Modelagem e Análise Experimental do Conjunto Motor-Bomba Coaxial de Eixo Único em Atuadores Eletro-Hidrostáticos

Summary

Construímos um modelo de simulação para avaliar as características de fluxo da bomba e o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único em atuadores eletro-hidrostáticos e investigar a eficiência geral em um amplo conjunto de condições de trabalho do conjunto motor-bomba experimentalmente.

Abstract

Um atuador eletro-hidrostático (EHA) pode ser a alternativa mais promissora em comparação com os servo-atuadores hidráulicos tradicionais por sua alta densidade de potência, facilidade de manutenção e confiabilidade. Como a unidade de potência central que determina o desempenho e a vida útil do EHA, o conjunto motor-bomba deve possuir simultaneamente uma ampla faixa de velocidade/pressão e uma alta resposta dinâmica.

Este trabalho apresenta um método para testar o desempenho do conjunto motor-bomba através de simulação e experimentação. As características de saída de vazão foram definidas por meio de simulação e análise da montagem no início do experimento, levando à conclusão de se a bomba poderia atender aos requisitos do EHA. Uma série de testes de desempenho foram realizados no conjunto motor-bomba através de um banco de ensaio de bomba na faixa de velocidade de 1.450-9.000 rpm e na faixa de pressão de 1-30 MPa.

Testamos a eficiência geral do conjunto motor-bomba sob várias condições de trabalho depois de confirmar a consistência entre os resultados do teste das características de saída de fluxo com os resultados da simulação. Os resultados mostraram que o conjunto tem maior eficiência geral ao trabalhar a 4.500-7.000 rpm sob a pressão de 10-25 MPa e a 2.000-2.500 rpm sob 5-15 MPa. No geral, esse método pode ser utilizado para determinar com antecedência se o conjunto motor-bomba atende aos requisitos do EHA. Além disso, este trabalho propõe um método de teste rápido do conjunto motor-bomba em várias condições de trabalho, o que poderia auxiliar na previsão do desempenho do EHA.

Introduction

Conhecido como um atuador tipicamente integrado com alta densidade de potência, o EHA tem amplas perspectivas em áreas como aeroespacial, aviação, máquinas de construção e robótica ^1,2. O EHA consiste principalmente em um servomotor, bomba, cilindro, reservatório pressurizado, bloco de válvulas, válvulas de controle de modo, válvulas de controle de módulo e sensores, constituindo um sistema hidráulico fechado altamente integrado, controlado por bomba. O diagrama esquemático e o modelo físico são mostrados na Figura 1 3,4,5,6,7. O conjunto motor-bomba é a potência central e o componente de controle, e determina o desempenho estático e dinâmico do EHA⁷.

O conjunto moto-bomba convencional consiste em um motor e uma bomba separados, cujos eixos são conectados por um acoplamento de eixo⁸. Esta estrutura tem efeitos negativos significativos no desempenho e na vida útil do EHA. Primeiro, tanto o motor quanto a bomba suportarão uma vibração relativamente grande devido à precisão da montagem, especialmente em alta velocidade⁵. A vibração não só afetará as características de saída da bomba, mas também acelerará o desgaste das interfaces de atrito na bomba, levando à falha do conjunto motor-bomba⁹. Em segundo lugar, as vedações devem ser colocadas nas extremidades do eixo da bomba, o que não pode fundamentalmente impedir vazamentos. Enquanto isso, a eficiência mecânica do conjunto motor-bomba diminui com o aumento da resistência ao atrito¹⁰. Em terceiro lugar, a reversão frequente do conjunto motor-bomba acelerará o desgaste do acoplamento e aumentará a possibilidade de fratura por fadiga, reduzindo a confiabilidade do sistema do EHA^11,12.

Assim, um conjunto de motor-bomba coaxial de eixo único dentro de uma carcaça compartilhada foi desenvolvido para evitar essas deficiências. A estrutura é mostrada na Figura 2. Um projeto sem acoplamento é adotado neste componente, o que poderia aumentar simultaneamente o desempenho dinâmico e o status de lubrificação do motor e da bomba. Este projeto coaxial de eixo único garante o alinhamento dos dois rotores e melhora o equilíbrio dinâmico em condições de alta velocidade. Além disso, a carcaça compartilhada elimina fundamentalmente o vazamento da extremidade do eixo.

Testar as características de saída do conjunto motor-bomba EHA é de grande importância para a otimização e melhoria do desempenho do EHA. No entanto, existem relativamente poucos estudos sobre testes de desempenho do conjunto motor-bomba, especialmente para EHAs. Portanto, realizamos um método de teste de combinação de simulação e experimentos. Este método é adequado para testar conjuntos de motobombas com uma ampla gama de condições de operação, especialmente bombas EHA.

Existem dois desafios principais: o primeiro é construir um modelo de simulação preciso para analisar as características do fluxo de saída da motobomba e fornecer assistência para o projeto ideal do conjunto motobomba. Estabelecemos um modelo de simulação do conjunto motor-bomba através de modelagem hierárquica e realizamos a análise de simulação do fluxo de saída alterando diferentes parâmetros. O segundo é a cavitação do elemento de teste causada por alta velocidade, que é o aspecto mais importante que o distingue das bombas comuns. Portanto, nos concentramos mais no projeto do sistema de fornecimento de óleo ao projetar o sistema de teste para realizar o teste sob várias condições de trabalho.

Neste protocolo, um modelo de simulação unidimensional foi estabelecido para simular as características de fluxo da bomba inicialmente, julgando se as características de fluxo da bomba atendem aos requisitos da EHA. Em seguida, as características de fluxo e a eficiência geral foram testadas experimentalmente em uma bancada de testes dedicada, obtendo o mapa de eficiência geral que não pode ser simulado com precisão por simulação. Por fim, as características de vazão da bomba foram comparadas com os resultados experimentais para verificar a acurácia dos resultados da simulação. Enquanto isso, o mapa geral de eficiência foi obtido para avaliar o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único.

Protocol

1. Simulação das características de fluxo da bomba

1. Construa o modelo de simulação do conjunto motor-bomba. Abra a plataforma de simulação AMESim e entre no modo SKETCH .
   1. Construir o modelo de simulação para um único pistão de acordo com o modelo matemático cinemático e a curva de distribuição (Figura 3). Encapsular o modelo de pistão único como um super componente (Figura 4).
      NOTA: O principal modelo matemático cinemático do pistão (Eq (1)) produz:
      
      (1)
      Nesta equação, x é o deslocamento absoluto do pistão, β é o ângulo de inclinação da placa de oscilação, φ é o ângulo de fase do pistão, R f é o raio de distribuição do bloco de cilindros, d_f é o diâmetro de distribuição do bloco de cilindros.
   2. Construir o modelo de bomba considerando o vazamento e atrito da placa valvar (Figura 4). Para construir o módulo de placa de válvula, concentre-se principalmente no atrito viscoso e no efeito de estrangulamento da interface de pistão/bloco de cilindro e interface de placa de deslizamento/swash.
   3. Construa o modelo do motor através de um módulo de torque ideal (Figura 4). Use um módulo de torque ideal para simular o motor, ignorando a perda de ferro, a perda de cobre e a perda de agitação do motor.
2. Defina os principais parâmetros do modelo de montagem motor-bomba.
   1. Defina os parâmetros do conjunto motor-bomba de acordo com a Tabela 1. Entre no modo PARAMETER e defina os parâmetros principais clicando duas vezes no componente específico no modelo de simulação. Regule a velocidade de rotação e a pressão de ensaio de acordo com o quadro 2.
   2. Defina os parâmetros de pré-execução do modelo: Hora de início: 0 s, Hora final: 1 s, Intervalo de impressão: 1 ms.
   3. Execute previamente a simulação para alcançar o estado estacionário.
      1. Execute a simulação e verifique se o sistema atingirá o estado estacionário no final da simulação. Se o sistema atingir o estado estacionário, marque a opção Usar valores finais antigos na janela Executar parâmetros . Caso contrário, redefina a hora final na etapa 1.2.1 para 2 s ou até mais e repita a etapa 1.2.2 até que o sistema atinja o estado estacionário.
   4. Defina os parâmetros de execução do modelo: Hora de início: 0 s, Hora final: 0,2s, Intervalo de impressão: 0,002 ms.
3. Execute a simulação e salve os dados da simulação.
   NOTA: Repita as etapas 1.2.1-1.2.4 para uma condição de trabalho específica; salve os dados após a simulação.
4. Exporte os dados de simulação e plote o contorno característico de fluxo do conjunto motor-bomba no OriginPro. Calcular o valor do caudal da bomba como a média do caudal da bomba registado no prazo de 0,2 s.
5. Determinação das características do caudal de saída
   1. Plotar a curva de fluxo de saída do conjunto motor-bomba na velocidade máxima sob diferentes condições de pressão.
   2. Calcule a taxa de fluxo de saída necessária da bomba de acordo com a velocidade máxima específica do EHA e plote a curva de vazão de saída necessária em diferentes condições de pressão.
   3. Certifique-se de que a curva de vazão necessária do EHA seja envolvida pela curva de taxa de fluxo de saída do conjunto motor-bomba.

2. Criação da plataforma experimental

1. Estabeleça a bancada de teste.
   1. Preparar os componentes hidráulicos da bancada de ensaio de acordo com a Tabela 3. Verifique se os principais parâmetros de cada componente atendem aos requisitos listados na Tabela 3.
   2. Projetar e fabricar os blocos de válvulas hidráulicas e construir um sistema hidráulico de acordo com o diagrama esquemático hidráulico (Figura 5). Certifique-se de que as posições relativas dos componentes sejam as mesmas do diagrama esquemático mostrado e que os sensores de pressão e os sensores de temperatura estejam posicionados o mais próximo possível do ponto de teste.
      NOTA: Esta série de experimentos foi conduzida em um banco de ensaio dedicado de simulação de carga de bomba de alta velocidade e alta pressão, como mostrado na Figura 6.
   3. Projetar e fabricar os blocos de válvulas de ferramental e teste. Certifique-se de que o ferramental de projeto esteja de acordo com a interface específica da bomba testada e da bancada de teste.
2. Instalação das interfaces mecânicas (Figura 7)
   1. Conecte a face final do conjunto motor-bomba com o bloco de válvulas de teste. Use pelo menos 4 parafusos para garantir um bom desempenho de vedação.
   2. Fixe o conjunto motor-bomba e o bloco da válvula de teste na bancada de trabalho da bancada de teste (Figura 8). Conecte o conjunto motor-bomba e o bloco de válvulas de teste ao ferramental dedicado com quatro parafusos e o ferramental à bancada de trabalho com 2 parafusos.
      NOTA: Certifique-se de que os dois parafusos são suficientemente fortes para que não apareça qualquer vibração durante a realização do ensaio.
   3. Instale dois grupos de sensores de pressão e temperatura da porta A e da porta B no bloco da válvula de teste. Conecte esses sensores diretamente à porta de vazamento para monitoramento de vazamentos.
      NOTA: É necessário projetar e fabricar diferentes ferramentas para diferentes conjuntos de motobombas testadas para concluir o experimento.
3. Conexão das interfaces hidráulicas (Figura 7)
   1. Conecte as duas portas de óleo de alta pressão da fonte da bomba com a porta A ou B do bloco da válvula de teste.
   2. Conecte a porta de óleo pressurizado com a porta de óleo de vazamento da bomba.
4. Exaustão a ar do conjunto motor-bomba
   1. Certifique-se de que a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo está no estado de descarga. Ligue o motor de alimentação de óleo por 3 minutos para exaurir o ar do sistema de teste e aquecê-lo.
      NOTA: O tempo de execução específico é determinado de acordo com as condições específicas do banco de ensaios. O principal objetivo desta etapa é garantir que o óleo esteja fluindo totalmente para cada componente do circuito de teste e que a temperatura da superfície da bomba testada esteja próxima da temperatura do óleo.
5. Para verificar se há vazamentos no conjunto do motor-bomba, desligue a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo. Ajuste a pressão de alimentação de óleo para 2 MPa por mais de 1 min.
   NOTA: Isso ajudará a descobrir se há algum vazamento óbvio no sistema de teste, como o vazamento causado pela falha do O-ring.
   1. Procure por vazamento no conjunto motor-bomba. Se vazar, primeiro, desligue o sistema hidráulico e substitua a vedação e, em seguida, repita as etapas 2.3 e 2.4. Se não houver vazamento, abra a válvula de alívio do sistema de fornecimento de óleo.
6. Conexão das interfaces elétricas (Figura 9)
   1. Conecte a interface da fonte de alimentação e a interface de sinal rotativo ao driver do conjunto do motobomba.
   2. Conecte o driver ao controlador via RS 442, trabalhando no modo full-duplex.
   3. Conecte o driver à alimentação de 270 VDC.
7. Inspeção sem carga do conjunto motor-bomba
   1. Execute a bomba de abastecimento de óleo e mantenha as válvulas de alívio dos sistemas de fornecimento e carregamento de óleo no estado de descarga. Ligue o motorista e o controlador e verifique se o conjunto motor-bomba pode receber o comando de controle normalmente.
      NOTA: A porta de entrada do conjunto motor-bomba pode ser pressurizada através de uma bomba de fornecimento de óleo, evitando a cavitação do componente.
   2. Defina uma instrução de 2.000 rpm para a frente do conjunto motor-bomba. Observe o estado de funcionamento do conjunto motor-bomba e verifique se há fugas no bloco de válvulas (ver passo 2.5).
   3. Defina uma instrução de 2.000 rpm inversa para o conjunto motor-bomba. Observe o estado de funcionamento do conjunto motor-bomba e verifique se há fugas no bloco de válvulas (ver passo 2.5).

3. Fluxo da bomba e teste de eficiência geral do conjunto motor-bomba

1. Configuração do sistema de fornecimento de óleo
   1. Execute a bomba de fornecimento de óleo e comute as válvulas de alívio do sistema de fornecimento de óleo e do sistema de carregamento para o estado de carregamento.
   2. Ajuste a válvula de alívio de fornecimento de óleo para a pressão mínima de fornecimento de óleo p _smin de 0,6 MPa. Siga as etapas 3.1.2.1-3.1.2.3 para selecionar p_smin.
      NOTA: psmin é a pressão na porta de entrada do conjunto motor-bomba para evitar a cavitação.
      1. Ajuste a pressão de alimentação de óleo para 1 MPa ou mais, o que é decidido pelo conjunto motor-bomba testado.
      2. Ajuste a velocidade de rotação do conjunto motor-bomba testado para 9.000 rpm, certificando-se de que o fluxo da bomba seja igual ao fluxo teórico da bomba. Caso contrário, aumente a pressão de fornecimento de óleo para evitar a cavitação.
      3. Reduza a pressão de fornecimento de óleo lentamente e registre a mudança do fluxo da bomba. Plote o fluxo relativo da bomba versus a pressão de fornecimento de óleo e encontre o ponto de inflexão do fluxo da bomba - a pressão de fornecimento de óleo deste ponto é a pressão mínima de fornecimento de óleo p_smin.
   3. Ajuste a válvula de alívio de carga para p_smin.
2. Ligue o sistema de controle de temperatura e ajuste a temperatura do óleo para 30 °C.
3. Ligue o termovisor para detectar a temperatura da superfície do conjunto motor-bomba.
4. Envie instruções de controle para o conjunto motor-bomba para fazê-lo funcionar continuamente a uma velocidade específica (Tabela 2).
5. Ajustar a válvula de alívio de carga e aumentar gradualmente a pressão de carga para um valor específico (Tabela 2). Segure por 4 s a cada pressão crítica medida.
   NOTA: Preste muita atenção à temperatura do motor durante o experimento. Certifique-se de que a temperatura da superfície do conjunto do motor-bomba é inferior a 100 °C.
6. Depois que a pressão atingir o valor específico da velocidade, ajuste a válvula de alívio de carga de volta para 1 MPa.
7. Repetir as etapas 3.3 e 3.4 até que as características de todos os pontos críticos de medição da pressão sejam ensaiadas de acordo com o quadro 2.
8. Exporte os dados de fluxo experimental e plote o mapa característico do fluxo da bomba do conjunto motor-bomba.
9. Calcule a eficiência geral ηo do conjunto motor-bomba em diferentes condições de trabalho e plote o mapa de eficiência geral.
   NOTA: A eficiência global do conjunto motor-bomba é dada pela Eq (2):
   . (2)
   Onde P o é a potência de saída do conjunto motor-bomba, P_i é a potência de entrada do motorista, Q_bomba é_o fluxo da bomba; Δp é a diferença de pressão da bomba; A_potência U é a tensão de saída da fonte de alimentação; I_power é a corrente de saída da fonte de alimentação.

Results

O resultado da simulação do fluxo de descarga (Figura 10A) indicou que o fluxo de descarga diminuiu ligeiramente com o aumento da pressão de carga quando a velocidade era constante. Além disso, a taxa de fluxo de saída aumentou linearmente com o aumento da velocidade quando a pressão é constante, a julgar pela mesma largura da correia. Para avaliar diretamente o desempenho do conjunto motor-bomba sob diferentes condições de trabalho, plotamos seu diagrama de eficiência volumétrica (

Discussion

Ao realizar essas etapas experimentais, é importante certificar-se de que os pontos de medição de pressão estão próximos o suficiente da porta de óleo da bomba, o que influenciaria muito os resultados experimentais. Além disso, preste atenção à pressão da porta de entrada do conjunto motor-bomba para garantir que não exista cavitação, especialmente em condições de trabalho de alta velocidade.

Este método permite um ajuste dinâmico da pressão de fornecimento de óleo, realizando uma simulação pr...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Plataforma de simulação AmeSim	Siemens	Amesim 16
Cartão DAQ	Advantech	PCI1710
Medidor de vazão	KRACHT	VC0.04E1RS, medidor de vazão de 0,02-4 L / min
	KRACHT	VC0.4E1RS, 0,2-40 L / min
Computador industrial	Advantech	610H
Motor de fornecimento de óleo	Siemens	1TL0001-1BB23-3JA5
Bomba de abastecimento de óleo	Kangbaishi	P222RF01DT
OriginPro OriginLab	Corporation	OriginPro 2021 (64 bits) 9.8.0.200
Sensor de pressão	Feejoy	PI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C
Válvula de alívio proporcional	Huade hidráulica	DBE10-30B/50YV
Válvula	de alívio proporcionalMotor hidráulico HAOZHI	DBE10-30B/315YV
			Velocidade máxima: 18.000 rpm;   Potência: 22 kW
Sensor de temperatura	Feejoy	TI-A42M1A180/30+F1