Summary
Elektrohidrostatik aktüatörlerde pompa akış özelliklerini ve tek şaftlı koaksiyel motor-pompa tertibatının performansını değerlendirmek ve motor-pompa tertibatının geniş bir çalışma koşulları kümesindeki genel verimliliği deneysel olarak araştırmak için bir simülasyon modeli oluşturduk.
Abstract
Bir elektrohidrostatik aktüatör (EHA), yüksek güç yoğunluğu, bakım kolaylığı ve güvenilirliği nedeniyle geleneksel hidrolik servo aktüatörlere kıyasla en umut verici alternatif olabilir. EHA'nın performansını ve hizmet ömrünü belirleyen çekirdek güç ünitesi olarak, motor-pompa tertibatı aynı anda geniş bir hız/basınç aralığına ve yüksek dinamik tepkiye sahip olmalıdır.
Bu yazıda, motor-pompa tertibatının performansını simülasyon ve deney yoluyla test etmek için bir yöntem sunulmaktadır. Akış çıkış karakteristikleri, deneyin başlangıcında montajın simülasyonu ve analizi yoluyla tanımlanmış ve pompanın EHA'nın gereksinimlerini karşılayıp karşılayamayacağı sonucuna varılmıştır. Motor-pompa tertibatı üzerinde, 1.450-9.000 rpm hız aralığında ve 1-30 MPa basınç aralığında bir pompa test tezgahı aracılığıyla bir dizi performans testi gerçekleştirilmiştir.
Akış çıkış karakteristiklerinin test sonuçları ile simülasyon sonuçları arasındaki tutarlılığı doğruladıktan sonra motor-pompa tertibatının genel verimliliğini çeşitli çalışma koşulları altında test ettik. Sonuçlar, montajın 10-25 MPa basınç altında 4.500-7.000 rpm'de ve 5-15 MPa altında 2.000-2.500 rpm'de çalışırken daha yüksek genel verimliliğe sahip olduğunu göstermiştir. Genel olarak, bu yöntem, motor-pompa tertibatının EHA gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını önceden belirlemek için kullanılabilir. Ayrıca, bu makale, EHA performansının tahmin edilmesine yardımcı olabilecek çeşitli çalışma koşullarında motor-pompa tertibatının hızlı bir test yöntemini önermektedir.
Introduction
Yüksek güç yoğunluğuna sahip tipik olarak entegre bir aktüatör olarak bilinen EHA, havacılık, havacılık, inşaat makineleri ve robotik 1,2 gibi alanlarda geniş beklentilere sahiptir. EHA esas olarak bir servo motor, pompa, silindir, basınçlı rezervuar, valf bloğu, mod kontrol valfleri, modül kontrol valfleri ve sensörlerden oluşur ve yüksek oranda entegre, pompa kontrollü, kapalı bir hidrolik sistem oluşturur. Şematik diyagram ve fiziksel model Şekil 1 3,4,5,6,7'de gösterilmiştir. Motor-pompa tertibatı, çekirdek güç ve kontrol bileşenidir ve EHA7'nin statik ve dinamik performansını belirler.
Geleneksel motor-pompa tertibatı, şaftları bir şaft bağlantısı8 ile bağlanan ayrı bir motor ve pompadan oluşur. Bu yapının EHA'nın performansı ve ömrü üzerinde önemli olumsuz etkileri vardır. İlk olarak, hem motor hem de pompa, özellikle yüksek hızda5 montaj doğruluğu nedeniyle nispeten büyük bir titreşim taşıyacaktır. Titreşim sadece pompanın çıkış özelliklerini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda pompadaki sürtünme arayüzlerinin aşınmasını hızlandırır ve motor-pompa tertibatının arızalanmasına neden olur9. İkincisi, sızdırmazlıklar pompanın mil uçlarına yerleştirilmelidir, bu da sızıntıyı temel olarak önleyemez. Bu arada, motor-pompa tertibatının mekanik verimliliği, sürtünme direncinin artmasıyla azalır10. Üçüncüsü, motor pompası tertibatının sık sık tersine çevrilmesi, kaplinin aşınmasını hızlandıracak ve yorulma kırılması olasılığını artırarak EHA 11,12'nin sistem güvenilirliğini azaltacaktır.
Böylece, bu eksiklikleri önlemek için ortak bir mahfaza içinde tek şaftlı bir koaksiyel motor-pompa tertibatı geliştirilmiştir. Yapı Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu bileşende, motor ve pompanın dinamik performansını ve yağlama durumunu aynı anda artırabilen bağlantısız bir tasarım benimsenmiştir. Bu tek şaftlı koaksiyel tasarım, iki rotorun hizalanmasını sağlar ve yüksek hız koşullarında dinamik dengeyi geliştirir. Dahası, paylaşımlı muhafaza, şaft ucu sızıntısını temel olarak ortadan kaldırır.
EHA motor-pompa tertibatının çıkış özelliklerinin test edilmesi, EHA performansının optimizasyonu ve iyileştirilmesi için büyük önem taşımaktadır. Bununla birlikte, özellikle EHA'lar için motor-pompa tertibatının performans testi konusunda nispeten az sayıda çalışma vardır. Bu nedenle, simülasyon ve deneyleri birleştirmek için bir test yöntemi gerçekleştirdik. Bu yöntem, özellikle EHA pompaları olmak üzere çok çeşitli çalışma koşullarına sahip motor-pompa montajlarını test etmek için uygundur.
İki ana zorluk vardır: Birincisi, motor pompasının çıkış akış özelliklerini analiz etmek ve motor-pompa tertibatının optimum tasarımı için yardım sağlamak için doğru bir simülasyon modeli oluşturmaktır. Hiyerarşik modelleme ile motor-pompa tertibatının simülasyon modelini oluşturduk ve farklı parametreleri değiştirerek çıkış akışının simülasyon analizini gerçekleştirdik. İkincisi, onu sıradan pompalardan ayıran en önemli husus olan yüksek hızın neden olduğu test elemanının kavitasyonudur. Bu nedenle, testi çeşitli çalışma koşulları altında gerçekleştirmek için test sistemini tasarlarken yağ besleme sisteminin tasarımına daha fazla odaklandık.
Bu protokolde, başlangıçta pompa akış karakteristiklerini simüle etmek ve pompa akış karakteristiklerinin EHA gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığına karar vermek için tek boyutlu bir simülasyon modeli oluşturulmuştur. Daha sonra, akış özellikleri ve genel verimlilik, simülasyon tarafından doğru bir şekilde simüle edilemeyen genel verimlilik haritası elde edilen özel bir test tezgahında deneysel olarak test edildi. Son olarak, simülasyon sonuçlarının doğruluğunu doğrulamak için pompa akış özellikleri deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu arada, tek şaftlı koaksiyel motor-pompa tertibatının performansını değerlendirmek için genel verimlilik haritası elde edildi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Pompa akış karakteristiklerinin simülasyonu
- Motor-pompa tertibatının simülasyon modelini oluşturun. AMESim simülasyon platformunu açın ve SKETCH moduna girin.
- Kinematik matematik modeline ve dağılım eğrisine göre tek bir piston için simülasyon modeli oluşturun (Şekil 3). Tek pistonlu modeli süper bileşen olarak kapsülleyin (Şekil 4).
NOT: Pistonun ana kinematik matematik modeli (Eq (1)) şunları sağlar:
(1)
Bu denklemde, x pistonun mutlak yer değiştirmesidir, β eğik plaka eğim açısıdır, φ pistonun faz açısıdır, R f silindir bloğunun dağılım yarıçapıdır, df silindir bloğunun dağılım çapıdır. - Pompa modelini, valf plakasının sızıntısını ve sürtünmesini göz önünde bulundurarak oluşturun (Şekil 4). Valf plakası modülünü oluşturmak için, esas olarak piston/silindir bloğu arayüzünün ve terlik/swash plakası arayüzünün viskoz sürtünme ve kısma etkisine odaklanın.
- Motor modelini ideal bir tork modülü ile oluşturun (Şekil 4). Demir kaybını, bakır kaybını ve motorun karıştırma kaybını göz ardı ederek motoru simüle etmek için ideal bir tork modülü kullanın.
- Kinematik matematik modeline ve dağılım eğrisine göre tek bir piston için simülasyon modeli oluşturun (Şekil 3). Tek pistonlu modeli süper bileşen olarak kapsülleyin (Şekil 4).
- Motor-pompa montaj modelinin ana parametrelerini ayarlayın.
- Motor-pompa tertibatının parametrelerini Tablo 1'e göre ayarlayın. PARAMETRE moduna girin ve simülasyon modelindeki belirli bileşene çift tıklayarak ana parametreleri ayarlayın. Dönme hızını ve test basıncını Tablo 2'ye göre ayarlayın.
- Modelin çalıştırma öncesi parametrelerini ayarlayın: Başlangıç zamanı: 0 s, Son zaman: 1 s, Yazdırma aralığı: 1 ms.
- Kararlı duruma ulaşmak için simülasyonu önceden çalıştırın.
- Simülasyonu çalıştırın ve sistemin simülasyonun sonunda kararlı duruma ulaşıp ulaşmayacağını kontrol edin. Sistem kararlı duruma ulaşırsa, Parametreleri Çalıştır penceresindeki eski son değerleri kullan seçeneğini işaretleyin. Değilse, adım 1.2.1'deki Son zamanı 2 sn'ye veya daha uzun bir süreye sıfırlayın ve sistem kararlı duruma ulaşana kadar adım 1.2.2'yi tekrarlayın.
- Modelin çalıştırma parametrelerini ayarlayın: Başlangıç zamanı: 0 s, Son zaman: 0,2 sn, Yazdırma aralığı: 0,002 ms.
- Simülasyonu çalıştırın ve simülasyon verilerini kaydedin.
NOT: Belirli bir çalışma koşulu için 1.2.1-1.2.4 arasındaki adımları yineleyin; simülasyondan sonra verileri kaydedin. - Simülasyon verilerini dışa aktarın ve OriginPro'da motor-pompa tertibatının akış karakteristik konturunu çizin. Pompa akışının değerini, 0,2 sn içinde kaydedilen pompa akışının ortalaması olarak hesaplayın.
- Çıkış akış karakteristiklerinin belirlenmesi
- Motor-pompa tertibatının çıkış akış eğrisini farklı basınç koşulları altında maksimum hızda çizin.
- Pompanın gerekli çıkış akış hızını belirli EHA maksimum hızına göre hesaplayın ve farklı basınç koşullarında gerekli çıkış akış hızı eğrisini çizin.
- EHA'nın gerekli akış hızı eğrisinin, motor-pompa tertibatının çıkış akış hızı eğrisi ile çevrelendiğinden emin olun.
(1)2. Deneysel platformun kurulması
- Test tezgahını kurun.
- Test tezgahının hidrolik bileşenlerini Tablo 3'e göre hazırlayın. Her bileşenin temel parametrelerinin Tablo 3'te listelenen gereksinimleri karşıladığından emin olun.
- Hidrolik valf bloklarını tasarlayıp üretin ve hidrolik şematik şemaya göre bir hidrolik sistem inşa edin (Şekil 5). Bileşenlerin göreceli konumlarının gösterilen şematik şema ile aynı olduğundan ve basınç sensörlerinin ve sıcaklık sensörlerinin test noktasına mümkün olduğunca yakın konumlandırıldığından emin olun.
NOT: Bu deney serisi, Şekil 6'da gösterildiği gibi, özel bir yüksek hızlı ve yüksek basınçlı pompa yükü simülasyon test tezgahında gerçekleştirilmiştir. - Takım ve test valf bloklarını tasarlayın ve üretin. Tasarım takımlarının test edilen pompanın ve test tezgahının özel arayüzüne göre olduğundan emin olun.
- Mekanik arayüzlerin montajı (Şekil 7)
- Motor-pompa tertibatının uç yüzünü test valfi bloğuna bağlayın. İyi bir sızdırmazlık performansı sağlamak için en az 4 vida kullanın.
- Motor-pompa tertibatını ve test valfi bloğunu test tezgahının tezgahına sabitleyin (Şekil 8). Motor-pompa tertibatını ve test valfi bloğunu dört vidalı özel takıma ve aleti 2 vidalı tezgaha bağlayın.
NOT: Testi yaparken titreşim görünmemesi için iki vidanın yeterince güçlü olduğundan emin olun. - Test valfi bloğuna A portu ve port B'nin iki grup basınç ve sıcaklık sensörünü takın. Sızıntı izleme için bu sensörleri doğrudan sızıntı portuna bağlayın.
NOT: Deneyi tamamlamak için test edilmiş farklı motorlu pompa takımları için farklı takımlar tasarlamak ve üretmek gerekir.
- Hidrolik arayüzlerin bağlantısı (Şekil 7)
- Pompa kaynağının iki yüksek basınçlı yağ portunu, test valfi bloğunun A veya B portuna bağlayın.
- Basınçlı yağ portunu pompanın kaçak yağ portuna bağlayın.
- Motor-pompa tertibatının hava tahliyesi
- Yağ besleme sisteminin tahliye vanasının boşaltma durumunda olduğundan emin olun. Test sisteminin havasını boşaltmak ve ısıtmak için yağ besleme motorunu 3 dakika çalıştırın.
NOT: Belirli çalışma süresi, test tezgahının özel koşullarına göre belirlenir. Bu adımın temel amacı, yağın test devresinin her bir bileşenine tamamen akmasını ve test edilen pompanın yüzey sıcaklığının yağ sıcaklığına yakın olmasını sağlamaktır.
- Yağ besleme sisteminin tahliye vanasının boşaltma durumunda olduğundan emin olun. Test sisteminin havasını boşaltmak ve ısıtmak için yağ besleme motorunu 3 dakika çalıştırın.
- Motor-pompa tertibatındaki sızıntıları kontrol etmek için, yağ besleme sisteminin tahliye valfini kapatın. Yağ besleme basıncını 1 dakikadan fazla bir süre için 2 MPa'ya ayarlayın.
NOT: Bu, test sisteminde, O-ringin arızalanmasından kaynaklanan sızıntı gibi belirgin bir sızıntı olup olmadığını bulmaya yardımcı olacaktır.- Motor-pompa tertibatında sızıntı olup olmadığına bakın. Sızıntı yaparsa, önce hidrolik sistemi kapatın ve contayı değiştirin ve ardından 2.3 ve 2.4 numaralı adımları tekrarlayın. Sızıntı yoksa, yağ besleme sisteminin tahliye vanasını açın.
- Elektrik arayüzlerinin bağlantısı (Şekil 9)
- Güç kaynağı arabirimini ve döner sinyal arabirimini motor-pompa montaj sürücüsüne bağlayın.
- Tam çift yönlü modda çalışan RS 442 üzerinden sürücüyü denetleyiciye bağlayın.
- Sürücüyü 270 VDC güce bağlayın.
- Motor-pompa tertibatının yüksüz muayenesi
- Yağ besleme pompasını çalıştırın ve yağ besleme ve yükleme sistemlerinin tahliye valflerini boşaltma durumunda tutun. Sürücüyü ve kontrolörü açın ve motor-pompa tertibatının kontrol komutunu normal şekilde alıp alamayacağını kontrol edin.
NOT: Motor-pompa tertibatının giriş portu, bir yağ besleme pompası aracılığıyla basınçlandırılabilir ve bileşenin kavitasyonunu önleyebilir. - Motor-pompa tertibatına doğru 2.000 rpm'lik bir talimat ayarlayın. Motor-pompa tertibatının çalışma durumunu gözlemleyin ve valf bloğunda sızıntı olup olmadığını kontrol edin (bkz. adım 2.5).
- Motor-pompa tertibatına ters 2.000 rpm'lik bir talimat ayarlayın. Motor-pompa tertibatının çalışma durumunu gözlemleyin ve valf bloğunda sızıntı olup olmadığını kontrol edin (bkz. adım 2.5).
- Yağ besleme pompasını çalıştırın ve yağ besleme ve yükleme sistemlerinin tahliye valflerini boşaltma durumunda tutun. Sürücüyü ve kontrolörü açın ve motor-pompa tertibatının kontrol komutunu normal şekilde alıp alamayacağını kontrol edin.
3. Pompa akışı ve motor-pompa tertibatının genel verimlilik testi
- Yağ besleme sisteminin ayarlanması
- Yağ besleme pompasını çalıştırın ve yağ besleme sisteminin ve yükleme sisteminin tahliye valflerini yükleme durumuna getirin.
- Yağ besleme tahliye valfini minimum yağ besleme basıncı psmin'i 0,6 MPa'ya ayarlayın. psmin'i seçmek için 3.1.2.1-3.1.2.3 adımlarını izleyin.
NOT: psmin, kavitasyonu önlemek için motor-pompa tertibatının giriş portundaki basınçtır.- Yağ besleme basıncını, test edilen motor-pompa tertibatı tarafından belirlenen 1 MPa veya daha fazlasına ayarlayın.
- Test edilen motor-pompa tertibatının dönme hızını 9.000 rpm'ye ayarlayarak pompa akışının teorik pompa akışına eşit olduğundan emin olun. Aksi takdirde, kavitasyonu önlemek için yağ besleme basıncını artırın.
- Yağ besleme basıncını yavaşça azaltın ve pompa akışındaki değişimi kaydedin. Yağ besleme basıncına karşı bağıl pompa akışını çizin ve pompa akışının bükülme noktasını bulun - bu noktanın yağ besleme basıncı minimum yağ besleme basıncı psmin'dir.
- Yük tahliye valfini psmin'e ayarlayın.
- Sıcaklık kontrol sistemini açın ve yağ sıcaklığını 30 °C'ye ayarlayın.
- Motor-pompa tertibatının yüzey sıcaklığını algılamak için termal kamerayı açın.
- Belirli bir hızda sürekli çalışmasını sağlamak için motor pompası tertibatına kontrol talimatları gönderin (Tablo 2).
- Yük tahliye valfini ayarlayın ve yük basıncını kademeli olarak belirli bir değere yükseltin (Tablo 2). Ölçülen her kritik basınçta 4 sn tutun.
NOT: Deney sırasında motor sıcaklığına çok dikkat edin. Motor-pompa montaj yüzeyinin sıcaklığının 100 °C'den düşük olduğundan emin olun. - Basınç hızın belirli değerine ulaştıktan sonra, yük tahliye valfini tekrar 1 MPa'ya ayarlayın.
- Tüm kritik basınç ölçüm noktalarının özellikleri Tablo 2'ye göre test edilene kadar 3.3 ve 3.4 numaralı adımları tekrarlayın.
- Deneysel akış verilerini dışa aktarın ve motor-pompa tertibatının pompa akış karakteristik haritasını çizin.
- Farklı çalışma koşullarında motor-pompa tertibatının genel verimliliğini ηo hesaplayın ve genel verimlilik haritasını çizin.
NOT: Motor-pompa tertibatının genel verimliliği Eq (2) ile verilir:
. (2)
P'nin motor-pompa tertibatının çıkış gücü olduğu durumlarda, Pi sürücünün giriş gücüdür, Qpompası pompa akışıdır; Δp, pompa basınç farkıdır; Ugücü, güç kaynağı çıkış voltajıdır; I güç, güç kaynağı çıkış akımıdır.
. (2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deşarj akışının simülasyon sonucu (Şekil 10A), hız sabit olduğunda yük basıncındaki artışla birlikte deşarj akışının biraz azaldığını göstermiştir. Ayrıca, çıkış akış hızı, basınç sabit olduğunda, aynı bant genişliğinden yola çıkılarak artan hız ile doğrusal olarak artmıştır. Motor-pompa tertibatının farklı çalışma koşulları altındaki performansını doğrudan değerlendirmek için, hacimsel verimlilik diyagramını çizdik (Şekil 11A). Pompa hacimsel verimliliğinin daha yüksek olduğunu, basınç ve hızın ise nispeten düşük olduğunu gösterdi. Hız 3.000 rpm olduğunda,% 95'lik hacimsel verimlilik için maksimum çıkış basıncı 5 MPa idi; hız 8.000 rpm olduğunda, bu değer hızla 23 MPa'ya yükseldi.
Şekil 10B , simülasyonla iyi örtüşen deşarj akışının deneysel sonuçlarını göstermektedir. Deneysel sonuçlar ve simülasyon sonuçları arasındaki küçük fark, hız 5.000 rpm'den yüksek olduğunda, çıkış akışının önce azalması ve daha sonra yükselen basınçla artmasıdır. Şekil 11B , deneyin hacimsel verimliliğini göstermektedir. Deneysel sonuçlar, özellikle motor-pompa tertibatı yüksek hızda ve düşük basınçta çalıştığında simülasyon sonuçlarından farklıdır. Basınç düşüşü 10 MPa'dan düşük olduğunda, dönme hızındaki artışla hacimsel verimlilik azalır.
Şekil 12 , simüle edilmiş ve deneysel sonuçlar arasındaki hacimsel verimlilik ve pompa akışındaki farklılıkları göstermektedir. Bu şekilde, pompa akışının simülasyon sonuçlarının deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içinde olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, hacim verimliliği hatası da% 10 içinde tutulur. Hız 4.000 rpm'den yüksek olduğunda, hata% 4 içinde kontrol edilebilir. Şekil 13 , motor-pompa tertibatının genel verimliliğini göstermektedir. Motor-pompa tertibatı düşük hız ve yüksek basınç veya yüksek hız ve düşük basınç çalışma koşullarında çalıştığında, toplam verimliliği nispeten düşüktür, özellikle yüksek hızda ve toplam verimliliği ~% 10'a düştüğünde düşük basınçta. Basınç düşüşü 5 ila 15 MPa aralığında olduğunda ve hız 2.000-8.000 rpm olduğunda, toplam verimliliği% 60'a kadar ulaşabilir.
Resim 1: EHA'nın yapısı ve şematik diyagramı. Modelin üst resmi EHA'nın 3B modelidir ve alt resim şematik diyagramdır. Kısaltma: EHA = elektrohidrostatik aktüatör. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 2: Tek şaftlı koaksiyel motor-pompa tertibatının yapısı. Bu şekil, gövde, şaft, rotor, stator bobini, kodlayıcı, arka uç plakası, yıkama plakası, piston, silindir bloğu ve valf plakasından oluşan bir motor-pompa tertibatının iç yapısını göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 3: Tek bir pistonun simülasyon modeli. Bu şekil, bir piston hacmi boşluğu modeli, bir akış dağılım modeli ve bir terlik modeli dahil olmak üzere tek pistonlu bir modelin bileşimini göstermektedir. f(x,y) fonksiyonu yıkama plakası/terlik arayüzünün sürtünme güç kaybını ve f(x,y,z) fonksiyonu piston/silindir bloğu arayüzünün viskoz sürtünme güç kaybını gösterir. Bu şekildeki sayılar, tek pistonlu simülasyon modelinin süper bileşeninin arayüzlerini göstermektedir. Kısaltmalar: PCI = Piston/Silindir blok arayüzü; SSI = Swash plate/Terlik arayüzü; P = basınç; V = hız; μ = sürtünme katsayısı; Q = akış; A, B = motor-pompa tertibatının portları; M = kütle; F = kuvvet Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 4: Motor-pompa tertibatının simülasyon modeli. Motor-pompa montaj modeli esas olarak farklı faz açılarına sahip 9 tek pistonlu modelden, ideal bir motor modelinden ve bir valf plakası sürtünme modelinden oluşur. f(x,y) fonksiyonu pompanın çalkantılı kayıplarını, üst fonksiyon f(x,y,z) silindir bloğu/valf plakası arayüzünün hacimsel güç kaybını ve alt fonksiyon silindir bloğu/valf plakası arayüzünün sürtünme güç kaybını gösterir. Bu şekildeki sayılar, tek pistonlu simülasyon modelinin süper bileşeninin arayüzlerini göstermektedir. Kısaltmalar: CVI = Silindir bloğu / valf plakası arayüzü; P = basınç; V = hız; μ = sürtünme katsayısı; Q = akış; A, B = motor-pompa tertibatının portları; M = kütle; F = kuvvet. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Deneylerin hidrolik şematik diyagramı. Bu şekil, deneyin hidrolik şemasını göstermektedir. Akış yönlerini değiştirmek için dört çekvalften oluşan bir köprü devresi kullanılır. Kısaltmalar: D = yağ besleme pompasının sürücüsü; P = basınç; T = sıcaklık; I = sensör. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Test tezgahının yapısal bileşimi. Bu fotoğraf test tezgahının bileşimini göstermektedir: kontrol paneli, hidrolik sistem, yağ soğutucusu ve test panosu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 7: Motor-pompa tertibatının montajı. Bu fotoğraf, motor-pompa tertibatının kurulum durumunu ve basınç ve sıcaklık sensörlerinin düzenini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Takımın bağlantısı. Bu fotoğraf, motor-pompa tertibatının ve test valf bloğunun takımla bağlantısını göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Elektrik arayüzlerinin bağlantısı. Bu fotoğraf, motor-pompa tertibatının, sürücünün ve kontrolörün bağlantısını göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: Pompa akışının simülasyonu ve deneysel sonuçları . (A) Kontur çizgisi, pompa akışının simüle edilmiş sonuçlarını gösterir. Sonuçlar, boşaltma akışının iyi bir astar karakteristiğini gösterir. (B) Kontur çizgisi, pompa akışının deneysel sonuçlarını gösterir. Deney sonuçları simülasyon sonuçları ile uyumludur. Renk çubuğu pompa akışını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11: Volumetrik verimliliğin simülasyonu ve deneysel sonuçları . (A) Kontur çizgisi, hacimsel verimliliğin simüle edilmiş sonuçlarını gösterir. Simülasyon sonuçlarına göre, motor-pompa tertibatının hacimsel verimliliği, motor-pompa tertibatının yüksek basınç ve düşük hız koşullarında çalıştığı durumlar hariç, nispeten yüksektir. (B) Kontur çizgisi, hacimsel verimliliğin deneysel sonuçlarını gösterir. Deneysel sonuçlar, özellikle yüksek hızlı ve düşük basınçlı çalışma koşullarında simülasyon sonuçlarından farklıdır. Renk çubuğu % hacimsel verimliliği gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 12: 15 MPa basınç düşüşü altında farklı hızlarda verimlilik ve pompa akışı. Düz siyah çizgi hacimsel verimlilik deneysel sonuçlarını, kırmızı çizgi ise simülasyon sonuçlarını temsil eder. Volumetrik verimlilik artan hız ile artar ve simülasyon sonuçları, hız daha yüksek olduğunda deneysel sonuçlara daha yakındır. Kesikli siyah çizgi, pompa akışı deney sonuçlarını ve kırmızı çizgi simülasyon sonuçlarını temsil eder. Simülasyon sonuçlarının 3.500-9.000 rpm hız aralığındaki deneysel sonuçlarla neredeyse çakıştığı şekilden görülebilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 13: Genel verimliliğin deneysel sonuçları. Kontur çizgisi, motor-pompa tertibatının toplam verimliliğini gösterir. Motor-pompa tertibatı aşırı koşullarda çalıştığında, genel verimlilik nispeten düşüktür. Renk çubuğu, genel verimlilik yüzdesini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Parametre | Sembol | Birim | Değer | ||
| Silindir bloğunun dağıtım çapı | df | Mm | 29.3 | ||
| Kaydırma plakası eğim açısı | β | ° | 9 | ||
| Piston çapı | dz | Mm | 7.5 | ||
| Piston numarası | Z | - | 9 | ||
| Piston bilyalı kafa deliğinin uzunluğu | lqt | Mm | 7.3 | ||
| Piston bilyalı kafa deliğinin çapı | dqt | Mm | 1 | ||
| Piston boşluğunun geçersiz hacmi | Vd | mm3 | 392.69 | ||
| Piston/silindir bloğu arayüzünün yağ filmi kalınlığı | hp | μm | 3 | ||
| Terlik deliğinin çapı | ds | Mm | 0.4 | ||
| Terlik deliğinin uzunluğu | ls | Mm | 1.5 | ||
| Terlik keçe kayışının dış çapı | dsso | Mm | 8.8 | ||
| Terlik keçe kayışının iç çapı | dsgk | Mm | 6.3 | ||
| Terlik/kaydırma plakası arayüzünün yağ filmi kalınlığı | hs | μm | 5 | ||
| Vana plakası iç sızdırmazlık kayışının iç çapı | dci | Mm | 12.05 | ||
| Vana plakası iç sızdırmazlık kayışının çıkış çapı | Dci | Mm | 13.15 | ||
| Vana plakası dış sızdırmazlık kayışının iç çapı | dco | Mm | 16.15 | ||
| Vana plakası dış sızdırmazlık bandının çıkış çapı | Dco | Mm | 17.3 | ||
| Silindir bloğu/valf plakası arayüzünün yağ filmi kalınlığı | hc | μm | 10 | ||
| Silindir bloğunun çapı | dc | Mm | 41.7 | ||
| Silindir bloğunun uzunluğu | lc | Mm | 27.8 | ||
Tablo 1: Simülasyon parametreleri. Bu tablo, motor-pompa montaj simülasyon modelinin ana parametrelerini listeler.
| Kritik hız (rpm) | Kritik yük Simülasyon için basınç farkı (MPa) | Deneysel test için kritik yük Basınç farkı (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 | ||
Tablo 2: Motor-pompa tertibatının spesifik hızı ve basıncı. Bu tabloda, motor-pompa montaj deneylerinin kritik çalışma noktaları listelenmiştir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu deneysel adımları uygularken, basınç ölçüm noktalarının pompanın yağ portuna yeterince yakın olduğundan emin olmak önemlidir, bu da deneysel sonuçları büyük ölçüde etkileyecektir. Ek olarak, özellikle yüksek hızlı çalışma koşullarında, kavitasyon olmadığından emin olmak için motor-pompa tertibatının giriş portunun basıncına dikkat edin.
Bu yöntem, farklı çalışma koşullarının doğru bir simülasyonunu gerçekleştirerek yağ besleme basıncının dinamik bir şekilde ayarlanmasını sağlar.
Bu yöntemin bir sınırlaması, motor-pompa tertibatının toplam verimliliğinin simülasyon ile doğru bir şekilde elde edilememesidir. Simülasyon modelinde, pompanın üç ana sürtünme yüzeyi tam yağ filmi yağlaması altındadır, bu da arayüzde yalnızca viskoz sürtünme olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, gerçek durum, yağ filminin durumunun, simülasyon modeli tarafından simüle edilemeyen tam yağ filmi yağlaması ve sınır yağlaması arasında geçiş yapmasıdır. Bu nedenle, prototipin gerçek parametreleriyle sınırlı kalmadan düşük maliyet ve hızlı hız avantajlarına sahip olan pompayı simüle etmek için bir simülasyon modeli kullanmaya odaklanıyoruz. Bu arada, bu sınırlamayı deneysel yöntemlerle telafi ediyoruz.
Diğer bir sınırlama, yöntemin EHA için motor-pompa tertibatının termal özelliklerini çok iyi simüle etmemesidir. EHA son derece entegre bir sistem olduğundan, motor-pompa tertibatı tahrik silindirine ve basınçlı rezervuara sıkıca bağlanır ve bu da karmaşık bir termal duruma yol açar. Bu nedenle, yöntem yalnızca belirli bir sıcaklık koşulu altında motor-pompa tertibatının performansını test edebilirken, gerçek sıcaklık değişim aralığı geniştir.
Motor pompası tertibatının geliştirilmiş performansı, EHA'nın popülaritesini artırmada çok önemli bir rol oynamıştır. Bu makalede bildirilen sonuçlara dayanarak, motor-pompa tertibatının genel verimliliğinin iyileştirilmesi için hala yer vardır. Mevcut yöntemlerle karşılaştırıldığında, motor-pompa montaj özellikleri, bu protokol benimsenerek çok çeşitli çalışma koşullarında daha verimli bir şekilde araştırılabilir. Bu yöntem, motor-pompa tertibatını optimize etmek için bir temel oluşturmalı ve EHA'nın hızlı gelişimi için güçlü bir garanti sağlamalıdır. Ek olarak, motor pompasının performansını test etmek ve böylece motor pompasının olumlu tasarımını gerçekleştirmek için büyük önem taşımaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Bu çalışma Çin Sivil Uçak Projesi [No. MJ-2017-S49] ve Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı [No.2021M700331] tarafından desteklenmiştir.
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).
