En modellerings- och simuleringsmetod för preliminär design av en elektrovariabel förskjutningspump

Summary

En simuleringsmodell som specifikt stöder den preliminära utformningen av en elektrovariabel förskjutningspump (EVDP) utvecklas och verifieras delvis genom experiment. Kontrollprestanda, livslängd, tillförlitlighet etc. kan alla utvärderas med hjälp av den föreslagna modellen, som täcker de viktigaste prestandakraven enligt EVDP: s preliminära designuppgift.

Abstract

Elektrohydrostatiska ställdon (EPA) har forskats avsevärt inom akademin, och deras tillämpningar inom olika industriområden expanderar. EHA med variabel hastighet har nu prioriterats framför EHA med variabel förskjutning, men dess drivmotor och tillhörande elektronik stöter på problem när den appliceras i applikationer med hög effekt: lågdynamik, hög termisk avledning, högt pris etc. Därför har en EHA med variabel förskjutning utrustad med en elektrovariabel förskjutningspump (EVDP) övervägts. EVDP i sig är ett mekatroniskt system som integrerar en kolvpump, en kulskruv, en växellåda och en permanentmagnet synkronmotor (PMSM). Följaktligen måste EVDP undersökas för att säkerställa dess prestanda på systemnivå när den tillämpas i en EHA. Förutom den tidigare forskningen om de tekniska parametrarna för EVDP är en dedikerad designmetod nödvändig för att ytterligare minska kostnaden för att använda EVDP och utforska dess prestandapotential. Här väljs en simuleringsbaserad EVDP preliminär designmetod för att designa en 37 kW EVDP. För det första utökas en tidigare föreslagen tvärvetenskaplig modell av EVDP genom att förbättra parametergenereringen, inklusive EVDP-livslängd, tillförlitlighet, kontrollmodeller etc. För det andra verifieras den föreslagna modellen delvis med hjälp av en förminskad prototyp. För det tredje simuleras EVDP på systemnivå, med stöd av den föreslagna modellen. EVDP-prestandan utvärderas enligt de angivna designkraven. Temperaturen, bandbredden och noggrannheten, tillförlitligheten och livslängden etc. förutspås alla för EVDP. Simuleringsresultaten visar EVDP: s tillämplighet i EHA med variabel förskjutning. Den föreslagna modellerings- och simuleringsmetoden kan användas för att utvärdera olika EVDP-prestanda och svara på allmänna designkrav. Metoden kan också stödja lösningen av de preliminära designutmaningarna i form av begränsad information och robusthet. Därför är den föreslagna metoden lämplig för förverkligandet av den simuleringsbaserade EVDP-preliminära designmetoden.

Introduction

Elektrohydrostatiska ställdon (EHA) får ett ökande intresse för applikationer som industripressar, stora mobila maskiner, kranmanipulatorer och primär flygplanskontroll på grund av deras kombination av fördelarna med både elektriska ställdon och hydrauliska ställdon¹. Två grundläggande typer av EPA kan identifieras: EHA med variabel hastighet och EHAs med variabel förskjutning². För närvarande är EHA med variabel hastighet mer populär än EHA med variabel förskjutning på grund av dess högre effektivitet och enkelhet. Men tillsammans med den högre effektnivån för EHA, som behövs i tunga fordon, såsom tunga lanseringsfordon³ och ubåtar⁴, har drivmotorn och tillhörande elektronik i EHA med variabel hastighet problem relaterade till låg dynamik, hög termisk avledning, högt pris etc. Därför omprövas EHA med variabel förskjutning för dessa applikationer med hög effekt (>30 kW), eftersom dess kontroll realiseras via en enhet med låg effekt som reglerar pumpförskjutningen.

Ett stort problem som förhindrar att EHA med variabel förskjutning prioriteras är dess besvärliga pumpförskjutningsstyrenhet, som i sig är ett komplett ventilstyrt hydraulsystem. Den elektrovariabla förskjutningspumpen (EVDP) har föreslagits för att lösa detta problem genom att använda en kompakt elektrisk förskjutningsstyrenhet. Denna design förbättrar kompaktiteten, effektiviteten etc. hos EHA med variabel förskjutning, vilket löser den tidigare svagheten till en viss grad. Därför kan användningen av EPA med variabel förskjutning för högeffektstillämpningar underlättas genom användning av den nyligen föreslagna EVDP. Komplexiteten hos EVDP är dock betydligt större jämfört med den konventionella hydrauliskt styrda pumpen med variabel förskjutning eftersom den integrerar komponenter från flera nya discipliner. Följaktligen har specifik EVDP-baserad forskningsverksamhet uppstått. Vår forskargrupp startade EVDP-forskningen⁵ och har fortsatt att utveckla den⁶. Liu utvecklade EVDP för EHA-applikationer och utförde experimentella tester⁷. Vissa hydrauliska företag tillhandahåller också EVDP-produkter. Förutom forskningen om de tekniska komponenterna i EVDP är designmetoden för att svara på verkliga applikationskrav också viktig för att förbättra EVDP: s kompetens genom att ytterligare minska kostnaden för att använda EVDP och utforska deras prestandapotential. Därför är en specifik evdp-preliminär designmetod nödvändig för att optimera avvägningar i dess prestanda på systemnivå genom att analysera dess kopplade discipliner. Den simuleringsbaserade preliminära designen är av intresse för denna typ av tvärvetenskaplig koppling av mekatroniska produkter⁸.

Även om inga specifika simuleringsmodeller för EVDP preliminär design har föreslagits på grund av att det är ett nyligen föreslaget koncept, har mycket forskning investerats i relaterade mekatroniska produkter. En dynamisk EHA-modell har byggts för att optimera vikt, effektivitet och kontrollprestanda i preliminär design⁹, men livslängden, tillförlitligheten, termiska egenskaper etc. var inte inblandade, vilket är viktiga prestandaindex som bör beaktas i preliminär design. En annan dynamisk EHA-modell har också använts för att optimera kostnad, effektivitet och kontrollprestanda¹⁰, och en termisk modell utvecklades därefter för att utvärdera de termiska egenskaperna hos den optimerade EHA¹¹, men tillförlitligheten och livslängden beaktades inte. En omfattande elektromekanisk ställdonsmetod (EMA) har presenterats¹². Specifika modeller med olika funktioner som kan analysera olika egenskaper har föreslagits för denna metod, och tillförlitlighets- och livslängdsmodeller har också utvecklats¹³. Den mekaniska hållfastheten, effektförmågan, termiska prestandan etc. kunde härmed utvärderas, men kontrollprestandan var inte inblandad. En annan preliminär designmetod från EMA använde en dynamisk EMA-modell och tillhörande komponentstorleksmodeller¹⁴. Kostnad, vikt, utmattningslivslängd, effektkapacitet, fysiska begränsningar etc. var inblandade i simuleringsanalysen, men tillförlitlighet och kontrollprestanda inkluderades inte. En dynamisk modell föreslogs för optimeringsdesign av en hydraulisk hybriddrivlina¹⁵. Effektkapaciteten, effektiviteten, kontrollen etc. kunde simuleras, men tillförlitligheten och livslängden beaktades inte. Modeller för analys av ett EHA-baserat flygkontrollmanövreringssystem har föreslagits, inom vilka enkla kraftöverföringsekvationer och viktfunktioner användes¹⁶. Med tanke på att modellerna användes för analyser på fordonsnivå och uppdragsnivå var modellernas begränsade attributtäckning lämplig. Som en viktig komponent i EHA har servomotorer väckt separat uppmärksamhet när det gäller modellering och design, och resultaten är också lärorika för EHA-modellutveckling. Termiska nätverk, viktmodeller etc. kan också övervägas för EHA-modellering 17,18,19. Den granskade litteraturen indikerar att även med tanke på resultaten från produkter relaterade till EVDP analyserar de utvecklade modellerna inte alla inflytelserika prestandaattribut för produkterna för den preliminära designen. Kontrollprestanda, termisk prestanda, tillförlitlighet och livslängd är de attribut som har försummats mest vid konstruktionen av modellerna. Därför föreslår detta dokument ett modellpaket som kan analysera alla de mest inflytelserika prestandaattributen för EVDP:s preliminära design. Simuleringsanalysen presenteras också för att bättre illustrera modellfunktionerna. Detta dokument är en förlängning av en tidigare publikation²⁰, eftersom det förbättrar parametergenereringen, involverar livstidsmodellen, tillförlitlighetsmodellen och kontrollmodellen, optimerar beräkningskostnaden, validerar modellen och genomför djupgående simuleringsanalys etc.

Den konventionella hydrauliska styrenheten för en kolvpump med variabel förskjutning ersätts med ett elektriskt ställdon för att förbättra kompaktiteten och minska värmeavledningen, som visas i figur 1. Det elektriska ställdonet består av en kulskruv, en växellåda och en permanentmagnetsynkronmotor (PMSM). Det elektriska ställdonet ansluter swashplattan via en stång för att reglera pumpens förskjutning. När evdp-swashplate-rotationspositionen appliceras i EPA:er styrs den med sluten slinga genom att PMSM moduleras. Det elektriska ställdonet är integrerat med kolvpumpen i ett ömsesidigt fodral för att bilda en integrerad komponent. Denna konstruktion sänker ner det elektriska ställdonet i arbetsvätskan och stärker därmed flerdomänkopplingseffekterna.

Eftersom EVDP är en typisk mekatronisk produkt med flera domäner spelar dess preliminära design en viktig roll för att optimera avvägningar i dess prestanda på systemnivå och beskriva komponentdesignkraven. Processen illustreras i figur 2 baserat på det simuleringsbaserade designschemat^10,12. Steg 1 analyserar först den valda EVDP-arkitekturen, som i figur 1, och avslutar designparametrarna baserat på de angivna prestandakraven. Sedan omvandlas designuppgiften vanligtvis till ett optimeringsproblem för att utforska prestandaoptimeringen av EVDP. Detta utförs genom att konvertera designparametrarna till optimeringsvariabler och konvertera prestandakraven till mål och begränsningar. Det är värt att notera att designparametrarna måste klassificeras i aktiva, drivna och empiriska kategorier. Endast de aktiva parametrarna används som optimeringsvariabler på grund av deras oberoendefunktioner. De andra två kategorierna genereras automatiskt genom uppskattning från de aktiva parametrarna. Därför utvecklar steg 2 estimeringsmodellerna för de drivna och empiriska parametrarna. Dessa uppskattningsverktyg används i varje iteration av optimeringen, liksom i steg 5 för att formulera alla nödvändiga simuleringsparametrar. Steg 3 skapar beräkningsmodellerna för varje optimeringsmål eller begränsning, vilket återspeglar den prestanda som krävs. Dessa modeller bör vara beräkningsmässigt effektiva; annars skulle optimeringsberäkningskostnaden vara oacceptabel. Steg 4 utför optimeringsberäkningen, som vanligtvis är multimål och tvärvetenskaplig. Det handlar också om parameterosäkerheterna i den preliminära designfasen. Steg 5 konstruerar en övergripande modell av den designade EVDP och använder den för att validera optimeringsresultaten genom att simulera EVDP under typiska arbetscykler. Denna modell är det ultimata verktyget för att utvärdera de preliminära designresultaten. Därför bör denna modell ha högsta trohet och involvera alla inflytelserika egenskaper i en tät kopplingsstil. Slutligen erhålls de preliminära designprestandaresultaten och dimensioneringsresultaten på systemnivå.

Detta dokument fokuserar på systemmodellerings- och simuleringsmetoden för EVDP, vilket innebär att man utför parameteranalysen i steg 1 och slutför steg 2 och 5. För det första härleds designparametrarna baserat på EVDP-arkitekturen och designkraven, och de klassificeras i tre underkategorier. För det andra utvecklas estimeringsmodellerna för de icke-aktiva parametrarna baserat på skalningslagar, komponentkataloger, empiriska funktioner etc. För det tredje konstrueras den övergripande modellen för EVDP med hjälp av tvärvetenskapliga kopplingsekvationer och ytterligare undermodeller för livslängd och tillförlitlighet, och modellen verifieras delvis genom experiment. Slutligen importeras de tidigare storleksresultaten till den konstruerade modellen för att utföra simuleringsanalys under typiska arbetscykler. Prestanda på systemnivå härleds baserat på simuleringsresultaten. Parameterkänsligheten och designens robusthet utvärderas också. Som ett resultat utvecklar detta dokument en specifik modellerings- och simuleringsmetod för EVDP preliminär design. EVDP: s prestanda för tillämpning i EHA förutspås omfattande. Den föreslagna metoden står som ett praktiskt verktyg för att utveckla EVDP och EPA med variabel förskjutning för applikationer med hög effekt. Metoden kan också användas för att utveckla simuleringsverktyg för andra typer av mekatroniska produkter. EVDP i detta dokument hänvisar till den elektromekaniskt styrda pumpen med variabel förskjutning, men den elektrohydrauliskt styrda pumpen med variabel förskjutning omfattas inte av detta papper.

Protocol

OBS: Matlab och Simcenter Amesim (nedan kallad systemsimuleringsplattform) användes i detta protokoll och listas i materialförteckningen. Det föreslagna protokollet är dock inte begränsat till implementering i dessa två program.

1. Välja och klassificera EVDP-designparametrarna (steg 1 i figur 2).

1. Demontera EVDP: s arkitektur i figur 1 i en kolvpumpenhet, en kulskruv, en växellåda, en PMSM och en styrenhet. Kontrollera prestandakraven för EVDP.
   OBS: Särskilt i detta dokument inkluderade kraven effektkapacitet, kontrollprestanda, termisk prestanda, livslängd, tillförlitlighet, effektivitet och vikt.
2. Sammanfatta storleksparametrarna och specifikationerna för komponenterna i EVDP. Analysera parametrar och specifikationer och välj de som är relaterade till de angivna EVDP-prestandakraven.
   Obs: De valda komponentparametrarna och specifikationerna är designparametrarna i den preliminära EVDP-designen, som visas i tabell 1. Tabell 1 innehåller också de parameterklassificeringsresultat som erhölls genom steg 1.3.
3. Klassificera designparametrarna i aktiva, drivna och empiriska kategorier²¹, enligt tabell 1²⁰.
   1. Tilldela de oberoende parametrar eller specifikationer som är mest representativa för varje komponent till den aktiva kategorin.
   2. Tilldela de parametrar som kan härledas från de aktiva parametrarna till den drivna kategorin.
   3. Tilldela de andra parametrarna som beräknas med empiriska funktioner till den empiriska kategorin.
      OBS: Termiska motstånd är gruppen av parametrar för modellering av termiska nätverk. Varje termisk väg tilldelas ett värmebeständighet. Mängden och värdena för de termiska parametrarna bestäms slutligen av den termiska nätverksarkitekturen.

2. Utveckla skattningsmodellerna för de drivna och empiriska parametrarna (steg 2 i figur 2).

OBS: Utför skattningsmodellerna av de drivna och empiriska parametrarna med Hjälp av Matlab baserat på följande metoder. Ett individuellt skript byggs för varje driven eller empirisk parameter.

1. Uppskatta pump- och motordrivna parametrar från de aktiva parametrarna med hjälp av skalningslagar^22,23.
   OBS: De pump- och motordrivna parametrarna är mestadels geometri- eller viktrelaterade, som vanligtvis uppfyller kravet på material- och geometrilikheter för att använda skalningslagar.
   1. Definiera skalningsförhållandet för en godtycklig komponentparameter x som:
      (1)
      där x är den berörda parametern och x_ref är motsvarande parameter för en referenskomponent. Relatera de aktiva och drivna parametrarna till komponentens karakteristiska dimension som:
      (2)
      där Y* är skalningsförhållandet för en aktiv eller driven parameter, l* är skalningsförhållandet för komponentens karakteristiska dimension och α är skalningskoefficienten för skalningsförhållandet.
   2. Relatera varje driven parameter för komponenten till den aktiva parametern genom att kombinera respektive ekvation (2) för den specifika drivna parametern och de aktiva parametrarna.
      OBS: Några exemplifierade resultat är^22,23:
      (3)
      där ekvationernas symboler hänvisar till tabell 1. Se materialförteckningen för detaljer om kolvpumpen och motorn som används i detta protokoll.
2. Uppskatta de drivna parametrarna för växellådan och kulskruven från de aktiva parametrarna med hjälp av komponentkataloger.
   OBS: De aktiva parametrarna för växellådan och kulskruven är diskreta värden. Kontinuerlig variation av de aktiva parametrarna är inte möjlig på grund av mekanismbegränsningar eller höga kostnader. Därför är det att föredra att använda färdiga växellådor eller kulskruvar.
   1. Uppskatta växellådans drivna parametrar genom att extrahera de parametrar från växellådans datablad som bäst matchar det definierade förhållandet och det nominella vridmomentet. Särskilt i detta papper användes växelhuvudet (Table of Materials) för att bygga växellådsbiblioteket i Matlab-programvaran. Använd det nominella vridmomentet före det definierade förhållandet för att matcha växellådan baserat på portföljorganisationsmetoden för det angivna växelhuvudet (materialtabell).
   2. Uppskatta de drivna parametrarna för kulskruven genom att extrahera de parametrar från det datablad för kulskruv som bäst matchar den definierade bly- och nominella belastningen. Särskilt i detta papper användes kulskruven (Table of Materials) för att bygga kulskruvbiblioteket i Matlab. Använd den nominella belastningen före den definierade ledningen för att matcha kulskruven baserat på portföljorganisationsmetoden för den angivna kulskruven (materialtabell).
3. Uppskatta pumpens, växellådans och kulskruvens effektivitet med empiriska funktioner.
   OBS: Effektivitetsparametrarna tillhandahålls inte av databladen för pumpen, växellådan och kulskruven, så de uppskattas med en empirisk funktionsbaserad metod.
   1. Antag att pumpens volymetriska effektivitet och pumpens mekaniska effektivitet vid den nominella arbetspunkten är 0,95 respektive 0,90. Använd dessa två värden för att passa de empiriska funktionerna för läckage och viskös friktion vid den nominella arbetspunkten, som i ekvation (4) och ekvation (5)²⁴. Härled sedan koefficienterna, E_pv och E_pm för de empiriska funktionerna. Använd därför de härledda empiriska funktionerna för att simulera effektivitetsegenskaperna under fullständiga arbetsförhållanden:
      (4)
      (5)
      där Δp är pumpens tryckskillnad, T_po är temperaturen på oljan i pumpen, D_p är den omedelbara pumpförskjutningen och S_p är pumphastigheten.
      OBS: Effektivitetsdata vid den nominella arbetspunkten för de färdiga pumparna kan erhållas från tillverkaren, även om det inte var fallet i detta dokument. Sedan kan effektivitetsdata användas i stället för antagna data för att förbättra återgivningen. De härledda koefficienterna, som ligger under den nominella arbetspunkten, regleras ytterligare enligt de omedelbara arbetsförhållandena (dvs förskjutningen och temperaturen).
   2. Använd växellådans eller kulskruvens maximala effektivitetsdata för att montera den viskösa friktionsfunktionen under maximal belastning och maximal hastighet, som i ekvation (6). Härled sedan den viskösa friktionskoefficienten f. Som ett resultat, modellera omedelbar växellåda eller kulskruveffektivitet som i ekvation (7):
      (6)
      (7)
      där E_max, S_max och F_max är den maximala effektiviteten, den maximala hastigheten och den maximala kraften hos växellådan eller kulskruven som erhållits från databladet, respektive; E, S och F är den omedelbara effektiviteten, den omedelbara hastigheten och den omedelbara kraften hos växellådan eller kulskruven under simuleringen; och f är växellådans eller kulskruvens viskösa friktionskoefficient.
      OBS: Antag att kulskruvens maximala effektivitet är 0,90 på grund av frånvaron av effektivitetsrelaterade data. Uppdatera kulskruvens effektivitetsfunktion när effektivitetsrelaterade data blir tillgängliga.
4. Uppskatta parametrarna för värmebeständighet. Uppskatta värmemotstånden för den termiska nätverksmodellen som utvecklats i steg 3.3. använda de empiriska funktionerna från termodynamikteorin. Klassificera värmebeständigheterna i två typer: tvingad konvektion och ledning.
   OBS: Definiera värmebeständigheten mellan EVDP-skalet och miljön som ett konstant värde. Detta beror på att det nuvarande steget undersöker de termiska egenskaperna inuti pumpen, medan skalets detaljerade värmeavledningsprestanda är fokus för den framtida termiska designen.
   1. Uppskatta det termiska ledningsmotståndet mellan de fasta delarna med hjälp av ekvation (8), som är baserad på skalningslagen²³:
      (8)
      där R_sst är värmemotståndet mellan två fasta delar och T_mn är servomotorns nominella vridmoment.
      OBS: Ekvation (8) används endast för att uppskatta värmemotståndet hos den termiska ledningen med lindningsskal eftersom det är den enda fasta-fasta kontakten i den termiska nätverksmodellen.
   2. Uppskatta värmemotståndet för den forcerade konvektionen mellan en fast del och en vätskedel med hjälp av ekvation (9)^25,26:
      (9)
      där R_sft är värmebeständigheten mellan en fast del och en vätskedel; λ_f är vätskans värmeledningsförmåga; L_a är värmeväxlingens karakteristiska längd; C_Re och m är koefficienter beroende på Reynolds-talet Re; Pr är Prandtl-numret; och A_t är värmeväxlingsområdet.
      OBS: L_a och andra strukturella dimensioner uppskattas baserat på skalningslagar, och vätskehastigheten över värmeväxlingsområdet beräknas omedelbart från simuleringsresultaten för pumpflödet.

3. Bygga systemsimuleringsmodellen (steg 5 i figur 2).

OBS: Bygg en tvärvetenskaplig kopplingsmodell av EVDP som kan undersöka dess fulla prestanda. Modellarkitekturen visas i figur 3, och modellen utförs i samsimuleringsmiljön baserad på Matlab och systemsimuleringsplattformen. För det första, bygg den enskilda klumpmodellen för varje komponent eller disciplin. Montera sedan komponent-/disciplinmodellerna enligt figur 3.

1. Bygg viktmodellen för EVDP i Matlab.
   1. Beräkna vikten på EVDP genom att lägga till vikterna för varje komponent, som erhålls från viktuppskattningsmodellerna i steg 2.
2. Utför dynamisk klumpad parametermodellering av EVDP i systemsimuleringsplattformen.
   1. Bygg servomotorns elektromagnetisk rörelsemodell, rörelsemodellen för den mekaniska växellådan, kolvpumpenhetens hydrauliska rörelsemodell och swashplattans belastningsmomentmodell, som tidigare beskrivits²⁰.
   2. Modellera systemförlusterna som i ekvation (10):
      (10)
      där Q_mCu är kopparförlusten för servomotorn; Q_mr är rotorförlusten för servomotorn; Q_pv och Q_pm är den volymetriska förlusten respektive mekaniska förlusten av pumpen; Q_g är växellådans förlust; Q_s är kulskruvförlusten; i_m är servomotorströmmen; S_m är servomotorhastigheten; Δp är pumpens tryckskillnad; T_po är temperaturen på oljan i pumpen; D_p är pumpens förskjutning; S_p är pumphastigheten; f_g är växellådans viskösa friktionskoefficient; S_s är växellådans ingångshastighet; och T_s är kulskruvens vridmoment.
   3. Modellera vätskeegenskaperna som i ekvation (11). Identifiera koefficienterna genom att anpassa vätskedatabladet till ekvation (11):
      (11)
      där ρ_f och ρ_f0 är moment- respektive referenstätheten; C_p och C_p0 är den moment- respektive referensspecifika värmen; μ_f och μ_f0 är den omedelbara respektive referens absoluta viskositeten; λ_f och λ_f0 är den omedelbara respektive referensvärmeledningsförmågan; p_i är det omedelbara trycket hos den i: e vätskenoden; T_i är den omedelbara temperaturen för den ith vätskenoden; p₀ och T₀ är referenstrycket och temperaturen för vätskeegenskaperna; och a_m,n, b_m,n, c_m,n och d_m,n är koefficienterna.
   4. Modellera vätskevolymernas tryckdynamik enligt ekvation (12)^27,28. Modellera öppningen som i ekvation (4):
      (12)
      där p är trycket i vätskevolymen; B är den flytande bulkmodulen; ρ är vätsketätheten; V är vätskevolymen; och är den inkommande respektive utgående massflödeshastigheten för vätskevolymen; α_p är vätskans volymetriska expansionskoefficient; och T är temperaturen på vätskevolymen.
   5. Modellera styrenheten med hjälp av en PID-styrenhet med trippelslinga, som i figur 4⁶. Justera kontrollparametrarna genom flera simuleringsförsök när simuleringsmodellen och andra simuleringsparametrar är klara. Justera kontrollparametrarna från den inre slingan till den yttre slingan genom att gradvis öka förstärkningsvärdena.
   6. Lägg till en roterande fjäder- och spjällmodell mellan körhastighetskällan och pumpens rotor. Lägg till en linjär fjäder- och spjällmodell mellan ingångshastigheten och kulskruvens lastmassa.
      OBS: Detta steg möjliggör ekvation kausalitet i kolvpumpenhetsmodellen och kulskruvmodellen. Ställ in fjäderstyvheten och spjällvärdet till konstanta värden som kan driva effekterna av dessa två block okunniga.
3. Utför termisk modellering av EVDP i systemsimuleringsplattformen.
   1. Ställ in ett termiskt nätverk för EVDP²⁰. Lägg till den termiska belastningen i ekvation (10), förutom Q_pv, till motsvarande termiska noder.
   2. Modellera värmebeständigheterna för fast-fast värmeväxling och fast-vätskevärmeväxling med hjälp av parameterfunktionerna i steg 2.4. Modellera värmeväxlingen mellan vätske-vätskenoder genom att utbyta deras externa entalpiflödeshastigheter (se steg 3.3.4.) ²⁹.
      OBS: En referens termisk utbytesstruktur och dimensionerna för EVDP är nödvändiga för att erhålla parametrarna i ekvation (9) baserat på skalningslagar. Den använda EVDP-termiska utbytesstrukturen visas i figur 5.
   3. Modellera temperaturdynamiken hos de fasta termiska noderna enligt ekvation (13):
      (13)
      där , m och c_p är värmeflödeshastigheten, massan respektive den specifika värmen hos den fasta noden.
   4. Modellera vätskevolymernas temperaturdynamik enligt ekvation (14)^27,28:
      (14)
      där p, m, c_p och α_p är trycket, massan, den specifika värmen respektive den volymetriska expansionskoefficienten för vätskenoden; V och h är volymerna respektive entalpi hos vätskenoden; och h_in är massflödeshastighet respektive entalpi för det inkommande flödet; är värmeväxelkursen; och W_s är vätskenodens axelarbete.
   5. Modellera temperaturdynamiken i öppningarna som i ekvation (15). Detta bestämmer också värmebelastningseffekterna av Q_pv. Modellera öppningarna som en idealisk entalpiöverföringsnod, som överför den inkommande entalpi direkt till den utgående entalpien.
      (15)
      där α_p, ρ och c_p är den volymetriska expansionskoefficienten, densiteten respektive vätskans specifika värme.
   6. Modellera entalpiöverföringarna inuti pumpen som i ekvation (16):
      (16)
      där dmh_ut och dmh_in är utgående respektive inkommande entalpiflödeshastighet; och D_p, Δp och S_p är förskjutningen, tryckskillnaden respektive pumpens hastighet.
4. För livstids- och tillförlitlighetsmodellering, ställ in kulskruven och kolvpumpenheten som livstids- och tillförlitlighetskritiska komponenter. Använd det mindre värdet av den utvärderade livslängden/tillförlitligheten för dessa två komponenter som EVDP-livslängd/tillförlitlighetsprestanda. Utför modellerna med hjälp av Matlab-skripten.
   1. Använd kulskruvens utmattningslivslängd som livstid. Använd kolvpumpenhetens livslängd som livslängd. Modellera kulskruvens och kolvpumpens livslängd enligt ekvation (17) och ekvation (18)^13,30:
      (17)
      (18)
      där F_ampi och F_betyderi är lastkraftsamplituden och medelbelastningen för kulskruven härledd från kulskruvens belastningssimuleringsresultat med hjälp av regnflödesräkning; F_max är kulskruvens maximala tillåtna belastningskraft; Δp_{medelvärde i} är pumpens genomsnittliga belastningstryck härlett från pumpens simuleringsresultat av belastningstryck med hjälp av regnflödesräkning, S_p är pumphastigheten; m är mängden av de olika cyklerna som räknas; n_i är kvantiteten av den i:te cykeln, N_i är den mängd ith cykel som kan ta slut på komponentens livslängd; T_cyc är den driftcykelvaraktighet från vilken m-cyklerna identifieras, och p, α och β är de experimentella konstanterna.
      ANMÄRKNING: N_i erhålls genom att anpassa dess tillhörande belastningsspänning, , till den linjära log-log S-N-kurvan, som fastställs med hjälp av maximala belastningsdata och nominella belastningslivsdata för den specifika komponenten. Log-log S-N-kurvan kan förbättras när fler livstidsdata blir tillgängliga.
   2. Antag att kulskruvens tillförlitlighet och pumpen som motsvarar dess livslängd är 0,90. Definiera tillförlitligheten beräknad vid den 50 000^:e arbetstimmen. Modellera kulskruvens och kolvpumpenhetens tillförlitlighet enligt ekvation (19)¹³:
      (19)
      där R_ref är referenstillförlitligheten vid referenslivslängden L_h,10 och L_{h,10 spec} är den angivna arbetstiden för att utvärdera tillförlitligheten.
5. Montera modellen.
   1. Placera alla nödvändiga ekvationer (introducerade från steg 3.1-3.4) för varje nod i figur 3 tillsammans för att bilda modellblocket för varje nod. Avsluta indata- och utdatavariablerna för varje nod.
      OBS: Ta den teoretiska kolvpumpnoden som ett exempel; det involverar fem ekvationer: drivmomentet med tanke på de mekaniska förlusterna, utgångsflödet utan att ta hänsyn till läckage (läckage modelleras separat av öppningarna), förskjutningsvariationen enligt förskjutningskontrollrörelsen, entalpitransporten och lastmomentet som produceras av swashplattan. De härledda ingångarna är körhastigheten, trycket och temperaturen vid de två portarna och swashplateförskjutningen. De härledda utgångarna är axelvinkeln, drivaxelns belastningsmoment, utgångsflödet, utgående entalpi och belastningsmomentet som produceras av swashplattan.
   2. Definiera indata och utdata för den övergripande EVDP-modellen och utför kausalitetsanalysen för alla noder. Lägg till extra noder vid behov för att säkerställa att alla noder är kausalt länkade. Anslut sedan alla noder för att bilda den övergripande modellen för EVDP, som i figur 3.
      De tre vätskevägsnoderna och två inre portnoder i figur 3 lades till för att säkerställa kompatibiliteten för den övergripande modellens kausalitet. De modelleras som öppningarna (ekvation [4]).

4. Partiell modellverifiering (steg 5 i figur 2).

Använd en EVDP-prototyp och dess testrigg för att verifiera modelleringsmetoden i steg 3. Steg 4 (modellverifiering) utfördes i detta dokument eftersom EVDP var nyutvecklat och modellerna nyligen föreslogs. EVDP-prototypen som används i detta dokument minskades jämfört med den som simulerades i steg 5. Modellerna som validerats baserat på den förminskade prototypen anses vara tillämpliga för att simulera samma typ av EVDP i andra storlekar. För framtida modellerings- och simuleringsuppgifter under preliminär design av samma typ av EVDP kan steg 4 utelämnas.

1. Genomföra experimentell installation.
   1. Bygg en EVDP-prototyp enligt scheman i figur 1. Anpassa de befintliga komponenterna för att bilda underkomponenterna i EVDP, såsom kolvpumpenheten, växellådan, kulskruven och servomotorn.
      OBS: en 7-kolvspump med 7,4 ml / varvtalsförskjutning användes för att bygga prototypen i detta papper. Den maximala lutningen på swashplattan var 18°. Det nominella varvtalet var 7000 varv/min och det nominella trycket var 21 MPa. Kulskruvsledningen var 1,59 x ^10-3 m och växellådsförhållandet var 2,47. EVDP-prototypen visas i figur 6.
   2. Installera EVDP på en testrigg bestående av en lastdel och en kontrolldel³¹, som visas i figur 7. Anslut de tre EVDP-portarna till lastdelens hydraulkrets. Anslut EVDP-elkablarna till styrdelen.
2. Utför prototyptestning.
   1. Starta den extra hydraulkraften (9) genom att trycka på startknappen på panelen.
   2. Ställ in förskjutningen av EVDP på 2,5° i textrutan för förskjutningskommandot med hjälp av användargränssnittet. Slå på lägesventilen (10) och ställ in lastreglerventilerna (12) till 3,5 MPa belastningstryck med hjälp av panelen. Läs och spela in utflödet för EVDP från panelen.
   3. Ställ in EVDP-förskjutningen på -18°, -15°, -12°, -10°, -8°, -5°, -2,5°, 2,5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15° respektive 18°. Registrera varje utgångsflöde för EVDP under varje inställd förskjutning, som visas i figur 8A.
   4. Ställ in EVDP-förskjutningen på 2,5° och justera belastningstrycket till cirka 3,3 MPa, 5 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 13 MPa, 15 MPa, 17 MPa, 18 MPa, 19 MPa, 20 MPa respektive 21 MPa. Registrera utflödet för EVDP under varje tryck. Ställ in EVDP-förskjutningen på 5 °, 8 ° respektive 18 ° och upprepa tryckinställningen för 2,5 ° förskjutningstestet för varje ny förskjutning. Registrera EVDP-utflödet under varje testpunkt, som visas i figur 8B.
   5. Avaktivera lägesventilen (10) genom att trycka på knappen på panelen. Ställ in kommandot svepande frekvensförskjutning (från 0,02 Hz till 20,5 Hz vid 2,5 ° amplitud) till EVDP i textrutan i användargränssnittet. Registrera EVDP-förskjutningssvaret och härleda dess storleks- och fasegenskaper, som visas i figur 9A.
3. Analysera de experimentella resultaten.
   1. Ställ in de aktiva parametrarna för EVDP-prototypen till den byggda modellen i steg 3. Modellen genererar andra nödvändiga simuleringsparametrar automatiskt. Ställ in omgivningstemperaturen och den initiala EVDP-temperaturen på 40 °C. Kör simuleringsmodellen under samma förhållanden som i EVDP-prototyptestet i steg 4.2 och registrera simuleringsresultaten.
   2. Plotta experimentella resultat och simuleringsresultat för varje tillståndsgrupp i samma figur, som visas i figur 8 och figur 9.
      OBS: Det maximala flödessimuleringsfelet (2,2 l / min) inträffade vid 2,5 ° förskjutning, vilket var 4,35% av hela EVDP-flödet. Simuleringsresultaten för frekvensegenskaperna uppnådde god överensstämmelse med de experimentella resultaten under 10 Hz-kommandon och visade högre fel över 10 Hz-kommandon. Simuleringsnoggrannheten var tillfredsställande.
      OBS: De högre felen i frekvenskarakteristiksimuleringsresultaten över 10 Hz-kommandon i figur 9A uppstod från parametergenereringsverktygen i det föreslagna modellpaketet. Simuleringsresultaten uppnådde god noggrannhet vid användning av verkliga prototypparametrar, som visas i figur 9B. Parametergenereringsverktygen resulterade i fel eftersom referenskomponenterna som användes för att uppskatta parametrarna inte var i samma serie som prototypens komponenter (interna komponenter användes för EVDP-prototypen). Därför är simuleringsfelen inte ett problem när de valda komponenterna är i samma serie som referenskomponenterna, men parameterosäkerheter diskuteras också i steg 5.

5. Simuleringsanalys (steg 5 i figur 2).

OBS: Utför simuleringsanalysen av EVDP-designalternativet som tidigare erhållits genom att utföra steg 3 och 4 (optimeringsdesign) i figur 2. Bryt ner simuleringsprocessen, som visas i figur 10.

1. Ställ in aktiva parametrar och simuleringsinställningar.
   1. Använd en uppsättning tidigare erhållna aktiva parametrar för EVDP för den första simuleringen, där EVDP: s nominella hastighet är 7000 rpm, EVDP nominellt tryck är 28 MPa, den maximala EVDP-förskjutningen är 12,3 ml / varv, servomotorns nominella spänning är 28 VDC, servomotorns nominella vridmoment är 0,386 Nm, växellådan utelämnas, kulskruvens nominella kraft är 5460 N och kulskruvledningen är 0,005 m.
   2. Använd GJB1177-1991 15# hydraulvätska för flygindustrin som arbetsvätska i simuleringen. Ställ in miljön vid en kritisk temperatur på 70 °C. Värmeväxlingskoefficienten mellan EVDP-skalet och miljön är konstant vid 20 W/m²/K.
   3. Ställ in arbetscykeln²⁰. Lägg till en vätskekylfläns för att samla upp EVDP-returflödet och tillförselflödet till inloppet till EVDP.
      OBS: Kylflänsen emulerar nedströmskomponenterna i den verkliga applikationen. Den innehåller 10 L vätska med en 5 m² värmeväxlingsarea, som upprätthåller en 50 W / m² / K värmeväxlingskoefficient med miljön. Den starka värmeavledningen av vätskekylflänsen används för att avleda all EVDP-uteffekt eftersom EVDP-uteffekten omvandlas till värme av lastreglerventilen.
   4. Ange designparametrarna till intervall som täcker designutrymmet för att utföra känslighetsanalysen. Använd växellådsförhållandet som den exemplifierade parametern i det här dokumentet. Ställ in växellådsförhållandet som 1-3.5 för att undersöka effekterna av att använda kontinuerliga varierande värden för växellådsförhållandet.
      OBS: Intervallet för växellådsförhållandet ställdes in genom att använda det sista serienumret som den nedre gränsen och använda nästa serienummer som övre gräns. På detta sätt kan effekterna av att använda kontinuerliga varierande värden på växellådsförhållandet analyseras. Eftersom förhållande 1 (inte med växellåda) var det optimerade växellådsförhållandet, fanns inte det sista serieväxellådsförhållandet. Den nedre gränsen för intervallet måste vara 1 i denna studie. Förhållande 3,5 behövde inte simuleras igen eftersom det redan jämfördes med förhållandet 1 i den tidigare optimeringsdesignen och kasserades. Slutligen valdes förhållandena 2 och 3 för sensibilitetsanalysen. Dimensionera de andra komponenterna till jämförbar EVDP-deplacementkontrollprestanda när det nya växellådsförhållandet har definierats för att säkerställa en rättvis jämförelse³².
   5. Ställ in designparametrarna på intervall som täcker deras toleranser för att utföra osäkerhetsanalysen. Använd servomotorns vridmomentkonstant och servomotorns tröghetsmoment som exemplifierade parametrar i detta dokument. Ställ in intervallet för servomotorns vridmomentkonstant och servomotorns tröghetsmoment som 1 - 20% och 1 + 20% av deras uppskattade värden för att kontrollera deras uppskattningsfeleffekter på EVDP-frekvensegenskaperna³³.
2. Kör simuleringen.
   1. Ställ in den dynamiska modellen och termiska modellen som föreslås i steg 3 (implementerad i systemsimuleringsplattformen) enligt steg 5.1.2. Klicka på Parameterläge > TFFD3-1 > filnamn för enkla vätskekarakteristikdata för att importera oljeegenskapsfilen. Klicka på Parameterläge > THGCV0-1 / THGCV0-2 > vätskans temperatur för att ställa in omgivningstemperaturen vid 70 ° C. Klicka på Parameterläge > THGCV0-1 / THGCV0-2 > konvektiv värmeväxlingskoefficient för att ställa in omgivningstemperaturen på (20 W / m² / K) / (50 W / m² / K).
   2. Ange de aktiva parametrarna i steg 5.1.1. till de parameteruppskattningsmodeller (implementerade med Matlab) som föreslås i steg 2. Klicka på EDITOR > Kör för att köra skriptet för att generera alla nödvändiga simuleringsparametrar, som visas i tabell 2.
      ANMÄRKNING: Kontrollparametrarna erhålls enligt beskrivningen i steg 3.2.5. snarare än att genereras automatiskt.
   3. Klicka på EDITOR > Kör i Matlab för att köra skriptet för att beräkna vikten och aktivera de dynamiska och termiska modellerna med simuleringsparametrarna. Simuleringsresultaten erhålls automatiskt med det här skriptet.
   4. Klicka på EDITOR > Kör i Matlab för att köra skriptet för beräkning av EVDP-livslängd och tillförlitlighetsprestanda från de sparade simuleringsresultaten.
3. Klicka på Simuleringsläge i systemsimuleringsplattformen för att kontrollera simuleringsresultaten. Härleda andra EVDP-prestandaresultat från dessa tidsdomänsimuleringsresultat (t.ex. swashplate-kontrollnoggrannheten och bandbredden, EVDP-arbetstemperaturen, EVDP-effektiviteten och EVDP-effektnivån).
4. Klicka på Parameterläge i systemsimuleringsplattformen för att ställa in simuleringsparametrarna som anges i steg 5.1.4. och 5.1.5. Klicka på EDITOR > Kör i Matlab för att köra skriptet för att aktivera de dynamiska och termiska modellerna. Klicka på Simuleringsläge i systemsimuleringsplattformen för att kontrollera simuleringsresultaten för känslighets- och osäkerhetsanalyserna.

Representative Results

I det här avsnittet presenteras resultaten från utförandet av alla protokollsteg, som utgör en del av steg 1, hela steg 2 och hela steg 5 i den preliminära EVDP-designmetoden i figur 2. Indatainformationen i protokollet inkluderar EVDP-scheman i figur 1, de optimerade aktiva parametrarna (förtydligade i steg 5.1.1.) i EVDP från steg 4 i figur 2 och EVDP-prestandasimuleringsuppgifterna, som relaterar till EVDP-designkraven. Resultaten av protokollet är de slutliga preliminära designresultaten för EVDP, inklusive värdena för EVDP-designparametrarna och den förutsagda EVDP-prestandan under dessa designparametrar. I synnerhet ger parameteruppskattningsmodellerna inbyggda i protokoll steg 1 och steg 2 resultaten av designparametrarna. Protokoll steg 3 och steg 4 producerar simuleringsmodellen för den slutliga undersökningen av EVDP. Protokollsteg 5 förutsäger EVDP-prestanda under de specifika designparametrarna. Dessa klargörs nedan i detalj.

Parameteruppskattningsresultaten baseras på de aktiva parametrarna i steg 5.1.1. visas i tabell 2. Dessa parametrar var tillräckliga för att köra den simuleringsmodell som föreslogs i steg 3. De kommer också att distribueras till komponenttillverkarna för att användas som komponentkrav. Därefter erhölls EVDP-massan enkelt genom att tillsätta de separata komponentvikterna tillsammans, vilket resulterade i 10,82 kg.

Efter att ha utfört steg 5.2.2. med hjälp av ovannämnda parametrar och inställningar erhölls de råa dynamiska och termiska simuleringsresultaten. Figur 11 visar temperaturdynamiken hos olika EVDP-delar, vilket starkt stöder utvärderingen av termisk prestanda för den valda EVDP-designen. Resultaten indikerar att den högsta vätsketemperaturen (175 °C) var vid avloppsvolymen, vilket beskriver de framtida termiska designkraven. Vätskan i läckageledningen (avlopp, transmission och motor) visade en temperaturvåg, som mestadels orsakades av de olika läckageflödeshastigheterna. Därför bör läckaget inte bara beaktas i effektivitetsdesignen utan också i den termiska designen. De fasta delarna visade en mycket långsammare termisk konstant, men de ändrade inte EVDP-temperaturen signifikant eftersom den genererade värmen och den fasta massan inte var jämförbara med vätskesidan.

Figur 12A illustrerar EVDP-effektiviteten under en full arbetscykel. Under fullbelastningsförhållandet (första 3 s) uppnådde EVDP en total effektivitet på cirka 80%, vilket definieras som utflödesvätskeeffekt / (axelingångseffekt + servomotoringångseffekt). Effektiviteten sjönk avsevärt när belastningen minskade. Detta beror på att EVDP alltid körs med sin nominella hastighet, vilket orsakar kontinuerliga friktionsförluster, men de absoluta förlusterna för EVDP sjönk (från 8,4 kW till 2,3 kW) tillsammans med effektivitetsminskningen i figur 12A. Dessa är vanliga egenskaper hos de flesta kraftomvandlingsenheter (dvs. partiella belastningsförhållanden resulterar i lägre effektivitet men de absoluta förlusterna minskar också), så de orsakar inte oro för EVDP-prestanda. 80% effektivitet i full belastningstillstånd för EVDP är i grunden ett tillfredsställande resultat. Det är också värt att notera att effektivitetsresultaten fluktuerade vid 2-3 s. Under denna period var kraften hos ingångsaxeln och den elektromekaniska förskjutningsstyrdelen på en jämförbar nivå (1 kW). Dessutom visade den elektromekaniska förskjutningsstyrdelen snabb förändring och återhämtning av strömförbrukningen inom denna period på grund av EVDP: s höga inre tryckdynamik. Därför, enligt effektivitetsdefinitionen, fluktuerar effektiviteten vid denna period avsevärt, till och med bortom intervallet 0% -100%.

Det svepande frekvenssvaret (2,5 ° amplitud från 8 Hz till 20 Hz) undersöker EVDP:s dynamiska prestanda. Som visas i figur 12B följde swashplate-lutningen kommandot väl under det svepande frekvensområdet (-0,3 dB, -43 ° som det lägsta), vilket indikerar mer än 20 Hz EVDP-bandbredd. Den höga dynamiska prestandan erhölls lätt på grund av EVDP: s konstruktion med låg tröghetskontrollapparat (dvs. den elektromekaniska styranordningen). Detta visar de dynamiska fördelarna med EHA med variabel förskjutning med EVDP jämfört med EHA med variabel hastighet. EHA med variabel hastighet måste dynamiskt rotera motorpumpens huvudaxel med hög tröghet, vilket visade sig vara en stor utmaning i den studerade applikationen (35 kW effektnivå).

Slutligen, steg 5.2.3. och steg 5.3. omvandla råsimuleringsdata till evdp:s projicerade prestanda, i enlighet med specifikationsstilen, som visas i tabell 3. En god kontrollnoggrannhet (0,09 graders fel) förutspåddes. Pumpens livslängd och tillförlitlighet befanns vara de svagaste, och dessa specificeras i tabell 3. Därefter ritades en fullständig prestandabild för den tidigare designade EVDP, vilket representerar en betydande produktion av denna preliminära design.

Resultaten i tabell 4 erhölls efter simulering av inställningarna i steg 5.1.4. Växellådan avfärdades i den tidigare konstruerade EVDP (växellådsförhållande 1). Denna simulering bekräftade att ett anpassat växellådsförhållande mellan 1-3.5 (minsta växellådsförhållande utanför hyllan) kan vara till hjälp. Servomotorn dimensionerades till ett optimalt värde när ett nytt växellådsförhållande användes. Sedan var en rättvis jämförelse mellan de olika växellådsförhållandena möjlig. Resultaten visade att förhållandena 2 och 3 kunde uppnå vissa noggrannhets- och viktfördelar, men inte på en betydande nivå, så det är inte nödvändigt att välja den anpassade växellådan, med tanke på att dess fördelar kanske inte kompenserar för kostnaden.

Parameterosäkerhetseffekterna av servomotorns vridmomentkonstant och tröghetsmomentet visas i tabell 5. Osäkerheten på 20 % för dessa två parametrar orsakade ingen större variation i EVDP-kontrollprestandan. Detta indikerar att 20% tolerans för dessa två parametrar är acceptabelt för de slutliga servomotorspecifikationerna; detta är också en viktig instruktion för komponenttillverkarna. Osäkerhetsanalysen bör också utföras på andra osäkra parametrar.

Sammanfattningsvis erhölls designparametrarna och EVDP-prestandan genom att utföra protokollet. Dessutom förbättrar känslighetsanalysen och robusthetsanalysen ytterligare förtroendet och tillämpligheten av designresultaten. Dessa utgör de preliminära designresultaten för EVDP. Den föreslagna metoden möjliggör en praktisk EVDP-preliminär designmetod genom att utveckla parameteruppskattningsmodellerna och EVDP-simuleringsmodellen med flera domäner. Kvaliteten på designresultaten har förbättrats och designcykeln har förkortats. Dessa fördelar stärker EVDP:s kompetens, förutom att de ger sina egna tekniska fördelar.

(A) Scheman som överför den konventionella pumpen med variabel förskjutning till den elektrovariabla förskjutningspumpen. (B) En strukturillustration av EVDP. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: Den preliminära designprocessen för EVDP. EVDP-arkitekturen och designkraven tas som indata, och storleken på systemnivå och de preliminära designprestandaresultaten är utdata. Processen består av två huvudsteg: optimeringsdesign och verifiering genom simulering. Parameteruppskattningsmodellerna stöder starkt de två stegen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3: Evdp:s tvärvetenskapliga kopplingsmodellarkitektur. Denna modell används för den slutliga designverifieringen i den preliminära designen. Disciplinerna är kopplade för att utvärdera alla allmänna designkrav på en hög nivå av trohet. Modellen utvecklas i en samsimuleringsplattform med hjälp av en objektorienterad metod. I synnerhet involverar modellen parametergenereringsfunktionen för att hantera utmaningen med parameterförvärv. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4: Styrenheten för EVDP. En pid-regulator med trippel slinga används för EVDP-förskjutningskontrollen, där den inre slingan är servomotorns strömstyrning, mittslingan är servomotorns hastighetsreglering och den yttre slingan är EVDP-förskjutningskontrollen. EVDP-huvudaxeln drivs med konstant hastighet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5: Referensstrukturen för EVDP termiskt utbyte för att uppskatta parametrarna i ekvation (9) baserat på skalningslagar. (B) Termisk utbytesstruktur för dräneringsvolymen. (C) Termisk utbytesstruktur för pumpens rotorenhet. EVDP: er av olika storlekar hänvisar alla till samma termiska utbytesstrukturer. Sedan kan de termiska utbytesrelaterade dimensionerna för olika EVDP-konstruktioner beräknas baserat på skalningslagar. De termiska utbyteskoefficienterna kan härmed beräknas med hjälp av ekvation 9. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6: Den testade prototypen av EVDP. Prototypen är byggd enligt scheman i figur 1, med parametrar på 7,4 ml / varv förskjutning, 7000 varv / min nominell hastighet, 21 MPa nominellt tryck, 1,59 x10-3 m kulskruvledning och 2,47 växellådsförhållande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7: Evdp:s testrigg. De svarta linjerna är den lastande delen av testriggen. De röda linjerna är kontrolldelen av testriggen. De blå linjerna är EVDP-prototypen. 1. Körmotor, 2. Tryckgivare, 3. Flödesmätare, 4. Tryckgivare, 5. Flödesmätare, 6. EVDP-prototyp, 7. Backventil, 8. Backventil, 9. Extra hydraulisk kraft, 10. Lägesventil, 11. Backventilgrupp, 12. Tryckreglerventil. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8: Experimentella och simuleringsresultat av EVDP-flödessvaren. (B) Flödesreaktionerna under olika lutnings- och belastningstrycksförhållanden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9: Experimentella och simuleringsresultat av frekvensegenskaperna hos lutningskontrollen för swashplate. (B) Jämförelsen resulterar när simuleringsmodellen använder prototypens verkliga parametrar. Resultaten erhålls genom att ställa in svepfrekvenskommandot till EVDP-förskjutningen och omvandla tidsdomänsvaren till storleks- och fassvar. Storleks- och fassvaren används för att illustrera jämförelseresultaten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10: Simuleringsanalysprocess. Detta är ett delsteg i steg 5 i figur 2. Olika arbetscykler och simuleringsobjektet (en grupp aktiva parametrar) definieras först. Sedan kan den föreslagna modellen användas för att köra simuleringen. Slutligen härleds simuleringsresultaten till EVDP-specifikationerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 11: Simuleringsresultaten för EVDP-temperaturen. (B) Den fasta nodtemperaturen. Avlopps-, transmissions- och servomotorvolymerna bildar läckagepassagen och resulterar i högre temperaturer. De två portarna transporterar vätska från vätskekylflänsen, så deras temperaturer är mycket lägre. De termiska konstanterna för de inre fasta delarna är ganska stora på grund av deras små värmeväxlingskoefficienter, men de ändrar inte den slutliga EVDP-temperaturen mycket eftersom de är en liten del av EVDP-massan och förlusterna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12: EVDP-effektivitet och dynamiska prestanda. (B) . EVDP svarar på det svepande frekvenskommandot. Effektiviteten sjunker tillsammans med minskningar av uteffekten. Detta beror på att EVDP alltid körs med nominell hastighet och härmed kontinuerligt släpper ut en mängd energi, men detta är inte ett problem för EVDP-prestandan eftersom de absoluta förlusterna minskar tillsammans med att uteffekten minskar. EVDP-swashplate följer 8-20 Hz, 2,5 ° amplitud svepande frekvenskommando väl (-0,3 dB, -43 ° som den lägsta), vilket indikerar att EVDP-förskjutningskontrollen har en bandbredd större än 20 Hz. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Tabell 1: Klassificerade konstruktionsparametrar för EVDP. Designparametrarna för varje komponent klassificeras i aktiva, drivna och empiriska kategorier. De oberoende parametrar eller specifikationer som är mest representativa för varje komponent är de aktiva parametrarna. Parametrarna som kan härledas från de aktiva parametrarna är de drivna parametrarna. De andra parametrarna som beräknas med hjälp av empiriska funktioner är de empiriska parametrarna. Denna tabell 1 är en förlängning av den i Han et ^al.20. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Tabell 2: Parameteruppskattningsresultaten baseras på de aktiva parametrarna. v är den omedelbara vätskehastigheten. Vissa parametrar modifieras till en mer illustrativ form (t.ex. modifieras kulskruvens effektivitet till den viskösa koefficienten). Dessa parametrar är de preliminära designresultaten och kommer att distribueras till komponenttillverkarna som specifikationer. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Tabell 3: Evdp:s utformade prestanda. De råa tidsdomänsimuleringsresultaten härleds till EVDP-specifikationerna, som är huvudresultatet av den preliminära EVDP-designen. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Tabell 4: EVDP-känsligheten för det anpassade växellådsförhållandet. 1 är det ursprungliga designvärdet, medan 2 och 3 är de jämförda värdena (anpassade värden). Servomotorn måste dimensioneras till ett optimalt värde när man använder ett nytt växellådsförhållande så att jämförelsen mellan olika förhållanden är rättvis, men ett anpassat växellådsförhållande visade sig vara onödigt eftersom fördelarna var begränsade. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Tabell 5: Osäkerhetseffekterna av servomotorns vridmomentkonstant och tröghetsmomentet. 20% fel i servomotorns vridmomentkonstant och tröghetsmomentet visar inte negativa effekter på EVDP-kontrollprestandan. Detta indikerar att en tolerans på 20% för de undersökta parametrarna kan anges för komponenttillverkarna. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Discussion

Konceptet och andra tekniska komponenter i EVDP har presenterats i tidigare publikationer ^6,31, vilket visar tillämpligheten och fördelarna med EVDP. Istället för att studera själva EVDP fortsatte detta dokument att studera designmetoden i förhållande till framtida verkliga applikationsbehov. En specifik designmetod är nödvändig för denna typ av högintegrerad och tvärvetenskaplig kopplingsprodukt, vilket kräver känsliga prestandaavvägningar och optimering. Detta dokument har föreslagit och illustrerat en komplett process för EVDP-modellering och simulering för preliminär design. Denna process utgick från en övergripande och praktisk syn på denna uppgift, som innefattar multidomänkopplingsanalys och tvärvetenskapliga krav. Svårigheterna med att förvärva simuleringsparametrar har också lösts genom olika parameteruppskattningsmodeller. Som ett resultat underlättar metoden en effektiv och optimal preliminär design av EVDP. Det är värt att notera att simuleringen var det sista verifieringssteget i den preliminära utformningen av EVDP. Processen syftade till att verifiera den designade EVDP-prestandan från den tidigare optimeringen (steg 3 och 4 i figur 2) med en hög återgivningsnivå. Det vill säga, EVDP-prestanda (t.ex. kontrollprestanda och vikt) hade redan optimerats innan simuleringsprocessen i detta dokument genomfördes.

Analysen av designparametrar (steg 1) beror på designerns expertis. En god kunskapsnivå krävs för att relatera komponentens prestanda till EVDP-prestanda. Komponentkatalogerna kan hjälpa till att lära sig komponenternas filosofi, men designern är alltid ansvarig för att vara bekant med EVDP. Sedan är det möjligt att få tillfredsställande parameteranalysresultat.

Parameteruppskattningen (steg 2) användes inte bara för att stödja simuleringen utan också för att formulera komponentspecifikationerna för komponenttillverkare. Parametrarna för varje komponent kommer att distribueras till komponenttillverkarna för att specificera komponentkraven. Det är värt att notera att parametrarna alltid åtföljs av toleranser, som kan definieras med hjälp av osäkerhetsanalysen. Parameterskattningsmodellerna bör utvecklas i enlighet med komponenternas respektive egenskaper. För det första bör komponenterna klassificeras i anpassade grupp- och off-the-shelf-grupper, som använder beräkningsmodeller respektive databaser för uppskattning. För det andra bör grunderna analyseras för att välja varje parameter (t.ex. geometrilikhet, materialprestanda etc.). Sedan kan en korrekt uppskattningsmodell väljas och utvecklas.

EVDP-kraften, kontrollen och de termiska egenskaperna lyckades främst uppnå önskade funktioner och prestanda för att driva EHA med variabel förskjutning. Därför uppfyller den dynamiska modellen (steg 3.2) och den termiska modellen (steg 3.3.) de grundläggande simuleringsbehoven. De utvecklades på ett kopplat sätt (dvs en gemensam modell byggdes för att involvera de dynamiska egenskaperna och termiska egenskaperna samtidigt). Objektorienterad modellering är också att föredra på grund av dess tydliga arkitektur och goda återanvändbarhet, men ytterligare ansträngningar krävs för att följa kausalitet. Modellering på arkitekturnivå och ekvationsnivå är nödvändig eftersom simuleringsmiljön kan förändras beroende på olika behov. Detta dokument illustrerar längre bortom simuleringsmiljön, så att det kan anpassas till specifik programvara. Validering av modellen genom prototyper och experiment (steg 4) är fördelaktigt för att bygga mer tillförlitliga simuleringsmodeller, särskilt när modelleringsobjektet är en nyligen föreslagen produkt, men som klargörs i steg 4 anses modellerna vara tillämpliga för att simulera samma typ av EVDP i framtiden när de har validerats.

EVDP-simuleringen i detta dokument användes huvudsakligen för att utvärdera och analysera det preliminära designalternativet. Simuleringen bör utföras på ett sätt som samlar alla designresultat i detta skede. Arbetscykeln och miljön bör definieras genom att olika utvärderingsändamål beaktas. Förutom prestandasimuleringen bör även parameterkänslighet och osäkerheter beaktas. Därmed kan fullständiga instruktioner för följande designuppgifter beskrivas. I detta dokument var den högsta vätsketemperaturen som detekterades 175 ° C, vilket stöder den termiska designen för att styra vätsketemperaturen. Tillsammans med andra resultat har en fullständig bild ritats för EVDP-designen på systemnivå. Känslighetsanalysen fungerade som en dubbelkontroll av parametervalet i det tidigare designalternativet, medan osäkerhetsanalysen mest bidrog till att definiera designtoleransen. Mer grundlig känslighets- och osäkerhetsanalys är motiverad för att bekräfta de preliminära designresultaten för parametrarna. Sammanfattningsvis tar den föreslagna EVDP-modellerings- och simuleringsmetoden hänsyn till de praktiska behoven hos den preliminära EVDP-designen, som delvis har försummats i tidigare relevant forskning (dvs. involverar alla allmänna krav och överväger designens robusthet). Således kan den leverera omfattande designresultat och effektivt stödja framtida EVDP-preliminär design. Dessutom kan den också anpassas för att designa andra liknande produkter.

Simuleringsfallet i detta dokument är ett designexempel på en EVDP för framtida 35 kW EHA med variabel förskjutning. Det visar potentialen för EVDP i EHA-applikationer med hög effekt, men den här applikationen har ännu inte startat. Simuleringsresultaten anses vara pålitliga på grund av modellvalideringen baserad på en förminskad EVDP-prototyp i steg 4. Noggrannheten i parameteruppskattningsmodellerna påverkar designkvaliteten avsevärt eftersom de både påverkar prestandautvärderingen och komponentspecifikationerna. Metamodeller för variabel effektlag (VPLMs)³⁴ kan övervägas för att uppdatera parameteruppskattningsmodellerna i det här dokumentet, men VPLMs behöver en stor mängd experimentell design, vilket kräver mycket mer förberedelsetid för modellering.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ball screw	NSK	PSS
EVDP prototype	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa
EVDP testrig	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.
Gearhead	Maxon	GP
Matlab	Mathworks	R2020a
Permannet magnet synchronous motor	Maxon	393023
Piston pump	Bosch Rexroth	A10VZO
Simcenter Amesim	Siemens	2021.1	system simulation platform