Method Article

Modelado y análisis experimental del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje en actuadores electrohidrostáticos

DOI:

10.3791/63549

⸱

June 13th, 2022

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

In This Article

Summary

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

Construimos un modelo de simulación para evaluar las características del flujo de la bomba y el rendimiento del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje en actuadores electrohidrostáticos e investigar experimentalmente la eficiencia general en un amplio conjunto de condiciones de trabajo del conjunto motor-bomba.

Abstract

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

Un actuador electrohidrostático (EHA) puede ser la alternativa más prometedora en comparación con los servoactuadores hidráulicos tradicionales por su alta densidad de potencia, facilidad de mantenimiento y confiabilidad. Como unidad de potencia central que determina el rendimiento y la vida útil de la EHA, el conjunto motor-bomba debe poseer simultáneamente un amplio rango de velocidad / presión y una alta respuesta dinámica.

Este artículo presenta un método para probar el rendimiento del conjunto motor-bomba a través de la simulación y la experimentación. Las características de salida del flujo se definieron a través de la simulación y el análisis del conjunto al comienzo del experimento, lo que llevó a la conclusión de si la bomba podría cumplir con los requisitos de la EHA. Se realizaron una serie de pruebas de rendimiento en el conjunto motor-bomba a través de un banco de pruebas de bomba en el rango de velocidad de 1.450-9.000 rpm y el rango de presión de 1-30 MPa.

Probamos la eficiencia general del conjunto motor-bomba en diversas condiciones de trabajo después de confirmar la consistencia entre los resultados de la prueba de las características de salida de flujo con los resultados de la simulación. Los resultados mostraron que el conjunto tiene una mayor eficiencia general cuando se trabaja a 4.500-7.000 rpm bajo la presión de 10-25 MPa y a 2.000-2.500 rpm por debajo de 5-15 MPa. En general, este método se puede utilizar para determinar de antemano si el conjunto motor-bomba cumple con los requisitos de EHA. Además, este documento propone un método de prueba rápida del conjunto motor-bomba en diversas condiciones de trabajo, que podría ayudar a predecir el rendimiento de EHA.

Introduction

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

Conocido como un actuador típicamente integrado con alta densidad de potencia, el EHA tiene amplias perspectivas en áreas como la aeroespacial, la aviación, la maquinaria de construcción y la robótica 1,2. El EHA consiste principalmente en un servomotor, bomba, cilindro, depósito presurizado, bloque de válvulas, válvulas de control de modo, válvulas de control de módulo y sensores, que constituyen un sistema hidráulico cerrado, altamente integrado, controlado por bomba. El diagrama esquemático y el modelo físico se muestran en la figura 1 3,4,5,6,7. El conjunto motor-bomba es la potencia central y el componente de control, y determina el rendimiento estático y dinámico de la EHA7.

El conjunto motobomba convencional consiste en un motor y una bomba separados, cuyos ejes están conectados por un acoplamiento de eje8. Esta estructura tiene efectos negativos significativos en el rendimiento y la vida útil de la EHA. Primero, tanto el motor como la bomba soportarán una vibración relativamente grande debido a la precisión de ensamblaje, especialmente a alta velocidad5. La vibración no solo afectará las características de salida de la bomba, sino que también acelerará el desgaste de las interfaces de fricción en la bomba, lo que provocará la falla del conjunto motor-bomba9. En segundo lugar, los sellados deben colocarse en los extremos del eje de la bomba, lo que no puede evitar fundamentalmente las fugas. Mientras tanto, la eficiencia mecánica del conjunto motor-bomba disminuye con el aumento de la resistencia a la fricción10. En tercer lugar, la inversión frecuente del conjunto motor-bomba acelerará el desgaste del acoplamiento y aumentará la posibilidad de fractura por fatiga, reduciendo la fiabilidad del sistema de la EHA11,12.

Por lo tanto, se desarrolló un conjunto de motobomba coaxial de un solo eje dentro de una carcasa compartida para evitar estas deficiencias. La estructura se muestra en la Figura 2. Se adopta un diseño sin acoplamiento en este componente, que podría aumentar simultáneamente el rendimiento dinámico y el estado de lubricación del motor y la bomba. Este diseño coaxial de un solo eje garantiza la alineación de los dos rotores y mejora el equilibrio dinámico en condiciones de alta velocidad. Además, la carcasa compartida elimina fundamentalmente las fugas en el extremo del eje.

Probar las características de salida del conjunto de motobomba EHA es de gran importancia para la optimización y mejora del rendimiento de EHA. Sin embargo, hay relativamente pocos estudios sobre las pruebas de rendimiento del conjunto motobomba, especialmente para las EHA. Por lo tanto, realizamos un método de prueba de combinación de simulación y experimentos. Este método es adecuado para probar conjuntos de motobombas con una amplia gama de condiciones de funcionamiento, especialmente bombas EHA.

Hay dos desafíos principales: el primero es construir un modelo de simulación preciso para analizar las características del flujo de salida de la motobomba y proporcionar asistencia para el diseño óptimo del conjunto motor-bomba. Hemos establecido un modelo de simulación del conjunto motor-bomba a través de modelos jerárquicos y realizado el análisis de simulación del flujo de salida cambiando diferentes parámetros. El segundo es la cavitación del elemento de prueba causada por la alta velocidad, que es el aspecto más importante que lo distingue de las bombas ordinarias. Por lo tanto, nos centramos más en el diseño del sistema de suministro de aceite al diseñar el sistema de prueba para realizar la prueba en diversas condiciones de trabajo.

En este protocolo, se estableció un modelo de simulación unidimensional para simular inicialmente las características del flujo de la bomba, juzgando si las características del flujo de la bomba cumplen con los requisitos de EHA. Luego, las características del flujo y la eficiencia general se probaron experimentalmente en un banco de pruebas dedicado, obteniendo el mapa de eficiencia general que no se puede simular con precisión mediante simulación. Por último, las características del flujo de la bomba se compararon con los resultados experimentales para verificar la precisión de los resultados de la simulación. Mientras tanto, se obtuvo el mapa de eficiencia general para evaluar el rendimiento del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje.

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Protocol

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

1. Simulación de las características del caudal de la bomba

  1. Construir el modelo de simulación del conjunto motor-bomba. Abra la plataforma de simulación AMESim y entre en el modo SKETCH .
    1. Construir el modelo de simulación para un solo pistón de acuerdo con el modelo matemático cinemático y la curva de distribución (Figura 3). Encapsule el modelo de un solo pistón como un supercomponente (Figura 4).
      NOTA: El modelo matemático cinemático principal del pistón (Eq (1)) arroja:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2(1)
      En esta ecuación, x es el desplazamiento absoluto del pistón, β es el ángulo de inclinación de la placa oscilante, φ es el ángulo de fase del pistón, R f es el radio de distribución del bloque de cilindros, df es el diámetro de distribución del bloque de cilindros.
    2. Construya el modelo de bomba teniendo en cuenta las fugas y la fricción de la placa de la válvula (Figura 4). Para construir el módulo de placa de válvula, concéntrese principalmente en la fricción viscosa y el efecto de estrangulamiento de la interfaz de bloque de pistón / cilindro y la interfaz de placa deslizante / swash.
    3. Construya el modelo de motor a través de un módulo de par ideal (Figura 4). Utilice un módulo de par ideal para simular el motor, ignorando la pérdida de hierro, la pérdida de cobre y la pérdida de agitación del motor.
  2. Establezca los parámetros principales del modelo de conjunto motor-bomba.
    1. Ajuste los parámetros del conjunto moto-bomba de acuerdo con la Tabla 1. Introduzca el modo PARAMETER y defina los parámetros principales haciendo doble clic en el componente específico del modelo de simulación. Ajuste la velocidad de rotación y la presión de prueba de acuerdo con la Tabla 2.
    2. Establezca los parámetros de preejecución del modelo: Hora de inicio: 0 s, Tiempo final: 1 s, Intervalo de impresión: 1 ms.
    3. Ejecute previamente la simulación para lograr el estado estable.
      1. Ejecute la simulación y compruebe si el sistema alcanzará el estado estacionario al final de la simulación. Si el sistema alcanza el estado estable, marque la opción Usar valores finales antiguos en la ventana Ejecutar parámetros . Si no es así, restablezca la hora final en el paso 1.2.1 a 2 s o incluso más y repita el paso 1.2.2 hasta que el sistema alcance el estado estacionario.
    4. Establezca los parámetros de ejecución del modelo: Hora de inicio: 0 s, Tiempo final: 0.2s, Intervalo de impresión: 0.002 ms.
  3. Ejecute la simulación y guarde los datos de simulación.
    NOTA: Repita los pasos 1.2.1-1.2.4 para una condición de trabajo específica; Guarde los datos después de la simulación.
  4. Exporte los datos de simulación y trace el contorno característico del flujo del conjunto motor-bomba en OriginPro. Calcule el valor del caudal de la bomba como el promedio del caudal de la bomba registrado en 0,2 s.
  5. Determinación de las características del caudal de salida
    1. Trazar la curva de flujo de salida del conjunto motor-bomba a la velocidad máxima bajo diferentes condiciones de presión.
    2. Calcule el caudal de salida requerido de la bomba de acuerdo con la velocidad máxima EHA específica y trace la curva de caudal de salida requerida en diferentes condiciones de presión.
    3. Asegúrese de que la curva de caudal requerida de la EHA esté envuelta por la curva de caudal de salida del conjunto motor-bomba.

2. Establecimiento de la plataforma experimental

  1. Establecer el banco de pruebas.
    1. Prepare los componentes hidráulicos del banco de pruebas de acuerdo con la Tabla 3. Asegúrese de que los parámetros clave de cada componente cumplan con los requisitos enumerados en la Tabla 3.
    2. Diseñar y fabricar los bloques de válvulas hidráulicas y construir un sistema hidráulico de acuerdo con el diagrama esquemático hidráulico (Figura 5). Asegúrese de que las posiciones relativas de los componentes sean las mismas que las del diagrama esquemático mostrado, y que los sensores de presión y los sensores de temperatura se coloquen lo más cerca posible del punto de prueba.
      NOTA: Esta serie de experimentos se llevó a cabo en un banco de pruebas de simulación de carga de bomba de alta velocidad y alta presión, como se muestra en la Figura 6.
    3. Diseñar y fabricar los bloques de utillajes y válvulas de prueba. Asegúrese de que las herramientas de diseño estén de acuerdo con la interfaz específica de la bomba probada y el banco de pruebas.
  2. Instalación de las interfaces mecánicas (Figura 7)
    1. Conecte la cara final del conjunto motor-bomba con el bloque de válvula de prueba. Utilice al menos 4 tornillos para garantizar un buen rendimiento de sellado.
    2. Fije el conjunto motor-bomba y el bloque de válvulas de prueba en el banco de trabajo del banco de pruebas (Figura 8). Conecte el conjunto motor-bomba y el bloque de válvula de prueba a las herramientas dedicadas con cuatro tornillos y las herramientas al banco de trabajo con 2 tornillos.
      NOTA: Asegúrese de que los dos tornillos sean lo suficientemente fuertes para que no aparezca ninguna vibración durante la realización de la prueba.
    3. Instale dos grupos de sensores de presión y temperatura del puerto A y el puerto B en el bloque de válvulas de prueba. Conecte estos sensores directamente al puerto de fugas para el monitoreo de fugas.
      NOTA: Es necesario diseñar y fabricar diferentes herramientas para diferentes conjuntos de motobombas probadas para completar el experimento.
  3. Conexión de las interfaces hidráulicas (Figura 7)
    1. Conecte los dos puertos de aceite de alta presión de la fuente de la bomba con el puerto A o B del bloque de válvulas de prueba.
    2. Conecte el puerto de aceite presurizado con el puerto de aceite de fugas de la bomba.
  4. Extracción de aire del conjunto motobomba-bomba
    1. Asegúrese de que la válvula de alivio del sistema de suministro de aceite esté en estado de descarga. Haga funcionar el motor de suministro de aceite durante 3 minutos para expulsar el aire del sistema de prueba y calentarlo.
      NOTA: El tiempo de ejecución específico se determina de acuerdo con las condiciones específicas del banco de pruebas. El objetivo principal de este paso es garantizar que el aceite fluya completamente hacia cada componente del circuito de prueba y que la temperatura de la superficie de la bomba probada esté cerca de la temperatura del aceite.
  5. Para comprobar si hay fugas en el conjunto motor-bomba, cierre la válvula de alivio del sistema de suministro de aceite. Ajuste la presión de suministro de aceite a 2 MPa durante más de 1 minuto.
    NOTA: Esto ayudará a averiguar si hay alguna fuga obvia en el sistema de prueba, como la fuga causada por la falla de la junta tórica.
    1. Busque fugas en el conjunto motor-bomba. Si tiene fugas, primero, apague el sistema hidráulico y reemplace el sello, y luego repita los pasos 2.3 y 2.4. Si no hay fugas, abra la válvula de alivio del sistema de suministro de aceite.
  6. Conexión de las interfaces eléctricas (Figura 9)
    1. Conecte la interfaz de fuente de alimentación y la interfaz de señal giratoria al controlador de conjunto de motobomba.
    2. Conecte el controlador al controlador a través de RS 442, trabajando en modo dúplex completo.
    3. Conecte el controlador a una alimentación de 270 VCC.
  7. Inspección sin carga del conjunto motor-bomba
    1. Haga funcionar la bomba de suministro de aceite y mantenga las válvulas de alivio de los sistemas de suministro y carga de aceite en estado de descarga. Encienda el controlador y el controlador y compruebe si el conjunto motor-bomba puede recibir el comando de control normalmente.
      NOTA: El puerto de entrada del conjunto motor-bomba se puede presurizar a través de una bomba de suministro de aceite, evitando que el componente se cavite.
    2. Ajuste una instrucción de 2.000 rpm hacia adelante al conjunto motor-bomba. Observe el estado de funcionamiento del conjunto motobomba y compruebe si hay fugas en el bloque de válvulas (consulte el paso 2.5).
    3. Ajuste una instrucción de 2.000 rpm inversa al conjunto motor-bomba. Observe el estado de funcionamiento del conjunto motobomba y compruebe si hay fugas en el bloque de válvulas (consulte el paso 2.5).

3. Prueba de caudal de la bomba y eficiencia general del conjunto motor-bomba

  1. Configuración del sistema de suministro de aceite
    1. Haga funcionar la bomba de suministro de aceite y cambie las válvulas de alivio del sistema de suministro de aceite y el sistema de carga al estado de carga.
    2. Ajuste la válvula de alivio de suministro de aceite a la presión mínima de suministro de aceite psmin de 0,6 MPa. Siga los pasos 3.1.2.1-3.1.2.3 para seleccionar psmin.
      NOTA: psmin es la presión en el puerto de entrada del conjunto motor-bomba para evitar la cavitación.
      1. Ajuste la presión de suministro de aceite a 1 MPa o más, que se decide mediante el conjunto de motobomba probado.
      2. Ajuste la velocidad de rotación del conjunto motor-bomba probado a 9.000 rpm, asegurándose de que el flujo de la bomba sea igual al flujo teórico de la bomba. De lo contrario, aumente la presión de suministro de aceite para evitar la cavitación.
      3. Reduzca la presión de suministro de aceite lentamente y registre el cambio del flujo de la bomba. Trazar el flujo relativo de la bomba frente a la presión de suministro de aceite, y encontrar el punto de inflexión del flujo de la bomba: la presión de suministro de aceite de este punto es la presión mínima de suministro de aceite psmin.
    3. Ajuste la válvula de alivio de carga a psmin.
  2. Encienda el sistema de control de temperatura y ajuste la temperatura del aceite a 30 °C.
  3. Encienda la cámara termográfica para detectar la temperatura de la superficie del conjunto motor-bomba.
  4. Envíe instrucciones de control al conjunto motor-bomba para que funcione continuamente a una velocidad específica (Tabla 2).
  5. Ajuste la válvula de alivio de carga y aumente gradualmente la presión de carga a un valor específico (Tabla 2). Mantener durante 4 s a cada presión crítica medida.
    NOTA: Preste mucha atención a la temperatura del motor durante el experimento. Asegúrese de que la temperatura de la superficie de montaje de la motobomba sea inferior a 100 °C.
  6. Después de que la presión alcance el valor específico de la velocidad, vuelva a ajustar la válvula de alivio de carga a 1 MPa.
  7. Repita los pasos 3.3 y 3.4 hasta que se comprueben las características de todos los puntos críticos de medición de presión con arreglo al cuadro 2.
  8. Exporte los datos de flujo experimentales y trace el mapa característico de flujo de la bomba del conjunto motor-bomba.
  9. Calcule la eficiencia global ηo del conjunto motor-bomba en diferentes condiciones de trabajo y trace el mapa de eficiencia general.
    NOTA: La eficiencia general del conjunto motor-bomba viene dada por la Ec. (2):
    figure-protocol-3. (2)
    Donde Po es la potencia de salida del conjunto motor-bomba, Pi es la potencia de entrada del conductor, Qbomba es el flujo de la bomba; Δp es la diferencia de presión de la bomba; Lapotencia U es el voltaje de salida de la fuente de alimentación; Ipower es la corriente de salida de la fuente de alimentación.

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Results

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

El resultado de la simulación del flujo de descarga (Figura 10A) indicó que el flujo de descarga disminuyó ligeramente con el aumento de la presión de carga cuando la velocidad era constante. Además, el caudal de salida aumentó linealmente con el aumento de la velocidad cuando la presión es constante, a juzgar por el mismo ancho de banda. Para evaluar directamente el rendimiento del conjunto motor-bomba en diferentes condiciones de trabajo, trazamos su diagrama de eficiencia volumétrica (

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Discussion

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

Al realizar estos pasos experimentales, es importante asegurarse de que los puntos de medición de presión estén lo suficientemente cerca del puerto de aceite de la bomba, lo que influiría en gran medida en los resultados experimentales. Además, preste atención a la presión del puerto de entrada del conjunto motor-bomba para asegurarse de que no exista cavitación, especialmente en condiciones de trabajo de alta velocidad.

Este método permite un ajuste dinámico de la presión de suministro de ace...

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Disclosures

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

Los autores declaran que no tienen conflictos de intereses.

Acknowledgements

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

Este trabajo fue apoyado por el Proyecto de Aeronaves Civiles Chinas [No. MJ-2017-S49] y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China [No.2021M700331].

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Plataforma de simulación AmeSimSiemensAmesim 16
Advantech
CaudalímetroKRACHTVC0.04E1RS, 0,02-4 L/min
CaudalímetroKRACHTVC0.4E1RS, 0,2-40 L/min
Ordenador industrialAdvantech610H
Motorde alimentación de aceite Siemens1TL0001-1BB23-3JA5
Bomba de suministro de aceiteKangbaishiP222RF01DT
OriginPro OriginLabCorporationOriginPro 2021 (64 bits) 9.8.0.200
Sensor de presiónFeejoyPI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C
Válvula de alivio proporcionalHuade hidráulicaDBE10-30B/50YV
Válvulade alivio proporcionalMotor deHuade DBE10-30B / 315YV
HAOZHIDGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLSVelocidad máxima: 18,000 rpm;   Potencia: 22 kW
Sensor de temperaturaFeejoyTI-A42M1A180/30+F1
Tarjeta DAQ PCI1710 husillo hidráulico

References

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

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