Summary
تم تطوير نموذج محاكاة يدعم على وجه التحديد التصميم الأولي لمضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة (EVDP) والتحقق منه جزئيا من خلال التجارب. يمكن تقييم أداء التحكم والعمر والموثوقية وما إلى ذلك باستخدام النموذج المقترح ، والذي يغطي متطلبات الأداء الرئيسية في إطار مهمة التصميم الأولي ل EVDP.
Abstract
تم بحث المحركات الكهروهيدروستاتيكية (EHAs) بشكل كبير في الأوساط الأكاديمية ، وتتوسع تطبيقاتها في مختلف المجالات الصناعية. لقد أخذت EHA متغيرة السرعة الآن الأولوية على EHA متغيرة الإزاحة ، لكن محرك القيادة الخاص بها والإلكترونيات المرتبطة بها تواجه مشكلات عند تطبيقها في التطبيقات عالية الطاقة: الديناميكيات المنخفضة ، والتبديد الحراري العالي ، والسعر المرتفع ، وما إلى ذلك. لذلك ، تم النظر في EHA متغير الإزاحة مجهز بمضخة إزاحة كهربائية متغيرة (EVDP). EVDP نفسه هو نظام ميكاترونيك يدمج مضخة مكبس ، وبرغي كروي ، وعلبة تروس ، ومحرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM). وبالتالي ، يجب التحقيق في EVDP لضمان أدائها على مستوى النظام عند تطبيقها في EHA. بالإضافة إلى الأبحاث السابقة حول المعلمات التقنية ل EVDP ، من الضروري وجود طريقة تصميم مخصصة لزيادة تقليل تكلفة استخدام EVDP واستكشاف إمكانات أدائها. هنا ، يتم اختيار طريقة التصميم الأولي EVDP القائمة على المحاكاة لتصميم EVDP 37 كيلو واط. أولا ، يتم توسيع نموذج متعدد التخصصات مقترح سابقا ل EVDP من خلال تحسين توليد المعلمات ، بما في ذلك عمر EVDP ، والموثوقية ، ونماذج التحكم ، وما إلى ذلك. ثانيا ، يتم التحقق جزئيا من النموذج المقترح باستخدام نموذج أولي أصغر حجما. ثالثا ، تتم محاكاة EVDP على مستوى النظام ، بدعم من النموذج المقترح. يتم تقييم أداء EVDP وفقا لمتطلبات التصميم المحددة. يتم التنبؤ بدرجة الحرارة وعرض النطاق الترددي والدقة والموثوقية والعمر الافتراضي ، وما إلى ذلك ، ل EVDP. تظهر نتائج المحاكاة قابلية تطبيق EVDP في EHA متغير الإزاحة. يمكن استخدام طريقة النمذجة والمحاكاة المقترحة لتقييم أداء EVDP المتنوع والاستجابة لمتطلبات التصميم العامة. يمكن أن تدعم هذه الطريقة أيضا حل تحديات التصميم الأولية من حيث المعلومات المحدودة والمتانة. ولذلك، فإن الطريقة المقترحة مناسبة لتحقيق طريقة التصميم الأولي ل EVDP القائمة على المحاكاة.
Introduction
تتلقى المحركات الكهروهيدروستاتيكية (EHAs) اهتماما متزايدا بتطبيقات مثل المكابس الصناعية والآلات المتنقلة الكبيرة ومناورات الرافعات والتحكم الأساسي في الطائرات بسبب مزيجها بين مزايا كل من المحركات الكهربائية والمحركات الهيدروليكية1. يمكن تحديد نوعين أساسيين من EHAs: EHAs متغيرة السرعة و EHAsمتغيرة الإزاحة 2. حاليا ، EHA متغير السرعة أكثر شعبية من EHA متغير الإزاحة بسبب كفاءته العالية وبساطته. ومع ذلك ، إلى جانب ارتفاع مستوى الطاقة في EHA ، وهو أمر مطلوب في المركبات الثقيلة ، مثل مركبات الإطلاق الثقيلة3 والغواصات4 ، فإن محرك القيادة والإلكترونيات المرتبطة به في EHA متغيرة السرعة لديها مشكلات تتعلق بالديناميكيات المنخفضة ، والتبديد الحراري العالي ، والسعر المرتفع ، إلخ. لذلك ، يتم إعادة النظر في EHA متغير الإزاحة لهذه التطبيقات عالية الطاقة (>30 كيلو واط) ، حيث يتم تحقيق التحكم فيها عبر جهاز منخفض الطاقة ينظم إزاحة المضخة.
أحد الشواغل الرئيسية التي تمنع أخذ EHA متغير الإزاحة كأولوية هو وحدة التحكم في إزاحة المضخة المرهقة ، والتي هي في حد ذاتها نظام هيدروليكي كامل يتم التحكم فيه بواسطة الصمام. تم اقتراح مضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة (EVDP) لمعالجة هذه المشكلة باستخدام وحدة تحكم في الإزاحة الكهربائية المدمجة. يعمل هذا التصميم على تحسين الاكتناز والكفاءة وما إلى ذلك من EHA متغير الإزاحة ، مما يحل الضعف السابق إلى درجة معينة. ولذلك، يمكن تيسير استخدام EHAs متغيرة الإزاحة للتطبيقات عالية الطاقة باستخدام EVDP المقترح حديثا. ومع ذلك ، فإن تعقيد EVDP أكبر بكثير مقارنة بمضخة الإزاحة المتغيرة التقليدية التي يتم التحكم فيها هيدروليكيا لأنها تدمج مكونات من العديد من التخصصات الجديدة. ونتيجة لذلك، ظهرت أنشطة بحثية محددة قائمة على برنامج EVDP. بدأت مجموعتنا البحثية بحث EVDP5 واستمرت في تطويره6. طور ليو EVDP لتطبيقات EHA وأجرى اختبارات تجريبية7. توفر بعض الشركات الهيدروليكية أيضا منتجات EVDP. بالإضافة إلى البحث المتعلق بالمكونات التقنية ل EVDP ، فإن طريقة التصميم للاستجابة لمتطلبات التطبيق الحقيقية مهمة أيضا لتعزيز كفاءة EVDP من خلال زيادة تقليل تكلفة استخدام EVDPs واستكشاف إمكانات أدائها. وبالتالي ، فإن طريقة التصميم الأولي المحددة ل EVDP ضرورية لتحسين المقايضات في أدائها على مستوى النظام من خلال تحليل تخصصاتها المقترنة. التصميم الأولي القائم على المحاكاة هو موضع اهتمام لهذا النوع من الاقتران متعدد التخصصات لمنتجات الميكاترونيك8.
على الرغم من عدم اقتراح نماذج محاكاة محددة للتصميم الأولي ل EVDP نظرا لكونه مفهوما مقترحا حديثا ، فقد تم استثمار الكثير من الأبحاث في منتجات الميكاترونيك ذات الصلة. تم بناء نموذج EHA ديناميكي لتحسين الوزن والكفاءة وأداء التحكم في التصميم الأولي9 ، ولكن العمر الافتراضي والموثوقية والخصائص الحرارية وما إلى ذلك ، لم تكن متورطة ، وهي مؤشرات أداء أساسية يجب مراعاتها في التصميم الأولي. كما تم استخدام نموذج EHA ديناميكي آخر لتحسين التكلفة والكفاءة وأداء التحكم10 ، وتم تطوير نموذج حراري لاحقا لتقييم الخصائص الحرارية ل EHA11 الأمثل ، ولكن لم يتم النظر في الموثوقية والعمر. تم تقديم طريقة تصميم أولية شاملة للمشغل الكهروميكانيكي (EMA)12. تم اقتراح نماذج محددة ذات وظائف مختلفة قادرة على تحليل خصائص مختلفة لهذه الطريقة ، كما تم تطوير نماذج الموثوقية والعمرالافتراضي 13. يمكن بموجب هذا تقييم القوة الميكانيكية ، والقدرة على الطاقة ، والأداء الحراري ، وما إلى ذلك ، ولكن أداء التحكم لم يكن متورطا. استخدمت طريقة تصميم أولية أخرى ل EMA نموذجا ديناميكيا ل EMA ونماذج تحجيم المكونات المرتبطة به14. وشارك في تحليل المحاكاة التكلفة والوزن وعمر التعب والقدرة على الطاقة والقيود المادية وما إلى ذلك، ولكن لم يتم تضمين الموثوقية وأداء التحكم. تم اقتراح نموذج ديناميكي للتصميم الأمثل لمجموعة نقل الحركة الهيدروليكية الهجينة15. يمكن محاكاة قدرة الطاقة والكفاءة والتحكم وما إلى ذلك ، ولكن لم يتم النظر في الموثوقية والحياة. تم اقتراح نماذج لتحليل نظام تشغيل التحكم في الطيران القائم على EHA ، والذي تم من خلاله استخدام معادلات نقل الطاقة البسيطة ووظائف الوزن16. وبالنظر إلى أن النماذج استخدمت في التحليلات على مستوى المركبات وعلى مستوى البعثات، فإن التغطية المحدودة للسمات للنماذج كانت مناسبة. كعنصر رئيسي في EHA ، جذبت محركات المؤازرة اهتماما منفصلا فيما يتعلق بالنمذجة والتصميم ، والنتائج مفيدة أيضا لتطوير نموذج EHA. يمكن أيضا النظر في الشبكات الحرارية ونماذج الوزن وما إلى ذلك لنمذجة EHA17،18،19. تشير الأدبيات التي تمت مراجعتها إلى أنه حتى بالنظر إلى نتائج المنتجات المتعلقة ب EVDP ، فإن النماذج المتقدمة لا تحلل جميع سمات الأداء المؤثرة للمنتجات للتصميم الأولي. أداء التحكم والأداء الحراري والموثوقية والعمر الافتراضي هي السمات الأكثر إهمالا في بناء النماذج. لذلك ، تقترح هذه الورقة حزمة نموذجية قادرة على تحليل جميع سمات الأداء الأكثر تأثيرا للتصميم الأولي ل EVDP. كما يتم تقديم تحليل المحاكاة لتوضيح وظائف النموذج بشكل أفضل. هذه الورقة هي امتداد لمنشور سابق20 ، لأنها تحسن توليد المعلمات ، وتتضمن نموذج العمر الافتراضي ، ونموذج الموثوقية ، ونموذج التحكم ، وتحسن تكلفة الحساب ، وتتحقق من صحة النموذج ، وتجري تحليلا متعمقا للمحاكاة ، إلخ.
يتم استبدال وحدة التحكم الهيدروليكية التقليدية لمضخة المكبس متغيرة الإزاحة بمشغل كهربائي لتحسين الاكتناز وتقليل تبديد الحرارة ، كما هو موضح في الشكل 1. يتكون المحرك الكهربائي من برغي كروي وعلبة تروس ومحرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM). يقوم المحرك الكهربائي بتوصيل لوحة الغسل عبر قضيب لتنظيم إزاحة المضخة. عند تطبيقه في EHAs ، يتم التحكم في الوضع الدوراني للوحة الغسيل EVDP في حلقة مغلقة عن طريق تعديل PMSM. يتم دمج المحرك الكهربائي مع مضخة المكبس في حالة متبادلة لتشكيل مكون متكامل. هذا التصميم يغمر المحرك الكهربائي في سائل العمل ويعزز هنا تأثيرات الاقتران متعددة المجالات.
نظرا لأن EVDP هو منتج ميكاترونيك نموذجي متعدد المجالات ، فإن تصميمه الأولي يلعب دورا أساسيا في تحسين المقايضات في أدائه على مستوى النظام وتحديد متطلبات تصميم المكونات. يتم توضيح العملية في الشكل 2 استنادا إلى مخطط التصميم القائم على المحاكاة10,12. تقوم الخطوة 1 أولا بتحليل بنية EVDP المحددة ، كما في الشكل 1 ، وتختتم معلمات التصميم بناء على متطلبات الأداء المحددة. بعد ذلك ، عادة ما يتم تحويل مهمة التصميم إلى مشكلة تحسين لاستكشاف تحسين أداء EVDP. يتم ذلك عن طريق تحويل معلمات التصميم إلى متغيرات التحسين وتحويل متطلبات الأداء إلى أهداف وقيود. تجدر الإشارة إلى أن معلمات التصميم تحتاج إلى تصنيفها إلى فئات نشطة ومدفوعة وتجريبية. يتم استخدام المعلمات النشطة فقط كمتغيرات تحسين بسبب ميزات استقلاليتها. يتم إنشاء الفئتين الأخريين تلقائيا عن طريق التقدير من المعلمات النشطة. لذلك ، تقوم الخطوة 2 بتطوير نماذج التقدير للمعلمات المدفوعة والتجريبية. يتم استخدام أدوات التقدير هذه في كل تكرار للتحسين ، وكذلك في الخطوة 5 لصياغة جميع معلمات المحاكاة المطلوبة. تبني الخطوة 3 نماذج الحساب لكل هدف أو قيد تحسين ، مما يعكس الأداء المطلوب. وينبغي أن تكون هذه النماذج فعالة حسابيا؛ خلاف ذلك ، فإن تكلفة حساب التحسين ستكون غير مقبولة. تقوم الخطوة 4 بإجراء حساب التحسين ، والذي عادة ما يكون متعدد الأهداف ومتعدد التخصصات. كما أنه يتعامل مع عدم اليقين في المعلمات في مرحلة التصميم الأولي. تقوم الخطوة 5 ببناء نموذج شامل ل EVDP المصمم واستخدامه للتحقق من صحة نتائج التحسين من خلال محاكاة EVDP في إطار دورات العمل النموذجية. هذا النموذج هو الأداة النهائية لتقييم نتائج التصميم الأولية. لذلك ، يجب أن يكون لهذا النموذج أعلى دقة وأن يتضمن جميع الخصائص المؤثرة بأسلوب اقتران ضيق. وأخيرا ، يتم الحصول على نتائج أداء التصميم الأولية ونتائج الأبعاد على مستوى النظام.
تركز هذه الورقة على طريقة نمذجة النظام والمحاكاة الخاصة ب EVDP ، والتي تتضمن إجراء تحليل المعلمة في الخطوة 1 وإكمال الخطوتين 2 و 5. أولا ، يتم اشتقاق معلمات التصميم بناء على بنية EVDP ومتطلبات التصميم ، ويتم تصنيفها إلى ثلاث فئات فرعية. ثانيا ، يتم تطوير نماذج التقدير للمعلمات غير النشطة بناء على قوانين القياس ، وكتالوجات المكونات ، والوظائف التجريبية ، وما إلى ذلك. ثالثا ، يتم بناء النموذج العام ل EVDP باستخدام معادلات اقتران متعددة التخصصات ونماذج فرعية إضافية مدى الحياة والموثوقية ، ويتم التحقق من النموذج جزئيا عن طريق التجارب. وأخيرا، يتم استيراد نتائج التحجيم السابقة إلى النموذج الذي تم بناؤه لإجراء تحليل المحاكاة في إطار دورات العمل النموذجية. يتم استنتاج الأداء على مستوى النظام بناء على نتائج المحاكاة. كما يتم تقييم حساسية المعلمة ومتانة التصميم. ونتيجة لذلك، تطور هذه الورقة طريقة نمذجة ومحاكاة محددة للتصميم الأولي ل EVDP. يتم التنبؤ بشكل شامل بأداء EVDP للتطبيق في EHA. وتمثل الطريقة المقترحة أداة عملية لتطوير EVDPs و EHAs متغيرة الإزاحة للتطبيقات عالية الطاقة. يمكن أيضا الرجوع إلى هذه الطريقة لتطوير أدوات محاكاة لأنواع أخرى من منتجات الميكاترونيك. يشير EVDP في هذه الورقة إلى مضخة الإزاحة المتغيرة التي يتم التحكم فيها كهروميكانيكيا ، ولكن مضخة الإزاحة المتغيرة التي يتم التحكم فيها كهربائيا هيدروليكيا خارج نطاق هذه الورقة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: تم استخدام Matlab و Simcenter Amesim (المشار إليهما باسم منصة محاكاة النظام فيما يلي) في هذا البروتوكول وهما مدرجان في جدول المواد. ومع ذلك، فإن البروتوكول المقترح لا يقتصر على التنفيذ في هذين التطبيقين البرمجيين.
1. اختيار وتصنيف معلمات تصميم EVDP (الخطوة 1 في الشكل 2).
- قم بتفكيك بنية EVDP في الشكل 1 إلى وحدة مضخة مكبس ، وبرغي كروي ، وعلبة تروس ، و PMSM ، ووحدة تحكم. تحقق من متطلبات الأداء الخاصة ب EVDP.
ملاحظة: على وجه الخصوص في هذه الورقة، شملت المتطلبات سعة الطاقة وأداء التحكم والأداء الحراري والعمر الافتراضي والموثوقية والكفاءة والوزن. - تلخيص معلمات الحجم ومواصفات مكونات EVDP. تحليل المعلمات والمواصفات وتحديد تلك المتعلقة بمتطلبات أداء EVDP المحددة.
ملاحظة: معلمات ومواصفات المكونات المحددة هي معلمات التصميم في التصميم الأولي ل EVDP ، كما هو موضح في الجدول 1. يتضمن الجدول 1 أيضا نتائج تصنيف المعلمات التي تم الحصول عليها من خلال الخطوة 1.3 . - تصنيف معلمات التصميم إلى فئات نشطة ومدفوعة وتجريبية21، كما هو موضح في الجدول 120.
- قم بتعيين المعلمات أو المواصفات المستقلة الأكثر تمثيلا لكل مكون إلى الفئة النشطة.
- قم بتعيين المعلمات التي يمكن اشتقاقها من المعلمات النشطة إلى الفئة المدفوعة.
- تعيين المعلمات الأخرى التي يتم حسابها باستخدام الدوال التجريبية إلى الفئة التجريبية.
ملاحظة: المقاومات الحرارية هي مجموعة من المعلمات لنمذجة الشبكة الحرارية. يتم تعيين كل مسار حراري بمقاومة حرارية. يتم تحديد كمية وقيم المعلمات الحرارية أخيرا من خلال بنية الشبكة الحرارية.
2. تطوير نماذج التقدير للمعلمات الدافعة والتجريبية (الخطوة الثانية في الشكل 2).
ملاحظة: قم بتنفيذ نماذج التقدير للمعلمات المدفوعة والتجريبية باستخدام Matlab استنادا إلى الطرق التالية. يتم إنشاء برنامج نصي فردي لكل معلمة مدفوعة أو تجريبية.
- تقدير المضخات والمعلمات التي يحركها المحرك من المعلمات النشطة باستخدام قوانين التحجيم22,23.
ملاحظة: المعلمات التي تحركها المضخة والمحرك هي في الغالب هندسية أو مرتبطة بالوزن ، والتي عادة ما تفي بمتطلبات التشابه بين المواد والهندسة لاستخدام قوانين التحجيم.- حدد نسبة القياس لمعلمة مكون تعسفي واحد x على النحو التالي:
(1)
حيث x هي المعلمة المعنية و xref هي المعلمة المقابلة لمكون مرجعي. ربط المعلمات النشطة والمدفوعة بالبعد المميز للمكون على النحو التالي:
(2)
حيث Y* هي نسبة التحجيم لمعلمة نشطة أو مدفوعة واحدة ، و l * هي نسبة التحجيم للبعد المميز للمكون ، و α هي معامل نسبة التحجيم. - ربط كل معلمة مدفوعة من المكون بالمعلمة النشطة من خلال الجمع بين المعادلة المعنية (2) من المعلمة المدفوعة المحددة والمعلمات النشطة.
ملاحظة: بعض النتائج النموذجية هي22,23:
(3)
حيث تشير رموز المعادلات إلى الجدول 1. ارجع إلى جدول المواد للحصول على تفاصيل مضخة المكبس والمحرك المستخدم في هذا البروتوكول.
- حدد نسبة القياس لمعلمة مكون تعسفي واحد x على النحو التالي:
- قم بتقدير المعلمات المدفوعة لعلبة التروس والمسمار الكروي من المعلمات النشطة باستخدام كتالوجات المكونات.
ملاحظة: المعلمات النشطة لعلبة التروس والمسمار الكروي هي قيم منفصلة. التباين المستمر للمعلمات النشطة غير ممكن بسبب قيود الآلية أو ارتفاع التكاليف. لذلك ، يفضل استخدام علب التروس الجاهزة أو مسامير الكرة.- قم بتقدير المعلمات المدفوعة لعلبة التروس عن طريق استخراج تلك المعلمات من ورقة بيانات علبة التروس التي تتطابق بشكل أفضل مع النسبة المحددة وعزم الدوران الاسمي. بشكل خاص في هذه الورقة ، تم استخدام رأس التروس (جدول المواد) لبناء مكتبة علبة التروس في برنامج Matlab. استخدم عزم الدوران الاسمي قبل النسبة المحددة لمطابقة علبة التروس استنادا إلى طريقة تنظيم الحافظة لرأس التروس المحدد (جدول المواد).
- قم بتقدير المعلمات المدفوعة لبرغي الكرة عن طريق استخراج تلك المعلمات من ورقة بيانات المسمار الكروي التي تتطابق بشكل أفضل مع الرصاص المحدد والحمل الاسمي. بشكل خاص في هذه الورقة ، تم استخدام المسمار الكروي (جدول المواد) لبناء مكتبة المسمار الكروي في Matlab. استخدم الحمل الاسمي قبل الرصاص المحدد لمطابقة المسمار الكروي استنادا إلى طريقة تنظيم المحفظة لبرغي الكرة المحدد (جدول المواد).
- قم بتقدير كفاءة المضخة وعلبة التروس والمسمار الكروي من خلال الوظائف التجريبية.
ملاحظة: لا يتم توفير معلمات الكفاءة بواسطة أوراق بيانات المضخة وعلبة التروس والمسمار الكروي، لذلك يتم تقديرها بطريقة تجريبية قائمة على الوظيفة.- افترض أن الكفاءة الحجمية للمضخة والكفاءة الميكانيكية للمضخة عند نقطة العمل الاسمية هي 0.95 و 0.90 على التوالي. استخدم هاتين القيمتين لتناسب الدوال التجريبية للتسرب والاحتكاك اللزج عند نقطة العمل الاسمية، كما في المعادلة (4) والمعادلة (5)24. ثم اشتق المعاملات ، E pv و Epm من الدوال التجريبية. ونتيجة لذلك ، استخدم الوظائف التجريبية المشتقة لمحاكاة خصائص الكفاءة في ظل ظروف العمل الكاملة:
(4)
(5)
حيث Δ p هو فرق ضغط المضخة ، Tpo هو درجة حرارة الزيت في المضخة ، D p هو إزاحة المضخة الفورية ، و S p هي سرعة المضخة.
ملاحظة: يمكن الحصول على بيانات الكفاءة في نقطة العمل الاسمية للمضخات الجاهزة من الشركة المصنعة، على الرغم من أن الأمر لم يكن كذلك في هذه الورقة. بعد ذلك ، يمكن استخدام بيانات الكفاءة بدلا من البيانات المفترضة لتحسين الدقة. يتم تنظيم المعاملات المشتقة ، التي تقع تحت نقطة العمل الاسمية ، وفقا لظروف العمل الفورية (أي الإزاحة ودرجة الحرارة). - استخدم بيانات الكفاءة القصوى لعلبة التروس أو المسمار الكروي لتناسب وظيفة الاحتكاك اللزج تحت الحمل الأقصى والسرعة القصوى، كما في المعادلة (6). ثم اشتق معامل الاحتكاك اللزج f. نتيجة لذلك ، قم بنمذجة علبة التروس الفورية أو كفاءة المسمار الكروي كما في المعادلة (7):
(6)
(7)
حيث E max و Smax و Fmax هي أقصى كفاءة وأقصى سرعة وأقصى قوة لعلبة التروس أو المسمار الكروي الذي تم الحصول عليه من ورقة البيانات ، على التوالي ؛ E و S و F هي الكفاءة الفورية والسرعة الفورية والقوة الفورية لعلبة التروس أو المسمار الكروي أثناء المحاكاة ، على التوالي ؛ و f هو معامل الاحتكاك اللزج لعلبة التروس أو المسمار الكروي.
ملاحظة: افترض أن أقصى كفاءة لبرغي الكرة هي 0.90 بسبب عدم وجود أي بيانات متعلقة بالكفاءة. قم بتحديث وظيفة الكفاءة لبرغي الكرة بمجرد توفر البيانات المتعلقة بالكفاءة.
- افترض أن الكفاءة الحجمية للمضخة والكفاءة الميكانيكية للمضخة عند نقطة العمل الاسمية هي 0.95 و 0.90 على التوالي. استخدم هاتين القيمتين لتناسب الدوال التجريبية للتسرب والاحتكاك اللزج عند نقطة العمل الاسمية، كما في المعادلة (4) والمعادلة (5)24. ثم اشتق المعاملات ، E pv و Epm من الدوال التجريبية. ونتيجة لذلك ، استخدم الوظائف التجريبية المشتقة لمحاكاة خصائص الكفاءة في ظل ظروف العمل الكاملة:
- تقدير معلمات المقاومة الحرارية. تقدير المقاومات الحرارية لنموذج الشبكة الحرارية الذي تم تطويره في الخطوة 3.3. باستخدام الدوال التجريبية من نظرية الديناميكا الحرارية. صنف المقاومات الحرارية إلى نوعين: الحمل الحراري القسري والتوصيل.
ملاحظة: حدد المقاومة الحرارية بين غلاف EVDP والبيئة كقيمة ثابتة. وذلك لأن المرحلة الحالية تبحث في الخصائص الحرارية داخل المضخة ، في حين أن الأداء التفصيلي لتبديد الحرارة للقذيفة هو محور التصميم الحراري المستقبلي.- تقدير مقاومة التوصيل الحراري بين الأجزاء الصلبة باستخدام المعادلة (8) التي تستند إلى قانون القياس23:
(8)
حيث Rsst هو المقاومة الحرارية بين جزأين صلبين ، و Tmn هو عزم الدوران الاسمي لمحرك المؤازرة.
ملاحظة: تستخدم المعادلة (8) فقط لتقدير المقاومة الحرارية للتوصيل الحراري لغلاف اللف لأنها التلامس الصلب الصلب الوحيد في نموذج الشبكة الحرارية. - تقدير المقاومة الحرارية للحمل الحراري القسري بين جزء صلب وجزء سائل باستخدام المعادلة (9)25,26:
(9)
حيث Rsft هي المقاومة الحرارية بين جزء صلب وجزء سائل ؛ λf هي الموصلية الحرارية للسائل. La هو الطول المميز للتبادل الحراري. C Re و m هما عاملان يعتمدان على رقم رينولدز Re ؛ Pr هو رقم Prandtl. و At هي منطقة التبادل الحراري.
ملاحظة: يتم تقدير La والأبعاد الهيكلية الأخرى بناء على قوانين التحجيم، ويتم حساب سرعة السائل عبر منطقة التبادل الحراري على الفور من نتائج محاكاة تدفق المضخة.
- تقدير مقاومة التوصيل الحراري بين الأجزاء الصلبة باستخدام المعادلة (8) التي تستند إلى قانون القياس23:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)3. بناء نموذج محاكاة النظام (الخطوة 5 في الشكل 2).
ملاحظة: قم ببناء نموذج اقتران متعدد التخصصات ل EVDP يمكنه فحص أدائه الكامل. يتم عرض بنية النموذج في الشكل 3 ، ويتم تنفيذ النموذج في بيئة المحاكاة المشتركة على أساس Matlab ومنصة محاكاة النظام. أولا ، قم ببناء النموذج الفردي المقطوع لكل مكون أو تخصص. ثم قم بتجميع نماذج المكونات / الانضباط وفقا للشكل 3.
- بناء نموذج الوزن من EVDP في Matlab.
- احسب وزن EVDP عن طريق جمع أوزان كل مكون ، والتي يتم الحصول عليها من نماذج تقدير الوزن في الخطوة 2.
- إجراء نمذجة المعلمات المجمعة الديناميكية ل EVDP في منصة محاكاة النظام.
- قم ببناء نموذج الحركة الكهرومغناطيسية لمحرك المؤازرة ، ونموذج الحركة للناقل الميكانيكي ، ونموذج الحركة الهيدروليكية لوحدة مضخة المكبس ، ونموذج عزم دوران الحمل للوحة الغسيل ، كما هو موضح سابقا20.
- نموذج خسائر النظام كما في المعادلة (10):
(10)
حيث QmCu هو فقدان النحاس لمحرك المؤازرة ؛ Qmr هو فقدان الدوار للمحرك المؤازر. Qpv و Qpm هما الخسارة الحجمية والخسارة الميكانيكية للمضخة ، على التوالي ؛ Qg هو فقدان علبة التروس. Qs هو فقدان المسمار الكرة. طم هو تيار المحرك المؤازر. Sm هي سرعة محرك المؤازرة. Δp هو فرق ضغط المضخة. Tpo هي درجة حرارة الزيت في المضخة. Dp هو إزاحة المضخة. Sp هي سرعة المضخة. fg هو معامل الاحتكاك اللزج لعلبة التروس ؛ S s هي سرعة إدخال علبة التروس. و Ts هو عزم دوران المسمار الكروي. - نمذجة خصائص الموائع كما في المعادلة (11). تحديد المعاملات عن طريق تركيب ورقة بيانات السائل مع المعادلة (11):
(11)
حيث ρ f و ρf0 هما الكثافة الفورية والمرجعية ، على التوالي ؛ C p و Cp0 هما الحرارة النوعية الفورية والمرجعية ، على التوالي ؛ μf و μf0 هما اللزوجة المطلقة الفورية والمرجعية ، على التوالي ؛ λ f و λf0 هما الموصلية الحرارية الفورية والمرجعية ، على التوالي ؛ pi هو الضغط الفوري لعقدة سائل ith ؛ Ti هي درجة الحرارة الفورية لعقدة السائل ith. p 0 و T0 هما الضغط المرجعي ودرجة حرارة خصائص السائل ؛ و m ، n ، b m ، n ، c m، n ، و d m ، n هي المعاملات. - نمذجة ديناميكيات الضغط لأحجام الموائع كما في المعادلة (12)27,28. نمذجة الفتحة كما في المعادلة (4):
(12)
حيث p هو ضغط حجم السائل ؛ B هو معامل السائبة السائلة. ρ هي كثافة السوائل. V هو حجم السوائل.
وهي 
معدل التدفق الكتلي الوارد والصادر لحجم السائل ، على التوالي ؛ αp هو معامل التمدد الحجمي للسائل. و T هي درجة حرارة حجم السائل. - قم بنمذجة وحدة التحكم باستخدام وحدة تحكم PID ثلاثية الحلقات ، كما في الشكل 46. قم بضبط معلمات التحكم من خلال العديد من تجارب المحاكاة عندما يكون نموذج المحاكاة ومعلمات المحاكاة الأخرى جاهزة. اضبط معلمات التحكم من الحلقة الداخلية إلى الحلقة الخارجية عن طريق زيادة قيم الكسب تدريجيا.
- أضف زنبرك دوار ونموذج مخمد بين مصدر سرعة القيادة ودوار المضخة. أضف نموذج نابض خطي ومثبط بين سرعة الإدخال وكتلة تحميل المسمار الكروي.
ملاحظة: تتيح هذه الخطوة السببية للمعادلة في نموذج وحدة مضخة المكبس ونموذج المسمار الكروي. اضبط تصنيف صلابة الزنبرك والمثبط على قيم ثابتة يمكن أن تدفع تأثيرات هاتين الكتلتين إلى الجهل.
- إجراء النمذجة الحرارية ل EVDP في منصة محاكاة النظام.
- قم بتعيين شبكة حرارية ل EVDP20. أضف الحمل الحراري في المعادلة (10)، باستثناء Qpv، إلى العقد الحرارية المقابلة.
- نمذجة المقاومات الحرارية للتبادل الحراري الصلب الصلب والتبادل الحراري للسوائل الصلبة باستخدام وظائف المعلمة في الخطوة 2.4. نمذجة التبادل الحراري لعقد الموائع والسوائل من خلال تبادل معدلات تدفق المحتوى الحراري الخارجي (راجع الخطوة 3.3.4.) 29.
ملاحظة: هيكل التبادل الحراري المرجعي وأبعاد EVDP ضروريان للحصول على المعلمات في المعادلة (9) استنادا إلى قوانين التحجيم. ويبين الشكل 5 هيكل التبادل الحراري المستخدم ل EVDP. - نمذجة ديناميكيات درجة حرارة العقد الحرارية الصلبة كما في المعادلة (13):
(13)
حيث
، m ، و cp هي معدل تدفق الحرارة والكتلة والحرارة النوعية للعقدة الصلبة ، على التوالي. - نمذجة ديناميكيات درجة حرارة أحجام الموائع كما في المعادلة (14)27,28:
(14)
حيث p و m و c p و α p هي الضغط والكتلة والحرارة النوعية ومعامل التمدد الحجمي لعقدة السائل ، على التوالي ؛ V و h هما الأحجام والمحتوى الحراري لعقدة السائل ، على التوالي ؛ و hin هما معدل تدفق الكتلة والمحتوى الحراري للتدفق الوارد ، على التوالي ؛ هو سعر الصرف الحراري. و Ws هو عمل العمود للعقدة السائلة. - نمذجة ديناميكيات درجة حرارة الفتحات كما في المعادلة (15). يحدد هذا أيضا تأثيرات الحمل الحراري ل Qpv. نمذجة الفتحات كعقدة نقل المحتوى الحراري المثالية ، والتي تنقل المحتوى الحراري الوارد مباشرة إلى المحتوى الحراري الصادر.
(15)
حيث α p و ρ و cp هي معامل التمدد الحجمي والكثافة والحرارة النوعية للسائل ، على التوالي. - نمذجة تحويلات المحتوى الحراري داخل المضخة كما في المعادلة (16):
(16)
حيث dmh خارج و dmhفي هي معدل تدفق المحتوى الحراري الصادر والوارد ، على التوالي ؛ و D p و Δp و Sp هي الإزاحة وفرق الضغط وسرعة المضخة ، على التوالي.
- لنمذجة العمر الافتراضي والموثوقية، اضبط المسمار الكروي ووحدة مضخة المكبس كمكونات مهمة مدى الحياة والموثوقية. استخدم القيمة الأصغر لعمر/موثوقية هذين المكونين المقيمة كأداء عمر/موثوقية EVDP. نفذ النماذج باستخدام نصوص Matlab.
- استخدم عمر التعب لبرغي الكرة كعمرها. استخدم عمر تآكل وحدة مضخة المكبس كعمر افتراضي. نمذجة عمر وحدة مضخة المسمار والمكبس الكروي كما في المعادلة (17) والمعادلة (18)13,30:
(17)
(18)
حيث F amp i و Fيعني i هي سعة قوة الحمل ومتوسط الحمل لبرغي الكرة المشتق من نتائج محاكاة الحمل لبرغي الكرة باستخدام عد تدفق المطر ؛ Fmax هو الحد الأقصى لقوة الحمل المسموح بها لبرغي الكرة ؛ Δpmeani هو متوسط ضغط الحمل للمضخة المشتق من نتائج محاكاة ضغط الحمل للمضخة باستخدام حساب تدفق المطر ؛ Sp هي سرعة المضخة. m هي كمية الدورات المختلفة التي يتم حسابها ؛ ni هي كمية دورة ith ؛ Ni هي كمية دورة ith التي يمكن أن تنفد من عمر المكون. Tcyc هي مدة دورة العمل ، والتي يتم من خلالها تحديد دورات m ؛ و p و α β هي الثوابت التجريبية.
ملاحظة: يتم الحصول على N i عن طريق تركيب إجهاد الحمل المرتبط به ،
مع منحنى S-N الخطي لسجل السجل ، والذي يتم إنشاؤه باستخدام بيانات الحمل القصوى وبيانات عمر الحمل الاسمية للمكون المحدد. يمكن تحسين منحنى S-N سجل السجل عند توفر المزيد من البيانات مدى الحياة. - افترض أن موثوقية المسمار الكروي والمضخة المقابلة لعمرها الافتراضي هي 0.90. حدد الموثوقية كما تم حسابها فيساعة العمل رقم 50,000. نمذجة موثوقية وحدة مضخة المسمار الكروي والمكبس كما في المعادلة (19)13:
(19)
حيث Rref هو الموثوقية المرجعية في العمر المرجعي L h ، 10 و Lh ، 10 المواصفات هي وقت العمل المحدد لتقييم الموثوقية.
- استخدم عمر التعب لبرغي الكرة كعمرها. استخدم عمر تآكل وحدة مضخة المكبس كعمر افتراضي. نمذجة عمر وحدة مضخة المسمار والمكبس الكروي كما في المعادلة (17) والمعادلة (18)13,30:
- تجميع النموذج.
- ضع جميع المعادلات الضرورية (المقدمة من الخطوة 3.1-3.4) لكل عقدة في الشكل 3 معا لتشكيل كتلة النموذج لكل عقدة. استنتج متغيرات الإدخال والإخراج لكل عقدة.
ملاحظة: خذ عقدة مضخة المكبس النظرية كمثال. وهو ينطوي على خمس معادلات: عزم دوران القيادة مع الأخذ في الاعتبار الخسائر الميكانيكية ، وتدفق الإخراج دون النظر في التسرب (يتم نمذجة التسرب بشكل منفصل بواسطة الفتحات) ، وتباين الإزاحة وفقا لحركة التحكم في الإزاحة ، ونقل المحتوى الحراري ، وعزم دوران الحمل الناتج عن لوحة الغسيل. المدخلات المشتقة هي سرعة القيادة ، والضغط ودرجة الحرارة في المنفذين ، وإزاحة لوحة الغسيل. المخرجات المشتقة هي زاوية العمود ، وعزم دوران الحمل لعمود القيادة ، وتدفق الإخراج ، والمحتوى الحراري الناتج ، وعزم دوران الحمل الناتج عن لوحة الغسيل. - تحديد مدخلات ومخرجات نموذج EVDP الشامل وإجراء تحليل السببية لجميع العقد. أضف عقدا إضافية عند الضرورة للتأكد من أن جميع العقد مرتبطة سببيا. ثم قم بتوصيل جميع العقد لتشكيل النموذج العام ل EVDP ، كما في الشكل 3.
ملاحظة: تمت إضافة عقد مسار السائل الثلاث وعقدتي منفذ داخلي في الشكل 3 لضمان توافق السببية الكلية للنموذج. تم نمذجتها على أنها فتحات (المعادلة [4]).
- ضع جميع المعادلات الضرورية (المقدمة من الخطوة 3.1-3.4) لكل عقدة في الشكل 3 معا لتشكيل كتلة النموذج لكل عقدة. استنتج متغيرات الإدخال والإخراج لكل عقدة.
(10)
(11)
(12)
وهي 
معدل التدفق الكتلي الوارد والصادر لحجم السائل ، على التوالي ؛ αp هو معامل التمدد الحجمي للسائل. و T هي درجة حرارة حجم السائل.
(13)
، m ، و cp هي معدل تدفق الحرارة والكتلة والحرارة النوعية للعقدة الصلبة ، على التوالي.
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
مع منحنى S-N الخطي لسجل السجل ، والذي يتم إنشاؤه باستخدام بيانات الحمل القصوى وبيانات عمر الحمل الاسمية للمكون المحدد. يمكن تحسين منحنى S-N سجل السجل عند توفر المزيد من البيانات مدى الحياة.
(19)4. التحقق الجزئي من النموذج (الخطوة 5 في الشكل 2).
ملاحظة: استخدم نموذج EVDP الأولي وجهاز الاختبار الخاص به للتحقق من طريقة النمذجة في الخطوة 3. تم تنفيذ الخطوة 4 (التحقق من النموذج) في هذه الورقة لأن EVDP تم تطويره حديثا ، وتم اقتراح النماذج حديثا. تم تقليص حجم النموذج الأولي ل EVDP المستخدم في هذه الورقة مقارنة بالنموذج الذي تمت محاكاته في الخطوة 5. تعتبر النماذج التي تم التحقق من صحتها بناء على النموذج الأولي المصغر قابلة للتطبيق لمحاكاة نفس النوع من EVDP بأحجام أخرى. بالنسبة لمهام النمذجة والمحاكاة المستقبلية أثناء التصميم الأولي لنفس النوع من EVDP ، يمكن حذف الخطوة 4.
- إجراء الإعداد التجريبي.
- بناء نموذج EVDP وفقا للمخططات في الشكل 1. قم بتكييف المكونات الموجودة لتشكيل المكونات الفرعية ل EVDP ، مثل وحدة مضخة المكبس ، وعلبة التروس ، والمسمار الكروي ، ومحرك المؤازرة.
ملاحظة: تم استخدام مضخة ذات 7 مكابس تتميز بإزاحة 7.4 مل / دورة في بناء النموذج الأولي في هذه الورقة. كان الحد الأقصى لميل لوحة الغسل 18 درجة. كانت السرعة الاسمية 7000 لفة / دقيقة ، وكان الضغط الاسمي 21 ميجا باسكال. كان الرصاص المسمار الكروي 1.59 × 10-3 م ، وكانت نسبة علبة التروس 2.47. يظهر النموذج الأولي ل EVDP في الشكل 6. - قم بتثبيت EVDP على منصة اختبار تتكون من جزء تحميل وجزء تحكم31 ، كما هو موضح في الشكل 7. قم بتوصيل منافذ EVDP الثلاثة بالدائرة الهيدروليكية لجزء التحميل. قم بتوصيل الكابلات الكهربائية EVDP بجزء التحكم.
- بناء نموذج EVDP وفقا للمخططات في الشكل 1. قم بتكييف المكونات الموجودة لتشكيل المكونات الفرعية ل EVDP ، مثل وحدة مضخة المكبس ، وعلبة التروس ، والمسمار الكروي ، ومحرك المؤازرة.
- إجراء اختبار النموذج الأولي.
- ابدأ تشغيل الطاقة الهيدروليكية الإضافية (9) بالضغط على زر البدء الموجود على اللوحة.
- اضبط إزاحة EVDP على 2.5 درجة في مربع نص أمر الإزاحة باستخدام واجهة المستخدم. قم بتنشيط صمام الوضع (10) واضبط صمامات التحكم في الحمل (12) إلى ضغط تحميل 3.5 ميجا باسكال باستخدام اللوحة. قراءة وتسجيل تدفق الإخراج من EVDP من اللوحة.
- اضبط إزاحة EVDP على -18 درجة و-15 درجة و-12 درجة و-10 درجات و-8 درجة و-5 درجة و-2.5 درجة و2.5 درجة و5.5 درجة و5 درجات و8 درجات و10 درجات و12 درجة و15 درجة و18 درجة على التوالي. سجل كل تدفق خرج من EVDP تحت كل إزاحة مجموعة، كما هو موضح في الشكل 8A.
- اضبط إزاحة EVDP على 2.5 درجة واضبط ضغط الحمل على حوالي 3.3 ميجا باسكال و 5 ميجا باسكال و 8 ميجا باسكال و 10 ميجا امبير و 13 ميجا باسكال و 15 ميجا باسكال و 17 ميجا باسكال و 18 ميجا باسكال و 19 ميجا باسكال و 20 ميجا باسكال و 21 ميجا باسكال على التوالي. سجل تدفق الإخراج من EVDP تحت كل ضغط. اضبط إزاحة EVDP على 5 درجات و 8 درجات و 18 درجة على التوالي ، وكرر إعداد الضغط لاختبار الإزاحة 2.5 درجة لكل إزاحة جديدة. سجل تدفق مخرجات EVDP تحت كل نقطة اختبار، كما هو موضح في الشكل 8B.
- قم بإلغاء تنشيط صمام الوضع (10) عن طريق الضغط على الزر الموجود على اللوحة. اضبط أمر إزاحة التردد الشامل (من 0.02 هرتز إلى 20.5 هرتز بسعة 2.5 درجة) على EVDP في مربع نص واجهة المستخدم. سجل استجابة إزاحة EVDP واستمد خصائص حجمها وطورها ، كما هو موضح في الشكل 9A.
- تحليل النتائج التجريبية.
- قم بتعيين المعلمات النشطة للنموذج الأولي EVDP على النموذج المبني في الخطوة 3. يقوم النموذج بإنشاء معلمات محاكاة أخرى مطلوبة تلقائيا. اضبط درجة حرارة البيئة ودرجة حرارة EVDP الأولية عند 40 درجة مئوية. قم بتشغيل نموذج المحاكاة تحت نفس الظروف كما هو الحال في اختبار النموذج الأولي EVDP في الخطوة 4.2 وسجل نتائج المحاكاة.
- ارسم النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة لكل مجموعة حالة في نفس الشكل ، كما هو موضح في الشكل 8 والشكل 9.
ملاحظة: حدث الحد الأقصى لخطأ محاكاة التدفق (2.2 لتر/دقيقة) عند إزاحة 2.5 درجة، وهو ما يمثل 4.35٪ من تدفق EVDP الكامل. حققت نتائج المحاكاة لخصائص التردد اتساقا جيدا مع النتائج التجريبية تحت أوامر 10 هرتز وأظهرت أخطاء أعلى من أوامر 10 هرتز. كانت دقة المحاكاة مرضية.
ملاحظة: نشأت الأخطاء الأعلى في نتائج محاكاة خصائص التردد التي تزيد عن أوامر 10 هرتز في الشكل 9A من أدوات توليد المعلمات لحزمة النموذج المقترحة. حققت نتائج المحاكاة دقة جيدة عند استخدام معلمات النموذج الأولي الحقيقي ، كما هو موضح في الشكل 9B. وأسفرت أدوات توليد المعلمات عن أخطاء لأن المكونات المرجعية المستخدمة لتقدير المعلمات لم تكن في نفس السلسلة التي كانت عليها مكونات النموذج الأولي (استخدمت المكونات الداخلية للنموذج الأولي ل EVDP). لذلك ، لا تشكل أخطاء المحاكاة مصدر قلق عندما تكون المكونات المحددة في نفس سلسلة المكونات المرجعية ، ولكن تتم أيضا مناقشة عدم اليقين في المعلمات في الخطوة 5.
5. تحليل المحاكاة (الخطوة 5 في الشكل 2).
ملاحظة: قم بإجراء تحليل محاكاة لخيار تصميم EVDP الذي تم الحصول عليه مسبقا عن طريق تنفيذ الخطوتين 3 و 4 (تصميم التحسين) في الشكل 2. قم بتقسيم عملية المحاكاة، كما هو موضح في الشكل 10.
- قم بتعيين المعلمات النشطة وإعدادات المحاكاة.
- استخدم مجموعة من المعلمات النشطة التي تم الحصول عليها مسبقا من EVDP للمحاكاة الأولى ، حيث تبلغ السرعة الاسمية EVDP 7000 دورة في الدقيقة ، والضغط الاسمي EVDP هو 28 ميجا باسكال ، والحد الأقصى لإزاحة EVDP هو 12.3 مل / لفة ، والجهد الاسمي لمحرك المؤازرة هو 28 VDC ، وعزم الدوران الاسمي لمحرك المؤازرة هو 0.386 نيوتن متر ، ويتم حذف علبة التروس ، القوة الاسمية لبرغي الكرة هي 5460 نيوتن ، ويؤدي المسمار الكروي 0.005 م.
- استخدم GJB1177-1991 15 # السائل الهيدروليكي الفضائي الجوي كمودع عمل في المحاكاة. اضبط البيئة عند درجة حرارة حرجة تبلغ 70 درجة مئوية. معامل التبادل الحراري بين غلاف EVDP والبيئة ثابت عند 20 واط / م2 / كل.
- قم بتعيين دورة التشغيل20. أضف مشتتا حراريا سائلا لجمع تدفق عودة EVDP وتدفق الإمداد إلى مدخل EVDP.
ملاحظة: يحاكي المشتت الحراري مكونات المصب في التطبيق الحقيقي. يحتوي على سائل سعة 10 لتر مع منطقة تبادل حراري 5 م 2 ، والتي تحافظ على معامل تبادل حراري 50 واط / م2 / ك مع البيئة. يتم استخدام التبديد الحراري القوي للمشتت الحراري السائل لتبديد كل طاقة خرج EVDP حيث يتم تحويل طاقة خرج EVDP إلى حرارة بواسطة صمام التحكم في الحمل. - اضبط معلمات التصميم على نطاقات تغطي مساحة التصميم لإجراء تحليل الحساسية. استخدم نسبة علبة التروس كمعلمة نموذجية في هذه الورقة. اضبط نطاق نسبة علبة التروس على 1-3.5 للتحقق من تأثيرات استخدام قيم متغيرة مستمرة لنسبة علبة التروس.
ملاحظة: تم تعيين نطاق نسبة علبة التروس باستخدام رقم السلسلة الأخير كحد أدنى واستخدام رقم السلسلة التالي كحد أعلى. وبهذه الطريقة ، يمكن تحليل آثار استخدام قيم متغيرة مستمرة لنسبة علبة التروس. نظرا لأن النسبة 1 (لا تستخدم علبة التروس) كانت نسبة علبة التروس المحسنة ، فإن نسبة علبة التروس من السلسلة الأخيرة لم تكن موجودة. يجب أن يكون الحد الأدنى للنطاق 1 في هذه الدراسة. لم تكن النسبة 3.5 بحاجة إلى المحاكاة مرة أخرى لأنه تمت مقارنتها بالفعل بنسبة 1 في تصميم التحسين السابق وتم التخلص منها. وأخيرا، تم اختيار النسبتين 2 و3 لتحليل الحساسية. قم بقياس المكونات الأخرى إلى أداء التحكم في إزاحة EVDP المقارن بمجرد تحديد نسبة علبة التروس الجديدة لضمان مقارنة عادلة32. - قم بتعيين معلمات التصميم إلى نطاقات تغطي تفاوتاتها لإجراء تحليل عدم اليقين. استخدم ثابت عزم دوران محرك المؤازرة ولحظة القصور الذاتي لمحرك المؤازرة كمعلمات نموذجية في هذه الورقة. اضبط نطاق ثابت عزم دوران محرك المؤازرة ولحظة القصور الذاتي للمحرك المؤازر على أنه 1 - 20٪ و 1 + 20٪ من قيمها المقدرة للتحقق من تأثيرات خطأ التقدير على خصائص تردد EVDP33.
- قم بتشغيل المحاكاة.
- قم بتعيين النموذج الديناميكي والنموذج الحراري المقترح في الخطوة 3 (المنفذة في منصة محاكاة النظام) وفقا للخطوة 5.1.2. انقر فوق وضع المعلمة > TFFD3-1 > اسم الملف للحصول على بيانات مميزة بسيطة للسوائل لاستيراد ملف خاصية النفط. انقر فوق وضع المعلمة > THGCV0-1 / THGCV0-2 > درجة حرارة السائل لضبط درجة حرارة البيئة عند 70 درجة مئوية. انقر فوق وضع المعلمة > THGCV0-1 / THGCV0-2 > معامل التبادل الحراري لضبط درجة حرارة البيئة عند (20 واط / م 2 / كل) / (50 واط / م2 / كل).
- أدخل المعلمات النشطة في الخطوة 5.1.1. إلى نماذج تقدير المعلمات (المنفذة باستخدام Matlab) المقترحة في الخطوة 2. انقر فوق EDITOR > Run لتشغيل البرنامج النصي لإنشاء جميع معلمات المحاكاة الضرورية ، كما هو موضح في الجدول 2.
ملاحظة: يتم الحصول على معلمات عنصر التحكم كما هو موضح في الخطوة 3.2.5. بدلا من أن يتم إنشاؤها تلقائيا. - انقر فوق EDITOR > Run in Matlab لتشغيل البرنامج النصي لحساب الوزن وتنشيط النماذج الديناميكية والحرارية باستخدام معلمات المحاكاة. يتم الحصول على نتائج المحاكاة تلقائيا بواسطة هذا البرنامج النصي.
- انقر فوق محرر > تشغيل في Matlab لتشغيل البرنامج النصي لحساب عمر EVDP وأداء الموثوقية من نتائج المحاكاة المحفوظة.
- انقر فوق وضع المحاكاة في النظام الأساسي لمحاكاة النظام للتحقق من نتائج المحاكاة. اشتقاق نتائج أداء EVDP الأخرى من نتائج محاكاة المجال الزمني هذه (على سبيل المثال ، دقة التحكم في لوحة الغسل وعرض النطاق الترددي ، ودرجة حرارة عمل EVDP ، وكفاءة EVDP ، ومستوى طاقة EVDP).
- انقر فوق وضع المعلمة في النظام الأساسي لمحاكاة النظام لتعيين معلمات المحاكاة المحددة في الخطوات 5.1.4. و 5.1.5. انقر فوق EDITOR > Run in Matlab لتشغيل البرنامج النصي لتنشيط النماذج الديناميكية والحرارية. انقر فوق وضع المحاكاة في منصة محاكاة النظام للتحقق من نتائج المحاكاة لتحليلات الحساسية وعدم اليقين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يعرض هذا القسم النتائج التي تم الحصول عليها من تنفيذ جميع خطوات البروتوكول ، والتي تشكل جزءا من الخطوة 1 ، وكل الخطوة 2 ، وكل الخطوة 5 من طريقة التصميم الأولي ل EVDP في الشكل 2. تتضمن معلومات الإدخال في البروتوكول مخططات EVDP في الشكل 1 ، والمعلمات النشطة المحسنة (الموضحة في الخطوة 5.1.1) من EVDP من الخطوة 4 من الشكل 2 ، ومهام محاكاة أداء EVDP ، والتي تتعلق بمتطلبات تصميم EVDP. نتائج البروتوكول هي نتائج التصميم الأولية النهائية ل EVDP ، بما في ذلك قيم معلمات تصميم EVDP وأداء EVDP المتوقع بموجب معلمات التصميم هذه. على وجه الخصوص ، تنتج نماذج تقدير المعلمات المضمنة في البروتوكول الخطوة 1 والخطوة 2 نتائج معلمات التصميم. تنتج الخطوة 3 والخطوة 4 من البروتوكول نموذج محاكاة للفحص النهائي ل EVDP. تتنبأ الخطوة 5 من البروتوكول بأداء EVDP بموجب معلمات التصميم المحددة. ويرد أدناه توضيح مفصل لهذه الأمور.
نتائج تقدير المعلمة استنادا إلى المعلمات النشطة في الخطوة 5.1.1. في الجدول 2. كانت هذه المعلمات كافية لتشغيل نموذج المحاكاة المقترح في الخطوة 3. أيضا ، سيتم توزيعها على الشركات المصنعة للمكونات لاستخدامها كمتطلبات المكونات. في وقت لاحق ، تم الحصول على كتلة EVDP بسهولة عن طريق إضافة أوزان المكونات المنفصلة معا ، مما أدى إلى 10.82 كجم.
بعد تنفيذ الخطوة 5.2.2. باستخدام المعلمات والإعدادات المذكورة أعلاه ، تم الحصول على نتائج المحاكاة الديناميكية والحرارية الخام. يعرض الشكل 11 ديناميكيات درجة الحرارة لأجزاء EVDP المختلفة ، والتي تدعم بقوة تقييم الأداء الحراري لتصميم EVDP المحدد. تشير النتائج إلى أن أعلى درجة حرارة للسائل (175 درجة مئوية) كانت عند حجم التصريف ، مما يحدد متطلبات التصميم الحراري المستقبلية. عرض السائل الموجود في خط التسرب (التصريف وناقل الحركة والمحرك) موجة درجة حرارة ، والتي كانت ناجمة في الغالب عن معدلات تدفق التسرب المختلفة. لذلك ، لا ينبغي النظر في التسرب فقط في تصميم الكفاءة ولكن أيضا في التصميم الحراري. أظهرت الأجزاء الصلبة ثابتا حراريا أبطأ بكثير ، لكنها لم تغير درجة حرارة EVDP بشكل كبير لأن الحرارة المتولدة والكتلة الصلبة لم تكن قابلة للمقارنة مع جانب السائل.
يوضح الشكل 12A كفاءة EVDP في إطار دورة عمل كاملة. في ظل حالة الحمل الكامل (أول 3 ثوان) ، حقق EVDP كفاءة إجمالية تبلغ حوالي 80٪ ، والتي يتم تعريفها على أنها طاقة سائل الإخراج / (طاقة إدخال العمود + طاقة إدخال المحرك المؤازر). انخفضت الكفاءة بشكل كبير عندما انخفض الحمل. وذلك لأن EVDP يعمل دائما بسرعته الاسمية ، مما يسبب خسائر احتكاك مستمرة ، ولكن الخسائر المطلقة ل EVDP انخفضت (من 8.4 كيلو واط إلى 2.3 كيلو واط) إلى جانب انخفاض الكفاءة في الشكل 12A. هذه هي الخصائص الشائعة لمعظم أجهزة تحويل الطاقة (أي أن ظروف الحمل الجزئي تؤدي إلى انخفاض الكفاءة ولكن الخسائر المطلقة تنخفض أيضا) ، لذلك فهي لا تسبب قلقا بشأن أداء EVDP. الكفاءة بنسبة 80٪ في حالة الحمل الكامل ل EVDP هي في الأساس نتيجة مرضية. تجدر الإشارة أيضا إلى أن نتائج الكفاءة تذبذبت عند 2-3 ثانية. خلال هذه الفترة ، كانت قوة عمود الإدخال وجزء التحكم في الإزاحة الكهروميكانيكية عند مستوى مماثل (1 كيلو واط). علاوة على ذلك ، أظهر جزء التحكم في الإزاحة الكهروميكانيكية تغيرا سريعا واستعادة استهلاك الطاقة خلال هذه الفترة بسبب ديناميكيات الضغط الداخلي العالية ل EVDP. لذلك ، وفقا لتعريف الكفاءة ، تتقلب الكفاءة في هذه الفترة بشكل كبير ، حتى أنها تتجاوز نطاق 0٪ -100٪.
تفحص استجابة التردد الشاملة (سعة 2.5 درجة من 8 هرتز إلى 20 هرتز) الأداء الديناميكي ل EVDP. وكما هو مبين في الشكل 12B، اتبع ميل صفيحة الغسل الأمر جيدا خلال نطاق التردد الشامل (-0.3 ديسيبل، -43 درجة كأدنى نطاق)، مما يشير إلى أكثر من 20 هرتز من عرض النطاق الترددي EVDP. تم الحصول على الأداء الديناميكي العالي بسهولة بسبب تصميم جهاز التحكم في القصور الذاتي المنخفض ل EVDP (أي جهاز التحكم الكهروميكانيكي). يوضح هذا المزايا الديناميكية ل EHA متغير الإزاحة باستخدام EVDP مقارنة ب EHA متغير السرعة. تحتاج EHA متغيرة السرعة إلى تدوير العمود الرئيسي للخمول العالي للمضخة الآلية ديناميكيا ، والذي وجد أنه يمثل تحديا كبيرا في التطبيق المدروس (مستوى طاقة 35 كيلوواط).
وأخيرا، الخطوة 5.2.3. والخطوة 5.3. تحويل بيانات المحاكاة الخام إلى الأداء المتوقع ل EVDP ، مع الامتثال لنمط المواصفات ، كما هو موضح في الجدول 3. تم التنبؤ بدقة تحكم جيدة (خطأ 0.09 درجة). وقد وجد أن عمر المضخة وموثوقيتها هما الأضعف، وهذان محددان في الجدول 3. بعد ذلك ، تم رسم صورة أداء كاملة ل EVDP المصممة مسبقا ، والتي تمثل مخرجا كبيرا لهذا التصميم الأولي.
تم الحصول على النتائج في الجدول 4 بعد محاكاة الإعدادات في الخطوة 5.1.4. تم رفض علبة التروس في EVDP المصممة مسبقا (نسبة علبة التروس 1). أكدت هذه المحاكاة أن نسبة علبة التروس المخصصة بين 1-3.5 (الحد الأدنى لنسبة علبة التروس الجاهزة) قد تكون مفيدة. تم قياس المحرك المؤازر إلى القيمة المثلى بمجرد استخدام نسبة علبة تروس جديدة. بعد ذلك ، كان من الممكن تحقيق مقارنة عادلة بين نسب علبة التروس المختلفة. وأظهرت النتائج أن النسبتين 2 و3 يمكن أن تحققا بعض مزايا الدقة والوزن، ولكن ليس على مستوى كبير، لذلك ليس من الضروري اختيار علبة التروس المخصصة، بالنظر إلى أن فوائدها قد لا تعوض عن تكلفتها.
ويبين الجدول 5 آثار عدم اليقين المعلمة لثابت عزم دوران المحرك المؤازر ولحظة القصور الذاتي. لم يتسبب عدم اليقين بنسبة 20٪ في هاتين المعلمتين في تباين كبير في أداء التحكم في EVDP. هذا يشير إلى أن التسامح بنسبة 20٪ من هاتين المعلمتين مقبول لمواصفات المحرك المؤازر النهائية ؛ هذه أيضا تعليمات مهمة لمصنعي المكونات. وينبغي أيضا إجراء تحليل عدم اليقين بشأن بارامترات أخرى غير مؤكدة.
في الختام ، تم الحصول على معلمات التصميم وأداء EVDP من خلال تنفيذ البروتوكول. وعلاوة على ذلك، فإن تحليل الحساسية وتحليل المتانة يزيدان من تعزيز الثقة بنتائج التصميم وإمكانية تطبيقها. وتشكل هذه النتائج نتائج التصميم الأولية لبرنامج EVDP. تتيح الطريقة المقترحة طريقة تصميم أولية عملية ل EVDP من خلال تطوير نماذج تقدير المعلمات ونموذج محاكاة EVDP متعدد المجالات. تم تحسين جودة نتائج التصميم وتم تقصير دورة التصميم. هذه الفوائد تعزز كفاءة EVDP ، بالإضافة إلى توفير مزاياها التقنية الخاصة.
الشكل 1: مفهوم EVDP . (أ) المخططات التي تنقل مضخة الإزاحة المتغيرة التقليدية إلى مضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة. (ب) رسم توضيحي هيكلي ل EVDP. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: عملية التصميم الأولية ل EVDP. تؤخذ بنية EVDP ومتطلبات التصميم كمدخلات ، والحجم على مستوى النظام ونتائج أداء التصميم الأولية هي المخرجات. تتكون العملية من خطوتين رئيسيتين: تصميم التحسين والتحقق عن طريق المحاكاة. تدعم نماذج تقدير المعلمات بقوة الخطوتين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: بنية نموذج الاقتران متعدد التخصصات ل EVDP. يستخدم هذا النموذج للتحقق من التصميم النهائي في التصميم الأولي. تقترن التخصصات لتقييم جميع متطلبات التصميم العامة على مستوى عال من الدقة. تم تطوير النموذج في منصة محاكاة مشتركة باستخدام طريقة كائنية المنحى. على وجه الخصوص ، يتضمن النموذج وظيفة توليد المعلمات لمواجهة التحدي المتمثل في اكتساب المعلمات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: وحدة التحكم في EVDP. يتم استخدام وحدة تحكم PID ثلاثية الحلقات للتحكم في إزاحة EVDP ، حيث تكون الحلقة الداخلية هي التحكم في تيار المحرك المؤازر ، والحلقة الوسطى هي التحكم في سرعة المحرك المؤازر ، والحلقة الخارجية هي التحكم في إزاحة EVDP. يتم تشغيل العمود الرئيسي EVDP بسرعة ثابتة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: هيكل التبادل الحراري EVDP المرجعي لتقدير المعلمات في المعادلة (9) استنادا إلى قوانين القياس. (أ) هيكل التبادل الحراري للمنفذين. (ب) هيكل التبادل الحراري لحجم الصرف. (ج) هيكل التبادل الحراري لمجموعة دوار المضخة. تشير جميع EVDPs ذات الأحجام المختلفة إلى هياكل التبادل الحراري نفسها. بعد ذلك ، يمكن حساب الأبعاد المتعلقة بالتبادل الحراري لتصاميم EVDP المختلفة بناء على قوانين التحجيم. يمكن بموجب هذا حساب معاملات التبادل الحراري باستخدام المعادلة (9). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: النموذج الأولي المختبر ل EVDP. تم بناء النموذج الأولي وفقا للمخططات الواردة في الشكل 1 ، مع معلمات 7.4 مل / لفة الإزاحة ، و 7000 لفة / دقيقة السرعة الاسمية ، والضغط الاسمي 21 ميجا باسكال ، و 1.59 × 10-3 م الكرة المسمار الرصاص ، و 2.47 نسبة علبة التروس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: جهاز اختبار EVDP. الخطوط السوداء هي جزء التحميل من جهاز الاختبار. الخطوط الحمراء هي جزء التحكم في جهاز الاختبار. الخطوط الزرقاء هي النموذج الأولي ل EVDP. 1. محرك القيادة ، 2. مستشعر الضغط ، 3. مقياس التدفق، 4. مستشعر الضغط ، 5. مقياس التدفق، 6. نموذج EVDP ، 7. فحص صمام ، 8. فحص صمام ، 9. الطاقة الهيدروليكية الإضافية ، 10. صمام الوضع ، 11. مجموعة صمام الفحص ، 12. صمام التحكم في الضغط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: النتائج التجريبية والمحاكاة لاستجابات تدفق EVDP . (أ) استجابات التدفق في ظل ظروف ميل صفيحة غسل مختلفة عند ضغط حمل ثابت 3.5 ميجا باسكال. (ب) استجابات التدفق تحت ظروف مختلفة لميل صفيحة الغسل وضغط الحمل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: النتائج التجريبية والمحاكاة لخصائص التردد للتحكم في ميل صفيحة الغسل . (أ) نتائج المقارنة عندما يستخدم نموذج المحاكاة معلمات يتم إنشاؤها تلقائيا. (ب) نتائج المقارنة عندما يستخدم نموذج المحاكاة البارامترات الحقيقية للنموذج الأولي. يتم الحصول على النتائج عن طريق تعيين أمر التردد الشامل لإزاحة EVDP وتحويل استجابات المجال الزمني إلى استجابات الحجم والطور. يتم استخدام استجابات الحجم والطور لتوضيح نتائج المقارنة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 10: عملية تحليل المحاكاة. هذه خطوة فرعية من الخطوة 5 في الشكل 2. يتم تعريف دورات العمل المختلفة وكائن المحاكاة (مجموعة من المعلمات النشطة) أولا. بعد ذلك ، يمكن استخدام النموذج المقترح لتشغيل المحاكاة. وأخيرا، تستمد نتائج المحاكاة في مواصفات EVDP. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 11: نتائج المحاكاة لدرجة حرارة EVDP . (A) درجة حرارة حجم السائل. (ب) درجة حرارة العقدة الصلبة. تشكل أحجام محركات التصريف وناقل الحركة والمؤازرة ممر التسرب وتؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة. ينقل المنفذان السوائل من المشتت الحراري للسائل ، وبالتالي فإن درجات حرارتهما أقل بكثير. الثوابت الحرارية للأجزاء الصلبة الداخلية كبيرة جدا بسبب معاملات التبادل الحراري الصغيرة الخاصة بها ، لكنها لا تغير درجة حرارة EVDP النهائية كثيرا لأنها نسبة صغيرة من كتلة EVDP وخسائرها. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 12: كفاءة EVDP والأداء الديناميكي. (أ) كفاءة EVDP في إطار دورة عمل واحدة. (ب) . يستجيب EVDP لأمر التردد الكاسح. تنخفض الكفاءة جنبا إلى جنب مع انخفاض في طاقة الإخراج. وذلك لأن EVDP يعمل دائما بالسرعة الاسمية وبالتالي يبدد باستمرار كمية من الطاقة ، ولكن هذا ليس مصدر قلق لأداء EVDP لأن الخسائر المطلقة تنخفض مع انخفاض طاقة الإخراج. تتبع لوحة التردد EVDP أمر التردد الكاسح 8-20 هرتز ، 2.5 درجة (-0.3 ديسيبل ، -43 درجة كأدنى درجة) ، مما يشير إلى أن التحكم في إزاحة EVDP له عرض نطاق ترددي أكبر من 20 هرتز.
الجدول 1: بارامترات التصميم المصنفة ل EVDP. يتم تصنيف معلمات التصميم لكل مكون إلى فئات نشطة ومدفوعة وتجريبية. المعلمات أو المواصفات المستقلة الأكثر تمثيلا لكل مكون هي المعلمات النشطة. المعلمات التي يمكن اشتقاقها من المعلمات النشطة هي المعلمات المدفوعة. المعلمات الأخرى التي يتم حسابها باستخدام الدوال التجريبية هي المعلمات التجريبية. هذا الجدول 1 هو امتداد للجدول الوارد في Han et al.20. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 2: نتائج تقدير المعلمات استنادا إلى المعلمات النشطة. v هي سرعة السائل الفورية. يتم تعديل بعض المعلمات إلى شكل أكثر توضيحا (على سبيل المثال ، يتم تعديل كفاءة المسمار الكروي في المعامل اللزج). هذه المعلمات هي نتائج التصميم الأولية وسيتم توزيعها على الشركات المصنعة للمكونات حسب المواصفات. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 3: الأداء المصمم ل EVDP. يتم اشتقاق نتائج محاكاة المجال الزمني الخام في مواصفات EVDP ، والتي هي الناتج الرئيسي للتصميم الأولي EVDP. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 4: حساسية EVDP لنسبة علبة التروس المخصصة. 1 هي قيمة التصميم الأصلية ، في حين أن 2 و 3 هما القيم المقارنة (القيم المخصصة). يجب أن يكون حجم محرك المؤازرة إلى القيمة المثلى عند استخدام نسبة علبة تروس جديدة بحيث تكون المقارنة بين النسب المختلفة عادلة ، ولكن تم العثور على نسبة علبة تروس مخصصة غير ضرورية لأن الفوائد كانت محدودة. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 5: آثار عدم اليقين لثابت عزم دوران المحرك المؤازر ولحظة القصور الذاتي. لا تظهر أخطاء 20٪ من ثابت عزم دوران المحرك المؤازر ولحظة القصور الذاتي تأثيرات سلبية على أداء التحكم في EVDP. يشير هذا إلى أنه يمكن تحديد تسامح بنسبة 20٪ من المعلمات التي تم التحقيق فيها لمصنعي المكونات. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وقد عرض مفهوم هذا البرنامج وعناصره التقنية الأخرى في المنشورات السابقة 6,31، مما يدل على إمكانية تطبيق هذا البرنامج ومزاياه. بدلا من دراسة EVDP نفسه ، واصلت هذه الورقة دراسة طريقة التصميم فيما يتعلق باحتياجات التطبيق الحقيقية المستقبلية. تعد طريقة التصميم المحددة ضرورية لهذا النوع من منتجات الاقتران المتكاملة والمتعددة التخصصات للغاية ، والتي تتطلب مقايضات دقيقة للأداء وتحسينه. وقد اقترحت هذه الورقة وأوضحت عملية كاملة لنمذجة ومحاكاة EVDP للتصميم الأولي. بدأت هذه العملية من نظرة شاملة وعملية لهذه المهمة ، والتي تنطوي على تحليل اقتران متعدد المجالات ومتطلبات متعددة التخصصات. كما أن الصعوبات المتعلقة باقتناء بارامترات المحاكاة قد حلت بواسطة نماذج تقدير المعلمات المتنوعة. ونتيجة لذلك ، تسهل هذه الطريقة تصميما أوليا فعالا ومثاليا ل EVDP. تجدر الإشارة إلى أن المحاكاة كانت خطوة التحقق النهائية للتصميم الأولي ل EVDP. تهدف العملية إلى التحقق من أداء EVDP المصمم من التحسين السابق (الخطوتان 3 و 4 في الشكل 2) بمستوى عال من الدقة. وهذا يعني أن أداء EVDP (على سبيل المثال ، أداء التحكم والوزن) قد تم تحسينه بالفعل قبل إجراء عملية المحاكاة في هذه الورقة.
يعتمد تحليل معلمة التصميم (الخطوة 1) على خبرة المصمم. مطلوب مستوى جيد من المعرفة لربط أداء المكون بأداء EVDP. يمكن أن تساعد كتالوجات المكونات في تعلم فلسفة المكونات ، لكن المصمم مسؤول دائما عن التعرف على EVDP. بعد ذلك ، من الممكن الحصول على نتائج تحليل معلمات مرضية.
لم يتم استخدام تقدير المعلمة (الخطوة 2) لدعم المحاكاة فحسب ، بل أيضا لصياغة مواصفات المكونات لمصنعي المكونات. سيتم توزيع معلمات كل مكون على الشركات المصنعة للمكونات لتحديد متطلبات المكون. تجدر الإشارة إلى أن المعلمات مصحوبة دائما بتفاوتات ، والتي يمكن تحديدها باستخدام تحليل عدم اليقين. يجب تطوير نماذج تقدير المعلمات وفقا للخصائص الخاصة بالمكونات. أولا، ينبغي تصنيف المكونات إلى مجموعات مخصصة ومجموعات جاهزة، تستخدم نماذج حسابية وقواعد بيانات للتقدير، على التوالي. ثانيا ، يجب تحليل الأساسيات لاختيار كل معلمة (على سبيل المثال ، التشابه الهندسي ، وأداء المواد ، وما إلى ذلك). بعد ذلك ، يمكن اختيار نموذج تقدير مناسب وتطويره.
تمت إدارة خصائص الطاقة والتحكم والحرارة EVDP في المقام الأول لتحقيق الوظائف والأداء المطلوبين لتشغيل EHA متغير الإزاحة. لذلك ، يلبي النموذج الديناميكي (الخطوة 3.2) والنموذج الحراري (الخطوة 3.3) احتياجات المحاكاة الأساسية. تم تطويرها بطريقة مقترنة (أي ، تم بناء نموذج مشترك ليشمل الخصائص الديناميكية والخصائص الحرارية في نفس الوقت). أيضا ، يفضل النمذجة الموجهة للكائنات بسبب هندستها المعمارية الواضحة وقابليتها الجيدة لإعادة الاستخدام ، ولكن هناك حاجة إلى بذل جهد إضافي للامتثال للسببية. النمذجة على مستوى الهندسة المعمارية ومستوى المعادلة ضرورية لأن بيئة المحاكاة قد تتغير اعتمادا على الاحتياجات المختلفة. توضح هذه الورقة أبعد من بيئة المحاكاة، بحيث يمكن تكييفها مع برامج محددة. يعد التحقق من صحة النموذج من خلال النماذج الأولية والتجارب (الخطوة 4) مفيدا لبناء نماذج محاكاة أكثر موثوقية ، خاصة عندما يكون كائن النمذجة منتجا مقترحا حديثا ، ولكن ، كما هو موضح في الخطوة 4 ، تعتبر النماذج قابلة للتطبيق لمحاكاة نفس النوع من EVDP في المستقبل بمجرد التحقق من صحتها.
تم استخدام محاكاة EVDP في هذه الورقة بشكل أساسي لتقييم وتحليل خيار التصميم الأولي. يجب إجراء المحاكاة بطريقة تجمع جميع نتائج التصميم في هذه المرحلة. وينبغي تحديد دورة العمل والبيئة من خلال النظر في أغراض التقييم المختلفة. بالإضافة إلى محاكاة الأداء ، ينبغي أيضا النظر في حساسية المعلمات وعدم اليقين. وبالتالي ، يمكن تحديد التعليمات الكاملة لمهام التصميم التالية. في هذه الورقة ، كانت أعلى درجة حرارة للسائل المكتشفة هي 175 درجة مئوية ، مما يدعم التصميم الحراري للتحكم في درجة حرارة السائل. جنبا إلى جنب مع نتائج أخرى ، تم رسم صورة كاملة لتصميم EVDP على مستوى النظام. كان تحليل الحساسية بمثابة فحص مزدوج لاختيار المعلمة في خيار التصميم السابق ، في حين ساهم تحليل عدم اليقين في الغالب في تحديد التسامح مع التصميم. وهناك ما يبرر إجراء تحليل أكثر شمولا للحساسية وعدم اليقين لتأكيد نتائج التصميم الأولية للبارامترات. وفي الختام، فإن طريقة نمذجة ومحاكاة EVDP المقترحة تأخذ في الاعتبار الاحتياجات العملية للتصميم الأولي ل EVDP ، والتي تم إهمالها جزئيا في الأبحاث السابقة ذات الصلة (أي التي تنطوي على جميع المتطلبات العامة والنظر في متانة التصميم). وبالتالي ، يمكن أن تقدم نتائج تصميم شاملة وتدعم بشكل فعال التصميم الأولي ل EVDP في المستقبل. علاوة على ذلك ، يمكن أيضا تكييفها لتصميم منتجات أخرى مماثلة.
حالة المحاكاة في هذه الورقة هي مثال تصميم ل EVDP ل EHA متغير الإزاحة 35 كيلوواط في المستقبل. إنه يظهر إمكانات EVDP في تطبيقات EHA عالية الطاقة ، ولكن هذا التطبيق لم يبدأ بعد. تعتبر نتائج المحاكاة جديرة بالثقة بسبب التحقق من صحة النموذج استنادا إلى نموذج EVDP صغير الحجم في الخطوة 4. تؤثر دقة نماذج تقدير المعلمات بشكل كبير على جودة التصميم لأنها تؤثر على تقييم الأداء ومواصفات المكونات. يمكن النظر في النماذج الوصفية لقانون القدرة المتغيرة (VPLMs)34 لتحديث نماذج تقدير المعلمات في هذه الورقة ، ولكن VPLMs تحتاج إلى كمية كبيرة من التصميم التجريبي ، الأمر الذي يتطلب وقتا أطول بكثير لإعداد النمذجة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يعترف المؤلفون بمعهد بكين للميكاترونيكس الدقيق والضوابط لدعم هذا البحث.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ball screw | NSK | PSS | |
| EVDP prototype | Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls | customized | 7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa |
| EVDP testrig | Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls | customized | Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc. |
| Gearhead | Maxon | GP | |
| Matlab | Mathworks | R2020a | |
| Permannet magnet synchronous motor | Maxon | 393023 | |
| Piston pump | Bosch Rexroth | A10VZO | |
| Simcenter Amesim | Siemens | 2021.1 | system simulation platform |
References
- Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives. Energies. 12 (7), 1293 (2019).
- Alle, N., Hiremath, 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).
- Garrison, M., Steffan, S. Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , Sacramento, California. (2006).
- Smith, S., Irving, J. Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles. Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , Groton, Connecticut. (2006).
- Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).
- Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator. The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering. 459, Springer. Singapore. 2563-2573 (2018).
- Liu, E. The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system. , Xi'an University of Technology. China. Master's Thesis (2015).
- Jean-Charles, M. Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems. Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).
- Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators. Processes. 7, 274 (2019).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems. 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887 (1998).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).
- Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. Optimal preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).
- Liscouët, J., Budinger, M., Mare, J. C. Design for reliability of electromechanical actuators. 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , Toulouse, France. 174-182 (2010).
- Arriola, D., et al. A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators. 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , Toulouse, France. 166-174 (2016).
- Baer, K., Ericson, L., Krus, P. Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle. International Journal of Fluid Power. , (2018).
- Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio. Energies. 11 (5), 1173 (2018).
- Sun, X., et al. Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications. IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).
- Gerada, D., et al. Holistic electrical machine optimization for system integration. IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).
- Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).
- Han, X., et al. Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump. Scandinavian International Conference on Fluid Power. , Tampereen Yliopisto. 362-374 (2019).
- Liscouët, J., Budinger, M., Maré, J. C., Orieux, S. Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions. Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).
- Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).
- Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Maré, J. C. Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).
- Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. Applicability of pump models for varying operational conditions. ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).
- Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. (2011).
- Whitaker, S. Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles. AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).
- Li, C., Jiao, Z. Calculation method for thermal-hydraulic system simulation. Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).
- Li, C., Jiao, Z. Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).
- Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).
- Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator. Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. , Springer. Singapore. 612-620 (2022).
- De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems. AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).
- Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties. 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, Toulouse, France. 136-142 (2014).
- Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems. Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).
