Name: 전기 유체 정역학 액추에이터에서 단일 축 동축 모터 펌프 어셈블리의 모델링 및 실험 분석 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: 학습하세요 전기 유체 정역학 액추에이터의 모터 펌프 어셈블리 성능 평가 방법을 시뮬레이션과 실험을 결합하여 다양한 작동 조건에서 출력 특성을 빠르게 분석하고 효율성을 평가하는 기술입니다.

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이 연구는 중국 민간 항공기 프로젝트 [No. MJ-2017-S49] 및 중국 박사후 과학 재단 [No.2021M700331]의 지원을 받았습니다.

1. 펌프 유동 특성의 시뮬레이션
<ol><li>모터 펌프 어셈블리의 시뮬레이션 모델을 구축합니다. AMESim 시뮬레이션 플랫폼을 열고 스케치 모드로 들어갑니다.<ol><li>운동학 수학적 모델과 분포 곡선에 따라 단일 피스톤에 대한 시뮬레이션 모델을 구축합니다(그림 3). 단일 피스톤 모델을 슈퍼 구성 요소로 캡슐화합니다(그림 4). 참고: 피스톤의 주요 운동학적 수학적 모델(식 (1))은 다음을 산출합니다. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63549/63549eq01.jpg"> <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/63549/63549eq02.jpg">(1) 이 방정식에서 x는 피스톤의 절대 변위, β는 사판 경사각, φ는 피스톤의 위상각, Rf는 실린더 블록의 분포 반경, df는 실린더 블록의 분포 직경입니다.</li>
		<li>밸브 플레이트의 누출과 마찰을 고려한 펌프 모델을 구축합니다(그림 4). 밸브 플레이트 모듈을 구축하려면 주로 피스톤/실린더 블록 인터페이스 및 슬리퍼/사판 인터페이스의 점성 마찰 및 조절 효과에 중점을 둡니다.</li>
		<li>이상적인 토크 모듈을 통해 모터 모델을 구축합니다(그림 4). 이상적인 토크 모듈을 사용하여 모터의 철 손실, 구리 손실 및 교반 손실을 무시하고 모터를 시뮬레이션하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>모터 펌프 어셈블리 모델의 주요 매개 변수를 설정합니다.<ol><li>표 1에 따라 모터 펌프 어셈블리의 매개 변수를 설정하십시오. PARAMETER 모드로 들어가 시뮬레이션 모델의 특정 구성 요소를 두 번 클릭하여 기본 매개 변수를 설정합니다. 표 2에 따라 회전 속도와 시험 압력을 설정하십시오.</li>
		<li>모델의 사전 실행 매개 변수 설정 : 시작 시간 : 0 초, 최종 시간 : 1 초, 인쇄 간격 : 1 ms.</li>
		<li>시뮬레이션을 사전 실행하여 정상 상태를 구현합니다.<ol><li>시뮬레이션을 실행하고 시뮬레이션이 끝날 때 시스템이 정상 상태에 도달하는지 확인합니다. 시스템이 안정적인 상태에 도달하면 실행 매개변수 창에서 이전 최종 값 사용 옵션을 선택합니다. 그렇지 않은 경우 1.2.1단계의 최종 시간을 2초 이상으로 재설정하고 시스템이 안정적인 상태에 도달할 때까지 1.2.2단계를 반복합니다.</li>
		</ol></li>
		<li>모델의 실행 매개 변수 설정: 시작 시간: 0초, 최종 시간: 0.2초, 인쇄 간격: 0.002ms.</li>
	</ol></li>
	<li>시뮬레이션을 실행하고 시뮬레이션 데이터를 저장합니다. 알림: 특정 작업 조건에 대해 1.2.1-1.2.4단계를 반복합니다. 시뮬레이션 후 데이터를 저장합니다.</li>
	<li>시뮬레이션 데이터를 내보내고 OriginPro에서 모터 펌프 어셈블리의 흐름 특성 윤곽을 플로팅합니다. 펌프 유량 값을 0.2초 이내에 기록된 펌프 유량의 평균으로 계산합니다.</li>
	<li>출력 흐름 특성 결정<ol><li>다양한 압력 조건에서 최대 속도로 모터 펌프 어셈블리의 출력 흐름 곡선을 플로팅합니다.</li>
		<li>특정 EHA 최대 속도에 따라 펌프의 필요한 출력 유량을 계산하고 다양한 압력 조건에서 필요한 출력 유량 곡선을 플로팅합니다.</li>
		<li>EHA의 필요한 유량 곡선이 모터 펌프 어셈블리의 출력 유량 곡선에 의해 포함되는지 확인하십시오.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 실험 플랫폼 구축
<ol><li>테스트 벤치를 구축합니다.<ol><li>표 3에 따라 시험대의 유압 성분을 준비하십시오. 각 구성 요소의 주요 매개변수가 표 3에 나열된 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.</li>
		<li>유압 밸브 블록을 설계 및 제조하고 유압 개략도에 따라 유압 시스템을 구축합니다(그림 5). 구성 요소의 상대 위치가 표시된 회로도와 동일하고 압력 센서와 온도 센서가 테스트 지점에 최대한 가깝게 배치되었는지 확인하십시오. 참고: 이 일련의 실험은 그림 6과 같이 전용 고속 및 고압 펌프 부하 시뮬레이션 테스트 벤치에서 수행되었습니다.</li>
		<li>툴링 및 테스트 밸브 블록을 설계하고 제조합니다. 설계 툴링이 테스트된 펌프와 테스트 벤치의 특정 인터페이스에 따르는지 확인하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>기계적 인터페이스 설치(그림 7)<ol><li>모터 펌프 어셈블리의 끝면을 테스트 밸브 블록과 연결합니다. 우수한 밀봉 성능을 보장하기 위해 최소 4개의 나사를 사용하십시오.</li>
		<li>모터 펌프 어셈블리와 테스트 밸브 블록을 테스트 벤치의 작업대에 고정합니다(그림 8). 모터 펌프 어셈블리와 테스트 밸브 블록을 4개의 나사로 전용 툴링에 연결하고 2개의 나사로 툴링을 작업대에 연결합니다. 알림: 테스트를 수행하는 동안 진동이 나타나지 않도록 두 개의 나사가 충분히 강한지 확인하십시오.</li>
		<li>테스트 밸브 블록에 포트 A와 포트 B의 두 그룹의 압력 및 온도 센서를 설치합니다. 누출 모니터링을 위해 이러한 센서를 누출 포트에 직접 연결하십시오. 알림: 실험을 완료하려면 테스트된 다양한 모터 펌프 어셈블리에 대해 다양한 툴링을 설계하고 제조해야 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>유압 인터페이스 연결(그림 7)<ol><li>펌프 소스의 두 개의 고압 오일 포트를 테스트 밸브 블록의 포트 A 또는 B와 연결합니다.</li>
		<li>가압 오일 포트를 펌프의 누출 오일 포트와 연결하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>모터 펌프 어셈블리의 공기 배출<ol><li>오일 공급 시스템의 릴리프 밸브가 언 로딩 상태인지 확인하십시오. 오일 공급 모터를 3분 동안 작동시켜 테스트 시스템의 공기를 배출하고 따뜻하게 합니다. 참고: 특정 실행 시간은 테스트 벤치의 특정 조건에 따라 결정됩니다. 이 단계의 주요 목적은 오일이 테스트 회로의 각 구성 요소로 완전히 흐르고 테스트 된 펌프의 표면 온도가 오일 온도에 가깝도록하는 것입니다.</li>
	</ol></li>
	<li>모터 펌프 어셈블리의 누출을 확인하려면 오일 공급 시스템의 릴리프 밸브를 차단하십시오. 오일 공급 압력을 2MPa로 1분 이상 조정합니다. 알림: 이렇게 하면 O-링 고장으로 인한 누출과 같이 테스트 시스템에 명백한 누출이 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다.<ol><li>모터 펌프 어셈블리에서 누출이 있는지 확인하십시오. 누출이 발생하면 먼저 유압 시스템을 종료하고 씰을 교체 한 다음 2.3 단계와 2.4 단계를 반복하십시오. 누출이 없으면 오일 공급 시스템의 릴리프 밸브를 엽니 다.</li>
	</ol></li>
	<li>전기 인터페이스 연결(그림 9)<ol><li>전원 공급 장치 인터페이스와 회전 신호 인터페이스를 모터 펌프 어셈블리 드라이버에 연결합니다.</li>
		<li>전이중 모드에서 작동하는 RS 442를 통해 드라이버를 컨트롤러에 연결합니다.</li>
		<li>드라이버를 270VDC 전원에 연결합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>모터 펌프 어셈블리의 무부하 검사<ol><li>오일 공급 펌프를 실행하고 오일 공급 및 로딩 시스템의 릴리프 밸브를 언 로딩 상태로 유지하십시오. 드라이버와 컨트롤러의 전원을 켜고 모터 펌프 어셈블리가 제어 명령을 정상적으로 수신할 수 있는지 확인하십시오. 알림: 모터 펌프 어셈블리의 입구 포트는 오일 공급 펌프를 통해 가압되어 구성 요소가 캐비테이션되는 것을 방지할 수 있습니다.</li>
		<li>모터 펌프 어셈블리에 2,000rpm의 명령을 설정합니다. 모터 펌프 어셈블리의 작동 상태를 관찰하고 밸브 블록에 누출이 있는지 확인하십시오 (2.5 단계 참조).</li>
		<li>모터 펌프 어셈블리에 2,000rpm 역방향의 명령을 설정합니다. 모터 펌프 어셈블리의 작동 상태를 관찰하고 밸브 블록에 누출이 있는지 확인하십시오 (2.5 단계 참조).</li>
	</ol></li>
</ol>3. 모터 펌프 어셈블리의 펌프 흐름 및 전체 효율 테스트
<ol><li>오일 공급 시스템의 설정<ol><li>오일 공급 펌프를 실행하고 오일 공급 시스템 및 로딩 시스템의 릴리프 밸브를 로딩 상태로 전환하십시오.</li>
		<li>오일 공급 릴리프 밸브를 최소 오일 공급 압력 psmin 0.6MPa로 조정하십시오. 3.1.2.1-3.1.2.3단계에 따라 psmin을 선택합니다. 알림: psmin은 캐비테이션을 피하기 위해 모터 펌프 어셈블리의 입구 포트에 있는 압력입니다.<ol><li>오일 공급 압력을 1MPa 이상으로 조정하며, 이는 테스트된 모터 펌프 어셈블리에 의해 결정됩니다.</li>
			<li>테스트된 모터 펌프 어셈블리의 회전 속도를 9,000rpm으로 조정하여 펌프 흐름이 이론적인 펌프 흐름과 같은지 확인합니다. 그렇지 않으면 캐비테이션을 피하기 위해 오일 공급 압력을 높이십시오.</li>
			<li>오일 공급 압력을 천천히 줄이고 펌프 흐름의 변화를 기록하십시오. 상대 펌프 유량 대 오일 공급 압력을 플로팅하고 펌프 흐름의 변곡점을 찾으십시오.이 지점의 오일 공급 압력은 최소 오일 공급 압력 psmin입니다.</li>
		</ol></li>
		<li>부하 릴리프 밸브를 psmin으로 조정합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>온도 제어 시스템을 켜고 오일 온도를 30 ° C로 조정하십시오.</li>
	<li>열화상 카메라를 켜서 모터 펌프 어셈블리의 표면 온도를 감지합니다.</li>
	<li>모터 펌프 어셈블리에 제어 지침을 보내 특정 속도로 계속 작동하도록 합니다(표 2).</li>
	<li>로드 릴리프 밸브를 조정하고 점차적으로 부하 압력을 특정 값으로 높입니다(표 2). 측정된 각 임계 압력에서 4초 동안 유지합니다. 알림: 실험 중 모터 온도에 세심한주의를 기울이십시오. 모터 펌프 어셈블리 표면의 온도가 100°C 미만인지 확인하십시오.</li>
	<li>압력이 속도의 특정 값에 도달하면 부하 릴리프 밸브를 다시 1MPa로 조정하십시오.</li>
	<li>모든 임계 압력 측정 지점의 특성이 표 3.3에 따라 테스트될 때까지 3.4단계 및 2단계를 반복합니다.</li>
	<li>실험 흐름 데이터를 내보내고 모터 펌프 어셈블리의 펌프 흐름 특성 맵을 플로팅합니다.</li>
	<li>다양한 작업 조건에서 모터 펌프 어셈블리의 전체 효율 ηo를 계산하고 전체 효율 맵을 플로팅합니다. 알림: 모터 펌프 어셈블리의 전체 효율은 식 (2)로 표시됩니다. <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/63549/63549eq03.jpg">. (2) 여기서Po는 모터 펌프 어셈블리의 출력 전력, Pi는 드라이버의 입력 전력, Q 펌프는 펌프 흐름입니다. Δp는 펌프 압력 차이입니다. U 전원은 전원 공급 장치 출력 전압입니다. I 전원은 전원 공급 장치 출력 전류입니다.</li>
</ol>

<ol><li>Yu, B., Wu, S., Jiao, Z., Shang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-objective+optimization+design+of+an+electrohydrostatic+actuator+based+on+a+particle+swarm+optimization+algorithm+and+an+analytic+hierarchy+process%5BTitle%5D)+AND+%22Energies%22%5BJournal%5D)">Multi-objective optimization design of an electrohydrostatic actuator based on a particle swarm optimization algorithm and an analytic hierarchy process.</a> Energies. 11 (9), 2426(2018).</li>
<li>Chao, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Load-sensing+pump+design+to+reduce+heat+generation+of+electro-hydrostatic+actuator+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Energies%22%5BJournal%5D)">Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems.</a> Energies. 11 (9), 2266(2018).</li>
<li>Zhao, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+research+on+tribological+characteristics+of+TiAlN+coated+valve+plate+in+electro-hydrostatic+actuator+pumps%5BTitle%5D)+AND+%22Tribology+International%22%5BJournal%5D)">Experimental research on tribological characteristics of TiAlN coated valve plate in electro-hydrostatic actuator pumps.</a> Tribology International. 155, 106782(2021).</li>
<li>Zhao, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+cylinder+block%2Fvalve+plate+interface+in+axial+piston+pumps%3A+Theoretical+models%2C+experimental+investigations%2C+and+optimal+design%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Review of cylinder block/valve plate interface in axial piston pumps: Theoretical models, experimental investigations, and optimal design.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 34 (1), 111-134 (2021).</li>
<li>Chao, Q., Zhang, J., Xu, B., Huang, H., Pan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+high-speed+electro-hydrostatic+actuator+pumps+in+aerospace+applications%3A+challenges+and+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Mechanical+Design%22%5BJournal%5D)">A review of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps in aerospace applications: challenges and solutions.</a> Journal of Mechanical Design. 141 (5), 050801(2019).</li>
<li>Fu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+performance+analysis+of+position-based+impedance+control+for+an+electrohydrostatic+actuation+system%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Design and performance analysis of position-based impedance control for an electrohydrostatic actuation system.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 31 (3), 584-596 (2018).</li>
<li>Alle, N., Hiremath, S. S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+on+electro+hydrostatic+actuator+for+flight+control%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fluid+Power%22%5BJournal%5D)">Review on electro hydrostatic actuator for flight control.</a> International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).</li>
<li>Chakraborty, I., Mavris, D. N., Emeneth, M., Schneegans, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+methodology+for+vehicle+and+mission+level+comparison+of+More+Electric+Aircraft+subsystem+solutions%3A+Application+to+the+flight+control+actuation+system%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Institution+of+Mechanical+Engineers%2C+Part+G%3A+Journal+of+Aerospace+Engineering%22%5BJournal%5D)">A methodology for vehicle and mission level comparison of More Electric Aircraft subsystem solutions: Application to the flight control actuation system.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 229 (6), 1088-1102 (2014).</li>
<li>Zhang, T., He, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+reliability-based+robust+design+method+for+the+sealing+of+slipper-swash+plate+friction+pair+in+hydraulic+piston+pump%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Reliability%22%5BJournal%5D)">A reliability-based robust design method for the sealing of slipper-swash plate friction pair in hydraulic piston pump.</a> IEEE Transactions on Reliability. 67 (2), 459-469 (2018).</li>
<li>Guo, S., Chen, J., Lu, Y., Wang, Y., Dong, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydraulic+piston+pump+in+civil+aircraft%3A+current+status%2C+future+directions+and+critical+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Hydraulic piston pump in civil aircraft: current status, future directions and critical technologies.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 33 (1), 16-30 (2020).</li>
<li>Habibi, S., Goldenberg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+a+new+high-performance+electrohydraulic+actuator%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE%2FASME+Transactions+on+Mechatronics%22%5BJournal%5D)">Design of a new high-performance electrohydraulic actuator.</a> IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 5 (2), 158-164 (1999).</li>
<li>Xu, B., Hu, M., Zhang, J., Mao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distribution+characteristics+and+impact+on+pump%27s+efficiency+of+hydro-mechanical+losses+of+axial+piston+pump+over+wide+operating+ranges%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Central+South+University%22%5BJournal%5D)">Distribution characteristics and impact on pump's efficiency of hydro-mechanical losses of axial piston pump over wide operating ranges.</a> Journal of Central South University. 24 (3), 609-624 (2017).</li>
</ol>

저자는 이해 상충이 없다고 선언합니다.

이러한 실험 단계를 수행할 때 압력 측정 지점이 펌프의 오일 포트에 충분히 가깝도록 하는 것이 중요하며, 이는 실험 결과에 큰 영향을 미칩니다. 또한 특히 고속 작업 조건에서 캐비테이션이 존재하지 않도록 모터 펌프 어셈블리의 입구 포트 압력에주의하십시오.
이 방법을 사용하면 오일 공급 압력을 동적으로 조정하여 다양한 작업 조건의 정확한 시뮬레이션을 실현할 수 있습니다.
이 방법의 한계는 시뮬레이션으로 모터 펌프 어셈블리의 총 효율을 정확하게 얻을 수 없다는 것입니다. 시뮬레이션 모델에서 펌프의 세 가지 주요 마찰 표면은 완전한 유막 윤활 상태에 있으며, 이는 인터페이스에 점성 마찰만 존재한다는 것을 의미합니다. 그러나 실제 상황은 유막의 상태가 시뮬레이션 모델로 시뮬레이션 할 수없는 전체 유막 윤활과 경계 윤활 사이를 전환하는 것입니다. 따라서 시뮬레이션 모델을 사용하여 펌프를 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다., 프로토타입의 실제...

일반적으로 전력 밀도가 높은 통합 액추에이터로 알려진 EHA는 항공 우주, 항공, 건설 기계 및 로봇 공학 1,2와 같은 분야에서 광범위한 전망을 가지고 있습니다. EHA는 주로 서보 모터, 펌프, 실린더, 가압 저장소, 밸브 블록, 모드 제어 밸브, 모듈 제어 밸브 및 센서로 구성되며 고집적, 펌프 제어, 폐쇄 유압 시스템을 구성합니다. 회로도와 물리적 모델은 그림 1 3,4,5,6,7에 나와 있습니다. 모터 펌프 어셈블리는 핵심 동력 및 제어 구성 요소이며 EHA7의 정적 및 동적 성능을 결정합니다.
종래의 모터 펌프 어셈블리는 별도의 모터와 펌프로 구성되며, 샤프트는 샤프트 커플 링(8)에 의해 연결된다. 이 구조는 EHA의 성능과 수명에 심각한 부정적인 영향을 미칩니다. 첫째, 모터와 펌프 모두 특히 고속5에서 조립 정확도로 인해 상대적으로 큰 진동을 견뎌냅니다. 진동은 펌프의 출력 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 펌프의 마찰 계면의 마모를 가속화하여 모터 펌프 어셈블리(9)의 고장을 초래합니다. 둘째, 펌프의 샤프트 끝단에 씰링을 설정해야하므로 누출을 근본적으로 방지 할 수 없습니다. 한편, 모터 펌프 어셈블리의 기계적 효율은 마찰 저항10이 증가함에 따라 감소합니다. 셋째, 모터 펌프 어셈블리의 빈번한 반전은 커플 링의 마모를 가속화하고 피로 파괴의 가능성을 증가시켜 EHA11,12의 시스템 신뢰성을 감소시킵니다.
따라서, 이러한 단점을 피하기 위해 공유 하우징 내의 단일 축 동축 모터 펌프 어셈블리가 개발되었습니다. 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 이 구성 요소에는 커플링 없는 설계가 채택되어 모터와 펌프의 동적 성능과 윤활 상태를 동시에 높일 수 있습니다. 이 단일 샤프트 동축 설계는 두 로터의 정렬을 보장하고 고속 조건에서 동적 균형을 향상시킵니다. 또한 공유 하우징은 샤프트 끝단 누출을 근본적으로 제거합니다.
EHA 모터 펌프 어셈블리의 출력 특성을 테스트하는 것은 EHA 성능의 최적화 및 개선에 매우 중요합니다. 그러나 특히 EHA에 대한 모터 펌프 어셈블리의 성능 테스트에 대한 연구는 상대적으로 적습니다. 따라서 시뮬레이션과 실험을 결합하는 테스트 방법을 수행했습니다. 이 방법은 광범위한 작동 조건, 특히 EHA 펌프의 모터 펌프 어셈블리를 테스트하는 데 적합합니다.
두 가지 주요 과제가 있습니다: 첫 번째는 모터 펌프의 출력 흐름 특성을 분석하고 모터 펌프 어셈블리의 최적 설계를 지원하기 위한 정확한 시뮬레이션 모델을 구축하는 것입니다. 계층적 모델링을 통해 모터-펌프 어셈블리의 시뮬레이션 모델을 구축하고 다양한 매개변수를 변경하여 출력 흐름의 시뮬레이션 분석을 실현했습니다. 두 번째는 고속으로 인한 테스트 요소의 캐비테이션으로, 일반 펌프와 구별되는 가장 중요한 측면입니다. 따라서 우리는 다양한 작업 조건에서 테스트를 실현하기 위해 테스트 시스템을 설계 할 때 오일 공급 시스템 설계에 더 중점을 두었습니다.
이 프로토콜에서는 펌프 흐름 특성이 EHA의 요구 사항을 충족하는지 여부를 판단하여 초기에 펌프 흐름 특성을 시뮬레이션하기 위해 1차원 시뮬레이션 모델을 설정했습니다. 그런 다음 전용 테스트 벤치에서 흐름 특성과 전체 효율성을 실험적으로 테스트하여 시뮬레이션으로 정확하게 시뮬레이션할 수 없는 전체 효율성 맵을 얻었습니다. 마지막으로 펌프 유동 특성을 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 검증했습니다. 한편, 단일 축 동축 모터 펌프 어셈블리의 성능을 평가하기 위해 전체 효율 맵을 얻었습니다.

<table><tbody><tr><td>AmeSim 시뮬레이션 플랫폼</td><td>Siemens</td><td>Amesim 16</td><td></td></tr><tr><td>DAQ 카드</td><td>Advantech</td><td>PCI1710</td><td></td></tr><tr><td>유량계</td><td>KRACHT</td><td>VC0.04E1RS, 0.02-4 L/min</td><td></td></tr><tr><td>유량계</td><td>KRACHT</td><td>VC0.4E1RS, 0.2-40 L/min</td><td></td></tr><tr><td>산업용 컴퓨터</td><td>Advantech</td><td>610H</td><td></td></tr><tr><td>오일 공급 모터</td><td>Siemens</td><td>1TL0001-1BB23-3JA5</td><td></td></tr><tr><td>오일 공급 펌프</td><td>Kangbaishi</td><td>P222RF01DT</td><td></td></tr><tr><td>OriginPro</td><td>OriginLab Corporation</td><td>OriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200</td><td></td></tr><tr><td>압력 센서</td><td>Feejoy</td><td>PI131G (0-5 MPA) F4MCAH5C</td><td></td></tr><tr><td>비례 릴리프 밸브</td><td>Huade 유압</td><td>DBE10-30B / 50YV</td><td></td></tr><tr><td>비례 릴리프 밸브</td><td>Huade 유압</td><td>DBE10-30B/315YV</td><td></td></tr><tr><td>스핀들 모터</td><td>HAOZHI</td><td>DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS</td><td>최대 속도: 18,000rpm; &nbsp; 전원: 22kW</td></tr><tr><td>온도 센서</td><td>Feejoy</td><td>TI-A42M1A180/30+F1</td><td></td></tr></tbody></table>

전기 유체 정역학 액추에이터에서 단일 축 동축 모터 펌프 어셈블리의 모델링 및 실험 분석

Modeling and Experimental Analysis of the Single-Shaft Coaxial Motor-Pump Assembly in Electrohydrostatic Actuators

전기 유체 정압 액추에이터(EHA)는 높은 출력 밀도, 유지 보수 용이성 및 신뢰성 측면에서 기존 유압 서보 액추에이터와 비교할 때 가장 유망한 대안이 될 수 있습니다. EHA의 성능과 서비스 수명을 결정하는 핵심 동력 장치인 모터-펌프 어셈블리는 넓은 속도/압력 범위와 높은 동적 응답을 동시에 보유해야 합니다.
이 백서에서는 시뮬레이션 및 실험을 통해 모터 펌프 어셈블리의 성능을 테스트하는 방법을 제시합니다. 유량 출력 특성은 실험 시작 시 어셈블리의 시뮬레이션 및 분석을 통해 정의되었으며, 이는 펌프가 EHA의 요구 사항을 충족할 수 있는지 여부에 대한 결론으로 이어졌습니다. 1,450-9,000rpm의 속도 범위와 1-30MPa의 압력 범위에서 펌프 테스트 벤치를 통해 모터 펌프 어셈블리에 대해 일련의 성능 테스트가 수행되었습니다.
유량 출력 특성의 테스트 결과와 시뮬레이션 결과 간의 일관성을 확인한 후 다양한 작업 조건에서 모터 펌프 어셈블리의 전반적인 효율성을 테스트했습니다. 결과는 어셈블리가 10-25 MPa의 압력 하에서 4,500-7,000 rpm에서 작업 할 때와 5-15 MPa 하에서 2,000-2,500 rpm에서 작업 할 때 더 높은 전체 효율을 가짐을 보여주었습니다. 전반적으로이 방법은 모터 펌프 어셈블리가 EHA의 요구 사항을 충족하는지 여부를 미리 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 또한이 백서는 EHA 성능을 예측하는 데 도움이 될 수있는 다양한 작업 조건에서 모터 펌프 어셈블리의 신속한 테스트 방법을 제안합니다.

배출 흐름의 시뮬레이션 결과(그림 10A)는 속도가 일정할 때 부하 압력이 증가함에 따라 배출 흐름이 약간 감소하는 것을 나타냅니다. 또한 출력 유량은 동일한 벨트 폭으로 판단하여 압력이 일정할 때 속도가 증가함에 따라 선형적으로 증가했습니다. 다양한 작업 조건에서 모터 펌프 어셈블리의 성능을 직접 평가하기 위해 체적 효율 다이어그램을 플로팅했습니다(그림 11A). 펌프 체적 효율은 더 높았지만 압력과 속도는 상대적으로 낮았습니다. 속도가 3,000rpm일 때 체적 효율 95%에 대한 최대 출력 압력은 5MPa였습니다. 속도가 8,000rpm일 때 이 값은 23MPa로 빠르게 상승했습니다.
도 10B 는 시뮬레이션과 잘 일치하는 방전 흐름의 실험 결과를 나타낸다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 약간의 차이는 속도가 5,0...

우리는 전기 유체 정역학 액추에이터에서 단일 축 동축 모터 펌프 어셈블리의 펌프 흐름 특성과 성능을 평가하고 모터 펌프 어셈블리의 광범위한 작업 조건에서 실험적으로 전체 효율을 조사하기위한 시뮬레이션 모델을 구축했습니다.

An electrohydrostatic actuator (EHA) can be the most promising alternative compared with the traditional hydraulic servo actuators for its high power ...

모터 펌프 어셈블리는 전기 하이드로스테틱 활성제의 핵심 구성 요소입니다. 이 프로토콜은 모터 펌프 조립의 출력 특성과 넓은 작업 조건에 대한 효율적인 테스트 방법을 제시합니다. 이 프로토콜은 시뮬레이션 및 손상의 축적을 채택하여 모델 펌프 어셈블리의 성능을 신속하게 얻을 수 있습니다.이 기술은 모델 펌프 어셈블리의 개발에 기여합니다. 실험을 수행 할 때 소음과 기름의 해를 방지하기 위해 자신을 보호하십시오. 적재하기 전에 오일 파이프가 단단히 연결되어 있는지 확인하는 것이 중요합니다.절차를 시연하는 것은 실험실의 대학원생 인 Yuxuan Ma가 될 것입니다. 시작하려면 매개변수 모드로 들어가 모터 펌프 어셈블리의 주요 매개변수를 설정하고 시뮬레이션 모델에서 특정 구성 요소를 두 번 클릭하여 주요 매개변수를 설정합니다. 텍스트에 설명된 대로 회전 속도와 테스트 압력을 설정합니다.모델의 사전 실행 매개 변수를 시작 시간 0초, 최종 시간 1초, 인쇄 간격 1밀리초로 설정합니다. 시뮬레이션을 사전 실행하고 시뮬레이션이 끝날 때 시스템이 정상 상태에 도달하는지 확인합니다. 시스템이 안정적인 상태에 도달하면 실행 매개변수 창에서 이전 최종 값 사용 옵션을 선택합니다.그렇지 않은 경우 시스템이 정상 상태에 도달할 때까지 최종 시간을 2초 이상으로 재설정합니다. 그런 다음 모델의 실행 매개 변수를 시작 시간 0초, 최종 시간 0.2초 및 인쇄 간격 0.002밀리초로 설정합니다. 기계적 인터페이스를 설치하려면 모터 펌프 어셈블리의 끝면을 테스트 밸브 블록과 연결하고 최소 4개의 나사를 사용하여 우수한 천장 성능을 보장합니다.모터 펌프 어셈블리와 테스트 밸브 블록을 테스트 벤치의 작업대에 고정합니다. 모터 펌프 어셈블리와 테스트 밸브 블록을 4개의 나사로 전용 툴링에 연결하고 2개의 나사로 툴링을 작업대에 연결합니다. 테스트 밸브 블록에 포트 A와 포트 B의 두 그룹의 압력 및 온도 센서를 설치합니다.누출 모니터링을 위해 이러한 센서를 누출 포트에 직접 연결하십시오. 유압 인터페이스를 연결하려면 먼저 펌프 소스의 두 개의 고압 오일 포트를 테스트 밸브 블록의 포트 A 또는 B와 연결하십시오. 그런 다음 가압 오일 포트를 펌프의 누출 오일 포트와 연결합니다.모터 펌프 어셈블리의 공기 배출을 위해 오일 공급 시스템의 릴리프 밸브가 언 로딩 상태인지 확인하십시오. 오일 공급 모터를 3 분 동안 작동시켜 테스트 시스템의 공기를 배출하고 따뜻하게합니다. 모터 펌프 어셈블리의 누출을 확인하려면 오일 공급 시스템의 릴리프 밸브를 차단하고 모터 펌프 어셈블리에서 누출이 있는지 확인하십시오.오일 공급 압력을 2메가파스칼로 1분 이상 조정합니다. 전기 인터페이스를 연결하려면 먼저 전원 공급 장치 인터페이스와 회전 신호 인터페이스를 모터 펌프 어셈블리 드라이버에 연결합니다. 전이중 모델에서 작동하는 RS-442를 통해 드라이버를 컨트롤러에 연결 한 다음 270V DC 전원에 연결합니다.모터 펌프 어셈블리의 무부하 검사를 수행하려면 오일 공급 펌프를 실행하고 오일 공급 및 적재 시스템의 릴리프 밸브를 언 로딩 상태로 유지하십시오. 드라이버와 컨트롤러의 전원을 켜고 모터 펌프 어셈블리가 제어 명령을 정상적으로 수신할 수 있는지 확인하십시오. 2000rpm의 명령을 모터 펌프 어셈블리로 정방향으로 설정한 다음 역방향으로 설정합니다.모터 펌프 어셈블리의 작동 상태를 관찰하고 밸브 블록에 누출이 있는지 확인하십시오. 오일 공급 시스템을 설정하려면 오일 공급 펌프를 실행하고 오일 공급 시스템 및 로딩 시스템의 릴리프 밸브를 로딩 상태로 전환하십시오. 최소 오일 공급 압력 값을 결정하려면 먼저 오일 공급 압력을 테스트된 모터 펌프 어셈블리에 의해 결정되는 1메가파스칼 이상으로 조정하십시오.그런 다음 테스트된 모터 펌프 어셈블리의 회전 속도를 9000rpm으로 조정하여 펌프 흐름이 이론적인 펌프 흐름과 같은지 확인합니다. 그렇지 않으면 캐비테이션을 피하기 위해 오일 공급 압력을 높이십시오. 오일 공급 압력을 천천히 줄이고 펌프 흐름의 변화를 기록하십시오.상대 펌프 흐름 대 오일 공급 압력을 플로팅하고 최소 오일 공급 압력으로 표시된 펌프 흐름의 변곡점을 찾습니다. 부하 릴리프 밸브를 최소 오일 공급 압력으로 조정하십시오. 온도 제어 시스템을 켜고 오일 온도를 섭씨 30도로 조정하십시오.또한 열화상 카메라를 켜서 모터 펌프 어셈블리의 표면 온도를 감지합니다. 모터 펌프 어셈블리에 제어 지침을 보내 특정 속도로 계속 작동하도록 합니다. 로드 릴리프 밸브를 점차적으로 조정하십시오.부하 압력을 특정 값으로 높이고 측정된 각 임계 압력에서 4초 동안 유지합니다. 압력이 속도의 특정 값에 도달하면 부하 릴리프 밸브를 다시 1메가파스칼로 조정합니다. 실험 흐름 데이터를 내보내고 모터 펌프 어셈블리의 펌프 흐름 특성 맵을 플로팅합니다.다양한 작업 조건에서 모터 펌프 어셈블리의 전체 효율을 계산하고 전체 효율 맵을 플로팅합니다. 배출 흐름의 시뮬레이션 결과는 일정한 속도에서 압력이 증가함에 따라 흐름이 약간 감소한 반면 일정한 압력에서 속도가 증가함에 따라 선형적으로 증가함을 나타냅니다. 방전 흐름에 대한 실험 및 시뮬레이션 결과에서 약간의 차이가 관찰되었습니다.속도가 5000rpm보다 높으면 출력 흐름이 먼저 감소한 다음 압력이 상승함에 따라 증가합니다. 체적 효율이 결정되었으며, 이는 펌프 효율이 저압 및 속도에서 더 높다는 것을 보여줍니다. 3000rpm에서 최대 출력 압력은 5메가파스칼이었고 8000rpm에서는 23메가파스칼이었습니다.실험 결과는 모터 펌프 어셈블리가 고속 및 저압에서 작동하는 시뮬레이션과 다릅니다. 그러나 10 메가파스칼 압력에서는 회전 속도가 증가함에 따라 체적 효율이 감소합니다. 시뮬레이션 및 실험 결과는 고속에서 더 가깝고 3500에서 9000 rpm의 속도 범위에서 실험 결과와 거의 일치하는 것으로 관찰되었습니다.전체 효율의 실험 결과는 저속 및 고압 또는 고속 및 저압과 같은 극한 조건에서 총 효율이 상대적으로 낮다는 것을 보여줍니다. 압력 측정 지점이 오일 포트에 가까이 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 또한 캐비테이션이 없는지 확인하기 위해 입구 압력에주의하십시오.이 절차에 따라 극한의 작업 조건에서 모터 펌프 어셈블리의 성능 및 고장 모드를 연구하기 위해 오류 주입 방법을 채택할 수도 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

Modeling and Experimental Analysis of the Single-Shaft Coaxial Motor-Pump Assembly in Electrohydrostatic Actuators(전기정수압 액추에이터에서 단일 축 동축 모터-펌프 어셈블리의 모델링 및 실험 분석)

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