Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Метод моделирования и имитационного моделирования предварительного проектирования электроизменяющегося объемного насоса

Published: June 1, 2022 doi: 10.3791/63593
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1
1School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, 2Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls, 3Innovative Hydraulics and Automation, Tampere University

Summary

Разработана и частично проверена экспериментами имитационная модель, специально поддерживающая предварительный проект электроизмерительного объемного насоса (EVDP). Эффективность управления, срок службы, надежность и т. Д. Могут быть оценены с использованием предлагаемой модели, которая охватывает основные требования к производительности в рамках задачи предварительного проектирования EVDP.

Abstract

Электрогидростатические приводы (ЭХА) были значительно исследованы в академических кругах, и их применение в различных промышленных областях расширяется. EHA с переменной скоростью в настоящее время имеет приоритет над EHA с переменным смещением, но его приводной двигатель и связанная с ним электроника сталкиваются с проблемами при применении в приложениях с высокой мощностью: низкая динамика, высокое рассеивание тепла, высокая цена и т. Д. Поэтому был рассмотрен вопрос о EHA с переменным рабочим объемом, оснащенный электроизмерительным объемным насосом (EVDP). Сама EVDP представляет собой мехатронную систему, которая объединяет поршневой насос, шарико-винтовой пар, редуктор и синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM). Следовательно, EVDP необходимо исследовать, чтобы обеспечить его производительность на системном уровне при применении в EHA. В дополнение к предыдущим исследованиям технических параметров EVDP, для дальнейшего снижения стоимости использования EVDP и изучения его потенциала производительности необходим специализированный метод проектирования. Здесь выбран метод предварительного проектирования EVDP на основе моделирования для проектирования EVDP мощностью 37 кВт. Во-первых, ранее предложенная мультидисциплинарная модель EVDP расширяется за счет улучшения генерации параметров, включая срок службы EVDP, надежность, модели управления и т.д. Во-вторых, предложенная модель частично проверяется с использованием уменьшенного прототипа. В-третьих, EVDP моделируется на системном уровне, поддерживаемом предлагаемой моделью. Производительность EVDP оценивается в соответствии с заданными требованиями к проектированию. Температура, пропускная способность и точность, надежность и срок службы и т. Д. Все это прогнозируется для EVDP. Результаты моделирования демонстрируют применимость EVDP в EHA с переменным смещением. Предлагаемый метод моделирования и имитационного моделирования может быть использован для оценки различных характеристик EVDP и реагирования на общие требования к проектированию. Этот метод также может способствовать решению проблем предварительного проектирования с точки зрения ограниченной информации и надежности. Поэтому предложенный способ является подходящим для реализации метода предварительного проектирования EVDP на основе моделирования.

Introduction

Электрогидростатические приводы (ЭХА) получают все больший интерес для таких применений, как промышленные прессы, крупное мобильное оборудование, крановые манипуляторы и первичное управление воздушным судном из-за их сочетания преимуществ как электрических приводов, так и гидравлических приводов1. Можно выделить два основных типа ЭХА: ЭХА с переменной скоростью и ЭХА с переменным смещением2. В настоящее время EHA с переменной скоростью более популярен, чем EHA с переменным смещением из-за его более высокой эффективности и простоты. Однако, наряду с более высоким уровнем мощности EHA, который необходим в тяжелых транспортных средствах, таких как тяжелые ракеты-носители3 и подводные лодки4, приводной двигатель и связанная с ним электроника EHA с переменной скоростью имеют проблемы, связанные с низкой динамикой, высокой рассеиваемостью тепла, высокой ценой и т. Д. Поэтому EHA с переменным рабочим объемом пересматривается для этих высокомощных применений (>30 кВт), поскольку его управление осуществляется с помощью устройства малой мощности, которое регулирует объем насоса.

Одной из основных проблем, которая препятствует тому, чтобы EHA с переменным рабочим объемом рассматривался в качестве приоритета, является его громоздкий блок управления рабочим объемом насоса, который сам по себе представляет собой полную гидравлическую систему с клапанным управлением. Для решения этой проблемы был предложен электроизмерительный объемный насос (EVDP) с использованием компактного электрического блока управления перемещением. Такая конструкция улучшает компактность, эффективность и т.д. ЭГА с переменным смещением, что в определенной степени устраняет предыдущую слабость. Таким образом, использование ЭХА с переменным смещением для применения с высокой мощностью может быть облегчено за счет использования недавно предложенного EVDP. Тем не менее, сложность EVDP значительно выше по сравнению с обычным гидравлически управляемым насосом с переменным рабочим объемом, поскольку он объединяет компоненты из нескольких новых дисциплин. В результате появилась конкретная исследовательская деятельность на основе ЕВПР. Наша исследовательская группа начала исследование EVDP5 и продолжила его разработку6. Лю разработал EVDP для приложений EHA и провел экспериментальные испытания7. Некоторые гидравлические компании также поставляют продукты EVDP. В дополнение к исследованиям, касающимся технических компонентов EVDP, метод проектирования для удовлетворения реальных требований применения также имеет важное значение для повышения компетентности EVDP за счет дальнейшего снижения стоимости использования EVDP и изучения их потенциала производительности. Следовательно, для оптимизации компромиссов в производительности на системном уровне путем анализа связанных дисциплин необходим конкретный метод предварительного проектирования EVDP. Предварительный проект на основе моделирования представляет интерес для этого типа междисциплинарной связи мехатронных изделий8.

Хотя никаких конкретных имитационных моделей для предварительного проектирования EVDP не было предложено из-за того, что это недавно предложенная концепция, много исследований было вложено в соответствующие мехатронные продукты. Динамическая модель EHA была построена для оптимизации веса, эффективности и производительности управления в предварительном проекте9, но срок службы, надежность, тепловые характеристики и т. Д. Не были задействованы, которые являются существенными показателями производительности, которые следует учитывать при предварительном проектировании. Другая динамическая модель EHA также была использована для оптимизации затрат, эффективности и производительности управления10, и впоследствии была разработана тепловая модель для оценки тепловых характеристик оптимизированной EHA11, но надежность и срок службы не были рассмотрены. Представлен комплексный метод предварительного проектирования электромеханического привода (ЕМА)12. Для этого метода были предложены конкретные модели с различными функциями, способные анализировать различные характеристики, а также разработаны модели надежности и срока службы13. Таким образом, можно было оценить механическую прочность, мощность, тепловые характеристики и т.д., но эффективность управления не была задействована. Другой метод предварительного проектирования EMA использовал динамическую модель EMA и связанные с ней модели размеров компонентов14. Стоимость, вес, срок службы усталости, мощность, физические ограничения и т. Д. Были задействованы в анализе моделирования, но надежность и эффективность управления не были включены. Предложена динамическая модель для оптимизации конструкции гидравлической гибридной трансмиссии15. Мощность, эффективность, управление и т. Д. Могли быть смоделированы, но надежность и срок службы не учитывались. Предложены модели для анализа системы управления полетом на основе EHA, в рамках которой использовались простые уравнения передачи мощности и весовые функции16. С учетом того, что эти модели использовались для анализа на уровне автотранспортных средств и на уровне миссий, ограниченный охват характеристик моделей является уместным. Как основной компонент EHA, серводвигатели привлекли отдельное внимание в отношении моделирования и проектирования, и результаты также поучительны для разработки модели EHA. Тепловые сети, весовые модели и т. Д. Также могут быть рассмотрены для моделирования EHA 17,18,19. В рецензируемой литературе указывается, что даже с учетом результатов от продуктов, связанных с EVDP, разработанные модели не анализируют все влиятельные эксплуатационные характеристики продуктов для предварительного проектирования. Управляющая производительность, тепловые характеристики, надежность и срок службы - это атрибуты, которыми больше всего пренебрегали при построении моделей. Поэтому в данной работе предлагается модельный пакет, способный анализировать все наиболее влиятельные атрибуты производительности для предварительного проектирования EVDP. Анализ моделирования также представлен для лучшей иллюстрации функций модели. Эта статья является продолжением предыдущей публикации20, поскольку она улучшает генерацию параметров, включает в себя модель жизненного цикла, модель надежности и модель управления, оптимизирует стоимость расчета, проверяет модель и проводит углубленный анализ моделирования и т. Д.

Обычный гидравлический блок управления поршневого насоса с переменным рабочим объемом заменяется электрическим приводом для повышения компактности и уменьшения рассеивания тепла, как показано на рисунке 1. Электрический привод состоит из шарико-винтового парового механизма, редуктора и синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM). Электрический привод соединяет перемычку через стержень для регулирования объема насоса. При применении в EHA вращательное положение плиты EVDP контролируется замкнутым контуром путем модуляции PMSM. Электрический привод интегрирован с поршневым насосом во взаимном корпусе, образуя неотъемлемую составляющую. Такая конструкция погружает электропривод в рабочую жидкость и тем самым усиливает эффекты многодоменной связи.

Поскольку EVDP является типичным многодоменным мехатронным продуктом, его предварительный дизайн играет важную роль в оптимизации компромиссов в его производительности на системном уровне и изложении требований к проектированию компонентов. Процесс проиллюстрирован на рисунке 2 на основе схемы проектирования на основе моделирования10,12. Шаг 1 сначала анализирует выбранную архитектуру EVDP, как показано на рисунке 1, и заключает проектные параметры на основе заданных требований к производительности. Затем задача проектирования обычно преобразуется в задачу оптимизации для изучения оптимизации производительности EVDP. Это осуществляется путем преобразования проектных параметров в переменные оптимизации и преобразования требований к производительности в цели и ограничения. Стоит отметить, что проектные параметры необходимо классифицировать на активные, управляемые и эмпирические категории. В качестве переменных оптимизации используются только активные параметры из-за их особенностей независимости. Две другие категории автоматически генерируются оценкой по активным параметрам. Поэтому шаг 2 разрабатывает оценочные модели управляемых и эмпирических параметров. Эти инструменты оценки используются в каждой итерации оптимизации, а также на шаге 5 для формулирования всех необходимых параметров моделирования. На шаге 3 строятся вычислительные модели для каждой цели или ограничения оптимизации, которые отражают требуемую производительность. Эти модели должны быть вычислительно эффективными; в противном случае затраты на оптимизацию расчета будут неприемлемы. Шаг 4 выполняет расчет оптимизации, который обычно является многоцелевым и многодисциплинарным. В нем также рассматриваются неопределенности параметров на этапе предварительного проектирования. Шаг 5 строит общую модель спроектированного EVDP и использует ее для проверки результатов оптимизации путем моделирования EVDP при типичных рабочих циклах. Эта модель является окончательным инструментом для оценки предварительных результатов проектирования. Поэтому данная модель должна обладать высочайшей точностью и включать в себя все влиятельные характеристики в стиле плотной сцепки. Наконец, получены предварительные результаты проектирования и результаты определения размеров на системном уровне.

В данной статье основное внимание уделяется методу системного моделирования и имитационного моделирования EVDP, который включает в себя проведение анализа параметров на этапе 1 и выполнение шагов 2 и 5. Во-первых, параметры проектирования выводятся на основе архитектуры EVDP и требований к проектированию, и они классифицируются на три подкатегории. Во-вторых, модели оценки неактивных параметров разрабатываются на основе законов масштабирования, каталогов компонентов, эмпирических функций и т.д. В-третьих, общая модель EVDP построена с использованием междисциплинарных уравнений связи и дополнительных подмоделей времени службы и надежности, и модель частично проверяется экспериментами. Наконец, предыдущие результаты калибровки импортируются в построенную модель для выполнения имитационного анализа в типичных рабочих циклах. Производительность системного уровня выводится на основе результатов моделирования. Также оценивается чувствительность параметров и прочность конструкции. В результате в данной работе разрабатывается конкретный метод моделирования и имитационного моделирования для предварительного проектирования EVDP. Производительность EVDP для применения в EHA всесторонне прогнозируется. Предлагаемый метод выступает в качестве практического инструмента для разработки БВВЭ и ЭХА с переменным рабочим объемом для применений с высокой мощностью. Метод также может быть использован для разработки инструментов моделирования для других типов мехатронных продуктов. EVDP в этой статье относится к электромеханически управляемому насосу с переменным рабочим объемом, но электрогидравлически управляемый насос с переменным рабочим объемом выходит за рамки данной статьи.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Matlab и Simcenter Amesim (далее именуемые платформой системного моделирования) использовались в этом протоколе и перечислены в Таблице материалов. Однако предлагаемый протокол не ограничивается реализацией в этих двух программных приложениях.

1. Выбор и классификация проектных параметров EVDP (Шаг 1 на рисунке 2).

  1. Демонтируйте архитектуру EVDP на рисунке 1 на поршневой насосный агрегат, шарико-винтовой, редуктор, PMSM и контроллер. Проверьте требования к производительности EVDP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В частности, в настоящем документе требования включали в себя мощность, управляющую производительность, тепловые характеристики, срок службы, надежность, эффективность и вес.
  2. Обобщите параметры размера и спецификации компонентов EVDP. Проанализируйте параметры и спецификации и выберите те, которые связаны с заданными требованиями к производительности EVDP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранные параметры компонентов и спецификации являются проектными параметрами в предварительном проекте EVDP, как показано в таблице 1. Таблица 1 также включает результаты классификации параметров, полученные на шаге 1.3.
  3. Классифицируйте проектные параметры на активные, управляемые и эмпирические категории21, как указано в таблице 120.
    1. Присвойте активной категории независимые параметры или спецификации, наиболее репрезентативные для каждого компонента.
    2. Назначьте управляемым категориям параметры, которые могут быть получены из активных параметров.
    3. Другие параметры, вычисляемые с помощью эмпирических функций, относятся к эмпирической категории.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Тепловые сопротивления представляют собой группу параметров для моделирования тепловых сетей. Каждому тепловому тракту присваивается тепловое сопротивление. Количество и значения тепловых параметров окончательно определяются архитектурой тепловой сети.

2. Разработка оценочных моделей управляемых и эмпирических параметров (Шаг 2 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Провести оценку моделей управляемых и эмпирических параметров с помощью Matlab на основе следующих методов. Для каждого управляемого или эмпирического параметра создается индивидуальный скрипт.

  1. Оцените параметры насоса и привода двигателя от активных параметров, используя законы масштабирования22,23.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры насоса и двигателя в основном связаны с геометрией или весом, которые обычно отвечают требованиям сходства материала и геометрии для использования законов масштабирования.
    1. Определите коэффициент масштабирования одного произвольного параметра компонента x следующим образом:
      Equation 1(1)
      где x — соответствующий параметр, а xref — соответствующий параметр эталонного компонента. Соотнесите активные и управляемые параметры с характерным размером компонента следующим образом:
      Equation 2(2)
      где Y* — коэффициент масштабирования одного активного или управляемого параметра, l* — коэффициент масштабирования характеристической размерности компонента, а α — коэффициент коэффициента масштабирования.
    2. Свяжите каждый управляемый параметр компонента с активным параметром, объединив соответствующее уравнение (2) конкретного управляемого параметра и активные параметры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые примерные результаты: 22,23:
      Equation 3(3)
      где символы уравнений относятся к таблице 1. Обратитесь к Таблице материалов для получения подробной информации о поршневом насосе и двигателе, используемых в этом протоколе.
  2. Оцените приводные параметры редуктора и шарико-винтовой пары из активных параметров с помощью каталогов компонентов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Активные параметры редуктора и шарико-винтового парового механизма являются дискретными значениями. Непрерывное изменение активных параметров невозможно из-за ограничений механизма или высоких затрат. Поэтому предпочтительнее использовать готовые редукторы или шарико-винтовые пары.
    1. Оцените приводные параметры коробки передач, извлекая из технического описания коробки передач те параметры, которые наилучшим образом соответствуют определенному передаточному числу и номинальному крутящему моменту. В частности, в этой статье редуктор (Таблица материалов) был использован для создания библиотеки редукторов в программном обеспечении Matlab. Используйте номинальный крутящий момент перед заданным передаточным числом для согласования коробки передач на основе метода портфельной организации указанного редуктора (Таблица материалов).
    2. Оцените параметры привода для шарикового винта, извлекая из технического описания шарико-винтовых пар те параметры, которые наилучшим образом соответствуют определенному выводу и номинальной нагрузке. В частности, в этой статье шарико-винтовой пар (Таблица материалов) был использован для создания библиотеки шарико-винтовых пар в Matlab. Используйте номинальную нагрузку перед заданным выводом для согласования шарикового винта на основе метода портфельной организации указанного шарикового винта (Таблица материалов).
  3. Оцените эффективность насоса, редуктора и шарико-винтовой пары с помощью эмпирических функций.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры эффективности не указаны в технических описаниях насоса, редуктора и шарико-винтового парового механизма, поэтому они оцениваются эмпирическим функциональным методом.
    1. Предположим, что объемный КПД насоса и механический КПД насоса в номинальной рабочей точке составляют 0,95 и 0,90 соответственно. Используйте эти два значения, чтобы соответствовать эмпирическим функциям утечки и вязкого трения в номинальной рабочей точке, как в уравнении (4) и уравнении (5)24. Затем выводим коэффициенты Epv и Epm эмпирических функций. В результате используют производные эмпирические функции для моделирования характеристик эффективности при полных условиях работы:
      Equation 4(4)
      Equation 5(5)
      где Δp — разность давлений насоса, Tpo — температура масла в насосе, Dp — мгновенный объем насоса, а Sp — скорость насоса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данные об эффективности в номинальной рабочей точке готовых насосов могут быть получены от производителя, хотя в настоящем документе это не так. Затем данные об эффективности могут быть использованы вместо предполагаемых данных для повышения точности. Производные коэффициенты, которые находятся под номинальной рабочей точкой, дополнительно регулируются в соответствии с условиями мгновенной работы (т.е. смещением и температурой).
    2. Используйте данные о максимальной эффективности коробки передач или шарикового винта, чтобы соответствовать функции вязкого трения при максимальной нагрузке и максимальной скорости, как в уравнении (6). Затем выведите коэффициент вязкого трения f. В результате моделируйте мгновенную коробку передач или эффективность шариковинтового пар, как в уравнении (7):
      Equation 6(6)
      Equation 7(7)
      где Emax, Smax и Fmax - максимальная эффективность, максимальная скорость и максимальное усилие коробки передач или шарикового винта, полученные из технического описания, соответственно; E, S и F — это мгновенная эффективность, мгновенная скорость и мгновенная сила коробки передач или шарикового винта во время моделирования, соответственно; и f - коэффициент вязкого трения коробки передач или шарико-винтового парового механизма.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предположим, что максимальная эффективность шарикового винта составляет 0,90 из-за отсутствия каких-либо данных, связанных с эффективностью. Обновите функцию эффективности шарикового винта, как только станут доступны данные, связанные с эффективностью.
  4. Оцените параметры теплового сопротивления. Оцените тепловое сопротивление для модели тепловой сети, разработанной на этапе 3.3. использование эмпирических функций из теории термодинамики. Классифицируйте тепловые сопротивления на два типа: принудительная конвекция и проводимость.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Определите тепловое сопротивление между оболочкой EVDP и окружающей средой как постоянное значение. Это связано с тем, что текущая стадия исследует тепловые характеристики внутри насоса, в то время как подробные характеристики рассеивания тепла оболочки находятся в центре внимания будущего теплового проектирования.
    1. Оцените сопротивление теплопроводности между твердыми частями с помощью уравнения (8), которое основано на законе масштабирования23:
      Equation 8(8)
      где Rsst — тепловое сопротивление между двумя твердыми частями, а Tmn — номинальный крутящий момент серводвигателя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Уравнение (8) используется только для оценки теплового сопротивления теплопроводности обмотки-оболочки, поскольку оно является единственным твердо-твердым контактом в модели тепловой сети.
    2. Оцените тепловое сопротивление принудительной конвекции между твердой и текучей частью с помощью уравнения (9)25,26:
      Equation 9(9)
      где Rsft - тепловое сопротивление между твердой частью и жидкой частью; λf - теплопроводность жидкости; La - характерная длина теплообмена; CRe и m — коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса Re; Pr — число Прандтля; а At — площадь теплообмена.
      ПРИМЕЧАНИЕ: L a и другие структурные размеры оцениваются на основе законов масштабирования, а скорость жидкости в области теплообмена мгновенно рассчитывается по результатам моделирования потока насоса.

3. Построение имитационной модели системы (Шаг 5 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Постройте многодисциплинарную модель связи EVDP, которая может проверить его полную производительность. Архитектура модели показана на рисунке 3, а модель выполнена в среде совместного моделирования на основе Matlab и платформы моделирования системы. Во-первых, постройте индивидуальную сгруппированную модель каждого компонента или дисциплины. Затем соберите модели компонентов/дисциплин в соответствии с рисунком 3.

  1. Постройте весовую модель EVDP в Matlab.
    1. Рассчитайте вес EVDP путем сложения весов каждого компонента, которые получены из моделей оценки веса на шаге 2.
  2. Провести динамическое сгрупповое моделирование параметров EVDP в платформе моделирования системы.
    1. Построить модель электромагнитного движения серводвигателя, модель движения механической трансмиссии, модель гидравлического движения поршневого насосного агрегата и модель крутящего момента нагрузки перекоса, как описано ранее20.
    2. Моделируйте потери системы, как в уравнении (10):
      Equation 10 (10)
      где QmCu - потеря меди серводвигателем; Qmr - потеря ротора серводвигателем; Qpv и Qpm - объемные потери и механические потери насоса соответственно; Qg - потеря коробки передач; Qs - потеря шариковинтового винта; im - ток серводвигателя; Sm - скорость серводвигателя; Δp - разность давлений насоса; Tpo - температура масла в насосе; Dp - рабочий объем насоса; Sp - скорость насоса; fg - коэффициент вязкого трения коробки передач; Ss - входная скорость коробки передач; и Ts — крутящий момент шарикового винта.
    3. Моделируйте свойства жидкости, как в уравнении (11). Определите коэффициенты, подогнав техническое описание жидкости к уравнению (11):
      Equation 11 (11)
      где ρf и ρf0 — мгновенная и опорная плотность соответственно; Cp и Cp0 являются мгновенной и эталонной удельной теплоемкостью соответственно; μf и μf0 являются мгновенной и эталонной абсолютной вязкостью соответственно; λf и λf0 — мгновенная и опорная теплопроводность соответственно; pi - мгновенное давление i-го узла жидкости; Ti - мгновенная температура i-го узла жидкости; p0 и T0 - эталонное давление и температура свойств жидкости; и am,n, bm,n, cm,n и dm,n являются коэффициентами.
    4. Моделируйте динамику давления объемов жидкости, как в уравнении (12)27,28. Смоделируйте отверстие, как показано в уравнении (4):
      Equation 12(12)
      где p — давление объема жидкости; B - модуль объемной массы жидкости; ρ — плотность жидкости; V - объем жидкости; Equation 13 и Equation 14 - входящий и исходящий массовый расход объема жидкости, соответственно; αp — коэффициент объемного расширения жидкости; и T — температура объема жидкости.
    5. Моделируйте контроллер с помощью ПИД-контроллера с тремя контурами, как показано на рисунке 46. Настройте параметры управления с помощью нескольких имитационных испытаний, когда имитационная модель и другие параметры симуляции будут готовы. Настройте параметры управления от внутреннего цикла к внешнему, постепенно увеличивая значения усиления.
    6. Добавьте роторную пружину и модель амортизатора между источником движущей скорости и ротором насоса. Добавьте линейную модель пружины и амортизатора между входной скоростью и массой нагрузки шарико-винтовой пары.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг позволяет выровнять причинно-следственную связь в модели поршневого насосного агрегата и модели шариковинтового парового двигателя. Установите жесткость пружины и рейтинг демпфера на постоянные значения, которые могут привести к тому, что эффекты этих двух блоков будут игнорироваться.
  3. Провести тепловое моделирование EVDP в платформе моделирования системы.
    1. Установите тепловую сеть для EVDP20. Добавьте тепловую нагрузку в уравнении (10), за исключением Qpv, к соответствующим тепловым узлам.
    2. Моделирование тепловых сопротивлений для твердо-твердого теплообмена и твердо-текучего теплообмена с использованием функций параметров на шаге 2.4. Моделирование теплообмена жидко-жидкостных узлов путем обмена их внешними скоростями потока энтальпии (см. Этап 3.3.4). 29.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эталонная теплообменная структура и размеры EVDP необходимы для получения параметров в уравнении (9) на основе законов масштабирования. Используемая теплообменная структура EVDP изображена на рисунке 5.
    3. Моделируйте температурную динамику твердых тепловых узлов, как в уравнении (13):
      Equation 15(13)
      где Equation 16, m и cp — скорость теплового потока, масса и удельная теплоемкость твердого узла соответственно.
    4. Смоделировать температурную динамику объемов жидкости, как показано в уравнении (14)27,28:
      Equation 17(14)
      где p, m, cp и αp — давление, масса, удельная теплоемкость и коэффициент объемного расширения узла жидкости соответственно; V и h – объемы и энтальпия жидкого узла соответственно; Equation 13 и hin - массовый расход и энтальпия входящего потока, соответственно; Equation 16 - скорость теплообмена; и Ws - работа вала узла жидкости.
    5. Моделируйте температурную динамику отверстий, как в уравнении (15). Это также определяет влияние тепловой нагрузки Qpv. Моделируйте отверстия как идеальный узел переноса энтальпии, который передает входящую энтальпию непосредственно в исходящую энтальпию.
      Equation 18(15)
      где αp, ρ и cp — коэффициент объемного расширения, плотность и удельная теплоемкость жидкости соответственно.
    6. Моделируйте передачу энтальпии внутри насоса, как показано в уравнении (16):
      Equation 19(16)
      где dmhout и dmh in - расход исходящей и входящей энтальпии соответственно; и Dp, Δp и Sp — смещение, разность давлений и скорость насоса соответственно.
  4. Для моделирования срока службы и надежности установите шарико-винтовой пароход и поршневой насосный агрегат в качестве критически важных компонентов для срока службы и надежности. Используйте меньшее значение оцениваемого срока службы/надежности этих двух компонентов в качестве показателя срока службы/надежности EVDP. Выполняйте модели с помощью скриптов Matlab.
    1. Используйте усталостный срок службы шарико-винтовой пары в качестве срока его службы. Используйте срок службы поршневого насоса в качестве срока его службы. Моделируйте срок службы шарико-винтового и поршневого насосного агрегата, как в уравнении (17) и уравнении (18)13,30:
      Equation 20(17)
      Equation 21(18)
      где Fampi и Fmeani - амплитуда силы нагрузки и средняя нагрузка шарико-винтовой пары, полученные из результатов моделирования нагрузки шарикового винта с использованием подсчета дождевого потока; Fmax - максимально допустимая сила нагрузки шарико-винтового паровозацепа; Δpсреднееi - среднее давление нагрузки насоса, полученное на основе результатов моделирования давления нагрузки насоса с использованием подсчета дождевого потока; Sp - скорость насоса; m - количество различных циклов, которые подсчитываются; ni — величина i-го цикла; Ni - величина i-го цикла, которая может исчерпать срок службы компонента; Tcyc - длительность рабочего цикла, по которой идентифицируются m циклы; и p, α и β являются экспериментальными константами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ni получается путем подгонки связанного с ним напряжения Equation 22нагрузки к линейной логарифмической кривой S-N, которая устанавливается с использованием данных о максимальной нагрузке и номинальных данных о сроке службы конкретного компонента. Кривая S-N журнала может быть улучшена, когда станет доступно больше данных о времени жизни.
    2. Предположим, что надежность шарикового винта и соответствующего его сроку службы насоса составляет 0,90. Определите надежность, рассчитанную на 50000-й рабочий час. Моделируйте надежность шариковинтового и поршневого насосного агрегата, как показано в уравнении (19)13:
      Equation 23(19)
      где Rref - эталонная надежность при контрольном сроке службы Lh,10 , а Lh,10 - указанное рабочее время для оценки надежности.
  5. Соберите модель.
    1. Поместите все необходимые уравнения (введенные из шагов 3.1-3.4) каждого узла на рисунке 3 вместе, чтобы сформировать блок модели для каждого узла. Завершите вывод входных и выходных переменных каждого узла.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Возьмем в качестве примера теоретический узел поршневого насоса; он включает в себя пять уравнений: крутящий момент с учетом механических потерь, выходной поток без учета утечки (утечка моделируется отдельно отверстиями), изменение смещения в соответствии с движением управления перемещением, транспортировка энтальпии и крутящий момент нагрузки, создаваемый перемычкой. Производными входами являются скорость движения, давление и температура в двух портах, а также смещение перемычки. Производными выходами являются угол вала, крутящий момент нагрузки приводного вала, выходной поток, выходная энтальпия и крутящий момент нагрузки, создаваемый перемычкой.
    2. Определите входы и выходы общей модели EVDP и выполните анализ причинно-следственных связей всех узлов. При необходимости добавьте дополнительные узлы, чтобы убедиться, что все узлы причинно связаны. Затем соедините все узлы, чтобы сформировать общую модель EVDP, как показано на рисунке 3.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Три узла плавного пути и два узла внутреннего порта на рисунке 3 были добавлены для обеспечения совместимости общей причинно-следственной связи модели. Они моделируются как отверстия (Уравнение [4]).

4. Частичная проверка модели (шаг 5 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте прототип EVDP и его испытательный стенд для проверки метода моделирования на шаге 3. Этап 4 (проверка модели) был выполнен в настоящем документе, поскольку EVDP был недавно разработан, и модели были вновь предложены. Прототип EVDP, используемый в этой статье, был уменьшен по сравнению с прототипом, смоделированным на шаге 5. Модели, проверенные на основе уменьшенного прототипа, считаются применимыми для моделирования того же типа EVDP в других размерах. Для будущих задач моделирования и имитационного моделирования во время предварительного проектирования того же типа EVDP шаг 4 может быть опущен.

  1. Проведите экспериментальную установку.
    1. Постройте прототип EVDP в соответствии со схемами, приведенными на рисунке 1. Адаптировать существующие компоненты для формирования подкомпонентов EVDP, таких как поршневой насосный агрегат, редуктор, шарико-винтовой пар и серводвигатель.
      ПРИМЕЧАНИЕ: для создания прототипа в данной работе использовался 7-поршневой насос с рабочим объемом 7,4 мл/об. Максимальный наклон перекоса составлял 18°. Номинальная скорость составляла 7000 об/мин, а номинальное давление – 21 МПа. Шарико-винтовой провод составлял 1,59 х 10-3 м, а передаточное отношение коробки передач составляло 2,47. Прототип EVDP показан на рисунке 6.
    2. Установите EVDP на испытательный стенд, состоящий из погрузочной части и контрольной части31, как показано на рисунке 7. Подключите три порта EVDP к гидравлическому контуру загрузочной части. Подключите электрические кабели EVDP к управляющей части.
  2. Проведите тестирование прототипа.
    1. Запустите вспомогательную гидравлическую мощность (9), нажав кнопку запуска на панели.
    2. Установите смещение EVDP на 2,5° в текстовом поле команды смещения с помощью пользовательского интерфейса. Включите клапан режима (10) и настройте клапаны регулирования нагрузки (12) на давление нагрузки 3,5 МПа с помощью панели. Считывание и запись выходного потока EVDP с панели.
    3. Установите смещение EVDP на -18°, -15°, -12°, -10°, -8°, -5°, -2.5°, 2.5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15° и 18° соответственно. Регистрируйте каждый выходной поток EVDP при каждом заданном смещении, как показано на рисунке 8A.
    4. Установите смещение EVDP на 2,5° и отрегулируйте давление нагрузки примерно до 3,3 МПа, 5 МПа, 8 МПа, 10 МПа, 13 МПа, 15 МПа, 17 МПа, 18 МПа, 19 МПа, 20 МПа и 21 МПа соответственно. Записывайте выходной поток EVDP под каждым давлением. Установите смещение EVDP на 5°, 8° и 18°, соответственно, и повторите настройку давления испытания на смещение 2,5° для каждого нового смещения. Запишите выходной поток EVDP под каждой точкой тестирования, как показано на рисунке 8B.
    5. Отключите режим клапана (10), нажав кнопку на панели. Установите команду sweeping frequency displacement (от 0,02 Гц до 20,5 Гц при амплитуде 2,5°) на EVDP в текстовом поле пользовательского интерфейса. Запишите реакцию смещения EVDP и получите ее величину и фазовые характеристики, как показано на рисунке 9A.
  3. Проанализируйте результаты экспериментов.
    1. Задайте для активных параметров прототипа EVDP встроенную модель на шаге 3. Модель автоматически генерирует другие необходимые параметры моделирования. Установите температуру окружающей среды и начальную температуру EVDP на уровне 40 °C. Запустите имитационную модель в тех же условиях, что и в тесте прототипа EVDP на шаге 4.2, и запишите результаты моделирования.
    2. Постройте экспериментальные результаты и результаты моделирования каждой группы условий на одном рисунке, как показано на рисунках 8 и 9.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Максимальная погрешность моделирования потока (2,2 л/мин) произошла при смещении 2,5°, что составило 4,35% от полного потока EVDP. Результаты моделирования частотных характеристик достигли хорошей согласованности с экспериментальными результатами при командах 10 Гц и показали более высокие погрешности по сравнению с командами 10 Гц. Точность моделирования была удовлетворительной.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Более высокие погрешности результатов моделирования частотных характеристик свыше 10 Гц команд на рисунке 9А возникли из-за инструментов генерации параметров предлагаемого пакета моделей. Результаты моделирования достигли хорошей точности при использовании реальных параметров прототипа, как показано на рисунке 9B. Инструменты генерации параметров приводили к ошибкам, поскольку эталонные компоненты, используемые для оценки параметров, не были в той же серии, что и компоненты прототипа (для прототипа EVDP использовались собственные компоненты). Таким образом, ошибки моделирования не являются проблемой, когда выбранные компоненты находятся в том же ряду, что и эталонные компоненты, но неопределенности параметров также обсуждаются на шаге 5.

5. Анализ моделирования (шаг 5 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните имитационный анализ варианта проектирования EVDP, ранее полученного путем выполнения шагов 3 и 4 (проектирование оптимизации) на рисунке 2. Разбейте процесс моделирования, как показано на рисунке 10.

  1. Задайте активные параметры и параметры моделирования.
    1. Используйте набор ранее полученных активных параметров EVDP для первого моделирования, где номинальная скорость EVDP составляет 7000 об/мин, номинальное давление EVDP составляет 28 МПа, максимальный рабочий объем EVDP составляет 12,3 мл/об, номинальное напряжение серводвигателя составляет 28 В постоянного тока, номинальный крутящий момент серводвигателя 0,386 Нм, коробка передач опущена, номинальное усилие шарикового винта составляет 5460 Н, а шарико-винтовой вывод составляет 0,005 м.
    2. Используйте GJB1177-1991 15# аэрокосмическую гидравлическую жидкость в качестве рабочей жидкости в моделировании. Установите в окружающей среде критическую температуру 70 °C. Коэффициент теплообмена между оболочкой EVDP и окружающей средой постоянен при 20 Вт/м2/К.
    3. Установите рабочий цикл20. Добавьте жидкостный радиатор для сбора обратного потока EVDP и потока подачи на вход EVDP.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Теплоотвод эмулирует последующие компоненты в реальном приложении. Он содержит 10 л жидкости с площадью теплообмена 5м2 , которая поддерживает коэффициент теплообмена 50 Вт/м2/К с окружающей средой. Сильное рассеивание тепла теплоотвода жидкости используется для рассеивания всей выходной мощности EVDP, поскольку выходная мощность EVDP преобразуется в тепло клапаном регулирования нагрузки.
    4. Задайте параметры проектирования в диапазоны, охватывающие пространство проектирования для выполнения анализа чувствительности. Используйте передаточное число коробки передач в качестве примера параметра в этой статье. Установите диапазон передаточного числа коробки передач равным 1-3,5, чтобы исследовать последствия использования непрерывных изменяющихся значений передаточного числа коробки передач.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Диапазон передаточного числа коробки передач был установлен с использованием последнего номера серии в качестве нижней границы и следующего номера серии в качестве верхней границы. Таким образом, можно было бы проанализировать последствия использования непрерывных изменяющихся значений передаточного числа коробки передач. Поскольку передаточное число 1 (без использования коробки передач) было оптимизировано передаточным числом коробки передач, передаточного числа последней серии не существовало. Нижняя граница диапазона должна была быть равна 1 в этом исследовании. Коэффициент 3,5 не нужно было моделировать снова, потому что он уже сравнивался с отношением 1 в предыдущей оптимизационной конструкции и был отброшен. Наконец, для анализа чувствительности были выбраны соотношения 2 и 3. Размер других компонентов до сопоставимых показателей управления перемещением EVDP после определения нового передаточного числа коробки передач для обеспечения справедливого сравнения32.
    5. Задайте проектные параметры диапазонам, которые охватывают их допуски для выполнения анализа неопределенности. Используйте постоянную крутящего момента серводвигателя и момент инерции серводвигателя в качестве примерных параметров в данной работе. Устанавливают диапазон постоянного крутящего момента серводвигателя и момента инерции серводвигателя в размере 1 - 20% и 1 + 20% от их расчетных значений для проверки их погрешности оценки влияния на частотные характеристикиЭВВДП 33.
  2. Запустите симуляцию.
    1. Установите динамическую и тепловую модель, предложенные на Шаге 3 (реализованные в платформе моделирования системы) в соответствии с Шагом 5.1.2. Щелкните Режим параметров > TFFD3-1 > имя файла для простых данных характеристик жидкости для импорта файла свойств масла. Нажмите на Режим параметров > THGCV0-1 / THGCV0-2 > Температура жидкости , чтобы установить температуру окружающей среды на уровне 70 °C. Нажмите режим параметра > THGCV0-1/THGCV0-2 > коэффициент конвективного теплообмена , чтобы установить температуру окружающей среды на уровне (20 Вт/м2/K) / (50 Вт/м2/K).
    2. Введите активные параметры на шаге 5.1.1. к моделям оценки параметров (реализованным с помощью Matlab), предложенным на шаге 2. Нажмите редактор > Запустить , чтобы запустить скрипт для генерации всех необходимых параметров моделирования, как показано в таблице 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Контрольные параметры получены, как показано на этапе 3.2.5. вместо того, чтобы генерироваться автоматически.
    3. Щелкните РЕДАКТОР > Выполнить в Matlab, чтобы запустить скрипт для расчета веса и активации динамической и тепловой моделей с параметрами моделирования. Результаты моделирования автоматически получаются этим скриптом.
    4. Щелкните РЕДАКТОР > Выполнить в Matlab, чтобы запустить сценарий для расчета срока службы EVDP и производительности надежности на основе сохраненных результатов моделирования.
  3. Щелкните Режим моделирования на платформе моделирования системы, чтобы проверить результаты моделирования. Извлеките другие результаты производительности EVDP из этих результатов моделирования во временной области (например, точность и пропускная способность управления перемычкой, рабочая температура EVDP, эффективность EVDP и уровень мощности EVDP).
  4. Щелкните Режим параметров на платформе моделирования системы, чтобы задать параметры моделирования, указанные в шагах 5.1.4. и 5.1.5. Щелкните РЕДАКТОР > Выполнить в Matlab, чтобы запустить сценарий активации динамической и тепловой моделей. Щелкните Режим моделирования на платформе моделирования системы, чтобы проверить результаты моделирования анализа чувствительности и неопределенности.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В этом разделе представлены результаты, полученные в результате выполнения всех этапов протокола, которые являются частью шага 1, всего шага 2 и всего шага 5 метода предварительного проектирования EVDP на рисунке 2. Входная информация в протоколе включает схемы EVDP на рисунке 1, оптимизированные активные параметры (уточненные на шаге 5.1.1.) EVDP из шага 4 на рисунке 2 и задачи моделирования производительности EVDP, которые относятся к требованиям проектирования EVDP. Результаты протокола являются окончательными предварительными результатами проектирования EVDP, включая значения проектных параметров EVDP и прогнозируемые характеристики EVDP по этим проектным параметрам. В частности, модели оценки параметров, встроенные в протокол Step 1 и Step 2, дают результаты проектных параметров. Этап 3 протокола и этап 4 создают имитационную модель для окончательной экспертизы EVDP. Шаг 5 протокола прогнозирует производительность EVDP по конкретным проектным параметрам. Они подробно разъясняются ниже.

Результаты оценки параметров на основе активных параметров в Шаге 5.1.1. приведены в таблице 2. Этих параметров было достаточно для запуска имитационной модели, предложенной на этапе 3. Кроме того, они будут распространены среди производителей компонентов для использования в качестве требований к компонентам. Впоследствии массу EVDP легко получали путем сложения веса отдельных компонентов вместе, в результате чего получалось 10,82 кг.

После выполнения шага 5.2.2. с использованием вышеуказанных параметров и настроек получены необработанные результаты динамического и теплового моделирования. На рисунке 11 представлена температурная динамика различных деталей EVDP, которые убедительно поддерживают оценку тепловых характеристик выбранной конструкции EVDP. Результаты показывают, что самая высокая температура жидкости (175 ° C) была в объеме слива, что обрисовывает будущие требования к тепловому проектированию. Жидкость в линии утечки (слив, трансмиссия и двигатель) отображала температурную волну, которая в основном была вызвана различными скоростями потока утечки. Поэтому утечка должна учитываться не только при проектировании эффективности, но и при тепловом проектировании. Твердые части продемонстрировали гораздо более медленную тепловую постоянную, но они существенно не изменили температуру EVDP, поскольку генерируемое тепло и твердая масса не были сопоставимы со стороной жидкости.

На рисунке 12А показана эффективность EVDP при полном рабочем цикле. При условии полной нагрузки (первые 3 с) EVDP достиг общей эффективности около 80%, которая определяется как выходная мощность жидкости / (входная мощность вала + входная мощность серводвигателя). Эффективность значительно снижалась при снижении нагрузки. Это связано с тем, что EVDP всегда работает на своей номинальной скорости, что вызывает непрерывные потери на трение, но абсолютные потери EVDP снизились (с 8,4 кВт до 2,3 кВт) вместе со снижением эффективности на рисунке 12A. Это общие характеристики большинства устройств преобразования мощности (т.е. условия частичной нагрузки приводят к снижению эффективности, но абсолютные потери также уменьшаются), поэтому они не вызывают беспокойства по поводу производительности EVDP. Эффективность 80% в условиях полной нагрузки EVDP в основном является удовлетворительным результатом. Также стоит отметить, что результаты эффективности колебались в 2-3 с. В этот период мощность входного вала и электромеханической части управления перемещением находилась на сопоставимом уровне (1 кВт). Кроме того, электромеханическая часть управления перемещением показала быстрое изменение и рекуперацию потребляемой мощности в течение этого периода из-за высокой динамики внутреннего давления EVDP. Поэтому, согласно определению КПД, КПД в этот период существенно колеблется, даже находясь за пределами диапазона 0%-100%.

Размашистая частотная характеристика (амплитуда 2,5° от 8 Гц до 20 Гц) исследует динамические характеристики EVDP. Как показано на рисунке 12B, наклон перемычки хорошо следовал команде в диапазоне частот развертки (-0,3 дБ, -43° как самый низкий), что указывает на более чем 20 Гц полосы пропускания EVDP. Высокие динамические характеристики были легко получены благодаря низкой инерционной конструкции аппарата управления EVDP (т.е. электромеханического устройства управления). Это показывает динамические преимущества EHA с переменным смещением с использованием EVDP по сравнению с EHA с переменной скоростью. Регулируемая скорость EHA должна динамически вращать высокоинерционный главный вал двигателя-насоса, что было признано большой проблемой в исследуемом применении (уровень мощности 35 кВт).

Наконец, шаг 5.2.3. и шаг 5.3. преобразовать необработанные данные моделирования в прогнозируемую производительность EVDP, соответствующую стилю спецификации, как показано в таблице 3. Была предсказана хорошая точность управления (погрешность 0,09 градуса). Срок службы и надежность насоса были признаны самыми слабыми, и они указаны в таблице 3. Затем была нарисована полная картина производительности для ранее разработанного EVDP, которая представляет собой значительный результат этого предварительного проекта.

Результаты в таблице 4 были получены после моделирования настроек на шаге 5.1.4. Коробка передач была отклонена в ранее разработанном EVDP (передаточное отношение коробки передач 1). Это моделирование подтвердило, что индивидуальное передаточное отношение коробки передач между 1-3,5 (минимальное передаточное отношение коробки передач) может быть полезным. Серводвигатель был рассчитан на оптимальное значение после использования нового передаточного числа коробки передач. Тогда было достижимо справедливое сравнение между различными передаточными числами коробки передач. Результаты показали, что передаточные числа 2 и 3 могут достичь некоторых преимуществ в точности и весе, но не на значительном уровне, поэтому нет необходимости выбирать кастомизированную коробку передач, учитывая, что ее преимущества могут не компенсировать ее стоимость.

Влияние неопределенности параметров постоянного крутящего момента серводвигателя и момента инерции показано в таблице 5. 20% неопределенность этих двух параметров не вызвала серьезных изменений в производительности управления EVDP. Это указывает на то, что допуск этих двух параметров в 20% приемлем для окончательных спецификаций серводвигателя; это также важная инструкция для производителей компонентов. Анализ неопределенности должен также выполняться по другим неопределенным параметрам.

В заключение, расчетные параметры и производительность EVDP были получены путем выполнения протокола. Кроме того, анализ чувствительности и анализ надежности еще больше повышают достоверность и применимость результатов проектирования. Они составляют предварительные результаты проектирования ЕВПР. Предложенный метод позволяет создать практический метод предварительного проектирования EVDP путем разработки моделей оценки параметров и многопрофильной имитационной модели EVDP. Улучшено качество результатов проектирования и сокращен цикл проектирования. Эти преимущества укрепляют компетенцию EVDP, в дополнение к предоставлению собственных технических преимуществ.

Figure 1
Рисунок 1: Концепция EVDP. (A) Схемы переноса обычного насоса с переменным рабочим объемом в электроизмеряющий объемный насос. (B) Структурная иллюстрация EVDP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Процесс предварительного проектирования EVDP. Архитектура EVDP и требования к проектированию принимаются в качестве входных данных, а размеры на уровне системы и результаты предварительного проектирования являются выходными. Процесс состоит из двух основных этапов: оптимизация проектирования и верификация путем моделирования. Модели оценки параметров решительно поддерживают эти два этапа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Многодисциплинарная архитектура модели связи EVDP. Данная модель используется для окончательной проверки проекта в эскизном проекте. Дисциплины объединены для оценки всех общих требований к дизайну на высоком уровне точности. Модель разработана на платформе совместного моделирования с использованием объектно-ориентированного метода. В частности, модель включает в себя функцию генерации параметров для решения проблемы получения параметров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Контроллер EVDP. Для управления перемещением EVDP используется ПИД-контроллер с тремя контурами, где внутренняя петля - это контроль тока серводвигателя, средняя петля - контроль скорости серводвигателя, а внешняя петля - контроль перемещения EVDP. Главный вал EVDP приводится в движение с постоянной скоростью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Эталонная теплообменная структура EVDP для оценки параметров в уравнении (9) на основе законов масштабирования. (A) Структура теплообмена двух портов. (B) Теплообменная структура дренажного объема. (C) Теплообменная структура ротора насоса в сборе. EVDP разных размеров относятся к этим же теплообменным структурам. Затем размеры, связанные с термообменом, различных конструкций EVDP могут быть рассчитаны на основе законов масштабирования. Коэффициенты теплообмена могут быть рассчитаны с помощью уравнения (9). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Протестированный прототип EVDP. Прототип построен по схемам на рисунке 1, с параметрами смещения 7,4 мл/об, номинальной скоростью 7000 об/мин, номинальным давлением 21 МПа, шариковинтовым выводом 1,59 х10-3 м и передаточным отношением коробки передач 2,47. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Испытательный стенд EVDP. Черные линии являются загрузочной частью испытательного стенда. Красные линии являются управляющей частью испытательной установки. Синие линии являются прототипом EVDP. 1. Приводной двигатель, 2. Датчик давления, 3. Расходомер, 4. Датчик давления, 5. Расходомер, 6. Прототип EVDP, 7. Обратный клапан, 8. Обратный клапан, 9. Вспомогательная гидравлическая мощность, 10. Режим клапана, 11. Группа обратных клапанов, 12. Клапан регулирования давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8: Экспериментальные и результаты моделирования реакций потока EVDP. (A) Реакции потока при различных условиях наклона перекоса при постоянном давлении нагрузки 3,5 МПа. (B) Реакция потока при различном наклоне перекоса и давлении нагрузки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 9
Рисунок 9: Экспериментальные и имитационные результаты частотных характеристик контроля наклона перемычки. (А) Результаты сравнения при использовании имитационной модели автоматически генерируемых параметров. (B) Результаты сравнения, когда имитационная модель использует реальные параметры прототипа. Результаты получаются путем установки команды размашистой частоты на смещение EVDP и преобразования откликов временной области в величинные и фазовые отклики. Для иллюстрации результатов сравнения используются масштабы и фазовые ответы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 10
Рисунок 10: Процесс анализа моделирования. Это подшаг шага 5 на рисунке 2. Сначала определяются различные рабочие циклы и объект моделирования (группа активных параметров). Затем предложенная модель может быть использована для запуска симуляции. Наконец, результаты моделирования выводятся в спецификации EVDP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 11
Рисунок 11: Результаты моделирования температуры EVDP. (A) Температура объема жидкости. (B) Температура твердого узла. Объемы слива, трансмиссии и серводвигателя образуют проход утечки и приводят к повышению температуры. Два порта транспортируют жидкость из теплоотвода жидкости, поэтому их температура намного ниже. Тепловые константы внутренних твердых частей довольно велики из-за их малых коэффициентов теплообмена, но они не сильно изменяют конечную температуру EVDP, потому что они составляют небольшую долю массы и потерь EVDP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 12
Рисунок 12: Эффективность и динамические характеристики EVDP. (A) Эффективность EVDP при одном рабочем цикле. (Б) . EVDP отвечает на команду развертки частоты. Эффективность падает вместе с уменьшением выходной мощности. Это связано с тем, что EVDP всегда работает на номинальной скорости и при этом непрерывно рассеивает количество энергии, но это не беспокоит производительность EVDP, потому что абсолютные потери уменьшаются вместе с уменьшением выходной мощности. Пластина перемычки EVDP следует за командой частоты развертки 8-20 Гц, амплитудой 2,5 ° (-0,3 дБ, -43 ° как самая низкая), что указывает на то, что система управления перемещением EVDP имеет полосу пропускания более 20 Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Классифицированные проектные параметры ЕВПР. Проектные параметры каждого компонента классифицируются на активные, управляемые и эмпирические категории. Независимые параметры или спецификации, которые наиболее репрезентативны для каждого компонента, являются активными параметрами. Параметры, которые могут быть получены из активных параметров, являются управляемыми параметрами. Другие параметры, которые вычисляются с использованием эмпирических функций, являются эмпирическими параметрами. Эта таблица 1 является продолжением таблицы в Han et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Таблица 2: Результаты оценки параметров на основе активных параметров. v — мгновенная скорость жидкости. Некоторые параметры модифицируются в более иллюстративную форму (например, эффективность шарикового винта модифицируется в коэффициент вязкости). Эти параметры являются предварительными результатами проектирования и будут распространены среди производителей компонентов в качестве спецификаций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Таблица 3: Расчетная производительность ЕВПР. Необработанные результаты моделирования во временной области выводятся в спецификации EVDP, которые являются основным результатом предварительного проектирования EVDP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Таблица 4: Чувствительность EVDP к настроенному передаточному числу коробки передач. 1 — исходное проектное значение, а 2 и 3 — сравниваемые значения (индивидуальные значения). Серводвигатель должен быть рассчитан на оптимальное значение при использовании нового передаточного числа, чтобы сравнение между различными передаточными числами было справедливым, но индивидуальное передаточное число коробки передач было признано ненужным, поскольку преимущества были ограничены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Таблица 5: Влияние неопределенности постоянного крутящего момента серводвигателя и момента инерции. 20% погрешности постоянного крутящего момента серводвигателя и момента инерции не оказывают негативного влияния на эффективность управления EVDP. Это указывает на то, что для производителей компонентов может быть указан допуск 20% исследуемых параметров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Концепция и другие технические компоненты EVDP были представлены в предыдущих публикациях 6,31, демонстрируя применимость и преимущества EVDP. Вместо того, чтобы изучать сам EVDP, в этом документе продолжалось изучение метода проектирования в связи с будущими реальными потребностями применения. Для этого типа высокоинтегрированного и многодисциплинарного соединительного продукта необходим конкретный метод проектирования, который требует деликатных компромиссов производительности и оптимизации. В настоящем документе предлагается и иллюстрируется полный процесс моделирования и имитационного моделирования EVDP для предварительного проектирования. Этот процесс начался с общего и практического взгляда на эту задачу, которая включает в себя многодоменный анализ связи и междисциплинарные требования. Кроме того, трудности, связанные с получением имитационных параметров, были решены с помощью различных моделей оценки параметров. В результате метод способствует эффективному и оптимальному предварительному проектированию EVDP. Стоит отметить, что моделирование было заключительным этапом проверки эскизного проекта EVDP. Процесс был направлен на проверку спроектированной производительности EVDP из предыдущей оптимизации (шаги 3 и 4 на рисунке 2) с высоким уровнем точности. Иными словами, производительность EVDP (например, контрольные характеристики и вес) уже была оптимизирована до того, как был проведен процесс моделирования в этой статье.

Анализ параметров конструкции (Шаг 1) зависит от квалификации проектировщика. Требуется хороший уровень знаний, чтобы связать производительность компонента с производительностью EVDP. Каталоги компонентов могут помочь изучить философию компонентов, но дизайнер всегда несет ответственность за знакомство с EVDP. Затем можно получить удовлетворительные результаты анализа параметров.

Оценка параметров (шаг 2) использовалась не только для поддержки моделирования, но и для формулирования спецификаций компонентов для производителей компонентов. Параметры каждого компонента будут распределены между производителями компонентов для указания требований к компонентам. Стоит отметить, что параметры всегда сопровождаются допусками, которые можно определить с помощью анализа неопределенности. Модели оценки параметров должны разрабатываться в соответствии с соответствующими характеристиками компонентов. Во-первых, компоненты должны быть классифицированы на индивидуальные групповые и готовые группы, которые используют вычислительные модели и базы данных для оценки, соответственно. Во-вторых, для выбора каждого параметра должны быть проанализированы основы (например, сходство геометрии, производительность материала и т. Д.). Затем может быть выбрана и разработана правильная модель оценки.

Силовые, управляющие и тепловые характеристики EVDP в первую очередь удалось достичь желаемых функций и производительности для питания EHA с переменным рабочим объемом. Таким образом, динамическая модель (шаг 3.2.) и тепловая модель (шаг 3.3.) отвечают основным потребностям моделирования. Они были разработаны в парном виде (т.е. была построена общая модель, включающая динамические характеристики и тепловые характеристики одновременно). Кроме того, объектно-ориентированное моделирование предпочтительнее из-за его четкой архитектуры и хорошей возможности повторного использования, но для соблюдения причинно-следственной связи требуются дополнительные усилия. Моделирование на уровне архитектуры и уравнений необходимо, так как среда моделирования может меняться в зависимости от различных потребностей. Эта статья иллюстрирует дальше за пределы среды моделирования, поэтому ее можно адаптировать к конкретному программному обеспечению. Проверка модели с помощью прототипирования и экспериментов (шаг 4) полезна для построения более надежных имитационных моделей, особенно когда объект моделирования является вновь предложенным продуктом, но, как разъясняется на этапе 4, модели считаются применимыми для моделирования того же типа EVDP в будущем после их проверки.

Моделирование EVDP в этой статье в основном использовалось для оценки и анализа варианта предварительного проектирования. Моделирование должно быть выполнено таким образом, чтобы собрать все результаты проектирования на этом этапе. Рабочий цикл и окружающая среда должны определяться с учетом различных целей оценки. В дополнение к моделированию производительности следует также учитывать чувствительность параметров и неопределенности. Таким образом, могут быть изложены полные инструкции для следующих задач проектирования. В этой статье самая высокая обнаруженная температура жидкости составила 175 ° C, что поддерживает тепловой дизайн для контроля температуры жидкости. Вместе с другими результатами была составлена полная картина для проектирования EVDP системного уровня. Анализ чувствительности действовал как двойная проверка выбора параметров в предыдущем варианте проектирования, в то время как анализ неопределенности в основном способствовал определению проектного допуска. Более тщательный анализ чувствительности и неопределенности оправдан для подтверждения предварительных результатов проектирования параметров. В заключение следует отметить, что предлагаемый метод моделирования и имитационного моделирования EVDP учитывает практические потребности предварительного проектирования EVDP, которые были частично проигнорированы в предыдущих соответствующих исследованиях (т.е. Таким образом, он может обеспечить комплексные результаты проектирования и эффективно поддерживать будущее предварительное проектирование EVDP. Кроме того, он также может быть адаптирован для проектирования других подобных продуктов.

Пример моделирования в этой статье является примером конструкции EVDP для будущего EHA с переменным смещением мощностью 35 кВт. Он показывает потенциал EVDP в мощных приложениях EHA, но это приложение еще не запущено. Результаты моделирования считаются заслуживающими доверия из-за проверки модели на основе уменьшенного прототипа EVDP на шаге 4. Точность моделей оценки параметров существенно влияет на качество проектирования, поскольку они влияют как на оценку производительности, так и на спецификации компонентов. Метамодели с законом переменной мощности (VPLM)34 могут быть рассмотрены для обновления моделей оценки параметров в этой статье, но VPLM требуют большого количества экспериментального проектирования, что требует гораздо большего времени на подготовку моделирования.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы выражают признательность Пекинскому институту точной мехатроники и контроля за поддержку этого исследования.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives. Energies. 12 (7), 1293 (2019).
  2. Alle, N., Hiremath, 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).
  3. Garrison, M., Steffan, S. Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , Sacramento, California. (2006).
  4. Smith, S., Irving, J. Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles. Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , Groton, Connecticut. (2006).
  5. Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).
  6. Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator. The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering. 459, Springer. Singapore. 2563-2573 (2018).
  7. Liu, E. The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system. , Xi'an University of Technology. China. Master's Thesis (2015).
  8. Jean-Charles, M. Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems. Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).
  9. Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators. Processes. 7, 274 (2019).
  10. Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems. 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887 (1998).
  11. Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).
  12. Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. Optimal preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).
  13. Liscouët, J., Budinger, M., Mare, J. C. Design for reliability of electromechanical actuators. 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , Toulouse, France. 174-182 (2010).
  14. Arriola, D., et al. A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators. 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , Toulouse, France. 166-174 (2016).
  15. Baer, K., Ericson, L., Krus, P. Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle. International Journal of Fluid Power. , (2018).
  16. Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio. Energies. 11 (5), 1173 (2018).
  17. Sun, X., et al. Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications. IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).
  18. Gerada, D., et al. Holistic electrical machine optimization for system integration. IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).
  19. Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).
  20. Han, X., et al. Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump. Scandinavian International Conference on Fluid Power. , Tampereen Yliopisto. 362-374 (2019).
  21. Liscouët, J., Budinger, M., Maré, J. C., Orieux, S. Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions. Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).
  22. Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).
  23. Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Maré, J. C. Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).
  24. Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. Applicability of pump models for varying operational conditions. ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).
  25. Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. (2011).
  26. Whitaker, S. Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles. AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).
  27. Li, C., Jiao, Z. Calculation method for thermal-hydraulic system simulation. Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).
  28. Li, C., Jiao, Z. Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).
  29. Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).
  30. Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).
  31. Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator. Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. , Springer. Singapore. 612-620 (2022).
  32. De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems. AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).
  33. Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties. 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, Toulouse, France. 136-142 (2014).
  34. Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems. Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).

Tags

Проектирование Выпуск 184 Электроизменяемый объемный насос моделирование и симуляция эскизный проект электрогидростатический привод тепловая модель модель срока службы и надежности имитационная генерация параметров
Метод моделирования и имитационного моделирования предварительного проектирования электроизменяющегося объемного насоса
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Han, X., Zhang, P., Minav, T., Fu,… More

Han, X., Zhang, P., Minav, T., Fu, Y., Fu, J. A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump. J. Vis. Exp. (184), e63593, doi:10.3791/63593 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter