מידול וניתוח ניסיוני של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל פיר יחיד במפעילים אלקטרוהידרוסטטיים

Summary

בנינו מודל סימולציה כדי להעריך את מאפייני זרימת המשאבה ואת הביצועים של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר הבודד במפעילים אלקטרוהידרוסטטיים ולחקור את היעילות הכוללת במגוון רחב של תנאי עבודה של מכלול משאבת המנוע בניסוי.

Abstract

מפעיל אלקטרוהידרוסטטי (EHA) יכול להיות החלופה המבטיחה ביותר בהשוואה למפעילי הסרוו ההידראוליים המסורתיים בזכות צפיפות ההספק הגבוהה, קלות התחזוקה והאמינות שלו. כיחידת כוח הליבה הקובעת את הביצועים וחיי השירות של ה- EHA, מכלול משאבת המנוע צריך להיות בעל טווח מהירות/לחץ רחב ותגובה דינמית גבוהה.

מאמר זה מציג שיטה לבדיקת הביצועים של מכלול משאבת המנוע באמצעות סימולציה וניסויים. מאפייני תפוקת הזרימה הוגדרו באמצעות סימולציה וניתוח של המכלול בתחילת הניסוי, מה שהוביל למסקנה האם המשאבה יכולה לעמוד בדרישות ה- EHA. סדרה של בדיקות ביצועים נערכו על מכלול משאבת המנוע באמצעות ספסל בדיקת משאבה בטווח המהירות של 1,450-9,000 סל"ד וטווח הלחץ של 1-30 MPa.

בדקנו את היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים לאחר שאישרנו את העקביות בין תוצאות הבדיקה של מאפייני פלט הזרימה לבין תוצאות הסימולציה. התוצאות הראו כי למכלול יש יעילות כוללת גבוהה יותר בעת עבודה ב-4,500-7,000 סל"ד בלחץ של 10-25 MPa וב-2,000-2,500 סל"ד תחת 5-15 MPa. בסך הכל, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לקבוע מראש אם מכלול משאבת המנוע עומד בדרישות EHA. יתר על כן, מאמר זה מציע שיטת בדיקה מהירה של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים, אשר יכול לסייע בחיזוי ביצועי EHA.

Introduction

ידוע כמפעיל משולב בדרך כלל עם צפיפות הספק גבוהה, ל- EHA יש סיכויים רחבים בתחומים כגון תעופה וחלל, תעופה, מכונות בנייה ורובוטיקה ^1,2. ה- EHA מורכב בעיקר ממנוע סרוו, משאבה, צילינדר, מאגר בלחץ, בלוק שסתום, שסתומי בקרת מצב, שסתומי בקרת מודולים וחיישנים, המהווים מערכת הידראולית משולבת מאוד, מבוקרת משאבה, סגורה. הדיאגרמה הסכמטית והמודל הפיזיקלי מוצגים באיור 1 3,4,5,6,7. מכלול משאבת המנוע הוא כוח הליבה ומרכיב הבקרה, והוא קובע את הביצועים הסטטיים והדינמיים של ה- EHA⁷.

מכלול משאבת המנוע הקונבנציונלי מורכב ממנוע ומשאבה נפרדים, שפירים שלהם מחוברים על ידי צימוד פיר⁸. למבנה זה יש השפעות שליליות משמעותיות על הביצועים והחיים של EHA. ראשית, גם המנוע וגם המשאבה יישאו רטט גדול יחסית בשל דיוק ההרכבה, במיוחד במהירות גבוהה⁵. הרטט לא רק ישפיע על מאפייני הפלט של המשאבה אלא גם יאיץ את הבלאי של ממשקי החיכוך במשאבה, מה שיוביל לכישלון מכלול המנוע-משאבה⁹. שנית, יש לקבוע איטום בקצות הפיר של המשאבה, אשר אינו יכול למנוע דליפה באופן יסודי. בינתיים, היעילות המכנית של מכלול משאבת המנוע פוחתת עם התנגדות חיכוך גוברת¹⁰. שלישית, ההיפוך התכוף של מכלול משאבת המנוע יאיץ את הבלאי של הצימוד ויגדיל את האפשרות לשבר עייפות, מה שיפחית את אמינות המערכת של EHA^11,12.

לפיכך, מכלול משאבת מנוע קואקסיאלי בעל פיר יחיד בתוך בית משותף פותח כדי למנוע חסרונות אלה. המבנה מוצג באיור 2. עיצוב ללא צימוד מאומץ ברכיב זה, אשר יכול בו זמנית להגדיל את הביצועים הדינמיים ואת מצב הסיכה של המנוע והמשאבה. עיצוב קואקסיאלי יחיד זה מבטיח את היישור של שני הרוטורים ומשפר את האיזון הדינמי בתנאים של מהירות גבוהה. יתר על כן, דיור משותף מבטל באופן יסודי את דליפת קצה הפיר.

בדיקת מאפייני הפלט של מכלול משאבת המנוע EHA היא בעלת משמעות רבה לאופטימיזציה ולשיפור ביצועי EHA. עם זאת, ישנם מחקרים מעטים יחסית על בדיקות ביצועים של מכלול משאבת המנוע, במיוחד עבור EHAs. לכן, ערכנו שיטת בדיקה של שילוב סימולציה וניסויים. שיטה זו מתאימה לבדיקת מכלולי משאבת מנוע עם מגוון רחב של תנאי הפעלה, במיוחד משאבות EHA.

ישנם שני אתגרים עיקריים: הראשון הוא לבנות מודל סימולציה מדויק כדי לנתח את מאפייני זרימת הפלט של משאבת המנוע ולספק סיוע לתכנון אופטימלי של מכלול משאבת המנוע. הקמנו מודל סימולציה של מכלול משאבת המנוע באמצעות מודלים היררכיים ומימשנו את ניתוח הסימולציה של זרימת הפלט על ידי שינוי פרמטרים שונים. השני הוא cavitation של אלמנט הבדיקה הנגרמת על ידי מהירות גבוהה, שהוא ההיבט החשוב ביותר המבדיל אותו משאבות רגילות. לכן, התמקדנו יותר בתכנון מערכת אספקת השמן בעת תכנון מערכת הבדיקה כדי לממש את הבדיקה בתנאי עבודה שונים.

בפרוטוקול זה הוקם מודל סימולציה חד מימדי כדי לדמות את מאפייני זרימת המשאבה בתחילה, תוך שיפוט אם מאפייני זרימת המשאבה עומדים בדרישות EHA. לאחר מכן, מאפייני הזרימה והיעילות הכוללת נבדקו באופן ניסיוני על ספסל בדיקה ייעודי, וקיבלו את מפת היעילות הכוללת שלא ניתן לדמות במדויק על ידי סימולציה. לבסוף, מאפייני זרימת המשאבה הושוו לתוצאות הניסוי כדי לאמת את דיוק תוצאות הסימולציה. בינתיים, מפת היעילות הכוללת התקבלה כדי להעריך את הביצועים של מכלול משאבת המנוע הקואקסיאלי בעל הפיר היחיד.

Protocol

1. סימולציה של מאפייני זרימת המשאבה

1. בנה את מודל הסימולציה של מכלול משאבת המנוע. פתח את פלטפורמת הסימולציה של AMESim והיכנס למצב SKETCH .
   1. בנו את מודל הסימולציה עבור בוכנה בודדת על פי המודל המתמטי הקינמטי ועקומת ההתפלגות (איור 3). תמצתו את מודל הבוכנה הבודדת כרכיב-על (איור 4).
      הערה: המודל המתמטי הקינמטי העיקרי של הבוכנה (Eq (1)) מניב:
      
      (1)
      במשוואה זו, x הוא התזוזה המוחלטת של הבוכנה, β היא זווית השיפוע של לוחית השטיפה, φ היא זווית הפאזה של הבוכנה, R f הוא רדיוס ההתפלגות של גוש הצילינדר, d_f הוא קוטר ההתפלגות של גוש הצילינדר.
   2. בנו את מודל המשאבה בהתחשב בדליפה ובחיכוך של לוחית השסתום (איור 4). כדי לבנות את מודול צלחת השסתום, התמקדו בעיקר באפקט החיכוך והויסות הצמיג של ממשק בלוק הבוכנה/צילינדר וממשק צלחת החלקלק/שטיפה.
   3. בנה את מודל המנוע באמצעות מודול מומנט אידיאלי (איור 4). השתמש במודול מומנט אידיאלי כדי לדמות את המנוע, תוך התעלמות מאובדן הברזל, אובדן הנחושת ואובדן הערבוב של המנוע.
2. הגדר את הפרמטרים העיקריים של דגם הרכבת משאבת המנוע.
   1. הגדר את הפרמטרים של מכלול משאבת המנוע בהתאם לטבלה 1. היכנס למצב PARAMETER והגדר את הפרמטרים העיקריים על ידי לחיצה כפולה על הרכיב הספציפי במודל הסימולציה. הגדר את מהירות הסיבוב ולחץ הבדיקה בהתאם לטבלה 2.
   2. הגדר את הפרמטרים של קדם-הפעלה של המודל : זמן התחלה: 0 שניות, זמן סופי: 1 שניות, מרווח הדפסה: 1 ms.
   3. הפעל מראש את הסימולציה כדי להשיג את המצב היציב.
      1. הפעל את הסימולציה ובדוק אם המערכת תגיע למצב יציב בסוף הסימולציה. אם המערכת מגיעה למצב יציב, סמן את האפשרות השתמש בערכים סופיים ישנים בחלון הפעל פרמטרים . אם לא, אפס את השעה האחרונה בשלב 1.2.1 עד 2 שניות או אפילו יותר וחזור על שלב 1.2.2 עד שהמערכת תגיע למצב יציב.
   4. הגדר את פרמטרי ההפעלה של המודל: זמן התחלה: 0 שניות, זמן סופי: 0.2s, מרווח הדפסה: 0.002 ms.
3. הפעל את הסימולציה ושמור את נתוני הסימולציה.
   הערה: חזור על שלבים 1.2.1-1.2.4 עבור תנאי עבודה ספציפיים; שמור את הנתונים לאחר הסימולציה.
4. ייצא את נתוני הסימולציה והתווה את קווי המתאר האופייניים לזרימה של מכלול משאבת המנוע ב - OriginPro. חשב את הערך של זרימת המשאבה כממוצע של זרימת המשאבה שנרשמה בתוך 0.2 שניות.
5. קביעת מאפייני זרימת פלט
   1. התווה את עקומת זרימת הפלט של מכלול משאבת המנוע במהירות המרבית בתנאי לחץ שונים.
   2. חשב את קצב זרימת הפלט הנדרש של המשאבה בהתאם למהירות המרבית הספציפית של EHA, והתווה את עקומת קצב זרימת הפלט הנדרשת בתנאי לחץ שונים.
   3. ודא שעקומת קצב הזרימה הנדרשת של ה- EHA עטופה בעקומת קצב זרימת הפלט של מכלול משאבת המנוע.

2. הקמת הפלטפורמה הניסיונית

1. להקים את ספסל הבדיקה.
   1. הכינו רכיבים הידראוליים של ספסל הבדיקה לפי טבלה 3. ודא שהפרמטרים העיקריים של כל רכיב עומדים בדרישות המפורטות בטבלה 3.
   2. לתכנן ולייצר את בלוקי השסתומים ההידראוליים ולבנות מערכת הידראולית על פי הדיאגרמה הסכמטית ההידראולית (איור 5). ודא שהמיקומים היחסיים של הרכיבים זהים לתרשים הסכמטי המוצג, וחיישני הלחץ וחיישני הטמפרטורה ממוקמים קרוב ככל האפשר לנקודת הבדיקה.
      הערה: סדרת ניסויים זו נערכה על ספסל בדיקה ייעודי לסימולציה של עומס משאבה במהירות גבוהה ובלחץ גבוה, כפי שמוצג באיור 6.
   3. תכנון וייצור כלי העבודה ובלוקי שסתומי הבדיקה. ודא שכלי התכנון הם בהתאם לממשק הספציפי של המשאבה הנבדקת וספסל הבדיקה.
2. התקנת הממשקים המכניים (איור 7)
   1. חבר את פני הקצה של מכלול משאבת המנוע עם בלוק שסתום הבדיקה. השתמש בלפחות 4 ברגים כדי להבטיח ביצועי איטום טובים.
   2. תקן את מכלול משאבת המנוע ואת בלוק שסתום הבדיקה על שולחן העבודה של ספסל הבדיקה (איור 8). חבר את מכלול משאבת המנוע ואת בלוק שסתום הבדיקה לכלים הייעודיים עם ארבעה ברגים ואת הכלים לשולחן העבודה עם 2 ברגים.
      הערה: ודא ששני הברגים חזקים מספיק כדי שלא יופיע רטט בעת ביצוע הבדיקה.
   3. התקן שתי קבוצות של חיישני לחץ וטמפרטורה של יציאה A ויציאה B בבלוק שסתום הבדיקה. חבר חיישנים אלה ישירות ליציאת הדליפה לצורך ניטור דליפות.
      הערה: יש צורך לתכנן ולייצר כלים שונים עבור מכלולי משאבות מנוע שונים שנבדקו כדי להשלים את הניסוי.
3. חיבור הממשקים ההידראוליים (איור 7)
   1. חבר את שתי יציאות השמן בלחץ גבוה של מקור המשאבה עם יציאה A או B של בלוק שסתום הבדיקה.
   2. חבר את יציאת השמן בלחץ עם יציאת שמן הדליפה של המשאבה.
4. מתיש אוויר של מכלול משאבת המנוע
   1. ודא ששסתום ההקלה של מערכת אספקת הנפט נמצא במצב פריקה. הפעל את מנוע אספקת השמן במשך 3 דקות כדי למצות את האוויר של מערכת הבדיקה ולחמם אותו.
      הערה: זמן הריצה הספציפי נקבע בהתאם לתנאים הספציפיים של ספסל הבדיקה. המטרה העיקרית של שלב זה היא להבטיח שהשמן זורם במלואו לכל רכיב במעגל הבדיקה וטמפרטורת פני השטח של המשאבה הנבדקת קרובה לטמפרטורת השמן.
5. כדי לבדוק אם יש דליפות במכלול משאבת המנוע, כבה את שסתום ההקלה של מערכת אספקת השמן. התאם את לחץ אספקת השמן ל-2 MPa למשך יותר מדקה אחת.
   הערה: זה יעזור לגלות אם יש דליפה ברורה במערכת הבדיקה, כגון דליפה שנגרמה על ידי כשל של O-ring.
   1. חפש נזילה במכלול משאבת המנוע. אם הוא דולף, תחילה, כבה את המערכת ההידראולית והחלף את החותם, ולאחר מכן חזור על שלבים 2.3 ו -2.4. אם אין דליפה, פתח את שסתום ההקלה של מערכת אספקת הנפט.
6. חיבור הממשקים החשמליים (איור 9)
   1. חבר את ממשק ספק הכוח ואת ממשק האות הסיבובי למנהל ההתקן של מכלול משאבת המנוע.
   2. חבר את מנהל ההתקן לבקר באמצעות RS 442, תוך עבודה במצב דופלקס מלא.
   3. חבר את מנהל ההתקן לחשמל של 270 VDC.
7. בדיקה ללא עומס של מכלול משאבת המנוע
   1. הפעל את משאבת אספקת השמן ושמור על שסתומי ההקלה של מערכות אספקת השמן והטעינה במצב פריקה. הפעל את הנהג והבקר ובדוק אם מכלול משאבת המנוע יכול לקבל את פקודת הבקרה כרגיל.
      הערה: ניתן ללחוץ על יציאת הכניסה של מכלול משאבת המנוע באמצעות משאבת אספקת שמן, ובכך למנוע מהרכיב קוויטציה.
   2. הגדר הוראה של 2,000 סל"ד קדימה למכלול משאבת המנוע. שים לב למצב העבודה של מכלול משאבת המנוע ובדוק אם יש דליפה בבלוק השסתום (ראה שלב 2.5).
   3. הגדר הוראה של 2,000 סל"ד לאחור למכלול משאבת המנוע. שים לב למצב העבודה של מכלול משאבת המנוע ובדוק אם יש דליפה בבלוק השסתום (ראה שלב 2.5).

3. בדיקת זרימת המשאבה והיעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע

1. הגדרת מערכת אספקת הנפט
   1. הפעל את משאבת אספקת השמן והעבר את שסתומי ההקלה של מערכת אספקת השמן ומערכת הטעינה למצב הטעינה.
   2. התאם את שסתום ההקלה של אספקת השמן ללחץ אספקת השמן המינימלי _של 0.6 MPa. בצע את השלבים 3.1.2.1-3.1.2.3 כדי לבחור p_smin.
      הערה: psmin הוא הלחץ ביציאת הכניסה של מכלול משאבת המנוע כדי למנוע קוויטציה.
      1. התאם את לחץ אספקת השמן ל- 1 MPa או יותר, אשר נקבע על ידי מכלול משאבת המנוע שנבדק.
      2. התאם את מהירות הסיבוב של מכלול משאבת המנוע הנבדקת ל-9,000 סל"ד, וודא שזרימת המשאבה שווה לזרימת המשאבה התיאורטית. אחרת, הגדל את לחץ אספקת השמן כדי למנוע קוויטציה.
      3. הפחת את לחץ אספקת השמן באיטיות ותעד את שינוי זרימת המשאבה. התווה את זרימת המשאבה היחסית לעומת לחץ אספקת הנפט, ומצא את נקודת ההנעה של זרימת המשאבה - לחץ אספקת השמן של נקודה זו הוא לחץ אספקת השמן המינימלי p_smin.
   3. התאם את שסתום שחרור העומס ל - p_smin.
2. הפעל את מערכת בקרת הטמפרטורה והתאם את טמפרטורת השמן ל -30 מעלות צלזיוס.
3. הפעל את המצלמה התרמית כדי לזהות את טמפרטורת פני השטח של מכלול משאבת המנוע.
4. שלח הוראות בקרה למכלול משאבת המנוע כדי לגרום לו לפעול ברציפות במהירות מסוימת (טבלה 2).
5. התאם את שסתום שחרור העומס והגדל בהדרגה את לחץ העומס לערך מסוים (טבלה 2). החזיקו במשך 4 שניות בכל לחץ מדוד קריטי.
   הערה: שימו לב לטמפרטורת המנוע במהלך הניסוי. ודא שהטמפרטורה של משטח מכלול משאבת המנוע נמוכה מ-100 מעלות צלזיוס.
6. לאחר שהלחץ מגיע לערך הספציפי של המהירות, התאם את שסתום שחרור העומס בחזרה ל- 1 MPa.
7. חזור על שלבים 3.3 ו- 3.4 עד לבדיקת המאפיינים של כל נקודות מדידת הלחץ הקריטיות בהתאם לטבלה 2.
8. ייצא את נתוני הזרימה הניסיוניים והתווה את המפה האופיינית לזרימת המשאבה של מכלול משאבת המנוע.
9. חשב את היעילות הכוללת ηo של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים והתווה את מפת היעילות הכוללת.
   הערה: היעילות הכוללת של מכלול משאבת המנוע ניתנת על ידי Eq (2):
   . (2)
   כאשר P_o הוא כוח הפלט של מכלול משאבת המנוע, P_i הוא כוח הכניסה של הנהג, _משאבת Q היא זרימת המשאבה; Δp הוא הפרש לחץ המשאבה; _כוח U הוא מתח היציאה של ספק הכוח; _הספק I הוא זרם הפלט של ספק הכוח.

Results

תוצאת הסימולציה של זרימת הפריקה (איור 10A) הצביעה על כך שזרימת הפריקה ירדה מעט עם העלייה בלחץ העומס כאשר המהירות הייתה קבועה. יתר על כן, קצב זרימת הפלט עלה באופן ליניארי עם הגברת המהירות כאשר הלחץ קבוע, אם לשפוט לפי אותו רוחב חגורה. כדי להעריך ישירות את הביצועים של מכלול משאבת המנוע בתנאי עבודה שונים, שרטטנו את דיאגרמת היעילות הנפחית שלו (איור 11A). הוא הראה כי היעילות הנפחית של המשאבה הייתה גבוהה יותר בעוד הלחץ והמהירות היו נמוכים יחסית. כאשר המהירות הייתה 3,00...

Discussion

בעת ביצוע שלבי ניסוי אלה, חשוב לוודא שנקודות מדידת הלחץ קרובות מספיק לנמל הנפט של המשאבה, מה שישפיע מאוד על תוצאות הניסוי. בנוסף, לשים לב ללחץ של יציאת הכניסה של הרכבה משאבת המנוע כדי להבטיח כי לא קיים cavitation, במיוחד בתנאי עבודה במהירות גבוהה.

שיטה זו מאפשרת התאמה דינמית של לחץ אספקת הנפט, תוך מימוש סימולציה מדויקת של תנאי עבודה שונים.

מגבלה של שיטה זו היא כי היעילות הכוללת של הרכבה מנוע-משאבה לא ניתן להשיג במדויק על ידי סימולציה. במודל הסימולציה, שלושת משטחי הח...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
פלטפורמת סימולציה AmeSim	סימנס	Amesim 16
כרטיס DAQ	Advantech	PCI1710
מד זרימה	KRACHT	VC0.04E1RS, 0.02-4 ליטר לדקה
מד זרימה	KRACHT	VC0.4E1RS, 0.2-40 ליטר לדקה
מחשב תעשייתי	Advantech	610H
מנוע אספקת שמן	סימנס	1TL0001-1BB23-3JA5
משאבת אספקת נפט	Kangbaishi	P222RF01DT
OriginPro	OriginLab Corporation	OriginPro 2021 (64 סיביות) 9.8.0.200
חיישן לחץ	Feejoy	PI131G (0-5 MPA)F4MCAH5C
שסתום הקלה פרופורציונלי	Huade הידראולי	DBE10-30B/50YV
שסתום	הקלה פרופורציונלימנוע ציר הידראולי	Huade DBE10-30B/315YV
	HAOZHI	DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS	מהירות מקסימלית: 18,000 סל"ד;   הספק: חיישן טמפרטורה 22 קילוואט
	Feejoy	TI-A42M1A180/30+F1