Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Een modellerings- en simulatiemethode voor het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verplaatsingspomp

Published: June 1, 2022 doi: 10.3791/63593
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1
1School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, 2Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls, 3Innovative Hydraulics and Automation, Tampere University

Summary

Een simulatiemodel dat specifiek het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) ondersteunt, wordt ontwikkeld en gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. De controleprestaties, levensduur, betrouwbaarheid, enz., Kunnen allemaal worden geëvalueerd met behulp van het voorgestelde model, dat de belangrijkste prestatie-eisen in het kader van de evdp-voorlopige ontwerptaak omvat.

Abstract

Elektrohydrostatische actuatoren (ETA's) zijn aanzienlijk onderzocht in de academische wereld en hun toepassingen op verschillende industriële gebieden breiden zich uit. De EHA met variabele snelheid heeft nu voorrang gekregen op de EHA met variabele verplaatsing, maar de aandrijfmotor en bijbehorende elektronica ondervinden problemen bij toepassing in toepassingen met een hoog vermogen: lage dynamiek, hoge thermische dissipatie, hoge prijs, enz. Daarom is een EHA met variabele verplaatsing uitgerust met een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) overwogen. De EVDP zelf is een mechatronisch systeem dat een zuigerpomp, een kogelomloopspindel, een versnellingsbak en een permanente magneetsynchronisatiemotor (PMSM) integreert. Bijgevolg moet de EVDP worden onderzocht om de prestaties op systeemniveau te waarborgen wanneer deze in een EHA wordt toegepast. Naast het eerdere onderzoek naar de technische parameters van het EVDP is een specifieke ontwerpmethode nodig om de kosten van het gebruik van het EVDP verder te verlagen en het prestatiepotentieel ervan te verkennen. Hier wordt een op simulatie gebaseerde EVDP voorlopige ontwerpmethode geselecteerd voor het ontwerpen van een EVDP van 37 kW. Ten eerste wordt een eerder voorgesteld multidisciplinair model van het EVDP uitgebreid door de parametergeneratie te verbeteren, inclusief de levensduur van het EVDP, de betrouwbaarheid, de besturingsmodellen, enz. Ten tweede wordt het voorgestelde model gedeeltelijk geverifieerd met behulp van een verkleind prototype. Ten derde wordt het EVDP gesimuleerd op systeemniveau, ondersteund door het voorgestelde model. De EVDP-prestaties worden geëvalueerd volgens de gespecificeerde ontwerpvereisten. De temperatuur, bandbreedte en nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en levensduur, enz., Worden allemaal voorspeld voor de EVDP. De simulatieresultaten tonen de toepasbaarheid van de EVDP in EHA met variabele verplaatsing. De voorgestelde modellerings- en simulatiemethode kan worden gebruikt om diverse EVDP-prestaties te evalueren en te reageren op algemene ontwerpvereisten. De methode kan ook de oplossing van de voorlopige ontwerpuitdagingen ondersteunen in termen van beperkte informatie en robuustheid. Daarom is de voorgestelde methode geschikt voor de realisatie van de op simulatie gebaseerde EVDP-voorlopige ontwerpmethode.

Introduction

Elektrohydrostatische actuatoren (ETA's) krijgen steeds meer belangstelling voor toepassingen zoals industriële persen, grote mobiele machines, kraanmanipulatoren en primaire vliegtuigbesturing vanwege hun combinatie van de voordelen van zowel elektrische actuatoren als hydraulische actuatoren1. Er kunnen twee basistypen ETA's worden geïdentificeerd: ETA's met variabele snelheid en ETA's met variabele verplaatsing2. Momenteel is de EHA met variabele snelheid populairder dan de EHA met variabele verplaatsing vanwege de hogere efficiëntie en eenvoud. Samen met het hogere vermogensniveau van de EHA, dat nodig is in zware voertuigen, zoals zware lanceervoertuigen3 en onderzeeërs4, hebben de aandrijfmotor en bijbehorende elektronica van de EHA met variabele snelheid problemen met betrekking tot lage dynamiek, hoge thermische dissipatie, hoge prijs, enz. Daarom wordt de EHA met variabele verplaatsing heroverwogen voor deze toepassingen met een hoog vermogen (>30 kW), omdat de regeling ervan wordt gerealiseerd via een apparaat met een laag vermogen dat de pompverplaatsing regelt.

Een belangrijke zorg die voorkomt dat EHA met variabele verplaatsing als prioriteit wordt genomen, is de omslachtige pompverplaatsingsregelingseenheid, die zelf een compleet klepgestuurd hydraulisch systeem is. De elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) is voorgesteld om dit probleem aan te pakken door gebruik te maken van een compacte elektrische verplaatsingsregeling. Dit ontwerp verbetert de compactheid, efficiëntie, enz., van de EHA met variabele verplaatsing, die de vorige zwakte tot op zekere hoogte oplost. Daarom kan het gebruik van ETA's met variabele verplaatsing voor toepassingen met een hoog vermogen worden vergemakkelijkt door gebruik te maken van het nieuw voorgestelde EVDP. De complexiteit van de EVDP is echter aanzienlijk groter in vergelijking met de conventionele hydraulisch gestuurde pomp met variabele verplaatsing, omdat deze componenten uit verschillende nieuwe disciplines integreert. Bijgevolg zijn er specifieke op EVDP gebaseerde onderzoeksactiviteiten ontstaan. Onze onderzoeksgroep startte het EVDP-onderzoek5 en is het verder ontwikkeld6. Liu ontwikkelde de EVDP voor EHA-toepassingen en voerde experimentele tests uit7. Sommige hydraulische bedrijven leveren ook EVDP-producten. Naast het onderzoek naar de technische componenten van het EVDB is de ontwerpmethode voor het reageren op echte toepassingsvereisten ook belangrijk voor het vergroten van de competentie van het EVDP door de kosten van het gebruik van EVDP's verder te verlagen en hun prestatiepotentieel te verkennen. Daarom is een specifieke EVDP voorlopige ontwerpmethode nodig voor het optimaliseren van afwegingen in de prestaties op systeemniveau door de gekoppelde disciplines te analyseren. Het op simulatie gebaseerde voorontwerp is van belang voor dit type multidisciplinaire koppeling van mechatronische producten8.

Hoewel er geen specifieke simulatiemodellen voor evdp-voorontwerp zijn voorgesteld omdat het een nieuw voorgesteld concept is, is er veel onderzoek gedaan naar gerelateerde mechatronische producten. Een dynamisch EHA-model is gebouwd om het gewicht, de efficiëntie en de controleprestaties in voorlopig ontwerp9 te optimaliseren, maar de levensduur, betrouwbaarheid, thermische kenmerken, enz., Waren niet betrokken, wat essentiële prestatie-indexen zijn waarmee rekening moet worden gehouden in het voorlopige ontwerp. Een ander dynamisch EHA-model is ook gebruikt om de kosten, efficiëntie en controleprestaties10 te optimaliseren, en een thermisch model werd vervolgens ontwikkeld om de thermische kenmerken van de geoptimaliseerde EHA11 te evalueren, maar de betrouwbaarheid en levensduur werden niet overwogen. Een uitgebreide elektromechanische actuator (EMA) voorlopige ontwerpmethode is gepresenteerd12. Specifieke modellen met verschillende functies die in staat zijn om verschillende kenmerken te analyseren, zijn voorgesteld voor deze methode, en betrouwbaarheid en levensduur modellen zijn ook ontwikkeld13. De mechanische sterkte, het vermogen, de thermische prestaties, enz., Konden hierbij worden geëvalueerd, maar de controleprestaties waren niet betrokken. Een andere voorlopige ontwerpmethode van ema maakte gebruik van een dynamisch EMA-model en bijbehorende componentgroottemodellen14. De kosten, het gewicht, de levensduur van de vermoeiing, de vermogenscapaciteit, fysieke beperkingen, enz., waren betrokken bij de simulatieanalyse, maar betrouwbaarheid en controleprestaties werden niet meegenomen. Een dynamisch model werd voorgesteld voor het optimalisatieontwerp van een hydraulische hybride aandrijflijn15. De vermogenscapaciteit, efficiëntie, controle, enz., Konden worden gesimuleerd, maar de betrouwbaarheid en levensduur werden niet overwogen. Modellen voor het analyseren van een op EHA gebaseerd vluchtbesturingsbedieningssysteem zijn voorgesteld, waarbinnen eenvoudige krachtoverbrengingsvergelijkingen en gewichtsfuncties werden gebruikt16. Aangezien de modellen werden gebruikt voor analyses op voertuigniveau en missieniveau, was de beperkte attribuutdekking van de modellen passend. Als een belangrijk onderdeel van de EHA hebben servomotoren afzonderlijke aandacht getrokken met betrekking tot modellering en ontwerp, en de resultaten zijn ook leerzaam voor de ontwikkeling van EHA-modellen. Thermische netwerken, gewichtsmodellen, enz., Kunnen ook worden overwogen voor EHA-modellering 17,18,19. De beoordeelde literatuur geeft aan dat, zelfs gezien de resultaten van producten met betrekking tot de EVDP, de ontwikkelde modellen niet alle invloedrijke prestatiekenmerken van de producten voor het voorlopige ontwerp analyseren. De controleprestaties, thermische prestaties, betrouwbaarheid en levensduur zijn de kenmerken die het meest zijn verwaarloosd bij de constructie van de modellen. Daarom stelt dit artikel een modelpakket voor dat in staat is om alle meest invloedrijke prestatiekenmerken voor het voorlopige ontwerp van evdp te analyseren. De simulatieanalyse wordt ook gepresenteerd om de modelfuncties beter te illustreren. Dit artikel is een uitbreiding van een eerdere publicatie20, omdat het de parametergeneratie verbetert, het levensduurmodel, het betrouwbaarheidsmodel en het besturingsmodel omvat, de berekeningskosten optimaliseert, het model valideert en diepgaande simulatieanalyses uitvoert, enz.

De conventionele hydraulische regeleenheid van een zuigerpomp met variabele verplaatsing wordt vervangen door een elektrische actuator om de compactheid te verbeteren en de warmteafvoer te verminderen, zoals weergegeven in figuur 1. De elektrische actuator bestaat uit een kogelomloopspindel, een versnellingsbak en een permanente magneetsynchronisatiemotor (PMSM). De elektrische actuator verbindt de spoelplaat via een staaf om de pompverplaatsing te regelen. Bij toepassing in ETA's wordt de rotatiepositie van de EVDP-swashplate closed-loop geregeld door de PMSM te moduleren. De elektrische actuator is in een onderling geval geïntegreerd met de zuigerpomp om een integraal onderdeel te vormen. Dit ontwerp dompelt de elektrische actuator onder in de werkvloeistof en versterkt hiermee de multi-domein koppelingseffecten.

Aangezien de EVDP een typisch multi-domein mechatronisch product is, speelt het voorlopige ontwerp een essentiële rol bij het optimaliseren van afwegingen in de prestaties op systeemniveau en het schetsen van de vereisten voor het ontwerpen van componenten. Het proces wordt geïllustreerd in figuur 2 op basis van het op simulatie gebaseerde ontwerpschema10,12. Stap 1 analyseert eerst de geselecteerde EVDP-architectuur, zoals in figuur 1, en concludeert de ontwerpparameters op basis van de gespecificeerde prestatie-eisen. Vervolgens wordt de ontwerptaak meestal omgezet in een optimalisatieprobleem om de prestatieoptimalisatie van de EVDP te verkennen. Dit wordt uitgevoerd door de ontwerpparameters om te zetten in optimalisatievariabelen en de prestatie-eisen om te zetten in doelstellingen en beperkingen. Het is vermeldenswaard dat de ontwerpparameters moeten worden ingedeeld in actieve, gedreven en empirische categorieën. Alleen de actieve parameters worden gebruikt als optimalisatievariabelen vanwege hun onafhankelijkheidskenmerken. De andere twee categorieën worden automatisch gegenereerd door schatting van de actieve parameters. Daarom ontwikkelt Stap 2 de schattingsmodellen van de gedreven en empirische parameters. Deze schattingstools worden gebruikt in elke iteratie van de optimalisatie, evenals in stap 5 voor het formuleren van alle vereiste simulatieparameters. Stap 3 bouwt de rekenmodellen voor elke optimalisatiedoelstelling of -beperking, die de vereiste prestaties weerspiegelt. Deze modellen moeten rekenkundig efficiënt zijn; anders zouden de berekeningskosten van de optimalisatie onaanvaardbaar zijn. Stap 4 voert de optimalisatieberekening uit, die meestal multi-objectief en multidisciplinair is. Ook wordt ingegaan op de parameteronzekerheden in de voorontwerpfase. Stap 5 construeert een algemeen model van de ontworpen EVDP en gebruikt deze voor het valideren van de optimalisatieresultaten door de EVDP te simuleren onder typische duty cycles. Dit model is het ultieme hulpmiddel voor het evalueren van de voorlopige ontwerpresultaten. Daarom moet dit model de hoogste getrouwheid hebben en alle invloedrijke kenmerken in een strakke koppelingsstijl betrekken. Ten slotte worden de voorlopige ontwerpprestatieresultaten en de dimensioneringsresultaten op systeemniveau verkregen.

Dit artikel richt zich op de systeemmodellerings- en simulatiemethode van de EVDP, waarbij de parameteranalyse in stap 1 wordt uitgevoerd en stap 2 en 5 worden voltooid. Ten eerste worden de ontwerpparameters afgeleid op basis van de EVDP-architectuur en de ontwerpvereisten en worden ze ingedeeld in drie subcategorieën. Ten tweede worden de schattingsmodellen voor de niet-actieve parameters ontwikkeld op basis van schaalwetten, componentencatalogi, empirische functies, enz. Ten derde wordt het algemene model van de EVDP geconstrueerd met behulp van multidisciplinaire koppelingsvergelijkingen en aanvullende submodellen voor levensduur en betrouwbaarheid, en het model wordt gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. Ten slotte worden de vorige maatresultaten geïmporteerd in het geconstrueerde model om simulatieanalyses uit te voeren onder typische taakcycli. De prestaties op systeemniveau worden afgeleid op basis van de simulatieresultaten. De parametergevoeligheid en de robuustheid van het ontwerp worden ook geëvalueerd. Als gevolg hiervan ontwikkelt dit artikel een specifieke modellerings- en simulatiemethode voor evdp-voorontwerp. De prestaties van de EVDP voor toepassing in de EHA worden uitgebreid voorspeld. De voorgestelde methode is een praktisch hulpmiddel voor de ontwikkeling van EVDP's en ETA's met variabele verplaatsing voor toepassingen met een hoog vermogen. De methode kan ook worden gebruikt voor het ontwikkelen van simulatietools voor andere soorten mechatronische producten. De EVDP in dit artikel verwijst naar de elektromechanisch geregelde pomp met variabele verplaatsing, maar de elektrohydraulisch geregelde pomp met variabele verplaatsing valt buiten het bestek van dit artikel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OPMERKING: Matlab en Simcenter Amesim (hierna systeemsimulatieplatform genoemd) werden in dit protocol gebruikt en staan vermeld in de Materiaaltabel. Het voorgestelde protocol is echter niet beperkt tot implementatie in deze twee softwaretoepassingen.

1. Selecteren en classificeren van de EVDP-ontwerpparameters (stap 1 in figuur 2).

  1. Ontmantel de architectuur van de EVDP in figuur 1 in een zuigerpompeenheid, een kogelomloopspindel, een versnellingsbak, een PMSM en een controller. Controleer de prestatie-eisen van de EVDP.
    OPMERKING: Met name in dit artikel omvatten de vereisten vermogenscapaciteit, regelprestaties, thermische prestaties, levensduur, betrouwbaarheid, efficiëntie en gewicht.
  2. Vat de grootteparameters en specificaties van de componenten van de EVDP samen. Analyseer de parameters en specificaties en selecteer die met betrekking tot de opgegeven EVDP-prestatievereisten.
    OPMERKING: De geselecteerde componentparameters en specificaties zijn de ontwerpparameters in het voorlopige ontwerp van de EVDP, zoals weergegeven in tabel 1. Tabel 1 bevat ook de parameterclassificatieresultaten die zijn verkregen via stap 1.3.
  3. Deel de ontwerpparameters in actieve, aangestuurde en empirische categorieën21 in, zoals vermeld in tabel 120.
    1. Wijs de onafhankelijke parameters of specificaties die het meest representatief zijn voor elk onderdeel toe aan de actieve categorie.
    2. Wijs de parameters die kunnen worden afgeleid van de actieve parameters toe aan de aangestuurde categorie.
    3. Wijs de andere parameters die worden berekend met behulp van empirische functies toe aan de empirische categorie.
      OPMERKING: De thermische weerstanden zijn de groep parameters voor thermische netwerkmodellering. Elk thermisch pad is toegewezen met een thermische weerstand. De hoeveelheid en waarden van de thermische parameters worden uiteindelijk bepaald door de thermische netwerkarchitectuur.

2. Het ontwikkelen van de schattingsmodellen van de aangestuurde en empirische parameters (Stap 2 in figuur 2).

OPMERKING: Voer de schattingsmodellen van de aangedreven en empirische parameters uit met Behulp van Matlab op basis van de volgende methoden. Voor elke aangestuurde of empirische parameter wordt een individueel script gebouwd.

  1. Schat de pomp- en motoraangedreven parameters van de actieve parameters met behulp van schaalwetten22,23.
    OPMERKING: De pomp- en motoraangedreven parameters zijn meestal geometrie- of gewichtsgerelateerd, die meestal voldoen aan de vereisten van materiaal- en geometrieovereenkomsten voor het gebruik van schaalwetten.
    1. Definieer de schaalverhouding van één willekeurige componentparameter x als volgt:
      Equation 1(1)
      waarbij x de betrokken parameter is en xref de overeenkomstige parameter van een referentiecomponent. Relateer de actieve en aangedreven parameters aan de karakteristieke dimensie van de component als volgt:
      Equation 2(2)
      waarbij Y* de schaalverhouding is van één actieve of aangestuurde parameter, l* de schaalverhouding van de karakteristieke dimensie van de component en α de coëfficiënt van de schaalverhouding.
    2. Relateer elke aangestuurde parameter van de component aan de actieve parameter door de respectieve vergelijking (2) van de specifiek aangestuurde parameter en de actieve parameters te combineren.
      OPMERKING: Enkele voorbeelden hiervan zijn22,23:
      Equation 3(3)
      waarbij de symbolen van de vergelijkingen verwijzen naar tabel 1. Raadpleeg de tabel met materialen voor de details van de zuigerpomp en motor die in dit protocol worden gebruikt.
  2. Schat de aangedreven parameters voor de versnellingsbak en de kogelomloopspindel uit de actieve parameters met behulp van componentencatalogi.
    OPMERKING: De actieve parameters van de versnellingsbak en de kogelomloopspindel zijn discrete waarden. Continue variatie van de actieve parameters is niet mogelijk vanwege mechanismebeperkingen of hoge kosten. Daarom heeft het gebruik van kant-en-klare versnellingsbakken of kogelomloopspindels de voorkeur.
    1. Schat de aangedreven parameters van de versnellingsbak door die parameters uit de versnellingsbakgegevensblad te halen die het beste overeenkomen met de gedefinieerde verhouding en het nominale koppel. Met name in dit artikel werd de tandwielkast (Table of Materials) gebruikt voor het bouwen van de versnellingsbakbibliotheek in Matlab-software. Gebruik het nominale koppel vóór de gedefinieerde verhouding voor het matchen van de versnellingsbak op basis van de portfolio-organisatiemethode van de opgegeven tandwielkast (Tabel met materialen).
    2. Schat de aangedreven parameters voor de kogelomloopspindel door die parameters uit het kogelomstelblad te halen die het beste overeenkomen met de gedefinieerde lood- en nominale belasting. Met name in dit papier werd de kogelomloopspindel (Table of Materials) gebruikt voor het bouwen van de kogelomloopspindelbibliotheek in Matlab. Gebruik de nominale belasting vóór de gedefinieerde kabel voor het matchen van de kogelomloopspindel op basis van de portfolio-organisatiemethode van de opgegeven kogelomloopspindel (tabel met materialen).
  3. Schat de efficiëntie van de pomp, de versnellingsbak en de kogelomloopspindel in op basis van empirische functies.
    OPMERKING: De efficiëntieparameters worden niet geleverd door de datasheets van de pomp, de versnellingsbak en de kogelomloopspindel, dus ze worden geschat door een empirische functiegebaseerde methode.
    1. Stel dat het volumetrische rendement van de pomp en het mechanische rendement van de pomp op het nominale werkpunt respectievelijk 0,95 en 0,90 zijn. Gebruik deze twee waarden om de empirische functies van de lekkage en viskeuze wrijving op het nominale werkpunt te passen, zoals in Vergelijking (4) en Vergelijking (5)24. Leid vervolgens de coëfficiënten, Epv en Epm van de empirische functies af. Gebruik daarom de afgeleide empirische functies om de efficiëntiekenmerken onder volledige werkomstandigheden te simuleren:
      Equation 4(4)
      Equation 5(5)
      waarbij Δp het pompdrukverschil is, Tpo de temperatuur van de olie in de pomp, Dp de onmiddellijke verplaatsing van de pomp en Sp de pompsnelheid.
      OPMERKING: De efficiëntiegegevens op het nominale werkpunt van de kant-en-klare pompen kunnen bij de fabrikant worden verkregen, ook al was dit in dit artikel niet het geval. Vervolgens kunnen de efficiëntiegegevens worden gebruikt in plaats van de veronderstelde gegevens om de betrouwbaarheid te verbeteren. De afgeleide coëfficiënten, die zich onder het nominale werkpunt bevinden, worden verder geregeld op basis van de onmiddellijke arbeidsomstandigheden (d.w.z. de verplaatsing en de temperatuur).
    2. Gebruik de maximale efficiëntiegegevens van de versnellingsbak of de kogelomloopspindel om de viskeuze wrijvingsfunctie onder maximale belasting en maximale snelheid te passen, zoals in vergelijking (6). Leid vervolgens de viskeuze wrijvingscoëfficiënt f af. Modelleer daarom de efficiëntie van de directe versnellingsbak of kogelomloopspindel zoals in vergelijking (7):
      Equation 6(6)
      Equation 7(7)
      waarbij Emax, Smax en Fmax respectievelijk het maximale rendement, het maximumtoerental en het maximale vermogen van de versnellingsbak of de kogelomloopspindel zijn; E, S en F zijn respectievelijk de onmiddellijke efficiëntie, de onmiddellijke snelheid en de onmiddellijke kracht van de versnellingsbak of de kogelomloopspindel tijdens de simulatie; en f is de viskeuze wrijvingscoëfficiënt van de versnellingsbak of de kogelomloopspindel.
      OPMERKING: Stel dat de maximale efficiëntie van de kogelomloopspindel 0,90 is vanwege de afwezigheid van efficiëntiegerelateerde gegevens. Werk de efficiëntiefunctie van de kogelomloopspindel bij zodra efficiëntiegerelateerde gegevens beschikbaar zijn.
  4. Schat de thermische weerstandsparameters. Schat de thermische weerstanden voor het thermische netwerkmodel dat in stap 3.3 is ontwikkeld. met behulp van de empirische functies uit de thermodynamica theorie. Classificeer de thermische weerstanden in twee soorten: geforceerde convectie en geleiding.
    OPMERKING: Definieer de thermische weerstand tussen de EVDP-schaal en de omgeving als een constante waarde. Dit komt omdat de huidige fase de thermische kenmerken in de pomp onderzoekt, terwijl de gedetailleerde warmteafvoerprestaties van de schaal de focus zijn van het toekomstige thermische ontwerp.
    1. Schat de thermische geleidingsweerstand tussen de vaste delen met behulp van vergelijking (8), die is gebaseerd op de schaalwet23:
      Equation 8(8)
      waarbij Rsst de thermische weerstand tussen twee vaste delen is en Tmn het nominale koppel van de servomotor.
      OPMERKING: Vergelijking (8) wordt alleen gebruikt voor het schatten van de thermische weerstand van de thermische geleiding van de wikkelschaal, omdat dit het enige vaste-vaste contact is in het thermische netwerkmodel.
    2. Schat de thermische weerstand van de geforceerde convectie tussen een vast deel en een vloeibaar deel met vergelijking (9)25,26:
      Equation 9(9)
      waarbij Rsft de thermische weerstand is tussen een vast deel en een vloeibaar deel; λf de thermische geleidbaarheid van de vloeistof is; La = de karakteristieke lengte van de warmte-uitwisseling; CRe en m zijn coëfficiënten afhankelijk van het Reynoldsgetal Re; Pr is het Prandtl-getal; en At is de warmtewisselaar.
      OPMERKING: La en andere structurele afmetingen worden geschat op basis van schaalwetten en de vloeistofsnelheid in het warmtewisselaargebied wordt onmiddellijk berekend op basis van de simulatieresultaten van de pompstroom.

3. Bouwen van het systeemsimulatiemodel (stap 5 in figuur 2).

OPMERKING: Bouw een multidisciplinair koppelingsmodel van de EVDP dat de volledige prestaties kan onderzoeken. De modelarchitectuur is weergegeven in figuur 3 en het model wordt uitgevoerd in de co-simulatieomgeving op basis van Matlab en het systeemsimulatieplatform. Bouw eerst het individuele klontmodel van elke component of discipline. Stel vervolgens de component-/disciplinemodellen samen volgens figuur 3.

  1. Bouw het gewichtsmodel van de EVDP in Matlab.
    1. Bereken het gewicht van de EVDP door de gewichten van elk onderdeel op te tellen, die worden verkregen uit de gewichtsschattingsmodellen in stap 2.
  2. Voer dynamische gemeenschappelijke parametermodellering van de EVDP uit in het systeemsimulatieplatform.
    1. Bouw het elektromagnetische bewegingsmodel van de servomotor, het bewegingsmodel van de mechanische transmissie, het hydraulische bewegingsmodel van de zuigerpompeenheid en het belastingskoppelmodel van de spoelplaat, zoals eerder beschreven20.
    2. Modelleer de systeemverliezen zoals in Vergelijking (10):
      Equation 10 (10)
      waarbij QmCu het koperverlies van de servomotor is; Qmr is het rotorverlies van de servomotor; Qpv en Qpm zijn respectievelijk het volumetrische verlies en het mechanische verlies van de pomp; Qg is het verlies van de versnellingsbak; Qs is het verlies van de kogelomloopspindel; im is de servomotorstroom; Sm is het toerental van de servomotor; Δp is het drukverschil van de pomp; Tpo is de temperatuur van de olie in de pomp; Dp is de verplaatsing van de pomp; Sp = het pomptoerental; fg = de viskeuze wrijvingscoëfficiënt van de versnellingsbak; Ss is de ingangssnelheid van de versnellingsbak; en Ts is het koppel van de kogelomloopspindel.
    3. Modelleer de vloeistofeigenschappen zoals in Vergelijking (11). Identificeer de coëfficiënten door de vloeistofgegevensblad aan te passen aan vergelijking (11):
      Equation 11 (11)
      waarbij ρf en ρf0 respectievelijk de moment- en referentiedichtheid zijn; Cp en Cp0 zijn respectievelijk de moment- en referentiespecifieke warmte; μf en μf0 zijn respectievelijk de onmiddellijke en referentie absolute viscositeit; λf en λf0 zijn respectievelijk de onmiddellijke en de referentiethermische geleidbaarheid; pi is de onmiddellijke druk van de ith vloeistofknoop; Ti is de directe temperatuur van de ith fluid node; p0 en T0 zijn de referentiedruk en temperatuur van de vloeistofeigenschappen; en eenm,n, bm,n, cm,n en dm,n zijn de coëfficiënten.
    4. Modelleer de drukdynamiek van de vloeistofvolumes zoals in vergelijking (12)27,28. Modelleer de opening zoals in Vergelijking (4):
      Equation 12(12)
      waarbij p de druk van het vloeistofvolume is; B is de vloeistof bulk modulus; ρ de vloeistofdichtheid is; V is het vloeistofvolume; Equation 13 en Equation 14 zijn respectievelijk het inkomende en uitgaande massadebiet van het vloeistofvolume; αp is de volumetrische uitzettingscoëfficiënt van de vloeistof; en T is de temperatuur van het vloeistofvolume.
    5. Modelleer de controller met behulp van een pid-controller met drie luss, zoals in figuur 46. Stem de besturingsparameters af door middel van verschillende simulatieproeven wanneer het simulatiemodel en andere simulatieparameters klaar zijn. Stem de besturingsparameters van de binnenste lus af op de buitenste lus door de versterkingswaarden geleidelijk te verhogen.
    6. Voeg een roterende veer en dempermodel toe tussen de aandrijfsnelheidsbron en de rotor van de pomp. Voeg een lineair veer- en dempermodel toe tussen de ingangssnelheid en de belastingsmassa van de kogelomloopspindel.
      OPMERKING: Deze stap maakt vergelijking causaliteit mogelijk in het model van de zuigerpompeenheid en het kogelomloopspindelmodel. Stel de veerstijfheid en demperclassificatie in op constante waarden die de effecten van deze twee blokken kunnen negeren.
  3. Voer thermische modellering van de EVDP uit in het systeemsimulatieplatform.
    1. Stel een thermisch netwerk in voor de EVDP20. Voeg de thermische belasting in Vergelijking (10), met uitzondering van Qpv, toe aan de overeenkomstige thermische knooppunten.
    2. Modelleer de thermische weerstanden voor vaste-vaste warmte-eenheidsuitwisseling en vaste-vloeistof warmte-uitwisseling met behulp van de parameterfuncties in stap 2.4. Modelleer de warmte-uitwisseling van vloeistof-vloeistofknooppunten door hun externe enthalpiedebieten uit te wisselen (zie stap 3.3.4.) 29.
      OPMERKING: Een referentie thermische uitwisselingsstructuur en de afmetingen van de EVDP zijn nodig voor het verkrijgen van de parameters in vergelijking (9) op basis van schaalwetten. De gebruikte EVDP thermische uitwisselingsstructuur is afgebeeld in figuur 5.
    3. Modelleer de temperatuurdynamiek van de vaste thermische knooppunten zoals in vergelijking (13):
      Equation 15(13)
      waarbij Equation 16, m en cp respectievelijk de warmtestroomsnelheid, massa en de soortelijke warmte van de vaste knoop zijn.
    4. Modelleer de temperatuurdynamiek van de vloeistofvolumes zoals in vergelijking (14)27,28:
      Equation 17(14)
      waarbij p, m, cp en αp respectievelijk de druk, de massa, de soortelijke warmte en de volumetrische uitzettingscoëfficiënt van de vloeistofknoop zijn; V en h zijn respectievelijk de volumes en de enthalpie van de vloeistofknoop; Equation 13 en hin zijn respectievelijk het massadebiet en de enthalpie van de inkomende stroom; Equation 16 is de warmtewisselkoers; en Ws is het schachtwerk van de vloeistofknoop.
    5. Modelleer de temperatuurdynamiek van de openingen zoals in Vergelijking (15). Dit bepaalt ook de warmtebelastingseffecten van Qpv. Modelleer de openingen als een ideale enthalpie-overdrachtsknoop, die de inkomende enthalpie rechtstreeks overbrengt naar de uitgaande enthalpie.
      Equation 18(15)
      waarin αp, ρ en cp respectievelijk de volumetrische uitzettingscoëfficiënt, de dichtheid en de soortelijke warmte van de vloeistof zijn.
    6. Modelleer de enthalpieoverdrachten in de pomp zoals in vergelijking (16):
      Equation 19(16)
      waarbij dmhuit en dmhin respectievelijk het uitgaande en het inkomende enthalpiedebiet zijn; en Dp, Δp en Sp zijn respectievelijk de verplaatsing, het drukverschil en de snelheid van de pomp.
  4. Voor levensduur- en betrouwbaarheidsmodellering stelt u de kogelomloopspindel en de zuigerpompeenheid in als de levensduur en betrouwbaarheidskritieke componenten. Gebruik de kleinere waarde van de geëvalueerde levensduur/betrouwbaarheid van deze twee componenten als de EVDP-levensduur/betrouwbaarheidsprestaties. Voer de modellen uit met behulp van de Matlab-scripts.
    1. Gebruik de levensduur van de kogelomloopspindel als levensduur. Gebruik de levensduur van de zuigerpompeenheid als levensduur. Modelleer de levensduur van de kogelomloopspindel en de zuigerpomp zoals in vergelijking (17) en vergelijking (18) 13,30:
      Equation 20(17)
      Equation 21(18)
      waarbij Fampi en Fbetekeneni de amplitude van de belastingskracht en de gemiddelde belasting van de kogelomloopspindel zijn die zijn afgeleid van de belastingssimulatieresultaten van de kogelomloopspindel met behulp van regenstroomtelling; Fmax is de maximaal toelaatbare belastkracht van de kogelomloopspindel; Δ p-gemiddeldei = de gemiddelde belastingsdruk van de pomp die is afgeleid van de resultaten van de belastingsdruksimulatie van de pomp met behulp van regenstroomtelling; Sp = het pomptoerental; m = de hoeveelheid van de verschillende cycli die worden geteld; ni = de hoeveelheid van de ith-cyclus; Ni is de hoeveelheid ith-cyclus die uit de componentlevensduur kan lopen; Tcyc = de duur van de duty cycle, waaruit de m-cycli worden geïdentificeerd; en p, α en β zijn de experimentele constanten.
      OPMERKING: Ni wordt verkregen door de bijbehorende belastingsspanning Equation 22aan te passen aan de lineaire log-log S-N-curve, die wordt vastgesteld met behulp van de gegevens over de maximale belasting en de nominale belastingsduur van de specifieke component. De log-log S-N-curve kan worden verbeterd wanneer er meer levensduurgegevens beschikbaar komen.
    2. Stel dat de betrouwbaarheid van de kogelomloopspindel en de pomp die overeenkomt met de levensduur 0,90 is. Definieer de betrouwbaarheid zoals berekend op het 50.000e werkuur. Modelleer de betrouwbaarheid van de kogelomloopspindel en zuigerpomp zoals in vergelijking (19)13:
      Equation 23(19)
      waarbij Rref de referentiebetrouwbaarheid bij de referentielevensduur Lh,10 is en Lh,10 de gespecificeerde werktijd om de betrouwbaarheid te evalueren.
  5. Monteer het model.
    1. Plaats alle benodigde vergelijkingen (geïntroduceerd vanaf stap 3.1-3.4) van elk knooppunt in figuur 3 samen om het modelblok voor elk knooppunt te vormen. Sluit de invoer- en uitvoervariabelen van elk knooppunt af.
      OPMERKING: Neem de theoretische zuigerpompknoop als voorbeeld; het gaat om vijf vergelijkingen: het aandrijfkoppel rekening houdend met de mechanische verliezen, het uitgangsvermogen zonder rekening te houden met lekkage (lekkage wordt afzonderlijk gemodelleerd door de openingen), de verplaatsingsvariatie volgens de verplaatsingsregelingsbeweging, het enthalpietransport en het belastingskoppel dat door de spoelplaat wordt geproduceerd. De afgeleide ingangen zijn de rijsnelheid, de druk en temperatuur op de twee poorten en de verplaatsing van de spoelplaat. De afgeleide uitgangen zijn de ashoek, het belastingskoppel van de aandrijfas, de uitgangsstroom, de uitgangsenthalpie en het belastingskoppel dat door de spoelplaat wordt geproduceerd.
    2. Definieer de in- en uitgangen van het algemene EVDP-model en voer de causaliteitsanalyse van alle knooppunten uit. Voeg indien nodig extra knooppunten toe om ervoor te zorgen dat alle knooppunten causaal zijn gekoppeld. Verbind vervolgens alle knooppunten om het algemene model van de EVDP te vormen, zoals in figuur 3.
      OPMERKING: De drie vloeistofpadknooppunten en twee binnenpoortknooppunten in figuur 3 zijn toegevoegd om de compatibiliteit van de algehele causaliteit van het model te waarborgen. Ze zijn gemodelleerd als de openingen (Vergelijking [4]).

4. Gedeeltelijke modelverificatie (stap 5 in figuur 2).

OPMERKING: Gebruik een EVDP-prototype en de bijbehorende testopstelling om de modelleringsmethode in stap 3 te verifiëren. Stap 4 (modelverificatie) werd in dit artikel uitgevoerd omdat de EVDP nieuw was ontwikkeld en de modellen nieuw werden voorgesteld. Het EVDP-prototype dat in dit artikel werd gebruikt, werd verkleind in vergelijking met het prototype dat in stap 5 werd gesimuleerd. De modellen die zijn gevalideerd op basis van het verkleinde prototype worden als toepasbaar beschouwd voor het simuleren van hetzelfde type EVDP in andere maten. Voor toekomstige modellerings- en simulatietaken tijdens het voorontwerp van hetzelfde type EVDP kan stap 4 worden weggelaten.

  1. Voer een experimentele installatie uit.
    1. Bouw een EVDP-prototype volgens de schema's in figuur 1. Pas de bestaande componenten aan om de subcomponenten van de EVDP te vormen, zoals de zuigerpompeenheid, de versnellingsbak, de kogelomloopspindel en de servomotor.
      OPMERKING: een 7-zuigerpomp met een verplaatsing van 7,4 ml / toeren werd gebruikt voor het bouwen van het prototype in dit artikel. De maximale helling van de spoelplaat was 18°. Het nominale toerental was 7000 omw/min en de nominale druk was 21 MPa. De kogelomloop was 1,59 x 10-3 m en de versnellingsbakverhouding was 2,47. Het EVDP-prototype is weergegeven in figuur 6.
    2. Installeer de EVDP op een testopstelling bestaande uit een laadgedeelte en een besturingsdeel31, zoals weergegeven in figuur 7. Sluit de drie EVDP-poorten aan op het hydraulische circuit van het laadgedeelte. Sluit de elektrische EVDP-kabels aan op het bedieningsgedeelte.
  2. Voer prototypetests uit.
    1. Start het extra hydraulische vermogen (9) door op de startknop op het paneel te drukken.
    2. Stel de verplaatsing van de EVDP in op 2,5° in het tekstvak van de verplaatsingsopdracht met behulp van de gebruikersinterface. Activeer de modusklep (10) en stem de lastregelkleppen (12) af op 3,5 MPa belastingsdruk met behulp van het paneel. Lees en registreer de uitvoerstroom van de EVDP vanaf het paneel.
    3. Stel de EVDP-verplaatsing in op respectievelijk -18°, -15°, -12°, -10°, -8°, -5°, -2,5°, 2,5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15° en 18°. Registreer elke uitgangsstroom van de EVDP onder elke ingestelde verplaatsing, zoals weergegeven in figuur 8A.
    4. Stel de EVDP-verplaatsing in op 2,5° en pas de belastingsdruk aan op respectievelijk ongeveer 3,3 MPa, 5 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 13 MPa, 15 MPa, 17 MPa, 18 MPa, 19 MPa, 20 MPa en 21 MPa. Registreer de uitgangsstroom van de EVDP onder elke druk. Stel de EVDP-verplaatsing in op respectievelijk 5°, 8° en 18° en herhaal de drukinstelling van de 2,5° verplaatsingstest voor elke nieuwe verplaatsing. Noteer de EVDP-uitgangsstroom onder elk testpunt, zoals weergegeven in figuur 8B.
    5. Deactiveer de modusklep (10) door op de knop op het paneel te drukken. Stel de opdracht voor veegfrequentieverplaatsing (van 0,02 Hz tot 20,5 Hz bij amplitude van 2,5° ) in op de EVDP in het tekstvak van de gebruikersinterface. Registreer de EVDP-verplaatsingsrespons en leid de grootte en fasekenmerken ervan af, zoals weergegeven in figuur 9A.
  3. Analyseer de experimentele resultaten.
    1. Stel de actieve parameters van het EVDP-prototype in stap 3 in op het gebouwde model. Het model genereert automatisch andere vereiste simulatieparameters. Stel de omgevingstemperatuur en de initiële EVDP-temperatuur in op 40 °C. Voer het simulatiemodel uit onder dezelfde omstandigheden als in de EVDP-prototypetest in stap 4.2 en noteer de simulatieresultaten.
    2. Plot de experimentele resultaten en simulatieresultaten van elke conditiegroep in dezelfde figuur, zoals weergegeven in figuur 8 en figuur 9.
      OPMERKING: De maximale stroomsimulatiefout (2,2 l/min) trad op bij een verplaatsing van 2,5°, wat 4,35% van de volledige EVDP-stroom was. De simulatieresultaten van de frequentiekarakteristieken bereikten een goede consistentie met de experimentele resultaten onder 10 Hz-commando's en toonden hogere fouten dan 10 Hz-commando's. De simulatienauwkeurigheid was bevredigend.
      OPMERKING: De hogere fouten van de frequentiekarakteristieksimulatieresultaten boven 10 Hz-opdrachten in figuur 9A kwamen voort uit de parametergeneratietools van het voorgestelde modelpakket. De simulatieresultaten bereikten een goede nauwkeurigheid bij het gebruik van echte prototypeparameters, zoals weergegeven in figuur 9B. De tools voor het genereren van parameters resulteerden in fouten omdat de referentiecomponenten die werden gebruikt voor het schatten van de parameters niet in dezelfde serie waren als de componenten van het prototype (interne componenten werden gebruikt voor het EVDP-prototype). Daarom zijn de simulatiefouten geen probleem wanneer de geselecteerde componenten zich in dezelfde reeks bevinden als de referentiecomponenten, maar parameteronzekerheden worden ook besproken in stap 5.

5. Simulatieanalyse (stap 5 in figuur 2).

OPMERKING: Voer de simulatieanalyse uit van de EVDP-ontwerpoptie die eerder is verkregen door stap 3 en 4 (optimalisatieontwerp) in figuur 2 uit te voeren. Splits het simulatieproces op, zoals weergegeven in figuur 10.

  1. Stel actieve parameters en simulatie-instellingen in.
    1. Gebruik een set eerder verkregen actieve parameters van de EVDP voor de eerste simulatie, waarbij het nominale toerental van de EVDP 7000 tpm is, de nominale druk van de EVDP 28 MPa is, de maximale EVDP-verplaatsing 12,3 ml / tpm is, de nominale spanning van de servomotor 28 VDC is, het nominale koppel van de servomotor 0,386 Nm is, de versnellingsbak wordt weggelaten, de nominale kracht van de kogelomloopspindel is 5460 N en de kogelomloopspindel is 0,005 m.
    2. Gebruik GJB1177-1991 15# aerospace hydraulische vloeistof als werkvloeistof in de simulatie. Stel de omgeving in op een kritische temperatuur van 70 °C. De warmte-uitwisselingscoëfficiënt tussen de EVDP-schil en de omgeving is constant bij 20 W/m2/K.
    3. Stel de taakcyclus20 in. Voeg een vloeibaar koellichaam toe om de EVDP-retourstroom en toevoerstroom naar de inlaat van de EVDP te verzamelen.
      OPMERKING: Het koellichaam emuleert de stroomafwaartse componenten in de echte toepassing. Het bevat 10 L vloeistof met een warmte-uitwisselingsruimte van 5 m2 , die een warmte-uitwisselingscoëfficiënt van 50 W / m2 / K met de omgeving handhaaft. De sterke warmteafvoer van het vloeistofkoellichaam wordt gebruikt voor het afvoeren van al het EVDP-uitgangsvermogen, omdat het EVDP-uitgangsvermogen allemaal wordt omgezet in warmte door de lastregelklep.
    4. Stel de ontwerpparameters in op bereiken die de ontwerpruimte bestrijken voor het uitvoeren van de gevoeligheidsanalyse. Gebruik de versnellingsbakverhouding als de geïllustreerde parameter in dit artikel. Stel het verhoudingsbereik van de versnellingsbak in op 1-3,5 om de effecten van het gebruik van continu variërende waarden voor de versnellingsbakverhouding te onderzoeken.
      OPMERKING: Het bereik van de versnellingsbakverhouding is ingesteld door het laatste serienummer als ondergrens te gebruiken en het volgende serienummer als bovengrens te gebruiken. Op deze manier konden de effecten van het gebruik van continu variërende waarden van de versnellingsbakverhouding worden geanalyseerd. Omdat verhouding 1 (zonder versnellingsbak) de geoptimaliseerde versnellingsbakverhouding was, bestond de laatste serie versnellingsbakverhouding niet. De ondergrens van het bereik moest in dit onderzoek 1 zijn. Ratio 3.5 hoefde niet opnieuw gesimuleerd te worden omdat deze al vergeleken was met de verhouding van 1 in het vorige optimalisatieontwerp en werd weggegooid. Ten slotte werden de verhoudingen 2 en 3 geselecteerd voor de gevoeligheidsanalyse. De andere componenten worden aangepast aan vergelijkbare EVDP-verplaatsingscontroleprestaties zodra de nieuwe versnellingsbakverhouding is gedefinieerd om een eerlijke vergelijking te garanderen32.
    5. Stel de ontwerpparameters in op bereiken die hun toleranties dekken om de onzekerheidsanalyse uit te voeren. Gebruik de koppelconstante van de servomotor en het traagheidsmoment van de servomotor als de aanbevolen parameters in dit artikel. Stel het bereik van de koppelconstante van de servomotor en het traagheidsmoment van de servomotor in op 1 - 20% en 1 + 20% van hun geschatte waarden om hun schattingsfouteffecten op de EVDP-frequentiekenmerken te controleren33.
  2. Voer de simulatie uit.
    1. Stel het dynamische model en het thermische model in stap 3 (geïmplementeerd in het systeemsimulatieplatform) in volgens stap 5.1.2. Klik op Parametermodus > TFFD3-1 > bestandsnaam voor eenvoudige vloeistofkarakteristiekgegevens om het olie-eigenschappenbestand te importeren. Klik op Parametermodus > THGCV0-1/THGCV0-2 > temperatuur van de vloeistof om de omgevingstemperatuur in te stellen op 70 °C. Klik op Parameter mode > THGCV0-1/THGCV0-2 > Convectieve warmtewisselaar om de omgevingstemperatuur in te stellen op (20 W/m2/K) / (50 W/m2/K).
    2. Voer de actieve parameters in stap 5.1.1 in. naar de parameterschattingsmodellen (geïmplementeerd met Matlab) voorgesteld in stap 2. Klik op EDITOR > Uitvoeren om het script uit te voeren voor het genereren van alle benodigde simulatieparameters, zoals weergegeven in tabel 2.
      OPMERKING: De controleparameters worden verkregen zoals geïllustreerd in stap 3.2.5. in plaats van automatisch gegenereerd te worden.
    3. Klik op EDITOR > Uitvoeren in Matlab om het script uit te voeren voor het berekenen van het gewicht en het activeren van de dynamische en thermische modellen met de simulatieparameters. De simulatieresultaten worden automatisch verkregen door dit script.
    4. Klik op EDITOR > Uitvoeren in Matlab om het script uit te voeren voor het berekenen van de levensduur van de EVDP en de betrouwbaarheidsprestaties van de opgeslagen simulatieresultaten.
  3. Klik op Simulatiemodus in het systeemsimulatieplatform om de simulatieresultaten te controleren. Leid andere EVDP-prestatieresultaten af uit deze tijddomeinsimulatieresultaten (bijv. de nauwkeurigheid en bandbreedte van de spoelplaatregeling, de EVDP-werktemperatuur, de EVDP-efficiëntie en het EVDP-vermogensniveau).
  4. Klik op Parametermodus in het systeemsimulatieplatform om de simulatieparameters in te stellen die zijn opgegeven in stap 5.1.4. en 5.1.5. Klik op EDITOR > Uitvoeren in Matlab om het script voor het activeren van de dynamische en thermische modellen uit te voeren. Klik op Simulatiemodus in het systeemsimulatieplatform om de simulatieresultaten van de gevoeligheids- en onzekerheidsanalyses te controleren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Deze sectie presenteert de resultaten die zijn verkregen van het uitvoeren van alle protocolstappen, die deel uitmaken van stap 1, stap 2 en stap 5 van de voorlopige EVDP-ontwerpmethode in figuur 2. De invoerinformatie in het protocol omvat de EVDP-schema's in figuur 1, de geoptimaliseerde actieve parameters (verduidelijkt in stap 5.1.1.) van de EVDP uit stap 4 van figuur 2 en de EVDP-prestatiesimulatietaken, die betrekking hebben op de EVDP-ontwerpvereisten. De resultaten van het protocol zijn de definitieve voorlopige ontwerpresultaten van de EVDP, inclusief de waarden van de EVDP-ontwerpparameters en de voorspelde EVDP-prestaties onder deze ontwerpparameters. Met name de parameterschattingsmodellen die zijn ingebouwd in protocol Stap 1 en Stap 2 produceren de resultaten van de ontwerpparameters. Protocol Stap 3 en Stap 4 produceren het simulatiemodel voor het eindonderzoek van de EVDP. Protocol stap 5 voorspelt de EVDP-prestaties onder de specifieke ontwerpparameters. Deze worden hieronder in detail toegelicht.

De parameterschattingsresultaten op basis van de actieve parameters in stap 5.1.1. zijn weergegeven in tabel 2. Deze parameters waren voldoende voor het uitvoeren van het simulatiemodel dat in stap 3 werd voorgesteld. Ook zullen ze worden gedistribueerd naar de fabrikanten van componenten om te worden gebruikt als de componentvereisten. Vervolgens werd de EVDP-massa eenvoudig verkregen door de afzonderlijke componentgewichten bij elkaar op te tellen, wat resulteerde in 10,82 kg.

Na het uitvoeren van stap 5.2.2. met behulp van de bovengenoemde parameters en instellingen werden de ruwe dynamische en thermische simulatieresultaten verkregen. Figuur 11 toont de temperatuurdynamiek van verschillende EVDP-onderdelen, die de thermische prestatie-evaluatie van het geselecteerde EVDP-ontwerp sterk ondersteunen. De resultaten geven aan dat de hoogste vloeistoftemperatuur (175 °C) bij het afvoervolume was, wat de toekomstige thermische ontwerpvereisten schetst. De vloeistof in de lekleiding (afvoer, transmissie en motor) vertoonde een temperatuurgolf, die meestal werd veroorzaakt door de verschillende lekdebieten. Daarom moet de lekkage niet alleen in aanmerking worden genomen in het efficiëntieontwerp, maar ook in het thermische ontwerp. De vaste delen vertoonden een veel langzamere thermische constante, maar ze veranderden de EVDP-temperatuur niet significant omdat de gegenereerde warmte en de vaste massa niet vergelijkbaar waren met de vloeistofzijde.

Figuur 12A illustreert de EVDP-efficiëntie bij een volledige duty cycle. Onder de volledige belastingsconditie (eerste 3 s) bereikte de EVDP een totale efficiëntie van ongeveer 80%, wat wordt gedefinieerd als uitgangsvloeistofvermogen / (asinvoervermogen + servomotor ingangsvermogen). De efficiëntie daalde aanzienlijk toen de belasting afnam. Dit komt omdat de EVDP altijd op zijn nominale snelheid draait, wat continue wrijvingsverliezen veroorzaakt, maar de absolute verliezen van de EVDP daalden (van 8,4 kW naar 2,3 kW) samen met de efficiëntiedaling in figuur 12A. Dit zijn gemeenschappelijke kenmerken van de meeste vermogenstransformatieapparaten (d.w.z. gedeeltelijke belastingsomstandigheden resulteren in een lagere efficiëntie, maar de absolute verliezen nemen ook af), dus ze veroorzaken geen bezorgdheid over de EVDP-prestaties. De efficiëntie van 80% in de vollastconditie van de EVDP is in principe een bevredigend resultaat. Het is ook vermeldenswaard dat de efficiëntieresultaten fluctueerden bij 2-3 s. Gedurende deze periode lagen het vermogen van de ingaande as en het elektromechanische verplaatsingsbesturingsonderdeel op een vergelijkbaar niveau (1 kW). Bovendien vertoonde het elektromechanische verplaatsingscontroleonderdeel een snelle verandering en recuperatie van het stroomverbruik binnen deze periode als gevolg van de hoge interne drukdynamiek van de EVDP. Daarom fluctueert volgens de efficiëntiedefinitie de efficiëntie in deze periode aanzienlijk, zelfs buiten het bereik van 0% -100%.

De brede frequentierespons (2,5° amplitude van 8 Hz tot 20 Hz) onderzoekt de dynamische prestaties van evdp. Zoals te zien is in figuur 12B, volgde de helling van de spoelplaat het commando goed tijdens het veegfrequentiebereik (-0,3 dB, -43° als laagste), wat meer dan 20 Hz EVDP-bandbreedte aangeeft. De hoge dynamische prestaties werden gemakkelijk verkregen dankzij het ontwerp van de evdp met lage traagheidscontroleapparatuur (d.w.z. het elektromechanische bedieningsapparaat). Dit toont de dynamische voordelen van EHA met variabele verplaatsing met behulp van de EVDP in vergelijking met de EHA met variabele snelheid. De EHA met variabele snelheid moet de hoofdas met hoge traagheid van de motorpomp dynamisch draaien, wat een grote uitdaging bleek te zijn in de bestudeerde toepassing (35 kW vermogensniveau).

Tot slot stap 5.2.3. en stap 5.3. de ruwe simulatiegegevens omzetten in de verwachte prestaties van de EVDP, in overeenstemming met de specificatiestijl, zoals weergegeven in tabel 3. Er werd een goede controlenauwkeurigheid (fout van 0,09 graden) voorspeld. De levensduur en betrouwbaarheid van de pomp bleken het zwakst te zijn en deze zijn gespecificeerd in tabel 3. Vervolgens werd een volledig prestatiebeeld getekend voor de eerder ontworpen EVDP, wat een belangrijke output van dit voorlopige ontwerp vertegenwoordigt.

De resultaten in tabel 4 werden verkregen na het simuleren van de instellingen in stap 5.1.4. De versnellingsbak werd in de eerder ontworpen EVDP (versnellingsbakverhouding van 1) weggegooid. Deze simulatie bevestigde dat een aangepaste versnellingsbakverhouding tussen 1-3,5 (minimale kant-en-klare versnellingsbakverhouding) nuttig kan zijn. De servomotor werd zo groot gemaakt als een optimale waarde werd gebruikt zodra een nieuwe versnellingsbakverhouding werd gebruikt. Toen was een eerlijke vergelijking tussen de verschillende versnellingsbakverhoudingen haalbaar. De resultaten toonden aan dat de verhoudingen 2 en 3 enkele nauwkeurigheids- en gewichtsvoordelen konden bereiken, maar niet op een significant niveau, dus het is niet nodig om de aangepaste versnellingsbak te selecteren, aangezien de voordelen ervan mogelijk niet compenseren voor de kosten.

De parameteronzekerheidseffecten van de koppelconstante van de servomotor en het traagheidsmoment zijn weergegeven in tabel 5. De onzekerheid van 20% van deze twee parameters veroorzaakte geen grote variatie in de evdp-controleprestaties. Dit geeft aan dat 20% tolerantie van deze twee parameters acceptabel is voor de uiteindelijke servomotorspecificaties; dit is ook een belangrijke instructie voor de fabrikanten van componenten. De onzekerheidsanalyse moet ook worden uitgevoerd op andere onzekere parameters.

Concluderend werden de ontwerpparameters en de EVDP-prestaties verkregen door het protocol uit te voeren. Bovendien vergroten de gevoeligheidsanalyse en robuustheidsanalyse het vertrouwen en de toepasbaarheid van de ontwerpresultaten. Dit vormen de voorlopige ontwerpresultaten van het EVDP. De voorgestelde methode maakt een praktische evdp-voorlopige ontwerpmethode mogelijk door de parameterschattingsmodellen en het multi-domein EVDP-simulatiemodel te ontwikkelen. De kwaliteit van de ontwerpresultaten is verbeterd en de ontwerpcyclus is verkort. Deze voordelen versterken de competentie van de EVDP en bieden ook hun eigen technische voordelen.

Figure 1
Figuur 1: Het EVDP-concept. (A) De schema's voor het overbrengen van de conventionele pomp met variabele verplaatsing in de elektrovariabele verdringingspomp. (B) Een structuurillustratie van het EVDP. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Het voorontwerpproces van de EVDP. De EVDP-architectuur en ontwerpvereisten worden als input genomen en de dimensionering op systeemniveau en de voorlopige ontwerpprestatieresultaten zijn de outputs. Het proces bestaat uit twee grote stappen: optimalisatie ontwerp en verificatie door simulatie. De parameterschattingsmodellen ondersteunen de twee stappen sterk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: De multidisciplinaire koppelingsmodelarchitectuur van het EVDP. Dit model wordt gebruikt voor de definitieve ontwerpverificatie in het voorontwerp. De disciplines zijn gekoppeld voor het evalueren van alle algemene ontwerpvereisten op een hoog niveau van betrouwbaarheid. Het model is ontwikkeld in een co-simulatieplatform met behulp van een objectgeoriënteerde methode. Het model omvat met name de parametergeneratiefunctie om de uitdaging van parameterverwerving aan te pakken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: De controller van de EVDP. Een drievoudige lus PID-controller wordt gebruikt voor de EVDP-verplaatsingsregeling, waarbij de binnenste lus de servomotorstroomregeling is, de middelste lus de servomotortoerentalregeling en de buitenste lus de EVDP-verplaatsingsregeling is. De EVDP-hoofdas wordt met een constante snelheid aangedreven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: De referentie-EVDP-thermische uitwisselingsstructuur voor het schatten van de parameters in vergelijking (9) op basis van schaalwetten. (A) Thermische uitwisselingsstructuur van de twee poorten. (B) Thermische uitwisselingsstructuur van het drainagevolume. (C) Thermische uitwisselingsstructuur van de pomprotorassemblage. EVDP's van verschillende grootte verwijzen allemaal naar dezelfde thermische uitwisselingsstructuren. Vervolgens kunnen de thermische uitwisselingsgerelateerde dimensies van verschillende EVDP-ontwerpen worden berekend op basis van schaalwetten. De thermische uitwisselingscoëfficiënten kunnen hierbij worden berekend met behulp van Vergelijking (9). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Het geteste prototype van de EVDP. Het prototype is gebouwd volgens de schema's in figuur 1, met parameters van 7,4 ml / toerenverplaatsing, 7000 omw / min nominale snelheid, 21 MPa nominale druk, 1,59 x10-3 m kogelomloopspindel en 2,47 versnellingsbakverhouding. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: De testopstelling van de EVDP. De zwarte lijnen zijn het beladingsgedeelte van de testopstelling. De rode lijnen zijn het besturingsgedeelte van de testopstelling. De blauwe lijnen zijn het EVDP-prototype. 1. Motor aandrijven, 2. Druksensor, 3. Flowmeter, 4. Druksensor, 5. Flowmeter, 6. EVDP prototype, 7. Terugslagklep, 8. Terugslagklep, 9. Extra hydraulisch vermogen, 10. Modus klep, 11. Terugslagklepgroep, 12. Drukregelklep. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: Experimentele en simulatieresultaten van de EVDP-stroomresponsen. (A) De stroomresponsen onder verschillende spoelplaatneigingsomstandigheden bij constante belastingsdruk van 3,5 MPa. (B) De stroomresponsen onder verschillende hellingshoeken van de spoelplaat en belastingsdrukomstandigheden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Experimentele en simulatieresultaten van de frequentiekarakteristieken van de hellingsregeling van de spoelplaat. (A) De vergelijkingsresultaten wanneer het simulatiemodel automatisch gegenereerde parameters gebruikt. (B) De vergelijkingsresultaten wanneer het simulatiemodel de werkelijke parameters van het prototype gebruikt. De resultaten worden verkregen door het veegfrequentiecommando in te stellen op de EVDP-verplaatsing en de tijddomeinresponsen om te zetten in magnitude- en faseresponsen. De grootte- en faseresponsen worden gebruikt om de vergelijkingsresultaten te illustreren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: Simulatie analyse proces. Dit is een substap van stap 5 in figuur 2. Verschillende duty cycles en het simulatieobject (een groep actieve parameters) worden eerst gedefinieerd. Vervolgens kan het voorgestelde model worden gebruikt om de simulatie uit te voeren. Ten slotte worden de simulatieresultaten afgeleid naar de EVDP-specificaties. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: De simulatieresultaten van de EVDP-temperatuur. (A) De vloeistofvolumetemperatuur. (B) De temperatuur van het vaste knooppunt. De afvoer-, transmissie- en servomotorvolumes vormen de lekpassage en resulteren in hogere temperaturen. De twee poorten transporteren vloeistof uit het vloeistofkoellichaam, dus hun temperaturen zijn veel lager. De thermische constanten van de binnenste vaste delen zijn vrij groot vanwege hun kleine warmte-uitwisselingscoëfficiënten, maar ze veranderen de uiteindelijke EVDP-temperatuur niet veel omdat ze een klein deel van de EVDP-massa en -verliezen vormen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 12
Figuur 12: De EVDP-efficiëntie en dynamische prestaties. (A) De EVDP-efficiëntie onder één duty cycle. B) . De EVDP reageert op het ingrijpende frequentiecommando. De efficiëntie daalt samen met een afname van het uitgangsvermogen. Dit komt omdat de EVDP altijd op de nominale snelheid draait en hierbij continu een hoeveelheid energie afvoert, maar dit is geen probleem voor de EVDP-prestaties omdat de absolute verliezen afnemen samen met het uitgangsvermogen afneemt. De EVDP-swashplate volgt het 8-20 Hz, 2,5° amplitude sweeping frequency command goed (-0,3 dB, -43° als laagste), wat aangeeft dat de EVDP-verplaatsingsregeling een bandbreedte heeft die groter is dan 20 Hz. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Tabel 1: Geclassificeerde ontwerpparameters van het EVDP. De ontwerpparameters van elk onderdeel worden ingedeeld in actieve, gedreven en empirische categorieën. De onafhankelijke parameters of specificaties die het meest representatief zijn voor elk onderdeel zijn de actieve parameters. De parameters die kunnen worden afgeleid uit de actieve parameters zijn de aangestuurde parameters. De andere parameters die worden berekend met behulp van empirische functies zijn de empirische parameters. Deze tabel 1 is een uitbreiding van die in Han et al.20. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Tabel 2: De parameterschattingsresultaten op basis van de actieve parameters. v is de onmiddellijke vloeistofsnelheid. Sommige parameters worden aangepast naar een meer illustratieve vorm (bijvoorbeeld de efficiëntie van de kogelomloopspindel wordt gewijzigd in de viskeuze coëfficiënt). Deze parameters zijn de voorlopige ontwerpresultaten en zullen als specificaties aan de fabrikanten van componenten worden verstrekt. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Tabel 3: De ontworpen prestaties van de EVDP. De ruwe tijddomeinsimulatieresultaten worden afgeleid in de EVDP-specificaties, die de belangrijkste output vormen van het EVDP-voorontwerp. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Tabel 4: De EVDP-gevoeligheid voor de aangepaste versnellingsbakverhouding. 1 is de oorspronkelijke ontwerpwaarde, terwijl 2 en 3 de vergeleken waarden zijn (aangepaste waarden). De servomotor moet worden gedimensioneerd tot een optimale waarde bij gebruik van een nieuwe versnellingsbakverhouding, zodat de vergelijking tussen verschillende verhoudingen eerlijk is, maar een aangepaste versnellingsbakverhouding bleek niet nodig omdat de voordelen beperkt waren. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Tabel 5: De onzekerheidseffecten van de koppelconstante van de servomotor en het traagheidsmoment. 20% fouten van de koppelconstante van de servomotor en het traagheidsmoment vertonen geen negatieve effecten op de EVDP-besturingsprestaties. Dit geeft aan dat een tolerantie van 20% van de onderzochte parameters kan worden gespecificeerd voor de fabrikanten van componenten. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het concept en andere technische componenten van het EVDP zijn gepresenteerd in eerdere publicaties 6,31, waaruit de toepasbaarheid en voordelen van het EVDP blijken. In plaats van het EVDP zelf te bestuderen, bleef dit artikel de ontwerpmethode bestuderen in relatie tot toekomstige echte toepassingsbehoeften. Een specifieke ontwerpmethode is noodzakelijk voor dit type sterk geïntegreerd en multidisciplinair koppelingsproduct, wat delicate prestatieafwegingen en optimalisatie vereist. Dit artikel heeft een compleet proces van EVDP-modellering en simulatie voor voorlopig ontwerp voorgesteld en geïllustreerd. Dit proces is gestart vanuit een algemene en praktische kijk op deze taak, die multi-domein koppelingsanalyse en multidisciplinaire vereisten omvat. Ook zijn de problemen met betrekking tot de verwerving van simulatieparameters opgelost door verschillende parameterschattingsmodellen. Hierdoor faciliteert de methode een efficiënt en optimaal voorontwerp van de EVDP. Het is vermeldenswaard dat de simulatie de laatste verificatiestap was van het voorlopige ontwerp van de EVDP. Het proces was gericht op het verifiëren van de ontworpen EVDP-prestaties van de vorige optimalisatie (stappen 3 en 4 in figuur 2) met een hoge mate van betrouwbaarheid. Dat wil zeggen dat de EVDP-prestaties (bijv. controleprestaties en gewicht) al waren geoptimaliseerd voordat het simulatieproces in dit artikel werd uitgevoerd.

De ontwerpparameteranalyse (stap 1) is afhankelijk van de expertise van de ontwerper. Een goed kennisniveau is vereist om de componentprestaties te relateren aan de EVDP-prestaties. De componentencatalogi kunnen helpen om de filosofie van de componenten te leren, maar de ontwerper is altijd verantwoordelijk voor het vertrouwd zijn met de EVDP. Vervolgens is het mogelijk om bevredigende parameteranalyseresultaten te verkrijgen.

De parameterschatting (stap 2) werd niet alleen gebruikt voor de ondersteuning van de simulatie, maar ook voor het formuleren van de componentspecificaties voor componentfabrikanten. De parameters van elk onderdeel worden verdeeld onder de fabrikanten van componenten om de componentvereisten te specificeren. Het is vermeldenswaard dat de parameters altijd gepaard gaan met toleranties, die kunnen worden gedefinieerd met behulp van de onzekerheidsanalyse. De parameterschattingsmodellen moeten worden ontwikkeld op basis van de respectieve kenmerken van de componenten. Ten eerste moeten de componenten worden ingedeeld in aangepaste groepen en kant-en-klare groepen, die respectievelijk rekenmodellen en databases gebruiken voor schatting. Ten tweede moeten de basisprincipes worden geanalyseerd voor het kiezen van elke parameter (bijv. Geometrie-gelijkenis, materiaalprestaties, enz.). Vervolgens kan een goed schattingsmodel worden gekozen en ontwikkeld.

Het EVDP-vermogen, de besturing en de thermische eigenschappen werden voornamelijk beheerd om de gewenste functies en prestaties te bereiken voor het aandrijven van de EHA met variabele verplaatsing. Daarom voldoen het dynamische model (stap 3.2.) en het thermische model (stap 3.3.) aan de basissimulatiebehoeften. Ze werden op een gekoppelde manier ontwikkeld (d.w.z. er werd een gemeenschappelijk model gebouwd om de dynamische kenmerken en thermische kenmerken tegelijkertijd te betrekken). Ook heeft objectgeoriënteerde modellering de voorkeur vanwege de duidelijke architectuur en goede herbruikbaarheid, maar er is extra inspanning nodig om te voldoen aan causaliteit. Modellering op architectuur- en vergelijkingsniveau is noodzakelijk omdat de simulatieomgeving kan veranderen afhankelijk van verschillende behoeften. Dit artikel illustreert verder dan de simulatieomgeving, zodat deze kan worden aangepast aan specifieke software. Het valideren van het model door middel van prototyping en experimenten (stap 4) is gunstig voor het bouwen van betrouwbaardere simulatiemodellen, vooral wanneer het modelleringsobject een nieuw voorgesteld product is, maar, zoals verduidelijkt in stap 4, worden de modellen geacht van toepassing te zijn voor het simuleren van hetzelfde type EVDP in de toekomst zodra ze zijn gevalideerd.

De EVDP-simulatie in dit artikel werd voornamelijk gebruikt voor het evalueren en analyseren van de voorlopige ontwerpoptie. De simulatie moet worden uitgevoerd op een manier die alle ontwerpresultaten in dit stadium verzamelt. De duty cycle en omgeving moeten worden gedefinieerd door rekening te houden met verschillende evaluatiedoeleinden. Naast de prestatiesimulatie moet ook rekening worden gehouden met parametergevoeligheid en onzekerheden. Daarbij kunnen volledige instructies voor de volgende ontwerptaken worden geschetst. In dit artikel was de hoogste gedetecteerde vloeistoftemperatuur 175 °C, wat het thermische ontwerp voor het regelen van de vloeistoftemperatuur ondersteunt. Samen met andere resultaten is een volledig beeld geschetst voor het EVDP-ontwerp op systeemniveau. De gevoeligheidsanalyse fungeerde als een dubbele controle van de parameterselectie in de vorige ontwerpoptie, terwijl de onzekerheidsanalyse vooral bijdroeg aan het definiëren van de ontwerptolerantie. Een grondigere gevoeligheids- en onzekerheidsanalyse is gerechtvaardigd om de voorlopige ontwerpresultaten van de parameters te bevestigen. Concluderend kan worden gesteld dat de voorgestelde EVDP-modellerings- en simulatiemethode rekening houdt met de praktische behoeften van het voorlopige evdb-ontwerp, die gedeeltelijk zijn verwaarloosd in eerder relevant onderzoek (d.w.z. waarbij alle algemene vereisten zijn betrokken en rekening wordt gehouden met de robuustheid van het ontwerp). Zo kan het uitgebreide ontwerpresultaten opleveren en toekomstig evdp-voorontwerp effectief ondersteunen. Bovendien kan het ook worden aangepast voor het ontwerpen van andere soortgelijke producten.

De simulatiecase in dit artikel is een ontwerpvoorbeeld van een EVDP voor toekomstige EHA met variabele verplaatsing van 35 kW. Het toont het potentieel van de EVDP in krachtige EHA-toepassingen, maar deze toepassing is nog niet gestart. De simulatieresultaten worden als betrouwbaar beschouwd vanwege de modelvalidatie op basis van een verkleind EVDP-prototype in stap 4. De nauwkeurigheid van de parameterschattingsmodellen heeft een aanzienlijke invloed op de ontwerpkwaliteit, aangezien ze zowel van invloed zijn op de prestatie-evaluatie als op de componentspecificaties. Metamodellen met variabele machtswetgeving (VPLMs)34 kunnen worden overwogen voor het bijwerken van de parameterschattingsmodellen in dit artikel, maar VPLMs hebben een grote hoeveelheid experimenteel ontwerp nodig, wat veel meer voorbereidingstijd voor modellering vereist.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs erkennen het Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls voor het ondersteunen van dit onderzoek.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Smith, S., Irving, J. Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles. Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , Groton, Connecticut. (2006).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. (2011).
  26. 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).
  27. Li, C., Jiao, Z. Calculation method for thermal-hydraulic system simulation. Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).
  28. Li, C., Jiao, Z. Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).

Tags

Engineering Elektrovariabele verplaatsingspomp modellering en simulatie voorlopig ontwerp elektrohydrostatische actuator thermisch model levensduur- en betrouwbaarheidsmodel simulatieparametergeneratie
Een modellerings- en simulatiemethode voor het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verplaatsingspomp
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Han, X., Zhang, P., Minav, T., Fu,… More

Han, X., Zhang, P., Minav, T., Fu, Y., Fu, J. A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump. J. Vis. Exp. (184), e63593, doi:10.3791/63593 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter