方法文章

电静液作动器中单轴同轴电机-泵组件的建模与实验分析

DOI：

10.3791/63549

⸱

2022年6月13日

 ,  ,  ,  , 
1Research Institute for Frontier Science, Beihang University, 2School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, 3Laboratory of Aerospace Servo Actuation and Transmission, Beihang University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们构建了一个仿真模型，用于评估电静液作动器中单轴同轴电机-泵组件的泵流量特性与性能，并通过实验研究该电机-泵组件在多种工况下的整体效率。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

与传统的液压伺服执行器相比，电液静力执行器（EHA）因其高功率密度、易于维护和高可靠性，可能成为最具前景的替代方案。作为决定EHA性能和使用寿命的核心动力单元，电机-泵组件应同时具备宽广的转速/压力范围和高动态响应能力。

本文介绍了一种通过仿真和实验测试电机-泵组件性能的方法。在实验初期，通过对该组件进行仿真与分析，确定了其流量输出特性，进而判断该泵是否能够满足电液作动器（EHA）的性能要求。随后，在泵试验台上对电机-泵组件开展了一系列性能测试，测试转速范围为1,450-9,000 rpm，压力范围为1-30 MPa。

在确认流量输出特性的测试结果与仿真结果一致后，我们测试了电机-泵组件在不同工作条件下的整体效率。结果表明，该组件在10-25 MPa压力下以4,500-7,000 rpm转速运行，以及在5-15 MPa压力下以2,000-2,500 rpm转速运行时，具有较高的整体效率。总体而言，该方法可用于预先判断电机-泵组件是否满足电液作动器（EHA）的要求。此外，本文提出了一种在多种工作条件下对电机-泵组件进行快速测试的方法，有助于预测EHA的性能。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作为一种具有高功率密度的典型集成执行器，电液伺服作动器（EHA）在航空航天、航空、工程机械和机器人等领域具有广阔的应用前景1,2。EHA主要由伺服电机、泵、油缸、增压油箱、阀块、模式控制阀、模块控制阀以及传感器组成，构成一个高度集成的泵控闭式液压系统。其原理图和物理模型如图13,4,5,6,7所示。电机-泵组件是核心动力源和控制部件，决定了EHA的静态和动态性能7。

传统的电机-泵组件由独立的电机和泵构成，其轴通过联轴器连接8。这种结构对电液伺服作动器（EHA）的性能和寿命具有显著的负面影响。首先，由于装配精度的影响，电机和泵均会承受较大的振动，尤其是在高速运行时5。振动不仅会影响泵的输出特性，还会加速泵内摩擦界面的磨损，从而导致电机-泵组件失效9。其次，必须在泵的轴端设置密封结构，但这无法从根本上防止泄漏。同时，随着摩擦阻力的增加，电机-泵组件的机械效率会降低10。第三，电机-泵组件的频繁换向将加速联轴器的磨损，并增加疲劳断裂的风险，从而降低EHA系统的可靠性11,12。

因此，开发了一种在共用外壳内的单轴同轴电机-泵组件，以避免上述缺点。该结构如图2所示。该组件采用无联轴器设计，可同时提高电机和泵的动态性能及润滑状态。这种单轴同轴设计确保了两个转子的对中性，并在高速条件下改善了动态平衡。此外，共用外壳从根本上消除了轴端泄漏。

测试电液伺服作动器（EHA）电机-泵组件的输出特性对于优化和提升EHA性能具有重要意义。然而，目前针对电机-泵组件性能测试的研究相对较少，尤其是针对EHA的应用。因此，我们采用了一种结合仿真与实验的测试方法。该方法适用于在宽范围工况下对电机-泵组件进行测试，特别适用于EHA泵的测试。

主要存在两个挑战：第一个是建立精确的仿真模型，以分析电机泵的输出流量特性，并为电机泵组件的优化设计提供支持。我们通过分层建模建立了电机泵组件的仿真模型，并通过改变不同参数实现了输出流量的仿真分析。第二个挑战是测试元件因高速运转而产生的空化现象，这是其与普通泵最显著的区别。因此，在设计测试系统时，我们更加注重供油系统的设计，以实现在多种工况下的测试。

在本方案中，首先建立了一维仿真模型以模拟泵的流量特性，判断其是否满足电液伺服作动器（EHA）的要求；随后，在专用试验台上对流量特性及整体效率进行实验测试，获得无法通过仿真准确模拟的整体效率图谱；最后，将泵的流量特性仿真结果与实验数据进行对比，以验证仿真结果的准确性。同时，通过获取的整体效率图谱对单轴同轴电机-泵组件的性能进行评估。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 泵流量特性的模拟

  1. 构建电机-泵组件的仿真模型。打开 AMESim 仿真平台，并进入 SKETCH 模式。
    1. 根据活塞的运动学数学模型和配流曲线构建单个活塞的仿真模型（图3）。将单活塞模型封装为超级元件（图4）。
      注：活塞的主要运动学数学模型（公式（1））可表示为：
      微分方程；运动动力学；数学公式；物理分析；变量表示。
      包含正弦和余弦函数的三角恒等式数学方程。（1）
      其中，x 为活塞的绝对位移，β 为斜盘倾斜角，φ 为活塞的相位角，Rf 为缸体的分布半径，df 为缸体的分布直径。
    2. 建立考虑配流盘泄漏和摩擦的泵模型（图4）。构建配流盘模块时，应重点关注活塞/缸体界面以及滑靴/斜盘界面的黏性摩擦和节流效应。
    3. 通过理想转矩模块建立电机模型（图4）。使用理想转矩模块模拟电机，忽略电机的铁损、铜损和搅油损失。
  2. 设置电机-泵组件模型的主要参数。
    1. 根据 表1 设置电机-泵组件的参数。进入 PARAMETER 模式，通过双击仿真模型中的具体元件来设置主要参数。根据 表2 设置转速和试验压力。
    2. 设置模型的预运行参数：起始时间：0 s，终止时间：1 s，输出间隔：1 ms。
    3. 进行预运行以使系统达到稳态。
      1. 运行仿真，检查系统在仿真结束时是否达到稳态。若系统已达到稳态，则在 Run Parameters 窗口中勾选 使用上一次的终值 选项；若未达到稳态，则将步骤 1.2.1 中的 终止时间 重设为 2 s 或更长时间，并重复步骤 1.2.2，直至系统达到稳态。
    4. 设置模型的正式运行参数：起始时间：0 s，终止时间：0.2 s，输出间隔：0.002 ms。
  3. 运行仿真并保存仿真数据。
    注：针对特定工况重复执行步骤 1.2.1–1.2.4；仿真结束后保存数据。
  4. 导出仿真数据，并在 OriginPro 中绘制电机-泵组件的流量特性曲线图。将泵流量值计算为 0.2 s 内记录的泵流量的平均值。
  5. 输出流量特性的确定
    1. 绘制电机-泵组件在不同压力条件下最大转速下的输出流量曲线。
    2. 根据特定电静液作动器（EHA）的最大转速计算泵所需的输出流量，并绘制不同压力条件下的所需输出流量曲线。
    3. 确保电静液作动器（EHA）所需的流量曲线被电机-泵组件的输出流量曲线所包络。

2. 实验平台的建立

  1. 建立试验台。
    1. 根据表3准备试验台的液压元件。确保各元件的关键参数满足表3中列出的要求。
    2. 设计并制造液压阀块，并根据液压原理图（图5）搭建液压系统。确保各元件的相对位置与原理图所示一致，压力传感器和温度传感器应尽可能靠近测试点。
      注：本系列实验在专用的高速高压泵负载模拟试验台上进行，如图6所示。
    3. 设计并制造工装及测试阀块。确保工装设计符合被测泵与试验台的具体接口要求。
  2. 机械接口的安装（图7）
    1. 将电机-泵组件的端面与测试阀块连接。使用至少4个螺钉，以确保良好的密封性能。
    2. 将电机-泵组件和测试阀块固定在试验台的工作台上（图8）。使用四个螺钉将电机-泵组件和测试阀块连接至专用工装，并使用两个螺钉将工装固定在工作台上。
      注：确保这两个螺钉具有足够的强度，以避免测试过程中出现振动。
    3. 在测试阀块上安装A口和B口的两组压力与温度传感器。将这些传感器直接连接至泄漏口，用于泄漏监测。
      注：需要针对不同的被测电机-泵组件设计和制造不同的工装，以完成实验。
  3. 液压接口的连接（图7）
    1. 将泵源的两个高压油口与测试阀块的A口或B口连接。
    2. 将加压油口与泵的泄漏油口连接。
  4. 电机-泵组件排气
    1. 确保供油系统的溢流阀处于卸荷状态。运行供油电机3分钟，以排出测试系统中的空气并进行预热。
      注：具体运行时间应根据试验台的具体情况确定。此步骤的主要目的是确保油液充分流入测试回路的各个元件，且被测泵表面温度接近油温。
  5. 关闭供油系统的溢流阀，检查电机-泵组件是否存在泄漏。将供油压力调节至2 MPa并保持1分钟以上。
    注：此步骤有助于发现测试系统中是否存在明显泄漏，例如O型圈失效引起的泄漏。
    1. 检查电机-泵组件是否存在泄漏。若发现泄漏，首先关闭液压系统，更换密封件，然后重复步骤2.3和2.4。若无泄漏，则打开供油系统的溢流阀。
  6. 电气接口的连接（图9）
    1. 将电源接口和旋转信号接口连接至电机-泵组件驱动器。
    2. 通过RS 442将驱动器与控制器连接，工作于全双工模式。
    3. 将驱动器连接至270 VDC电源。
  7. 电机-泵组件空载检查
    1. 启动供油泵，并保持供油系统和加载系统的溢流阀处于卸荷状态。为驱动器和控制器通电，检查电机-泵组件是否能正常接收控制指令。
      注：可通过供油泵对电机-泵组件的进油口加压，防止元件发生气蚀。
    2. 向电机-泵组件设置2,000 rpm的正转指令。观察电机-泵组件的工作状态，并检查阀块处是否存在泄漏（参见步骤2.5）。
    3. 向电机-泵组件设置2,000 rpm的反转指令。观察电机-泵组件的工作状态，并检查阀块处是否存在泄漏（参见步骤2.5）。

3. 电机-泵总成的泵流量和整体效率测试

  1. 润滑油供给系统的设置
    1. 启动供油泵，并将供油系统和加载系统的泄压阀切换至加载状态。
    2. 调节供油溢流阀至最低供油压力 psmin 0.6 MPa。按照步骤 3.1.2.1-3.1.2.3 进行选择 psmin.
      注意：psmin 是为了避免发生气蚀现象而设定的电机-泵组件进油口压力。
      1. 根据被测电机-泵总成的要求，将供油压力调节至1 MPa或更高。
      2. 将被测电机-泵总成的转速调节至9,000 rpm，确保泵的流量等于理论泵流量；否则，应提高供油压力以避免发生气蚀。
      3. 缓慢降低供油压力，并记录泵流量的变化。绘制泵的相对流量与供油压力的关系曲线，并找出 泵流量的拐点该点的供油压力为最小供油压力 psmin.
    3. 调节卸荷阀 psmin.
  2. 打开温控系统，将油温调节至 30 °C。
  3. 打开热成像仪以检测电机-泵组件的表面温度。
  4. 向电机-泵组件发送控制指令，使其以特定速度持续运行（表 2).
  5. 调节卸荷阀，并逐步增加负载压力至特定值（表 2）。在每个关键测量压力下保持 4 秒。
    注意：实验过程中需密切关注电机温度，确保电机-泵组件表面温度低于100 °C。
  6. 当压力达到该速度的特定值时，将卸荷阀调节回至1 MPa。
  7. 重复步骤 3.3 和 3.4，直至根据所有关键压力测点的特性完成测试 表 2.
  8. 导出实验流量数据，并绘制电机-泵组件的泵流量特性曲线图。
  9. 计算电机-泵总成在不同工况下的总效率 ηo，并绘制总效率图谱。
    注意：电机-泵总成的整体效率由公式（Eq）给出2):
    Fluid dynamics efficiency equation, ηo=Po/Pi=Qpump*Δp/Upower*Ipower, mathematical formula.. (2)
    其中 Po 电机-泵总成的输出功率 Pi 驱动器的输入功率， Q泵 是泵的流量；Δp 是泵的压力差； U功率 是电源输出电压； 我功率 是电源的输出电流。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

放电流量的仿真结果（图10A）表明，当转速恒定时，随着负载压力的增加，放电流量略有下降。此外，从相同的带宽判断，在压力恒定的情况下，输出流量随转速的增加呈线性增加。为了直接评估电机-泵组件在不同工况下的性能，我们绘制了其容积效率图（图11A）。结果显示，当压力和转速相对较低时，泵的容积效率较高。当转速为3,000 rpm时，容积效率达到95%的最大输出压力为5 MPa；当转速为8,000 rpm时，该值迅速上升至23 MPa。

图10B展示了放电流量的实验结果，与仿真结果吻合良好。实验结果与仿真结果之间的微小差异在于，当转速高于5,000 rpm时，输出流量随压力升高先减小后增大。图11B展示了实验的容积效率。实验结果与仿真结果存在差异，尤其是在电机-泵组件高速低压力工况下。当压降低于10 MPa时，容积效率随转速增加而降低。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

进行这些实验步骤时，必须确保压力测量点尽可能靠近泵的油口，因为这会显著影响实验结果。此外，需注意电机-泵组件进口处的压力，以确保不发生气蚀现象，尤其是在高速工作条件下。

该方法能够动态调节供油压力，实现对不同工况的精确模拟。

该方法的一个局限性在于，无法通过仿真准确获得电机-泵组件的总效率。在仿真模型中，泵的三个主要摩擦表面处于全油膜润滑状态，这意味着界面仅存在黏性摩擦。然而实际情况是，油膜状态在全油膜润滑与边界润滑之间切换，而这种状态无法通过仿真模型模拟。因此，我们侧重于使用仿真模型对泵进行模拟，其优势在于成本低、速度快，且不受原型实际参数的限制。同时，我们通过实验方法弥补这一局限性。

另一个局限性在于，该方法对电液伺服作动器（EHA）中电机-泵组件的热特性模拟不够准确。由于EHA是一个高度集成的系统，电机-泵组件与作动筒及增压油箱紧密连接，导致热环境复杂。因此，该方法只能在特定温度条件下测试电机-泵组件的性能，而实际工作中的温度变化范围较宽。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明不存在利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本工作得到中国民用飞机项目 [编号：MJ-2017-S49] 和中国博士后科学基金 [编号：2021M700331] 的支持。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
AmeSim 仿真平台SiemensAmesim 16
数据采集卡AdvantechPCI1710
流量计KRACHTVC0.04E1RS, 0.02-4 L/min
流量计KRACHTVC0.4E1RS, 0.2-40 L/min
工业计算机Advantech610H
供油电机Siemens1TL0001-1BB23-3JA5
供油泵KangbaishiP222RF01DT
OriginProOriginLab CorporationOriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200
压力传感器FeejoyPI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C
比例溢流阀Huade hydraulicDBE10-30B/50YV
比例溢流阀Huade hydraulicDBE10-30B/315YV
主轴电机HAOZHIDGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS最高转速：18,000 rpm；  功率：22 kW
温度传感器FeejoyTI-A42M1A180/30+F1

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Chao, Q., et al. Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems. Energies. 11 (9), 2266(2018).
  3. Zhao, J., et al. Experimental research on tribological characteristics of TiAlN coated valve plate in electro-hydrostatic actuator pumps. Tribology International. 155, 106782(2021).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Habibi, S., Goldenberg, A. Design of a new high-performance electrohydraulic actuator. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 5 (2), 158-164 (1999).
  12. 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).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章