電気油圧アクチュエータにおける単軸同軸モータポンプアセンブリのモデリングと実験解析

Summary

電気ハイドロスタティックアクチュエータにおける単軸同軸モータポンプアセンブリのポンプ流量特性と性能を評価するためのシミュレーションモデルを構築し、モータポンプアセンブリの幅広い作業条件での全体的な効率を実験的に調査しました。

Abstract

静電アクチュエータ(EHA)は、その高い出力密度、メンテナンスの容易さ、および信頼性のために、従来の油圧サーボアクチュエータと比較して最も有望な代替手段となります。EHAの性能と耐用年数を決定するコアパワーユニットとして、モーターポンプアセンブリは、広い速度/圧力範囲と高い動的応答を同時に備えている必要があります。

この論文では、シミュレーションと実験を通じてモーターポンプアセンブリの性能をテストする方法を紹介します。流量出力特性は、実験開始時のアセンブリのシミュレーションと分析を通じて定義され、ポンプがEHAの要件を満たすことができるかどうかの結論に至りました。一連の性能試験は、ポンプテストベンチを介して、1,450〜9,000 rpmの速度範囲および1〜30MPaの圧力範囲でモーターポンプアセンブリで実施されました。

流量出力特性の試験結果とシミュレーション結果との整合性を確認した後、さまざまな作業条件下でモーターポンプアセンブリの全体的な効率をテストしました。結果は、10〜25MPaの圧力下で4,500〜7,000rpmで、5〜15MPaの下で2,000〜2,500rpmで作業する場合、アセンブリの全体的な効率が高いことを示しました。全体として、この方法は、モーターポンプアセンブリがEHAの要件を満たしているかどうかを事前に判断するために利用できます。さらに、この論文は、EHA性能の予測に役立つ可能性のある、さまざまな作業条件でのモーターポンプアセンブリの迅速なテスト方法を提案します。

Introduction

EHAは、高出力密度の典型的な統合アクチュエータとして知られており、航空宇宙、航空、建設機械、ロボット工学などの分野で幅広い見通しを持っています^1,2。EHAは主にサーボモーター、ポンプ、シリンダー、加圧リザーバー、バルブブロック、モード制御バルブ、モジュール制御バルブ、センサーで構成され、高度に統合されたポンプ制御のクローズド油圧システムを構成します。概略図と物理モデルを図1³、⁴、^5、6、7に示します。モーターポンプアセンブリはコアパワーおよび制御コンポーネントであり、EHA⁷の静的および動的性能を決定します。

従来のモーター - ポンプアセンブリは、独立したモータおよびポンプからなり、そのシャフトはシャフトカップリング⁸によって接続されている。この構造は、EHAのパフォーマンスと寿命に重大な悪影響を及ぼします。まず、モーターとポンプの両方が、特に高速⁵での組み立て精度のために比較的大きな振動に耐えます。振動は、ポンプの出力特性に影響を与えるだけでなく、ポンプ内の摩擦インターフェースの摩耗を加速させ、モーターポンプアセンブリ⁹の故障につながります。第二に、ポンプのシャフト端にシールを設定する必要がありますが、これは漏れを根本的に防ぐことはできません。一方、モータ - ポンプアセンブリの機械的効率は、摩擦抵抗の増加とともに低下する¹⁰。第三に、モーターポンプアセンブリの頻繁な逆転は、カップリングの摩耗を加速し、疲労破壊の可能性を高め、EHA^11,12のシステムの信頼性を低下させます。

したがって、これらの欠点を回避するために、共有ハウジング内の単軸同軸モーターポンプアセンブリが開発されました。構造を 図 2 に示します。このコンポーネントにはカップリングなしの設計が採用されており、モーターとポンプの動的性能と潤滑状態を同時に向上させることができます。この単軸同軸設計により、2つのローターの位置合わせが保証され、高速条件下での動的バランスが向上します。さらに、共有ハウジングは基本的にシャフトエンドの漏れを排除します。

EHAモーターポンプアセンブリの出力特性をテストすることは、EHA性能の最適化と改善にとって非常に重要です。ただし、特にEHAの場合、モーターポンプアセンブリの性能テストに関する研究は比較的少ないです。そこで、シミュレーションと実験を組み合わせた試験方法を実施しました。この方法は、幅広い動作条件、特にEHAポンプのモーターポンプアセンブリのテストに適しています。

2つの主な課題があり、1つ目は、モーターポンプの出力流量特性を解析するための正確なシミュレーションモデルを構築し、モーターポンプアセンブリの最適設計を支援することです。モータポンプ組立のシミュレーションモデルを階層モデリングにより確立し、異なるパラメータを変更することで出力フローのシミュレーション解析を実現しました。2つ目は、高速によって引き起こされる試験要素のキャビテーションであり、これは通常のポンプと区別する最も重要な側面です。そのため、さまざまな作業条件下でのテストを実現するためのテストシステムを設計する際には、オイル供給システムの設計に重点を置いています。

このプロトコルでは、ポンプ流量特性を最初にシミュレートするために1次元シミュレーションモデルを確立し、ポンプ流量特性がEHAの要件を満たしているかどうかを判断しました。次に、流れ特性と総合効率を専用のテストベンチで実験的にテストし、シミュレーションでは正確にシミュレーションできない総合効率マップを取得しました。最後に、ポンプの流量特性を実験結果と比較し、シミュレーション結果の精度を検証しました。一方、単軸同軸モーターポンプアセンブリの性能を評価するために、全体的な効率マップが得られました。

Protocol

1. ポンプ流量特性のシミュレーション

1. モーターポンプアセンブリのシミュレーションモデルを構築します。 AMESim シミュレーションプラットフォームを開き、 スケッチ モードに入ります。
   1. 運動学的数学モデルと分布曲線に従って、単一ピストンのシミュレーションモデルを構築します(図3)。シングルピストンモデルをスーパーコンポーネントとしてカプセル化します(図4)。
      注:ピストンの主な運動学的数学モデル(式(1))は、次のものを生成します。
      
      (1)
      この式において、xはピストンの絶対変位、βは斜板傾斜角、φはピストンの位相角、Rfはシリンダブロックの分布半径、df_{はシリンダ}ブロックの分布径である。
   2. バルブプレートの漏れと摩擦を考慮してポンプモデルを構築します(図4)。バルブプレートモジュールを構築するには、主にピストン/シリンダーブロックインターフェースとスリッパ/斜板インターフェースの粘性摩擦とスロットル効果に焦点を当てます。
   3. 理想的なトルクモジュールを介してモーターモデルを構築します(図4)。理想的なトルクモジュールを使用して、モーターの鉄損、銅損、攪拌損失を無視してモーターをシミュレートします。
2. モーターポンプアセンブリモデルの主なパラメータを設定します。
   1. 表1に従ってモーターポンプアセンブリのパラメータを設定します。PARAMETERモードに入り、シミュレーションモデル内の特定のコンポーネントをダブルクリックしてメインパラメータを設定します。表2に従って回転速度と試験圧力を設定します。
   2. モデルの実行前パラメータを設定します:開始時間:0秒、 最終時間:1秒、印刷間隔:1ミリ秒。
   3. シミュレーションを事前に実行して、定常状態を実現します。
      1. シミュレーションを実行し、シミュレーションの最後にシステムが定常状態に達するかどうかを確認します。システムが定常状態に達した場合は、[実行パラメータ]ウィンドウの[古い最終値を使用]オプションをオンにします。そうでない場合は、手順1.2.1の最終時間を2秒以上にリセットし、システムが定常状態に達するまで手順1.2.2を繰り返します。
   4. モデルの実行パラメータを設定します:開始時間:0秒、 最終時間:0.2秒、印刷間隔:0.002ミリ秒。
3. シミュレーションを実行し、シミュレーション データを保存します。
   注意: 特定の動作条件に対して手順1.2.1〜1.2.4を繰り返します。シミュレーション後にデータを保存します。
4. シミュレーションデータをエクスポートし、 OriginProでモーターポンプアセンブリの流動特性コンターをプロットします。ポンプ流量の値を、0.2秒以内に記録されたポンプ流量の平均として計算します。
5. 出力流量特性の決定
   1. さまざまな圧力条件下での最高速度でのモーターポンプアセンブリの出力流量曲線をプロットします。
   2. 特定のEHA最高速度に応じてポンプの必要な出力流量を計算し、さまざまな圧力条件で必要な出力流量曲線をプロットします。
   3. EHAの必要な流量曲線がモーターポンプアセンブリの出力流量曲線に包まれていることを確認してください。

2. 実験プラットフォームの構築

1. テストベンチを確立します。
   1. 表3に従ってテストベンチの油圧部品を準備します。各コンポーネントの主要パラメーターが表 3 にリストされている要件を満たしていることを確認します。
   2. 油圧バルブブロックを設計および製造し、油圧回路図(図5)に従って油圧システムを構築します。コンポーネントの相対位置が示されている回路図と同じであり、圧力センサーと温度センサーがテストポイントにできるだけ近い位置に配置されていることを確認してください。
      注:この一連の実験は、 図6に示すように、専用の高速高圧ポンプ負荷シミュレーションテストベンチで実施されました。
   3. ツーリングとテストバルブブロックを設計および製造します。設計ツールが、テスト対象のポンプとテストベンチの特定のインターフェースに従っていることを確認してください。
2. メカニカルインターフェースの設置(図7)
   1. モーターポンプアセンブリの端面をテストバルブブロックに接続します。良好なシール性能を確保するために、少なくとも4本のネジを使用してください。
   2. モーターポンプアセンブリとテストバルブブロックをテストベンチのワークベンチに固定します(図8)。モーターポンプアセンブリとテストバルブブロックを4本のネジで専用ツーリングに接続し、ツーリングを2本のネジでワークベンチに接続します。
      注意: テストの実施中に振動が発生しないように、2本のネジが十分に強力であることを確認してください。
   3. ポートAとポートBの2つのグループの圧力および温度センサーをテストバルブブロックに取り付けます。これらのセンサーを漏れポートに直接接続して、漏れを監視します。
      注意: 実験を完了するには、テスト対象のモーターポンプアセンブリごとに異なる工具を設計および製造する必要があります。
3. 油圧インターフェースの接続(図7)
   1. ポンプ源の2つの高圧オイルポートをテストバルブブロックのポートAまたはBに接続します。
   2. 加圧オイルポートをポンプの漏れオイルポートに接続します。
4. モーターポンプアセンブリの排気
   1. オイル供給システムのリリーフバルブが荷降ろし状態にあることを確認してください。オイル供給モーターを3分間運転して、テストシステムの空気を排出し、暖めます。
      注意: 特定の実行時間は、テストベンチの特定の条件に従って決定されます。このステップの主な目的は、オイルがテスト回路の各コンポーネントに完全に流れ込み、テストされたポンプの表面温度がオイル温度に近いことを確認することです。
5. モーターポンプアセンブリの漏れをチェックするには、オイル供給システムのリリーフバルブを遮断します。給油圧力を2MPaに1分以上調整します。
   注意: これは、Oリングの故障による漏れなど、テストシステムに明らかな漏れがあるかどうかを調べるのに役立ちます。
   1. モーターポンプアセンブリの漏れを探します。漏れた場合は、まず油圧システムをシャットダウンしてシールを交換してから、手順2.3と2.4を繰り返します。漏れがない場合は、オイル供給システムのリリーフバルブを開きます。
6. 電気的インターフェースの接続(図9)
   1. 電源インターフェースと回転信号インターフェースをモーターポンプアセンブリドライバーに接続します。
   2. ドライバをRS 442経由でコントローラに接続し、全二重モードで動作させます。
   3. ドライバを270VDC電源に接続します。
7. モーターポンプアセンブリの無負荷検査
   1. 給油ポンプを作動させ、給油および積み込みシステムのリリーフバルブを荷降ろし状態に保ちます。ドライバーとコントローラーの電源を入れ、モーターポンプアセンブリが制御コマンドを正常に受信できるかどうかを確認します。
      注意: モーターポンプアセンブリの入口ポートは、オイル供給ポンプを介して加圧できるため、コンポーネントのキャビテーションを防ぐことができます。
   2. モーターポンプアセンブリに2,000rpmの指示を前方に設定します。モーターポンプアセンブリの動作状態を観察し、バルブブロックに漏れがないかどうかを確認します(手順2.5を参照)。
   3. モーターポンプアセンブリに2,000rpmの指示を逆に設定します。モーターポンプアセンブリの動作状態を観察し、バルブブロックに漏れがないかどうかを確認します(手順2.5を参照)。

3.モーターポンプアセンブリのポンプ流量と全体的な効率テスト

1. 給油システムの設定
   1. 給油ポンプを作動させ、給油システムと装填システムのリリーフバルブを装填状態に切り替えます。
   2. 給油リリーフバルブを最小給油圧力_psmin0.6MPaに調整します。手順 3.1.2.1-3.1.2.3 に従って、p_smin を選択します。
      注意: psminは、キャビテーションを防ぐためのモーターポンプアセンブリの入口ポートの圧力です。
      1. オイル供給圧力を、テストしたモーターポンプアセンブリによって決定される1MPa以上に調整します。
      2. テストしたモーターポンプアセンブリの回転速度を9,000 rpmに調整し、ポンプ流量が理論上のポンプ流量と等しいことを確認します。それ以外の場合は、キャビテーションを避けるためにオイル供給圧力を上げてください。
      3. 給油圧力をゆっくりと下げ、ポンプ流量の変化を記録します。相対的なポンプ流量とオイル供給圧力をプロットし、 ポンプフローの変曲点を見つけます-このポイントのオイル供給圧力は最小オイル供給圧力p_sminです。
   3. 負荷リリーフバルブを p_sminに調整します。
2. 温度制御システムの電源を入れ、油温を30°Cに調整します。
3. サーマルイメージャーをオンにして、モーターポンプアセンブリの表面温度を検出します。
4. モーターポンプアセンブリに制御指示を送信して、特定の速度で連続的に動作させます(表2)。
5. 負荷リリーフバルブを調整し、負荷圧力を特定の値まで徐々に上げます(表2)。各臨界測定圧力で4秒間保持します。
   注意: 実験中はモーターの温度に細心の注意を払ってください。モーターポンプアセンブリの表面の温度が100°C未満であることを確認してください。
6. 圧力が速度の特定の値に達したら、負荷リリーフバルブを1MPaに戻します。
7. すべての臨界圧力測定ポイントの特性が 表3.3に従ってテストされるまで、手順3.4と2を繰り返します。
8. 実験流量データをエクスポートし、モーターポンプアセンブリのポンプ流量特性マップをプロットします。
9. さまざまな作業条件でのモーターポンプアセンブリの全体的な効率ηoを計算し、全体的な効率マップをプロットします。
   注意: モーターポンプアセンブリの全体的な効率は、式(2)で与えられます。
   .(2)
   ここで_、Poはモーターポンプアセンブリの出力電力、Piはドライバーの入力電力、Q_{ポンプはポンプ}流量です。Δpはポンプ圧力差です。U_電源は電源出力電圧です。I_電源は電源出力電流です。

Results

吐出流のシミュレーション結果(図10A)から,速度が一定の場合,負荷圧力の上昇に伴って吐出流がわずかに減少することが示された。さらに、同じベルト幅から判断すると、圧力が一定の場合、出力流量は速度の増加とともに直線的に増加しました。さまざまな作業条件下でのモーターポンプアセンブリの性能を直接評価するために、その体積効率図をプロットしました(図11A)。ポンプの体積効率は高く、圧力と速度は比較的低いことが示されました。速度が3,000rpmのとき、95%の体積効率の最大出力圧力は5MPaでした。速度が8,000rpmのとき、この値は急速に23MPaに上昇しました。

図10B は、シミュレーションとよく一致する放電流の実験結果を示しています。実験結果とシミュレーション結果のわずかな違いは、速度が5,000rpmを超えると、出力流量が最初に減少し、次に圧力の上昇とともに増加することです。

Discussion

これらの実験ステップを実施する際には、圧力測定点がポンプのオイルポートに十分近いことを確認することが重要であり、実験結果に大きく影響します。さらに、モーターポンプアセンブリの入口ポートの圧力に注意して、特に高速作業条件でキャビテーションが存在しないようにしてください。

この方法により、給油圧力を動的に調整でき、さまざまな作業条件の正確なシミュレーションを実現できます。

この方法の制限は、モーターポンプアセンブリの総合効率をシミュレーションで正確に取得できないことです。シミュレーションモデルでは、ポンプの3つの主要な摩擦面は完全な油膜潤滑下にあり、これは界面に粘性摩擦のみが存在することを意味します。しかし、実態は油膜完全潤滑と境界潤滑に切り替わり、シミュレーションモデルではシミュレーションできません。そのため、プロトタイプの実際のパラメータに限定されずに低コストで高速であるという利点を持つポンプをシミュレートするためにシミュレーションモデルを使用することに焦点を当てています。一方、この限界を実験的な方法で補います。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AmeSimシミュレーションプラットフォーム	シーメンス	Amesim 16
DAQカード	アドバンテック	PCI1710
流量計	KRACHT	VC0.04E1RS、0.02-4 L/min
流量計	KRACHT	VC0.4E1RS、0.2-40 L/min
産業用コンピュータ	アドバンテック	610H
給油モーター	シーメン	1TL0001-1BB23-3JA5
オイルサプライポンプ	康白石	P222RF01DT
	OriginPro OriginLab Corporation	OriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200
圧力センサー	Feejoy	PI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C
比例リリーフバルブ	Huade 油圧	DBE10-30B/50YV
比例リリーフバルブ	Huade油圧	DBE10-30B / 315YV
スピンドル	モーターHAOZHI	DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS	最高速度:18,000 rpm; 電源:22kW
温度センサー	Feejoy	TI-A42M1A180/30+F1