1 450-9 000 об/мин и диапазоне давлений 1-30 МПа.
Мы проверили общую эффективность сборки двигателя-насоса в различных условиях работы после подтверждения согласованности результатов испытаний выходных характеристик потока с результатами моделирования. Результаты показали, что сборка имеет более высокий общий КПД при работе при 4 500-7 000 об/мин под давлением 10-25 МПа и при 2 000-2 500 об/мин при 5-15 МПа. В целом, этот метод может быть использован для предварительного определения того, соответствует ли узел мотокомпа требованиям EHA. Кроме того, в данной работе предлагается метод экспресс-тестирования мотокомпа в различных условиях работы, который может помочь в прогнозировании производительности EHA.
Introduction
Известный как типично интегрированный привод с высокой плотностью мощности, EHA имеет широкие перспективы в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, авиация, строительная техника и робототехника 1,2. EHA в основном состоит из серводвигателя, насоса, цилиндра, резервуара под давлением, блока клапанов, клапанов управления режимом, клапанов управления модулем и датчиков, представляющих собой высокоинтегрированную, управляемую насосом, закрытую гидравлическую систему. Принципиальная схема и физическая модель показаны на рисунке 1 3,4,5,6,7. Двигатель-насос в сборе является основной силой и компонентом управления, и он определяет статические и динамические характеристики EHA7.
Обычный мотор-насос в сборе состоит из отдельного двигателя и насоса, валы которого соединены муфтойвала 8. Эта структура оказывает значительное негативное влияние на производительность и срок службы EHA. Во-первых, и двигатель, и насос будут выдерживать относительно большую вибрацию из-за точности сборки, особенно на высокой скорости5. Вибрация не только повлияет на выходные характеристики насоса, но и ускорит износ фрикционных интерфейсов в насосе, что приведет к выходу из строя двигателя-насоса в сборе9. Во-вторых, уплотнения должны быть установлены на концах вала насоса, что не может принципиально предотвратить утечку. Между тем, механический КПД мотонасоса в сборе снижается с увеличением сопротивления трению10. В-третьих, частое реверсирование мотор-насосного узла ускорит износ муфты и увеличит возможность усталостного разрушения, снижая надежность системы EHA11,12.
Таким образом, для избежания этих недостатков был разработан одновальный коаксиальный двигатель-насос в общем корпусе. Структура показана на рисунке 2. В этом компоненте принята конструкция без связи, которая может одновременно повысить динамические характеристики и смазывающий статус двигателя и насоса. Эта одновальная коаксиальная конструкция обеспечивает выравнивание двух роторов и улучшает динамический баланс в условиях высоких скоростей. Кроме того, общий корпус принципиально исключает протечку торца вала.
Тестирование выходных характеристик электронасоса EHA имеет большое значение для оптимизации и улучшения характеристик EHA. Тем не менее, существует относительно мало исследований по тестированию производительности мотор-насоса в сборе, особенно для EHA. Поэтому мы провели тестовый метод совмещения моделирования и экспериментов. Этот метод подходит для тестирования узлов мотонасосов с широким диапазоном условий эксплуатации, особенно насосов EHA.
Есть две основные задачи: первая заключается в построении точной имитационной модели для анализа характеристик выходного потока двигателя-насоса и оказания помощи в оптимальном проектировании узла двигателя-насоса. Нами создана имитационная модель сборки двигателя-насоса путем иерархического моделирования и осуществлен имитационный анализ выходного потока путем изменения различных параметров. Второй – кавитация испытуемого элемента, вызванная высокой скоростью, что является наиболее важным аспектом, отличающим его от обычных насосов. Поэтому мы больше сосредоточились на проектировании системы подачи масла при проектировании испытательной системы для реализации испытания в различных условиях работы.
В этом протоколе была создана одномерная имитационная модель для первоначального моделирования характеристик потока насоса, оценивая, соответствуют ли характеристики потока насоса требованиям EHA. Затем характеристики потока и общая эффективность были экспериментально протестированы на специальном испытательном стенде, получив общую карту эффективности, которая не может быть точно смоделирована путем моделирования. Наконец, характеристики расхода насоса были сопоставлены с экспериментальными результатами для проверки точности результатов моделирования. Между тем, была получена общая карта эффективности для оценки производительности одновального коаксиального двигателя-насоса в сборе.
Protocol
Representative Results
Discussion
При проведении этих экспериментальных этапов важно убедиться, что точки измерения давления находятся достаточно близко к масляному отверстию насоса, что сильно повлияет на результаты экспериментов. Кроме того, обратите внимание на давление впускного отверстия двигателя-насоса в сбо?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Китайским проектом гражданских самолетов [No MJ-2017-S49] и Китайским постдокторским научным фондом [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).
