Summary
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
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
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Simulatie van de pompstroomkarakteristieken
- Bouw het simulatiemodel van de motor-pompassemblage. Open het AMESim-simulatieplatform en ga naar de SKETCH-modus .
- 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:
(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. - 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.
- 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.
- 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).
- Stel de belangrijkste parameters van het motor-pompassemblagemodel in.
- 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.
- Stel de prerunparameters van het model in: Starttijd: 0 s, Eindtijd: 1 s, Afdrukinterval: 1 ms.
- Voer de simulatie vooraf uit om de steady state te bereiken.
- 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.
- Stel de uitvoeringsparameters van het model in: Starttijd: 0 s, Eindtijd: 0,2s, Afdrukinterval: 0,002 ms.
- 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. - 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.
- Bepaling van de kenmerken van de uitgangsstroom
- Zet de uitgangsstroomcurve van de motor-pomp samen met de maximale snelheid onder verschillende drukomstandigheden uit.
- Bereken het vereiste uitgangsdebiet van de pomp op basis van de specifieke EHA-maximumsnelheid en plot de vereiste uitgangsdebietcurve bij verschillende drukomstandigheden.
- Zorg ervoor dat de vereiste debietcurve van de EHA wordt omhuld door de uitgangsdebietcurve van de motor-pompassemblage.
(1)2. Oprichting van het experimentele platform
- Stel de testbank vast.
- 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.
- 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. - 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.
- Installatie van de mechanische interfaces (figuur 7)
- Verbind het eindvlak van de motorpomp met het testklepblok. Gebruik ten minste 4 schroeven om een goede afdichtingsprestatie te garanderen.
- 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. - 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.
- Aansluiting van de hydraulische interfaces (figuur 7)
- Verbind de twee hogedrukoliepoorten van de pompbron met poort A of B van het testklepblok.
- Sluit de oliepoort onder druk aan op de lekoliepoort van de pomp.
- Luchtafvoer van het motorpompassemblage
- 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.
- 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.
- 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.- 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.
- Aansluiting van de elektrische interfaces (figuur 9)
- Sluit de voedingsinterface en de roterende signaalinterface aan op de motor-pompassemblagedriver.
- Sluit de driver aan op de controller via RS 442 en werk in full-duplex modus.
- Sluit de driver aan op 270 VDC-voeding.
- Onbelaste inspectie van de motorpompassemblage
- 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. - 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).
- 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).
- 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.
3. Pompdebiet en algemene efficiëntietest van de motor-pompassemblage
- Instelling van het olietoevoersysteem
- Laat de olietoevoerpomp draaien en schakel de overdrukkleppen van het olietoevoersysteem en het laadsysteem naar de laadtoestand.
- 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.- Stel de olietoevoerdruk in op 1 MPa of meer, wat wordt bepaald door de geteste motorpompassemblage.
- 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.
- 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.
- Stel de lastontlastklep in op psmin.
- Schakel het temperatuurregelsysteem in en stel de olietemperatuur in op 30 °C.
- Schakel de warmtebeeldcamera in om de oppervlaktetemperatuur van de motorpompassemblage te detecteren.
- Stuur besturingsinstructies naar de motorpomp om deze continu op een bepaald toerental te laten draaien (tabel 2).
- 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. - Nadat de druk de specifieke waarde van de snelheid heeft bereikt, stelt u de overdrukklep weer in op 1 MPa.
- Herhaal stap 3.3 en 3.4 totdat de eigenschappen van alle kritische drukmeetpunten zijn getest overeenkomstig tabel 2.
- Exporteer de experimentele debietgegevens en plot de pompstroomkarakteristiekkaart van de motor-pompassemblage.
- 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):
. (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.
. (2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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). Het toonde aan dat de volumetrische efficiëntie van de pomp hoger was, terwijl de druk en snelheid relatief laag waren. Wanneer de snelheid 3.000 tpm was, was de maximale uitgangsdruk voor volumetrische efficiëntie van 95% 5 MPa; toen de snelheid 8.000 tpm was, steeg deze waarde snel naar 23 MPa.
Figuur 10B toont de experimentele resultaten van de afvoerstroom, die goed samenvallen met de simulatie. Het kleine verschil tussen de experimentele resultaten en de simulatieresultaten is dat wanneer de snelheid hoger is dan 5.000 tpm, de uitgangsstroom eerst afneemt en vervolgens toeneemt met de stijgende druk. Figuur 11B toont de volumetrische efficiëntie van het experiment. De experimentele resultaten verschillen van de simulatieresultaten, vooral wanneer de motor-pompassemblage op hoge snelheid en lage druk werkt. Wanneer de drukval lager is dan 10 MPa, neemt de volumetrische efficiëntie af met de toename van de rotatiesnelheid.
Figuur 12 geeft de verschillen in volumetrische efficiëntie en pompstroom weer tussen de gesimuleerde en experimentele resultaten. In deze figuur wordt aangetoond dat de simulatieresultaten van de pompstroom goed overeenkomen met de experimentele resultaten. Verder wordt de volume-efficiëntiefout ook binnen 10% gehouden. Wanneer het toerental hoger is dan 4.000 tpm, kan de fout binnen 4% worden gecontroleerd. Figuur 13 toont de algehele efficiëntie van de motorpompassemblage. Wanneer de motor-pompassemblage werkt onder de werkomstandigheden van lage snelheid en hoge druk of hoge snelheid en lage druk, is de totale efficiëntie relatief laag, vooral bij hoge snelheid en lage druk wanneer de totale efficiëntie daalt tot ~ 10%. Wanneer de drukval in het bereik van 5 tot 15 MPa ligt en de snelheid 2.000-8.000 tpm is, kan de totale efficiëntie oplopen tot 60%.
Figuur 1: Structuur en schematisch diagram van de EHA. De bovenste afbeelding van het model is het 3D-model van de EHA en de onderste afbeelding is het schematische diagram. Afkorting: EHA = elektrohydrostatische actuator. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Structuur van de coaxiale motorpomp met één as. Deze figuur toont de binnenstructuur van een motorpompassemblage, die bestaat uit behuizing, as, rotor, statorspoel, encoder, achterste eindplaat, spoelplaat, zuiger, cilinderblok en klepplaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Simulatiemodel van een enkele zuiger. Deze figuur toont de samenstelling van een model met één zuiger, inclusief een zuigervolumeholtemodel, een stroomverdelingsmodel en een slippermodel. De functie f(x,y) geeft het wrijvingsvermogensverlies van de swash plate/slipper interface aan, en de functie f(x,y,z) geeft het viskeuze wrijvingsvermogensverlies van de zuiger/cilinderblok interface aan. De cijfers in deze figuur geven de interfaces aan van de supercomponent van het simulatiemodel met één zuiger. Afkortingen: PCI = Piston/Cylinder block interface; SSI = Spoelplaat/Slipper interface; P = druk; V = snelheid; μ = wrijvingscoëfficiënt; Q = stroming; A, B = poorten van het motorpompassemblage; M = massa; F = force Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Simulatiemodel van de motorpompassemblage. Het motor-pomp assemblagemodel bestaat voornamelijk uit 9 modellen met één zuiger met verschillende fasehoeken, een ideaal motormodel en een klepplaatwrijvingsmodel. De functie f(x,y) geeft de draaiverliezen van de pomp aan, de bovenste functie f(x,y,z) geeft het volumevermogensverlies van de interface van het cilinderblok/de klepplaat aan en de onderste geeft het wrijvingsvermogensverlies van de interface van het cilinderblok/de klepplaat aan. De cijfers in deze figuur geven de interfaces aan van de supercomponent van het simulatiemodel met één zuiger. Afkortingen: CVI = Cilinderblok/ klepplaat interface; P = druk; V = snelheid; μ = wrijvingscoëfficiënt; Q = stroming; A, B = poorten van het motorpompassemblage; M = massa; F = kracht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Hydraulisch schematisch schema van de experimenten. Deze figuur geeft het hydraulische schema van het experiment weer. Een brugcircuit bestaande uit vier terugslagkleppen wordt gebruikt voor het schakelen van de stroomrichtingen. Afkortingen: D = driver van de olietoevoerpomp; P = druk; T = temperatuur; I = sensor. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Structurele samenstelling van de testbank. Deze foto toont de samenstelling van de testbank: het bedieningspaneel, het hydraulische systeem, de oliekoeler en het testbord. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Installatie van de motorpompassemblage. Deze foto toont de installatiestatus van de motor-pompassemblage en de lay-out van de druk- en temperatuursensoren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Aansluiting van de tooling. Deze foto toont de aansluiting van de motor-pompassemblage en het testklepblok met de tooling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Aansluiting van de elektrische interfaces. Deze foto toont de aansluiting van de motor-pompassemblage, de driver en de controller. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Simulatie en experimentele resultaten van de pompstroom. (A) De contourlijn toont de gesimuleerde resultaten van de pompstroom. De resultaten wijzen op een goede voering die kenmerkend is voor de afvoerstroom. (B) De contourlijn toont de experimentele resultaten van de pompstroom. De experimentresultaten zijn in lijn met de simulatieresultaten. De kleurenbalk geeft het pompdebiet aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Simulatie en experimentele resultaten van volumetrische efficiëntie. (A) De contourlijn toont de gesimuleerde resultaten van de volumetrische efficiëntie. Volgens de simulatieresultaten is de volumetrische efficiëntie van de motorpompassemblage relatief hoog, behalve wanneer de motorpompassemblage werkt in een toestand van hoge druk en lage snelheid. (B) De contourlijn toont de experimentele resultaten van de volumetrische efficiëntie. De experimentele resultaten verschillen van de simulatieresultaten, vooral bij hoge en lage druk werkomstandigheden. Kleurenbalk geeft het % volumetrische rendement aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 12: Efficiëntie en pompstroom van verschillende snelheden onder drukval van 15 MPa. De ononderbroken zwarte lijn vertegenwoordigt de experimentele resultaten van de volumetrische efficiëntie en de rode lijn vertegenwoordigt de simulatieresultaten. De volumetrische efficiëntie neemt toe met toenemende snelheid en de simulatieresultaten liggen dichter bij de experimentele resultaten wanneer de snelheid hoger is. De onderbroken zwarte lijn vertegenwoordigt de experimentele resultaten van de pompstroom en de rode lijn de simulatieresultaten. Uit de figuur blijkt dat de simulatieresultaten bijna samenvallen met de experimentele resultaten in het snelheidsbereik van 3.500-9.000 tpm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 13: Experimentele resultaten van de totale efficiëntie. De contourlijn toont de totale efficiëntie van de motor-pompassemblage. Wanneer de motor-pompassemblage in extreme omstandigheden werkt, is het totale rendement relatief laag. De kleurenbalk geeft het % algehele rendement aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Parameter | Symbool | Eenheid | Waarde | ||
| Verdelingsdiameter van het cilinderblok | df | Mm | 29.3 | ||
| Hellingshoek spoelplaat | β | ° | 9 | ||
| Diameter van de zuiger | dz | Mm | 7.5 | ||
| Zuigernummer | Z | - | 9 | ||
| Lengte van het gat in de zuigerkogelkop | lqt | Mm | 7.3 | ||
| Diameter van het gat van de zuigerkogelkop | dqt | Mm | 1 | ||
| Ongeldig volume plunjerholte | Vd | Mm3 | 392.69 | ||
| Oliefilmdikte van de interface van het zuiger-/cilinderblok | hp | μm | 3 | ||
| Diameter van het slippergat | ds | Mm | 0.4 | ||
| Lengte van het slippergat | ls | Mm | 1.5 | ||
| Buitendiameter van de slipperafdichtingsband | dsso | Mm | 8.8 | ||
| Binnendiameter van de slipperafdichtingsband | dssi | Mm | 6.3 | ||
| Oliefilmdikte van de interface slipper/spoelplaat | hs | μm | 5 | ||
| Binnendiameter van de binnenste afdichtingsband van de klepplaat | dci | Mm | 12.05 | ||
| Uitloperdiameter van de binnenste afdichtingsband van de klepplaat | Dci | Mm | 13.15 | ||
| Binnendiameter van de afdichtingsband van de klepplaat | dco | Mm | 16.15 | ||
| Outter diameter van klepplaat outter seal riem | Dco | Mm | 17.3 | ||
| Oliefilmdikte van het cilinderblok/ klepplaatinterface | hc | μm | 10 | ||
| Diameter van het cilinderblok | dc | Mm | 41.7 | ||
| Lengte van het cilinderblok | lc | Mm | 27.8 | ||
Tabel 1: Simulatieparameters. Deze tabel bevat de belangrijkste parameters van het simulatiemodel van de motorpompassemblage.
| Kritisch toerental (rpm) | Kritisch belastingsdrukverschil voor simulatie (MPa) | Kritisch belastingsdrukverschil voor experimentele test (MPa) | ||
| 1,450 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 2,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 3,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 4,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6,9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | ||
| 5,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 | ||
| 6,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 | ||
| 8,000 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15 | ||
| 9,500 | 0.4, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 | 0.4, 3, 6, 9, 12 | ||
Tabel 2: Specifieke snelheid en druk van het motor-pompassemblage. Deze tabel geeft een overzicht van de kritieke werkpunten van de motorpompassemblage-experimenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 van verschillende werkomstandigheden wordt gerealiseerd.
Een beperking van deze methode is dat de totale efficiëntie van de motor-pompassemblage niet nauwkeurig kan worden verkregen door simulatie. In het simulatiemodel bevinden de drie belangrijkste wrijvingsoppervlakken van de pomp zich onder volledige oliefilmsmering, wat betekent dat er alleen viskeuze wrijving in de interface bestaat. De feitelijke situatie is echter dat de toestand van oliefilm schakelt tussen volledige oliefilmsmering en grenssmering, die niet kan worden gesimuleerd door het simulatiemodel. Daarom richten we ons op het gebruik van een simulatiemodel om de pomp te simuleren, die de voordelen heeft van lage kosten en hoge snelheid zonder beperkt te zijn tot de werkelijke parameters van het prototype. Ondertussen maken we deze beperking goed door middel van experimentele methoden.
Een andere beperking is dat de methode de thermische eigenschappen van de motor-pompassemblage voor EHA niet goed simuleert. Omdat de EHA een sterk geïntegreerd systeem is, is de motorpompassemblage nauw verbonden met de bedieningscilinder en het onder druk staande reservoir, wat leidt tot een complexe thermische situatie. De methode kan dus alleen de prestaties van de motorpompassemblage onder een specifieke temperatuurconditie testen, terwijl het werkelijke temperatuurvariatiebereik breed is.
De verbeterde prestaties van de motorpompassemblage hebben een cruciale rol gespeeld bij het bevorderen van de populariteit van EHA. Op basis van de resultaten die in dit artikel worden gerapporteerd, is er nog ruimte voor verbetering van de algehele efficiëntie van de motor-pompassemblage. In vergelijking met de bestaande methoden kunnen de assemblagekenmerken van de motorpomp efficiënter worden onderzocht onder een breed scala aan werkomstandigheden door dit protocol aan te nemen. Deze methode moet een basis leggen voor het optimaliseren van de motor-pompassemblage en een sterke garantie bieden voor de snelle ontwikkeling van EHA. Bovendien is het van groot belang voor het testen van de prestaties van de motorpomp en dus het realiseren van het positieve ontwerp van de motorpomp.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflicten hebben.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door het Chinese Civil Aircraft Project [Nr. MJ-2017-S49] en de China Postdoctoral Science Foundation [Nr.2021M700331].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AmeSim simulation platform | Siemens | Amesim 16 | |
| DAQ card | Advantech | PCI1710 | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.04E1RS, 0.02-4 L/min | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.4E1RS, 0.2-40 L/min | |
| Industrial Computer | Advantech | 610H | |
| Oil supply motor | Siemens | 1TL0001-1BB23-3JA5 | |
| Oil supply pump | Kangbaishi | P222RF01DT | |
| OriginPro | OriginLab Corporation | OriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200 | |
| Pressure sensor | Feejoy | PI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/50YV | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/315YV | |
| Spindle motor | HAOZHI | DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS | Max speed: 18,000 rpm; Power: 22 kW |
| Temperature sensor | Feejoy | TI-A42M1A180/30+F1 |
References
- 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).
- Chao, Q., et al. Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems. Energies. 11 (9), 2266 (2018).
- Zhao, J., et al. Experimental research on tribological characteristics of TiAlN coated valve plate in electro-hydrostatic actuator pumps. Tribology International. 155, 106782 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Habibi, S., Goldenberg, A. Design of a new high-performance electrohydraulic actuator. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 5 (2), 158-164 (1999).
- 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).
