Summary
Построена имитационная модель для оценки характеристик расхода насоса и производительности одновального коаксиального узла двигателя-насоса в электрогидростатических приводах и экспериментального исследования общей эффективности в широком наборе условий работы узла двигателя-насоса.
Abstract
Электрогидростатический привод (EHA) может быть наиболее перспективной альтернативой по сравнению с традиционными гидравлическими сервоприводами из-за его высокой плотности мощности, простоты обслуживания и надежности. В качестве основного силового агрегата, определяющего производительность и срок службы EHA, двигатель-насос в сборе должен одновременно обладать широким диапазоном скоростей/давлений и высокой динамической характеристикой.
В данной работе представлен метод проверки работоспособности моторно-насосного узла путем моделирования и экспериментирования. Выходные характеристики потока были определены путем моделирования и анализа сборки в начале эксперимента, что привело к выводу о том, может ли насос соответствовать требованиям EHA. Была проведена серия эксплуатационных испытаний на мотор-насосном агрегате через насосный испытательный стенд в диапазоне скоростей 1 450-9 000 об/мин и диапазоне давлений 1-30 МПа.
Мы проверили общую эффективность сборки двигателя-насоса в различных условиях работы после подтверждения согласованности результатов испытаний выходных характеристик потока с результатами моделирования. Результаты показали, что сборка имеет более высокий общий КПД при работе при 4 500-7 000 об/мин под давлением 10-25 МПа и при 2 000-2 500 об/мин при 5-15 МПа. В целом, этот метод может быть использован для предварительного определения того, соответствует ли узел мотокомпа требованиям EHA. Кроме того, в данной работе предлагается метод экспресс-тестирования мотокомпа в различных условиях работы, который может помочь в прогнозировании производительности EHA.
Introduction
Известный как типично интегрированный привод с высокой плотностью мощности, EHA имеет широкие перспективы в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, авиация, строительная техника и робототехника 1,2. EHA в основном состоит из серводвигателя, насоса, цилиндра, резервуара под давлением, блока клапанов, клапанов управления режимом, клапанов управления модулем и датчиков, представляющих собой высокоинтегрированную, управляемую насосом, закрытую гидравлическую систему. Принципиальная схема и физическая модель показаны на рисунке 1 3,4,5,6,7. Двигатель-насос в сборе является основной силой и компонентом управления, и он определяет статические и динамические характеристики EHA7.
Обычный мотор-насос в сборе состоит из отдельного двигателя и насоса, валы которого соединены муфтойвала 8. Эта структура оказывает значительное негативное влияние на производительность и срок службы EHA. Во-первых, и двигатель, и насос будут выдерживать относительно большую вибрацию из-за точности сборки, особенно на высокой скорости5. Вибрация не только повлияет на выходные характеристики насоса, но и ускорит износ фрикционных интерфейсов в насосе, что приведет к выходу из строя двигателя-насоса в сборе9. Во-вторых, уплотнения должны быть установлены на концах вала насоса, что не может принципиально предотвратить утечку. Между тем, механический КПД мотонасоса в сборе снижается с увеличением сопротивления трению10. В-третьих, частое реверсирование мотор-насосного узла ускорит износ муфты и увеличит возможность усталостного разрушения, снижая надежность системы EHA11,12.
Таким образом, для избежания этих недостатков был разработан одновальный коаксиальный двигатель-насос в общем корпусе. Структура показана на рисунке 2. В этом компоненте принята конструкция без связи, которая может одновременно повысить динамические характеристики и смазывающий статус двигателя и насоса. Эта одновальная коаксиальная конструкция обеспечивает выравнивание двух роторов и улучшает динамический баланс в условиях высоких скоростей. Кроме того, общий корпус принципиально исключает протечку торца вала.
Тестирование выходных характеристик электронасоса EHA имеет большое значение для оптимизации и улучшения характеристик EHA. Тем не менее, существует относительно мало исследований по тестированию производительности мотор-насоса в сборе, особенно для EHA. Поэтому мы провели тестовый метод совмещения моделирования и экспериментов. Этот метод подходит для тестирования узлов мотонасосов с широким диапазоном условий эксплуатации, особенно насосов EHA.
Есть две основные задачи: первая заключается в построении точной имитационной модели для анализа характеристик выходного потока двигателя-насоса и оказания помощи в оптимальном проектировании узла двигателя-насоса. Нами создана имитационная модель сборки двигателя-насоса путем иерархического моделирования и осуществлен имитационный анализ выходного потока путем изменения различных параметров. Второй – кавитация испытуемого элемента, вызванная высокой скоростью, что является наиболее важным аспектом, отличающим его от обычных насосов. Поэтому мы больше сосредоточились на проектировании системы подачи масла при проектировании испытательной системы для реализации испытания в различных условиях работы.
В этом протоколе была создана одномерная имитационная модель для первоначального моделирования характеристик потока насоса, оценивая, соответствуют ли характеристики потока насоса требованиям EHA. Затем характеристики потока и общая эффективность были экспериментально протестированы на специальном испытательном стенде, получив общую карту эффективности, которая не может быть точно смоделирована путем моделирования. Наконец, характеристики расхода насоса были сопоставлены с экспериментальными результатами для проверки точности результатов моделирования. Между тем, была получена общая карта эффективности для оценки производительности одновального коаксиального двигателя-насоса в сборе.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Моделирование характеристик потока насоса
- Построить имитационную модель узла мотонасоса. Откройте платформу моделирования AMESim и перейдите в режим SKETCH .
- Постройте имитационную модель для одного поршня в соответствии с кинематической математической моделью и кривой распределения (рисунок 3). Инкапсулируйте однопоршневую модель в качестве суперкомпонента (рисунок 4).
ПРИМЕЧАНИЕ: Основная кинематическая математическая модель поршня (Eq (1)) дает:
(1)
В этом уравнении x — абсолютное смещение поршня, β — угол наклона плиты перекоса, φ — фазовый угол поршня, Rf — радиус распределения блока цилиндров, df — диаметр распределения блока цилиндров. - Постройте модель насоса с учетом утечки и трения пластины клапана (рисунок 4). Чтобы построить модуль клапанной пластины, в основном сосредоточьтесь на вязком трении и дроссельном эффекте интерфейса поршня / цилиндрического блока и интерфейса скользящей / перемычки пластины.
- Постройте модель двигателя с помощью идеального модуля крутящего момента (рисунок 4). Используйте идеальный модуль крутящего момента для имитации двигателя, игнорируя потерю железа, потерю меди и потерю перемешивания двигателя.
- Постройте имитационную модель для одного поршня в соответствии с кинематической математической моделью и кривой распределения (рисунок 3). Инкапсулируйте однопоршневую модель в качестве суперкомпонента (рисунок 4).
- Задайте основные параметры модели сборки двигателя-насоса.
- Задайте параметры узла мотонасоса согласно таблице 1. Войдите в режим PARAMETER и задайте основные параметры, дважды щелкнув конкретный компонент в имитационной модели. Установите скорость вращения и испытательное давление в соответствии с таблицей 2.
- Установка параметров предварительного запуска модели: Время начала: 0 с, Окончательное время: 1 с, Интервал печати: 1 мс.
- Предварительно запустите моделирование для достижения устойчивого состояния.
- Запустите моделирование и проверьте, достигнет ли система устойчивого состояния в конце моделирования. Если система достигает устойчивого состояния, установите флажок Использовать старые конечные значения в окне Параметры запуска . Если нет, сбросьте последнее время на шаге 1.2.1 до 2 с или даже дольше и повторяйте шаг 1.2.2 до тех пор, пока система не достигнет устойчивого состояния.
- Задайте параметры запуска модели: Время начала: 0 с, Окончательное время: 0,2 с, Интервал печати: 0,002 мс.
- Запустите моделирование и сохраните данные моделирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите шаги 1.2.1-1.2.4 для конкретного рабочего состояния; сохранить данные после моделирования. - Экспортируйте данные моделирования и постройте контур характеристик потока в сборке двигателя-насоса в OriginPro. Рассчитайте значение расхода насоса как среднее значение расхода насоса, зарегистрированное в течение 0,2 с.
- Определение характеристик выходного потока
- Построение кривой выходного расхода двигателя-насоса в сборе на максимальной скорости при различных условиях давления.
- Рассчитайте требуемый выходной расход насоса в соответствии с конкретной максимальной скоростью EHA и постройте требуемую кривую выходного расхода при различных условиях давления.
- Убедитесь, что требуемая кривая расхода EHA окутана кривой выходного расхода двигателя-насоса в сборе.
(1)2. Создание экспериментальной платформы
- Установите испытательный стенд.
- Подготовьте гидравлические компоненты испытательного стенда согласно таблице 3. Убедитесь, что ключевые параметры каждого компонента соответствуют требованиям, перечисленным в таблице 3.
- Проектирование и изготовление блоков гидравлических клапанов и построение гидравлической системы в соответствии с гидравлической принципиальной схемой (рисунок 5). Убедитесь, что относительное положение компонентов совпадает с показанной принципиальной схемой, а датчики давления и температуры расположены как можно ближе к точке испытания.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта серия экспериментов проводилась на специальном испытательном стенде для моделирования нагрузки высокоскоростного насоса высокого давления, как показано на рисунке 6. - Проектирование и изготовление оснастки и испытание блоков клапанов. Убедитесь, что конструкция оснастки осуществляется в соответствии с конкретным интерфейсом тестируемого насоса и испытательного стенда.
- Установка механических интерфейсов (рисунок 7)
- Соедините торцевую поверхность узла мотор-насоса с блоком испытательного клапана. Используйте не менее 4 винтов для обеспечения хорошей герметизации.
- Закрепите двигатель-насос в сборе и блок испытательного клапана на верстаке испытательного стенда (рисунок 8). Соедините узел мотор-насос и блок испытательного клапана с помощью специальной оснастки четырьмя винтами, а оснастку к верстаку с помощью 2 винтов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что два винта достаточно прочны, чтобы при проведении испытания не возникало вибрации. - Установите две группы датчиков давления и температуры порта A и порта B на блок испытательного клапана. Подключите эти датчики непосредственно к порту утечки для мониторинга утечки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для завершения эксперимента необходимо спроектировать и изготовить различные оснастки для различных испытанных узлов моторных насосов.
- Подключение гидравлических интерфейсов (рисунок 7)
- Соедините два масляных отверстия высокого давления источника насоса с портом A или B испытательного клапанного блока.
- Соедините масляный порт под давлением с отверстием для утечки масла насоса.
- Отвод воздуха в блоке мотонасоса
- Убедитесь, что предохранительный клапан системы подачи масла находится в состоянии разгрузки. Запустите двигатель подачи масла в течение 3 минут, чтобы выдохнуть воздух из испытательной системы и нагреть его.
ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретное время работы определяется в соответствии с конкретными условиями испытательного стенда. Основной целью этого этапа является обеспечение того, чтобы масло полностью поступало в каждый компонент испытательного контура, а температура поверхности тестируемого насоса была близка к температуре масла.
- Убедитесь, что предохранительный клапан системы подачи масла находится в состоянии разгрузки. Запустите двигатель подачи масла в течение 3 минут, чтобы выдохнуть воздух из испытательной системы и нагреть его.
- Чтобы проверить наличие утечек в блоке мотосампа, отключите предохранительный клапан системы подачи масла. Отрегулируйте давление подачи масла до 2 МПа в течение более 1 мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это поможет выяснить, есть ли какая-либо очевидная утечка в системе тестирования, такая как утечка, вызванная выходом из строя уплотнительного кольца.- Ищите утечки в блоке мотосамоса. Если он протекает, сначала выключите гидравлическую систему и замените уплотнение, а затем повторите шаги 2.3 и 2.4. Если утечки нет, откройте предохранительный клапан системы подачи масла.
- Подключение электрических интерфейсов (рисунок 9)
- Подключите интерфейс питания и интерфейс поворотного сигнала к драйверу двигателя-насоса в сборе.
- Подключите драйвер к контроллеру через RS 442, работающий в полнодуплексном режиме.
- Подключите драйвер к источнику питания 270 В постоянного тока.
- Контроль холостого хода мотокомпа в сборе
- Запустите насос подачи масла и поддерживайте предохранительные клапаны систем подачи и погрузки масла в разгрузочном состоянии. Включите драйвер и контроллер и проверьте, может ли двигатель-насос нормально принимать команду управления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Входное отверстие узла моторного насоса может находиться под давлением с помощью масляного насоса, предотвращая кавитацию компонента. - Установите инструкцию 2 000 об/мин вперед на двигатель-насос в сборе. Понаблюдайте за рабочим состоянием мотор-насосного узла и проверьте, нет ли утечки в блоке клапанов (см. шаг 2.5).
- Установите инструкцию 2000 об/мин реверсом на двигатель-насос в сборе. Понаблюдайте за рабочим состоянием мотор-насосного узла и проверьте, нет ли утечки в блоке клапанов (см. шаг 2.5).
- Запустите насос подачи масла и поддерживайте предохранительные клапаны систем подачи и погрузки масла в разгрузочном состоянии. Включите драйвер и контроллер и проверьте, может ли двигатель-насос нормально принимать команду управления.
3. Испытание расхода насоса и общей эффективности двигателя-насоса в сборе
- Настройка системы подачи масла
- Запустите насос подачи масла и переключите предохранительные клапаны системы подачи масла и системы загрузки в состояние загрузки.
- Отрегулируйте предохранительный клапан подачи масла до минимального давления подачи масла psmin 0,6 МПа. Выполните шаги 3.1.2.1-3.1.2.3, чтобы выбрать psmin.
ПРИМЕЧАНИЕ: psmin - это давление во входном отверстии мотор-насоса в сборе, чтобы избежать кавитации.- Отрегулируйте давление подачи масла до 1 МПа и более, что решается испытанным двигателем-насосом в сборе.
- Отрегулируйте скорость вращения испытуемого блока насоса двигателя до 9 000 об/мин, убедившись, что поток насоса равен теоретическому потоку насоса. В противном случае увеличьте давление подачи масла, чтобы избежать кавитации.
- Медленно снижайте давление подачи масла и регистрируйте изменение расхода насоса. Постройте график относительного расхода насоса по сравнению с давлением подачи масла и найдите точку перегиба потока насоса - давление подачи масла в этой точке является минимальным давлением подачи масла psmin.
- Отрегулируйте предохранительный клапан на psmin.
- Включите систему контроля температуры и отрегулируйте температуру масла до 30 °C.
- Включите тепловизор, чтобы определить температуру поверхности двигателя-насоса в сборе.
- Отправьте инструкции по управлению в узел моторного насоса, чтобы он непрерывно работал с определенной скоростью (таблица 2).
- Отрегулируйте предохранительный клапан и постепенно увеличивайте давление нагрузки до определенного значения (таблица 2). Держите в течение 4 с при каждом критическом измеренном давлении.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обратите пристальное внимание на температуру двигателя во время эксперимента. Убедитесь, что температура поверхности сборки насоса двигателя ниже 100 °C. - После того, как давление достигнет определенного значения скорости, отрегулируйте предохранительный клапан обратно до 1 МПа.
- Повторяйте шаги 3.3 и 3.4 до тех пор, пока не будут проверены характеристики всех критических точек измерения давления в соответствии с таблицей 2.
- Экспортируйте экспериментальные данные о расходе и постройте карту характеристик потока насоса в блоке двигателя-насоса.
- Рассчитайте общую эффективность ηo узла мотонасоса в различных условиях работы и постройте общую карту эффективности.
ПРИМЕЧАНИЕ: Общий КПД в сборе мотокоса задается Eq (2):
. (2)
Где Po - выходная мощность двигателя-насоса в сборе, Pi - входная мощность драйвера, насос Q - поток насоса; Δp - разность давлений насоса; Uмощность - выходное напряжение блока питания; Ipower - выходной ток блока питания.
. (2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Результат моделирования потока нагнетания (рисунок 10А) показал, что поток нагнетания несколько уменьшался с увеличением давления нагрузки, когда скорость была постоянной. Кроме того, выходной расход увеличивался линейно с увеличением скорости, когда давление постоянно, судя по той же ширине ленты. Для непосредственной оценки работоспособности мотокомпа в сборе при различных условиях работы мы построили его объемную диаграмму эффективности (рисунок 11А). Он показал, что объемная эффективность насоса была выше, в то время как давление и скорость были относительно низкими. Когда скорость составляла 3000 об/мин, максимальное выходное давление для объемного КПД 95% составляло 5 МПа; когда скорость составляла 8000 об/мин, это значение быстро росло до 23 МПа.
На рисунке 10В показаны экспериментальные результаты потока разряда, которые хорошо совпадают с моделированием. Небольшая разница между экспериментальными результатами и результатами моделирования заключается в том, что когда скорость превышает 5000 оборотов в минуту, выходной поток сначала уменьшается, а затем увеличивается с ростом давления. На рисунке 11В показана объемная эффективность эксперимента. Экспериментальные результаты отличаются от результатов моделирования, особенно когда двигатель-насос в сборе работает на высокой скорости и низком давлении. Когда перепад давления ниже 10 МПа, объемная эффективность уменьшается с увеличением скорости вращения.
На рисунке 12 показаны различия в объемной эффективности и расходе насоса между смоделированными и экспериментальными результатами. На этом рисунке показано, что результаты моделирования потока насоса хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Кроме того, погрешность эффективности объема также удерживается в пределах 10%. Когда скорость выше 4000 об/мин, погрешность можно контролировать в пределах 4%. На рисунке 13 показана общая эффективность узла мотор-насоса. Когда двигатель-насос в сборе работает в рабочих условиях низкой скорости и высокого давления или высокой скорости и низкого давления, его общий КПД относительно низок, особенно при высокой скорости и низком давлении, когда его общий КПД падает до ~10%. Когда перепад давления находится в диапазоне от 5 до 15 МПа, а скорость составляет 2000-8000 об/мин, его суммарный КПД может достигать до 60%.
Рисунок 1: Структура и принципиальная схема EHA. Верхнее изображение модели - это 3D-модель EHA, а нижнее изображение - принципиальная схема. Аббревиатура: EHA = электрогидростатический привод. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Конструкция одновального коаксиального двигателя-насоса в сборе. На этом рисунке изображена внутренняя структура моторно-насосного узла, который состоит из корпуса, вала, ротора, катушки статора, энкодера, задней торцевой пластины, перекосной пластины, поршня, блока цилиндров и пластины клапана. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Имитационная модель одного поршня. На этом рисунке показан состав однопоршневой модели, включая модель объема поршня, модель распределения потока и модель скольжения. Функция f(x,y) указывает на потерю мощности трения интерфейса перекосной пластины/скольжения, а функция f(x,y,z) указывает на потерю мощности вязкого трения интерфейса поршня/блока цилиндров. Цифры на этом рисунке указывают на интерфейсы суперкомпонента имитационной модели с одним поршнем. Сокращения: PCI = интерфейс поршневого/цилиндрического блока; SSI = интерфейс перемычки/туфельки; P = давление; V = скорость; μ = коэффициент трения; Q = поток; A, B = порты узла мотонасоса; M = масса; F = force Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Имитационная модель узла мотонасоса. Модель с моторным насосом в основном состоит из 9 однопоршневых моделей с различными фазовыми углами, идеальной модели двигателя и модели трения клапанной пластины. Функция f(x,y) указывает на потери насоса при взбивании, верхняя функция f(x,y,z) указывает на объемные потери мощности интерфейса цилиндрического блока/пластины клапана, а нижняя – на потерю мощности трения интерфейса блока цилиндров/пластины клапана. Цифры на этом рисунке указывают на интерфейсы суперкомпонента однопоршневой имитационной модели. Сокращения: CVI = интерфейс блока цилиндров/ пластины клапана; P = давление; V = скорость; μ = коэффициент трения; Q = поток; A, B = порты узла мотонасоса; M = масса; F = сила. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Гидравлическая принципиальная схема экспериментов. На этом рисунке изображена гидравлическая схема эксперимента. Мостовая цепь, состоящая из четырех обратных клапанов, используется для переключения направлений потока. Сокращения: D = драйвер насоса подачи масла; P = давление; T = температура; I = датчик. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Структурный состав испытательного стенда. На этой фотографии показан состав испытательного стенда: пульт управления, гидравлическая система, маслоохладитель и испытательный стенд. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Монтаж мотонасоса в сборе. На этой фотографии показано состояние установки двигателя-насоса в сборе и расположение датчиков давления и температуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Подключение оснастки. На этой фотографии показано соединение узла мотор-насос и блока испытательного клапана с оснасткой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Подключение электрических интерфейсов. На этой фотографии показано соединение двигателя-насоса в сборе, драйвера и контроллера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Моделирование и экспериментальные результаты потока насоса. (A) Контурная линия показывает смоделированные результаты потока насоса. Результаты указывают на хорошую характеристику расхода нагнетания. (B) Контурная линия показывает экспериментальные результаты потока насоса. Результаты эксперимента соответствуют результатам моделирования. Цветовая шкала указывает на поток насоса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 11: Моделирование и экспериментальные результаты объемной эффективности. (А) Контурная линия показывает смоделированные результаты объемной эффективности. Согласно результатам моделирования, объемный КПД мотокомпа в сборе относительно высок, за исключением случаев, когда двигатель-насос в сборе работает в условиях высокого давления и низкой скорости. (B) Контурная линия показывает экспериментальные результаты объемной эффективности. Экспериментальные результаты отличаются от результатов моделирования, особенно в условиях высокоскоростного и низкого давления. Цветовая шкала указывает на % объемной эффективности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 12: КПД и расход насоса разной скорости при перепаде давления 15 МПа. Сплошная черная линия представляет результаты эксперимента по объемной эффективности, а красная линия представляет результаты моделирования. Объемная эффективность увеличивается с увеличением скорости, а результаты моделирования ближе к экспериментальным результатам, когда скорость выше. Пунктирная черная линия представляет результаты экспериментов по потоку насоса, а красная линия - результаты моделирования. Из рисунка видно, что результаты моделирования почти совпадают с экспериментальными результатами в диапазоне скоростей 3 500-9 000 об/мин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 13: Экспериментальные результаты общей эффективности. Контурная линия показывает общую эффективность сборки мотонасоса. Когда двигатель-насос в сборе работает в экстремальных условиях, общий КПД относительно низок. Цветовая шкала указывает на % общей эффективности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Параметр | Символ | Единица | Ценность | ||
| Диаметр распределения блока цилиндров | гф | миллиметр | 29.3 | ||
| Угол наклона плиты перекоса | β | ° | 9 | ||
| Диаметр поршня | dz | миллиметр | 7.5 | ||
| Номер поршня | Z | - | 9 | ||
| Длина отверстия шариковой головки поршня | лqt | миллиметр | 7.3 | ||
| Диаметр отверстия шариковой головки поршня | dqt | миллиметр | 1 | ||
| Недопустимый объем полости плунжера | Vд | мм3 | 392.69 | ||
| Толщина масляной пленки интерфейса поршня/блока цилиндров | ч | мкм | 3 | ||
| Диаметр отверстия для туфельки | дс | миллиметр | 0.4 | ||
| Длина отверстия для туфельки | лс | миллиметр | 1.5 | ||
| Наружный диаметр ремня скользящего уплотнения | dsso | миллиметр | 8.8 | ||
| Внутренний диаметр ремня уплотнительного уплотнения | dssi | миллиметр | 6.3 | ||
| Толщина масляной пленки интерфейса туфельки/перемычки | чс | мкм | 5 | ||
| Внутренний диаметр внутреннего уплотнительного ремня клапанной пластины | dci | миллиметр | 12.05 | ||
| Выходной диаметр внутренней уплотнительной ленты клапанной пластины | Dci | миллиметр | 13.15 | ||
| Внутренний диаметр уплотнительной ленты клапанной пластины | dco | миллиметр | 16.15 | ||
| Выходной диаметр уплотнительной ленты клапанной пластины | Dco | миллиметр | 17.3 | ||
| Толщина масляной пленки интерфейса блока цилиндров/пластины клапана | hc | мкм | 10 | ||
| Диаметр блока цилиндров | гв | миллиметр | 41.7 | ||
| Длина блока цилиндров | лс | миллиметр | 27.8 | ||
Таблица 1: Параметры моделирования. В этой таблице перечислены основные параметры имитационной модели сборки двигателя-насоса.
| Критическая скорость (об/мин) | Разность критических нагрузок для моделирования (МПа) | Разность критических нагрузок для экспериментального испытания (МПа) | ||
| 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 | ||
Таблица 2: Удельная скорость и давление двигателя-насоса в сборе. В этой таблице перечислены критические рабочие точки экспериментов по сборке двигателя-насоса.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
При проведении этих экспериментальных этапов важно убедиться, что точки измерения давления находятся достаточно близко к масляному отверстию насоса, что сильно повлияет на результаты экспериментов. Кроме того, обратите внимание на давление впускного отверстия двигателя-насоса в сборе, чтобы обеспечить отсутствие кавитации, особенно в высокоскоростных условиях работы.
Этот метод позволяет динамически регулировать давление подачи масла, реализуя точное моделирование различных условий работы.
Ограничением этого метода является то, что общий КПД узла мотонасоса не может быть точно получен путем моделирования. В имитационной модели три основные поверхности трения насоса находятся под полной смазкой масляной пленкой, что означает, что в интерфейсе существует только вязкое трение. Однако фактическая ситуация такова, что состояние масляной пленки переключается между полной масляно-пленочной смазкой и граничной смазкой, которая не может быть смоделирована имитационной моделью. Поэтому мы фокусируемся на использовании имитационной модели для моделирования насоса, которая имеет преимущества низкой стоимости и высокой скорости, не ограничиваясь фактическими параметрами прототипа. Между тем, мы восполняем это ограничение экспериментальными методами.
Другим ограничением является то, что метод не очень хорошо имитирует тепловые характеристики блока мотор-насос для EHA. Поскольку EHA является высокоинтегрированной системой, узел насоса двигателя плотно соединен с исполнительным цилиндром и резервуаром под давлением, что приводит к сложной тепловой ситуации. Таким образом, метод может только проверить производительность двигателя-насоса в сборе при определенном температурном режиме, в то время как фактический диапазон изменения температуры широк.
Улучшенная производительность мотор-насосного узла сыграла решающую роль в продвижении популярности EHA. Основываясь на результатах, представленных в этой статье, все еще есть возможности для повышения общей эффективности сборки двигателя-насоса. По сравнению с существующими методами, характеристики сборки мотор-насоса могут быть исследованы более эффективно в широком диапазоне условий работы путем принятия этого протокола. Этот метод должен заложить основу для оптимизации сборки мотор-насоса и обеспечить сильную гарантию быстрого развития EHA. Кроме того, он имеет большое значение для тестирования производительности моторного насоса и, таким образом, реализации положительной конструкции моторного насоса.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Китайским проектом гражданских самолетов [No MJ-2017-S49] и Китайским постдокторским научным фондом [No 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).
