Method Article

Modellering en experimentele analyse van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren

DOI:

10.3791/63549

June 13th, 2022

In This Article

Summary

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

We hebben een simulatiemodel gebouwd om de pompstroomkarakteristieken en prestaties van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren te evalueren en de algehele efficiëntie in een breed scala aan werkomstandigheden van de motorpompassemblage experimenteel te onderzoeken.

Abstract

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

Een elektrohydrostatische actuator (EHA) kan het meest veelbelovende alternatief zijn in vergelijking met de traditionele hydraulische servoactuatoren vanwege de hoge vermogensdichtheid, onderhoudsgemak en betrouwbaarheid. Als de kernvoedingseenheid die de prestaties en levensduur van de EHA bepaalt, moet de motor-pompassemblage tegelijkertijd een breed snelheids-/drukbereik en een hoge dynamische respons hebben.

Dit artikel presenteert een methode om de prestaties van de motorpompassemblage te testen door middel van simulatie en experimenten. De eigenschappen van de stroomuitgang werden gedefinieerd door simulatie en analyse van de assemblage aan het begin van het experiment, wat leidde tot de conclusie of de pomp aan de vereisten van de EHA kon voldoen. Een reeks prestatietests werd uitgevoerd op de motorpompassemblage via een pomptestbank in het snelheidsbereik van 1.450-9.000 tpm en het drukbereik van 1-30 MPa.

We hebben de algehele efficiëntie van de motorpompassemblage onder verschillende werkomstandigheden getest na bevestiging van de consistentie tussen de testresultaten van de stroomuitgangskarakteristieken met de simulatieresultaten. De resultaten toonden aan dat de assemblage een hogere algehele efficiëntie heeft bij het werken bij 4.500-7.000 tpm onder de druk van 10-25 MPa en bij 2.000-2.500 tpm onder 5-15 MPa. Over het algemeen kan deze methode worden gebruikt om van tevoren te bepalen of de motorpompassemblage voldoet aan de vereisten van EHA. Bovendien stelt dit artikel een snelle testmethode voor van de motor-pompassemblage in verschillende werkomstandigheden, die zou kunnen helpen bij het voorspellen van EHA-prestaties.

Introduction

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

Bekend als een typisch geïntegreerde actuator met een hoge vermogensdichtheid, heeft de EHA brede vooruitzichten op gebieden zoals lucht- en ruimtevaart, luchtvaart, bouwmachines en robotica 1,2. De EHA bestaat voornamelijk uit een servomotor, pomp, cilinder, reservoir onder druk, ventielblok, modusregelkleppen, moduleregelkleppen en sensoren, die een sterk geïntegreerd, pompgestuurd, gesloten hydraulisch systeem vormen. Het schematische diagram en het fysische model zijn weergegeven in figuur 1 3,4,5,6,7. De motor-pompassemblage is het kernvermogen en de besturingscomponent en bepaalt de statische en dynamische prestaties van de EHA7.

De conventionele motor-pompassemblage bestaat uit een afzonderlijke motor en pomp, waarvan de assen zijn verbonden door een askoppeling8. Deze structuur heeft aanzienlijke negatieve effecten op de prestaties en levensduur van de EHA. Ten eerste zullen zowel de motor als de pomp een relatief grote trilling dragen vanwege de montagenauwkeurigheid, vooral bij hoge snelheid5. Trillingen zullen niet alleen de uitgangskarakteristieken van de pomp beïnvloeden, maar ook de slijtage van de wrijvingsinterfaces in de pomp versnellen, wat leidt tot het falen van de motorpompassemblage9. Ten tweede moeten afdichtingen worden ingesteld aan de asuiteinden van de pomp, wat lekkage niet fundamenteel kan voorkomen. Ondertussen neemt de mechanische efficiëntie van de motor-pompassemblage af met toenemende wrijvingsweerstand10. Ten derde zal het frequent omkeren van de motor-pompassemblage de slijtage van de koppeling versnellen en de kans op vermoeiingsfracturen vergroten, waardoor de systeembetrouwbaarheid van de EHA11,12 wordt verminderd.

Zo werd een coaxiale motorpompassemblage met één as in een gedeelde behuizing ontwikkeld om deze tekortkomingen te voorkomen. De structuur is weergegeven in figuur 2. In dit onderdeel wordt een ontwerp zonder koppeling aangenomen, dat tegelijkertijd de dynamische prestaties en de smeerstatus van de motor en pomp zou kunnen verhogen. Dit coaxiale ontwerp met één as zorgt voor de uitlijning van de twee rotoren en verbetert de dynamische balans onder omstandigheden met hoge snelheden. Bovendien elimineert gedeelde behuizing fundamenteel asuitlek.

Het testen van de uitgangskarakteristieken van de EHA-motorpompassemblage is van groot belang voor de optimalisatie en verbetering van de EHA-prestaties. Er zijn echter relatief weinig studies over prestatietests van de motorpompassemblage, vooral voor EPA's. Daarom hebben we een testmethode uitgevoerd om simulatie en experimenten te combineren. Deze methode is geschikt voor het testen van motorpompassemblages met een breed scala aan bedrijfsomstandigheden, met name EHA-pompen.

Er zijn twee belangrijke uitdagingen: de eerste is het bouwen van een nauwkeurig simulatiemodel om de uitgangsstroomkarakteristieken van de motorpomp te analyseren en hulp te bieden bij het optimale ontwerp van de motor-pompassemblage. We hebben een simulatiemodel van de motor-pompassemblage opgesteld door middel van hiërarchische modellering en de simulatieanalyse van de uitgangsstroom gerealiseerd door verschillende parameters te wijzigen. De tweede is de cavitatie van het testelement veroorzaakt door hoge snelheid, wat het belangrijkste aspect is dat het onderscheidt van gewone pompen. Daarom hebben we ons bij het ontwerpen van het testsysteem meer gericht op het ontwerp van het olietoevoersysteem om de test onder verschillende werkomstandigheden te realiseren.

In dit protocol werd een eendimensionaal simulatiemodel opgesteld om de pompstroomkarakteristieken in eerste instantie te simuleren en te beoordelen of de pompstroomkarakteristieken voldoen aan de vereisten van EHA. Vervolgens werden de stromingskarakteristieken en de algehele efficiëntie experimenteel getest op een speciale testbank, waardoor de algehele efficiëntiekaart werd verkregen die niet nauwkeurig kan worden gesimuleerd door simulatie. Ten slotte werden de pompstroomkarakteristieken vergeleken met de experimentele resultaten om de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten te verifiëren. Ondertussen werd de algemene efficiëntiekaart verkregen om de prestaties van de coaxiale motorpompassemblage met één as te evalueren.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Simulatie van de pompstroomkarakteristieken

  1. Bouw het simulatiemodel van de motor-pompassemblage. Open het AMESim-simulatieplatform en ga naar de SKETCH-modus .
    1. Bouw het simulatiemodel voor een enkele zuiger volgens het kinematische wiskundige model en de verdelingscurve (figuur 3). Kapsuleer het model met één zuiger als een supercomponent (figuur 4).
      OPMERKING: Het belangrijkste kinematische wiskundige model van de zuiger (Eq (1)) levert:
      figure-protocol-1
      figure-protocol-2(1)
      In deze vergelijking is x de absolute verplaatsing van de zuiger, β de hellingshoek van de spoelplaat, φ de fasehoek van de zuiger is, Rf de distributieradius van het cilinderblok, df de verdelingsdiameter van het cilinderblok.
    2. Bouw het pompmodel rekening houdend met de lekkage en wrijving van de klepplaat (figuur 4). Om de klepplaatmodule te bouwen, richt u zich voornamelijk op de viskeuze wrijving en het throttling-effect van de zuiger / cilinderblokinterface en slipper / swash plate-interface.
    3. Bouw het motormodel via een ideale koppelmodule (figuur 4). Gebruik een ideale koppelmodule om de motor te simuleren, waarbij het ijzerverlies, koperverlies en roerverlies van de motor worden genegeerd.
  2. Stel de belangrijkste parameters van het motor-pompassemblagemodel in.
    1. Stel de parameters van de motor-pompassemblage in volgens tabel 1. Ga naar de PARAMETER-modus en stel de belangrijkste parameters in door te dubbelklikken op de specifieke component in het simulatiemodel. Stel de rotatiesnelheid en testdruk in volgens tabel 2.
    2. Stel de prerunparameters van het model in: Starttijd: 0 s, Eindtijd: 1 s, Afdrukinterval: 1 ms.
    3. Voer de simulatie vooraf uit om de steady state te bereiken.
      1. Voer de simulatie uit en controleer of het systeem aan het einde van de simulatie de steady state zal bereiken. Als het systeem de steady state bereikt, vinkt u de optie Oude definitieve waarden gebruiken aan in het venster Parameters uitvoeren . Zo niet, reset dan de eindtijd in stap 1.2.1 naar 2 s of zelfs langer en herhaal stap 1.2.2 totdat het systeem de steady state bereikt.
    4. Stel de uitvoeringsparameters van het model in: Starttijd: 0 s, Eindtijd: 0,2s, Afdrukinterval: 0,002 ms.
  3. Voer de simulatie uit en sla de simulatiegegevens op.
    OPMERKING: Herhaal stap 1.2.1-1.2.4 voor een specifieke werkomstandigheden; sla de gegevens op na de simulatie.
  4. Exporteer de simulatiegegevens en plot de stromingskarakteristiek van de motor-pompassemblage in OriginPro. Bereken de waarde van het pompdebiet als het gemiddelde van het pompdebiet dat binnen 0,2 s is geregistreerd.
  5. Bepaling van de kenmerken van de uitgangsstroom
    1. Zet de uitgangsstroomcurve van de motor-pomp samen met de maximale snelheid onder verschillende drukomstandigheden uit.
    2. Bereken het vereiste uitgangsdebiet van de pomp op basis van de specifieke EHA-maximumsnelheid en plot de vereiste uitgangsdebietcurve bij verschillende drukomstandigheden.
    3. Zorg ervoor dat de vereiste debietcurve van de EHA wordt omhuld door de uitgangsdebietcurve van de motor-pompassemblage.

2. Oprichting van het experimentele platform

  1. Stel de testbank vast.
    1. Bereid hydraulische onderdelen van de testbank voor overeenkomstig tabel 3. Zorg ervoor dat de belangrijkste parameters van elk onderdeel voldoen aan de vereisten in tabel 3.
    2. Ontwerp en productie van de hydraulische klepblokken en bouw een hydraulisch systeem volgens het hydraulisch schema (figuur 5). Zorg ervoor dat de relatieve posities van componenten hetzelfde zijn als het weergegeven schematische diagram en dat de druksensoren en temperatuursensoren zo dicht mogelijk bij het testpunt zijn geplaatst.
      OPMERKING: Deze reeks experimenten werd uitgevoerd op een speciale testbank voor belastingssimulatie van hoge- en hogedrukpompen, zoals weergegeven in figuur 6.
    3. Ontwerp en productie van de gereedschaps- en testklepblokken. Zorg ervoor dat de ontwerpgereedschappen in overeenstemming zijn met de specifieke interface van de geteste pomp en de testbank.
  2. Installatie van de mechanische interfaces (figuur 7)
    1. Verbind het eindvlak van de motorpomp met het testklepblok. Gebruik ten minste 4 schroeven om een goede afdichtingsprestatie te garanderen.
    2. Bevestig de motor-pomp en het testklepblok op de werkbank van de testbank (figuur 8). Sluit de motor-pompassemblage en het testklepblok aan op het speciale gereedschap met vier schroeven en het gereedschap met de werkbank met 2 schroeven.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat de twee schroeven voldoende sterk zijn zodat er geen trillingen optreden tijdens het uitvoeren van de test.
    3. Installeer twee groepen druk- en temperatuursensoren van poort A en poort B op het testklepblok. Sluit deze sensoren rechtstreeks aan op de lekpoort voor lekkagebewaking.
      OPMERKING: Het is noodzakelijk om verschillende gereedschappen voor verschillende geteste motorpompassemblages te ontwerpen en te produceren om het experiment te voltooien.
  3. Aansluiting van de hydraulische interfaces (figuur 7)
    1. Verbind de twee hogedrukoliepoorten van de pompbron met poort A of B van het testklepblok.
    2. Sluit de oliepoort onder druk aan op de lekoliepoort van de pomp.
  4. Luchtafvoer van het motorpompassemblage
    1. Zorg ervoor dat de overdrukklep van het olietoevoersysteem zich in de lostoestand bevindt. Laat de olietoevoermotor gedurende 3 minuten draaien om de lucht van het testsysteem af te voeren en te verwarmen.
      OPMERKING: De specifieke looptijd wordt bepaald op basis van de specifieke omstandigheden van de testbank. Het belangrijkste doel van deze stap is ervoor te zorgen dat de olie volledig in elk onderdeel van het testcircuit stroomt en dat de oppervlaktetemperatuur van de geteste pomp dicht bij de olietemperatuur ligt.
  5. Om te controleren op lekken in de motorpompassemblage, sluit u de overdrukklep van het olietoevoersysteem af. Stel de olietoevoerdruk gedurende meer dan 1 minuut in op 2 MPa.
    OPMERKING: Dit zal helpen om erachter te komen of er een duidelijke lekkage in het testsysteem is, zoals de lekkage veroorzaakt door het falen van de O-ring.
    1. Zoek naar lekkage in de motorpompassemblage. Als het lekt, sluit u eerst het hydraulische systeem af en vervangt u de afdichting en herhaalt u vervolgens stap 2.3 en 2.4. Als er geen lekkage is, opent u de overdrukklep van het olietoevoersysteem.
  6. Aansluiting van de elektrische interfaces (figuur 9)
    1. Sluit de voedingsinterface en de roterende signaalinterface aan op de motor-pompassemblagedriver.
    2. Sluit de driver aan op de controller via RS 442 en werk in full-duplex modus.
    3. Sluit de driver aan op 270 VDC-voeding.
  7. Onbelaste inspectie van de motorpompassemblage
    1. Laat de olietoevoerpomp draaien en houd de overdrukkleppen van de olietoevoer- en laadsystemen in de lostoestand. Schakel de bestuurder en controller in en controleer of de motorpompassemblage het besturingscommando normaal kan ontvangen.
      OPMERKING: De inlaatpoort van de motorpompassemblage kan onder druk worden gezet via een olietoevoerpomp, waardoor cavitatie van het onderdeel wordt voorkomen.
    2. Stel een instructie van 2.000 tpm in op de motorpompassemblage. Observeer de werktoestand van de motor-pompassemblage en controleer of er lekkage is bij het klepblok (zie stap 2.5).
    3. Stel een instructie van 2.000 rpm achteruit in op de motor-pompassemblage. Observeer de werktoestand van de motor-pompassemblage en controleer of er lekkage is bij het klepblok (zie stap 2.5).

3. Pompdebiet en algemene efficiëntietest van de motor-pompassemblage

  1. Instelling van het olietoevoersysteem
    1. Laat de olietoevoerpomp draaien en schakel de overdrukkleppen van het olietoevoersysteem en het laadsysteem naar de laadtoestand.
    2. Stel de overdrukklep voor olietoevoer in op de minimale olietoevoerdruk psmin van 0,6 MPa. Volg de stappen 3.1.2.1-3.1.2.3 om psmin te selecteren.
      OPMERKING: psmin is de druk in de inlaatpoort van de motor-pompassemblage om cavitatie te voorkomen.
      1. Stel de olietoevoerdruk in op 1 MPa of meer, wat wordt bepaald door de geteste motorpompassemblage.
      2. Pas het toerental van de geteste motorpompassemblage aan tot 9.000 tpm en zorg ervoor dat het pompdebiet gelijk is aan het theoretische pompdebiet. Verhoog anders de druk van de olietoevoer om cavitatie te voorkomen.
      3. Verlaag de olietoevoerdruk langzaam en noteer de verandering van de pompstroom. Plot de relatieve pompstroom versus olietoevoerdruk en zoek het buigpunt van de pompstroom - de olietoevoerdruk van dit punt is de minimale olietoevoerdruk psmin.
    3. Stel de lastontlastklep in op psmin.
  2. Schakel het temperatuurregelsysteem in en stel de olietemperatuur in op 30 °C.
  3. Schakel de warmtebeeldcamera in om de oppervlaktetemperatuur van de motorpompassemblage te detecteren.
  4. Stuur besturingsinstructies naar de motorpomp om deze continu op een bepaald toerental te laten draaien (tabel 2).
  5. Stel de lastontlastklep in en verhoog de belastingsdruk geleidelijk tot een specifieke waarde (tabel 2). Houd 4 s vast bij elke kritische gemeten druk.
    OPMERKING: Let tijdens het experiment goed op de motortemperatuur. Zorg ervoor dat de temperatuur van het assemblageoppervlak van de motorpomp lager is dan 100 °C.
  6. Nadat de druk de specifieke waarde van de snelheid heeft bereikt, stelt u de overdrukklep weer in op 1 MPa.
  7. Herhaal stap 3.3 en 3.4 totdat de eigenschappen van alle kritische drukmeetpunten zijn getest overeenkomstig tabel 2.
  8. Exporteer de experimentele debietgegevens en plot de pompstroomkarakteristiekkaart van de motor-pompassemblage.
  9. Bereken de totale efficiëntie ηo van de motor-pompassemblage in verschillende werkomstandigheden en plot de algehele efficiëntiekaart.
    OPMERKING: De totale efficiëntie van de motorpompassemblage wordt gegeven door Eq (2):
    figure-protocol-3. (2)
    Waarbij Po het uitgangsvermogen van de motor-pompassemblage is, Pi het ingangsvermogen van de bestuurder, Q-pomp het pompdebiet; Δp is het drukverschil tussen de pomp en de pomp; U-vermogen is de uitgangsspanning van de voeding; Ipower is de uitgangsstroom van de voeding.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Het simulatieresultaat van de afvoerstroom (figuur 10A) gaf aan dat de afvoerstroom iets afnam met de toename van de belastingsdruk wanneer de snelheid constant was. Bovendien nam het uitgangsdebiet lineair toe met toenemende snelheid wanneer de druk constant is, te oordelen naar dezelfde bandbreedte. Om de prestaties van de motorpompassemblage onder verschillende werkomstandigheden direct te evalueren, hebben we het volumetrische efficiëntiediagram uitgezet (figuur 11A<...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Bij het uitvoeren van deze experimentele stappen is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de drukmeetpunten dicht genoeg bij de oliepoort van de pomp liggen, wat de experimentele resultaten sterk zou beïnvloeden. Let bovendien op de druk van de inlaatpoort van de motorpompassemblage om ervoor te zorgen dat er geen cavitatie bestaat, vooral bij werkomstandigheden met hoge snelheid.

Deze methode maakt een dynamische aanpassing van de olietoevoerdruk mogelijk, waardoor een nauwkeurige simulatie ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflicten hebben.

Acknowledgements

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

Dit werk werd ondersteund door het Chinese Civil Aircraft Project [Nr. MJ-2017-S49] en de China Postdoctoral Science Foundation [Nr.2021M700331].

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AmeSim simulatieplatformSiemensAmesim 16
DAQ-kaartAdvantechPCI1710
DebijmeterKRACHTVC0.04E1RS, 0.02-4 L/min
DebijmeterKRACHTVC0.4E1RS, 0.2-40 L/min
Industriële computerAdvantech610H
OlietoevoermotorSiemens1TL0001-1BB23-3JA5
OlietoevoerpompKangbaishiP222RF01DT
OriginProOriginLab CorporationOriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200
DruksensorFeejoyPI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C
Proportionele overdrukklepHuade hydraulicDBE10-30B/50YV
Proportionele overdrukklepHuade hydraulicDBE10-30B/315YV
SpindelmotorHAOZHIDGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLSMax snelheid: 18.000 rpm;  Vermogen: 22 kW
TemperatuursensorFeejoyTI-A42M1A180/30+F1

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrohydrostatic ActuatorsMotor Pump AssemblyPerformance TestingSimulation AnalysisExperimental AnalysisFlow Output CharacteristicsEfficiency MappingPressure SensorsRotational SpeedFault Injection

Related Articles