Summary
מודל סימולציה התומך באופן ספציפי בתכנון ראשוני של משאבת תזוזה אלקטרו-משתנה (EVDP) מפותח ומאומת חלקית על ידי ניסויים. ניתן להעריך את ביצועי הבקרה, החיים, האמינות וכו ', באמצעות המודל המוצע, המכסה את דרישות הביצועים העיקריות תחת משימת התכנון הראשונית של EVDP.
Abstract
מפעילים אלקטרו-הידרוסטטיים (EHAs) נחקרו במידה ניכרת באקדמיה, ויישומיהם בתחומים תעשייתיים שונים מתרחבים. ה-EHA בעל המהירות המשתנה קיבל כעת עדיפות על פני ה-EHA בעל התזוזה המשתנה, אך מנוע הנהיגה שלו והאלקטרוניקה הקשורה אליו נתקלים בבעיות כאשר הם מיושמים ביישומים בעלי הספק גבוה: דינמיקה נמוכה, פיזור תרמי גבוה, מחיר גבוה וכו'. לכן, EHA בעל תזוזה משתנה המצויד במשאבת תזוזה אלקטרו-משתנה (EVDP) נחשב. ה-EVDP עצמו הוא מערכת מכטרונית המשלבת משאבת בוכנה, בורג כדור, תיבת הילוכים ומנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM). כתוצאה מכך, יש לחקור את ה- EVDP כדי להבטיח את ביצועיו ברמת המערכת כאשר הוא מיושם ב- EHA. בנוסף למחקר הקודם על הפרמטרים הטכניים של EVDP, יש צורך בשיטת תכנון ייעודית כדי להפחית עוד יותר את עלות השימוש ב- EVDP ולחקור את פוטנציאל הביצועים שלו. כאן נבחרה שיטת תכנון ראשונית מבוססת סימולציה של EVDP לתכנון EVDP של 37 קילוואט. ראשית, מודל רב-תחומי שהוצע בעבר של EVDP מורחב על ידי שיפור יצירת הפרמטרים, כולל חיי EVDP, אמינות, מודלי בקרה וכו '. שנית, המודל המוצע מאומת חלקית באמצעות אב טיפוס מוקטן. שלישית, ה- EVDP מדומה ברמת המערכת, הנתמכת על ידי המודל המוצע. ביצועי ה- EVDP מוערכים על פי דרישות העיצוב שצוינו. הטמפרטורה, רוחב הפס והדיוק, האמינות ואורך החיים וכו', כולם צפויים עבור ה-EVDP. תוצאות הסימולציה מדגימות את תחולת ה-EVDP ב-EHA בעל תזוזה משתנה. ניתן להשתמש בשיטת המידול וההדמיה המוצעת כדי להעריך ביצועי EVDP מגוונים ולהגיב לדרישות התכנון הכלליות. השיטה יכולה גם לתמוך בפתרון אתגרי התכנון הראשוניים במונחים של מידע מוגבל ועמידות. לכן, השיטה המוצעת מתאימה למימוש שיטת התכנון הראשונית מבוססת הסימולציה EVDP.
Introduction
מפעילים אלקטרו-הידרוסטטיים (EHAs) מקבלים עניין גובר ביישומים כגון מכבשים תעשייתיים, מכונות ניידות גדולות, מניפולטורים של מנוף ובקרת מטוסים ראשונית בשל שילוב היתרונות שלהם הן של מפעילים חשמליים והן של מפעילים הידראוליים1. ניתן לזהות שני סוגים בסיסיים של EHAs: EHAs במהירות משתנה ו- EHAs תזוזהמשתנה 2. נכון לעכשיו, EHA במהירות משתנה פופולרי יותר מאשר EHA תזוזה משתנה בשל היעילות והפשטות הגבוהה יותר שלה. עם זאת, יחד עם רמת ההספק הגבוהה יותר של ה- EHA, הדרושה בכלי רכב כבדים, כגון רכבי שיגור כבדים3 וצוללות4, המנוע המניע והאלקטרוניקה הנלווית של ה- EHA במהירות משתנה יש בעיות הקשורות לדינמיקה נמוכה, פיזור תרמי גבוה, מחיר גבוה וכו '. לכן, EHA בעל תזוזה משתנה נשקל מחדש עבור יישומים אלה בהספק גבוה (>30 קילוואט), שכן השליטה שלו מתממשת באמצעות התקן בהספק נמוך המווסת את תזוזת המשאבה.
אחד החששות העיקריים שמונעים מ-EHA בעל תזוזה משתנה להילקח בראש סדר העדיפויות הוא יחידת בקרת תזוזת המשאבה המסורבלת שלה, שהיא עצמה מערכת הידראולית מלאה הנשלטת על ידי שסתומים. משאבת התזוזה האלקטרו-משתנה (EVDP) הוצעה לטפל בבעיה זו באמצעות יחידת בקרת תזוזה חשמלית קומפקטית. עיצוב זה משפר את הקומפקטיות, היעילות וכו ', של ה- EHA בעל התזוזה המשתנה, אשר פותר את החולשה הקודמת במידה מסוימת. לכן, ניתן להקל על השימוש ב- EHAs בעלי תזוזה משתנה עבור יישומים בהספק גבוה באמצעות EVDP החדש שהוצע. עם זאת, המורכבות של ה- EVDP גדולה משמעותית בהשוואה למשאבת התזוזה המשתנה הקונבנציונלית הנשלטת באופן הידראולי מכיוון שהיא משלבת רכיבים ממספר דיסציפלינות חדשות. כתוצאה מכך, התגלו פעילויות מחקר ספציפיות המבוססות על EVDP. קבוצת המחקר שלנו התחילה את מחקר EVDP5 והמשיכה לפתח אותו6. ליו פיתח את ה- EVDP ליישומי EHA וביצע בדיקות ניסיוניות7. חלק מהחברות ההידראוליות מספקות גם מוצרי EVDP. בנוסף למחקר לגבי הרכיבים הטכניים של ה- EVDP, שיטת התכנון לתגובה לדרישות יישום אמיתיות משמעותית גם לשיפור יכולת ה- EVDP על ידי הפחתת העלות של שימוש ב- EVDP וחקר פוטנציאל הביצועים שלהם. לפיכך, שיטת תכנון ראשונית ספציפית של EVDP נחוצה למיטוב פשרות בביצועים ברמת המערכת שלה על ידי ניתוח הדיסציפלינות המצומדות שלה. התכנון הראשוני מבוסס הסימולציה מעניין סוג זה של צימוד רב-תחומי של מוצרים מכטרוניים8.
למרות שלא הוצעו מודלים ספציפיים של סימולציה לתכנון ראשוני של EVDP בשל היותו רעיון חדש שהוצע, הושקעו מחקרים רבים במוצרים מכטרוניים קשורים. מודל EHA דינמי נבנה כדי לייעל את ביצועי המשקל, היעילות והבקרה בתכנון ראשוני9, אך אורך החיים, האמינות, המאפיינים התרמיים וכו ', לא היו מעורבים, שהם מדדי ביצועים חיוניים שיש לקחת בחשבון בתכנון ראשוני. מודל EHA דינמי נוסף שימש גם כדי לייעל את העלות, היעילות וביצועי הבקרה10, ולאחר מכן פותח מודל תרמי כדי להעריך את המאפיינים התרמיים של ה- EHA11 הממוטב, אך האמינות ואורך החיים לא נלקחו בחשבון. הוצגה שיטת תכנון ראשונית מקיפה של מפעיל אלקטרו-מכני (EMA)12. מודלים ספציפיים עם פונקציות שונות המסוגלות לנתח מאפיינים שונים הוצעו לשיטה זו, וגם מודלים של אמינות ואורך חיים פותחו13. ניתן היה להעריך בזאת את החוזק המכני, יכולת הכוח, הביצועים התרמיים וכו ', אך ביצועי הבקרה לא היו מעורבים. שיטת תכנון ראשונית נוספת של EMA השתמשה במודל EMA דינמי ובמודלים נלווים של גודל רכיבים14. העלות, המשקל, חיי העייפות, יכולת הכוח, האילוצים הפיזיים וכו', היו מעורבים בניתוח הסימולציה, אך האמינות וביצועי הבקרה לא נכללו. מודל דינמי הוצע לתכנון אופטימיזציה של רכבת הנעה היברידית הידראולית15. ניתן היה לדמות את יכולת ההספק, היעילות, הבקרה וכו ', אך האמינות והחיים לא נלקחו בחשבון. הוצעו מודלים לניתוח מערכת הפעלה של בקרת טיסה מבוססת EHA, שבמסגרתה נעשה שימוש במשוואות העברת כוח פשוטות ובפונקציות משקל16. בהתחשב בכך שהדגמים שימשו לניתוחים ברמת הרכב וברמת המשימה, כיסוי התכונות המוגבל של הדגמים היה מתאים. כמרכיב מרכזי ב- EHA, מנועי סרוו משכו תשומת לב נפרדת לגבי מידול ועיצוב, והתוצאות מאלפות גם לפיתוח מודל EHA. רשתות תרמיות, מודלים של משקל וכו ', יכולים להיחשב גם עבור מידול EHA 17,18,19. הספרות הנסקרת מצביעה על כך שגם בהתחשב בתוצאות ממוצרים הקשורים ל- EVDP, המודלים שפותחו אינם מנתחים את כל תכונות הביצועים המשפיעות של המוצרים עבור העיצוב הראשוני. ביצועי הבקרה, הביצועים התרמיים, האמינות ואורך החיים הם התכונות שהוזנחו ביותר בבניית הדגמים. לכן, מאמר זה מציע חבילת מודל המסוגלת לנתח את כל תכונות הביצועים המשפיעות ביותר עבור העיצוב הראשוני של EVDP. ניתוח הסימולציה מוצג גם כדי להמחיש טוב יותר את פונקציות המודל. מאמר זה הוא הרחבה של פרסום קודם20, שכן הוא משפר את יצירת הפרמטרים, כולל את מודל החיים, מודל האמינות ומודל הבקרה, מייעל את עלות החישוב, מאמת את המודל ומבצע ניתוח סימולציה מעמיק וכו '.
יחידת הבקרה ההידראולית הקונבנציונלית של משאבת בוכנה בעלת תזוזה משתנה מוחלפת במפעיל חשמלי כדי לשפר את הקומפקטיות ולהפחית את פיזור החום, כפי שמוצג באיור 1. המפעיל החשמלי מורכב מברג כדור, תיבת הילוכים ומנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM). המפעיל החשמלי מחבר את לוחית השטיפה באמצעות מוט כדי לווסת את תזוזת המשאבה. כאשר הוא מיושם ב- EHAs, המיקום הסיבובי של לוחית ה- EVDP נשלט בלולאה סגורה הנשלטת על ידי ויסות ה- PMSM. המפעיל החשמלי משולב עם משאבת הבוכנה במקרה הדדי כדי ליצור מרכיב אינטגרלי. תכנון זה מטביע את המפעיל החשמלי בנוזל העבודה ומחזק בזאת את אפקטי הצימוד הרב-תחומיים.
מכיוון שה-EVDP הוא מוצר מכטרוני טיפוסי מרובה תחומים, העיצוב הראשוני שלו ממלא תפקיד חיוני באופטימיזציה של פשרות בביצועים ברמת המערכת שלו ובהתוויית דרישות תכנון הרכיבים. התהליך מודגם באיור 2 בהתבסס על ערכת התכנון מבוססת הסימולציה10,12. שלב 1 מנתח תחילה את ארכיטקטורת ה-EVDP שנבחרה, כמו באיור 1, ומסכם את הפרמטרים של התכנון בהתבסס על דרישות הביצועים שצוינו. לאחר מכן, משימת העיצוב הופכת בדרך כלל לבעיית אופטימיזציה כדי לחקור את מיטוב הביצועים של EVDP. זה מתבצע על ידי המרת פרמטרי העיצוב למשתני אופטימיזציה והמרת דרישות הביצועים למטרות ואילוצים. ראוי לציין כי יש לסווג את הפרמטרים העיצוביים לקטגוריות פעילות, מונעות ואמפיריות. רק הפרמטרים הפעילים משמשים כמשתני אופטימיזציה בשל תכונות העצמאות שלהם. שתי הקטגוריות האחרות נוצרות באופן אוטומטי על ידי הערכה מהפרמטרים הפעילים. לכן, שלב 2 מפתח את מודלי ההערכה של הפרמטרים המונעים והאמפיריים. כלי הערכה אלה משמשים בכל איטרציה של האופטימיזציה, כמו גם בשלב 5 לגיבוש כל הפרמטרים הנדרשים לסימולציה. שלב 3 בונה את מודלי החישוב עבור כל מטרת אופטימיזציה או אילוץ, המשקף את הביצועים הנדרשים. מודלים אלה צריכים להיות יעילים מבחינה חישובית; אחרת, עלות חישוב האופטימיזציה תהיה בלתי מתקבלת על הדעת. שלב 4 מבצע את חישוב האופטימיזציה, שהוא בדרך כלל רב-תכליתי ורב-תחומי. הוא עוסק גם באי הוודאות בפרמטרים בשלב התכנון הראשוני. שלב 5 בונה מודל כולל של ה-EVDP המתוכנן ומשתמש בו לאימות תוצאות האופטימיזציה על ידי הדמיית ה-EVDP תחת מחזורי עבודה טיפוסיים. מודל זה הוא הכלי האולטימטיבי להערכת תוצאות התכנון הראשוניות. לכן, מודל זה צריך להיות בעל הנאמנות הגבוהה ביותר ולכלול את כל המאפיינים המשפיעים בסגנון צימוד הדוק. לבסוף, מתקבלות תוצאות הביצועים הראשוניות של התכנון ותוצאות הממדים ברמת המערכת.
מאמר זה מתמקד בשיטת מידול המערכת וההדמיה של EVDP, הכוללת ביצוע ניתוח הפרמטרים בשלב 1 והשלמת שלבים 2 ו-5. ראשית, הפרמטרים של העיצוב נגזרים על סמך ארכיטקטורת EVDP ודרישות התכנון, והם מסווגים לשלוש קטגוריות משנה. שנית, מודלי האומדן עבור הפרמטרים הלא פעילים מפותחים על בסיס חוקי קנה מידה, קטלוגים של רכיבים, פונקציות אמפיריות וכו '. שלישית, המודל הכולל של ה-EVDP נבנה באמצעות משוואות צימוד רב-תחומיות ותת-מודלים נוספים של אורך חיים ואמינות, והמודל מאומת חלקית על ידי ניסויים. לבסוף, תוצאות הגודל הקודמות מיובאות למודל הבנוי כדי לבצע ניתוח סימולציה תחת מחזורי עבודה טיפוסיים. הביצועים ברמת המערכת מסיקים על סמך תוצאות הסימולציה. רגישות הפרמטרים ועמידות העיצוב מוערכים גם הם. כתוצאה מכך, מאמר זה מפתח שיטת מידול וסימולציה ספציפית לתכנון ראשוני של EVDP. הביצועים של ה-EVDP ליישום ב-EHA צפויים באופן מקיף. השיטה המוצעת עומדת ככלי מעשי לפיתוח EVDPs ו- EHAs בעלי תזוזה משתנה עבור יישומים בהספק גבוה. ניתן להתייחס לשיטה גם לפיתוח כלי סימולציה לסוגים אחרים של מוצרים מכטרוניים. ה- EVDP במאמר זה מתייחס למשאבת התזוזה המשתנה הנשלטת אלקטרו-מכנית, אך משאבת התזוזה המשתנה הנשלטת אלקטרו-הידראולית אינה נכללת בתחום מאמר זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: Matlab ו- Simcenter Amesim (המכונה להלן פלטפורמת סימולציית מערכת) שימשו בפרוטוקול זה והם רשומים בטבלת החומרים. עם זאת, הפרוטוקול המוצע אינו מוגבל ליישום בשני יישומי תוכנה אלה.
1. בחירה וסיווג של הפרמטרים של עיצוב EVDP (שלב 1 באיור 2).
- פרק את הארכיטקטורה של ה-EVDP באיור 1 ליחידת משאבת בוכנה, בורג כדור, תיבת הילוכים, PMSM ובקר. בדוק את דרישות הביצועים של EVDP.
הערה: במיוחד במאמר זה, הדרישות כללו קיבולת הספק, ביצועי בקרה, ביצועים תרמיים, אורך חיים, אמינות, יעילות ומשקל. - סכם את פרמטרי הגודל והמפרטים של רכיבי ה- EVDP. נתח את הפרמטרים והמפרטים ובחר את אלה הקשורים לדרישות הביצועים שצוינו של EVDP.
הערה: הפרמטרים והמפרטים של הרכיבים שנבחרו הם פרמטרי התכנון בתכנון הראשוני של EVDP, כפי שמוצג בטבלה 1. טבלה 1 כוללת גם את תוצאות סיווג הפרמטרים שהתקבלו באמצעות שלב 1.3. - סווג את פרמטרי העיצוב לקטגוריות פעילות, מונעות ואמפיריות21, כמפורט בטבלה 120.
- הקצה את הפרמטרים או המפרטים הבלתי תלויים המייצגים ביותר של כל רכיב לקטגוריה הפעילה.
- הקצה את הפרמטרים שניתן לגזור מהפרמטרים הפעילים לקטגוריה המונעת.
- הקצה את הפרמטרים האחרים המחושבים באמצעות פונקציות אמפיריות לקטגוריה האמפירית.
הערה: ההתנגדויות התרמיות הן קבוצת הפרמטרים למידול רשת תרמית. כל נתיב תרמי מוקצה עם התנגדות תרמית. הכמות והערכים של הפרמטרים התרמיים נקבעים לבסוף על ידי ארכיטקטורת הרשת התרמית.
2. פיתוח מודלי ההערכה של הפרמטרים המונעים והאמפיריים (שלב 2 באיור 2).
הערה: בצע את מודלי האומדן של הפרמטרים המונעים והאמפיריים באמצעות Matlab בהתבסס על השיטות הבאות. סקריפט בודד בנוי עבור כל פרמטר מונע או אמפירי.
- הערך את המשאבה ואת הפרמטרים המונעים על ידי מנוע מהפרמטרים הפעילים באמצעות חוקי קנההמידה 22,23.
הערה: הפרמטרים של המשאבה והמניע מונעי המנוע הם בעיקר גיאומטריה או הקשורים למשקל, אשר בדרך כלל עומדים בדרישה של קווי דמיון בין חומרים וגיאומטריה לשימוש בחוקי קנה מידה.- הגדרת יחס קנה המידה של פרמטר רכיב שרירותי אחד x כ:
(1)
כאשר x הוא הפרמטר הנוגע בדבר ו- xref הוא הפרמטר המתאים של רכיב הפניה. התייחס לפרמטרים הפעילים והמונעים לממד האופייני של הרכיב כ:
(2)
כאשר Y* הוא יחס קנה המידה של פרמטר פעיל אחד או מונע, l* הוא יחס קנה המידה של הממד האופייני של הרכיב, ו- α הוא המקדם של יחס קנה המידה. - התייחסו כל פרמטר מונע של הרכיב לפרמטר הפעיל על ידי שילוב המשוואה המתאימה (2) של הפרמטר המונע הספציפי והפרמטרים הפעילים.
הערה: חלק מהתוצאות המוצגות הן22,23:
(3)
כאשר סמלי המשוואות מתייחסים לטבלה 1. עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטי משאבת הבוכנה והמנוע המשמשים בפרוטוקול זה.
- הגדרת יחס קנה המידה של פרמטר רכיב שרירותי אחד x כ:
- הערך את הפרמטרים המונעים עבור תיבת ההילוכים ואת בורג הכדור מהפרמטרים הפעילים באמצעות קטלוגים של רכיבים.
הערה: הפרמטרים הפעילים של תיבת ההילוכים ובורג הכדור הם ערכים בדידים. וריאציה מתמשכת של הפרמטרים הפעילים אינה אפשרית בשל אילוצי מנגנון או עלויות גבוהות. לכן, שימוש בתיבות הילוכים מהמדף או בברגים כדוריים עדיף.- הערך את הפרמטרים המניעים של תיבת ההילוכים על-ידי חילוץ פרמטרים אלה מגליון הנתונים של תיבת ההילוכים המתאימים ביותר ליחס המוגדר ולמומנט הנומינלי. במיוחד בנייר זה, ראש ההילוכים (טבלת החומרים) שימש לבניית ספריית תיבת ההילוכים בתוכנת Matlab. השתמש במומנט הנומינלי לפני היחס המוגדר להתאמת תיבת ההילוכים בהתבסס על שיטת ארגון התיק של ראש ההילוכים שצוין (טבלת חומרים).
- הערך את הפרמטרים המונעים עבור בורג הכדור על-ידי חילוץ פרמטרים אלה מתוך גיליון הנתונים של בורג הכדור המתאימים בצורה הטובה ביותר לעופרת המוגדרת ולעומס הנומינלי. במיוחד בנייר זה, בורג הכדור (טבלת חומרים) שימש לבניית ספריית בורג הכדור ב- Matlab. השתמש בעומס הנומינלי לפני ההפניה המוגדרת להתאמת בורג הכדור בהתבסס על שיטת ארגון התיק של בורג הכדור שצוין (טבלת חומרים).
- הערך את יעילות המשאבה, תיבת ההילוכים ובורג הכדור לפי פונקציות אמפיריות.
הערה: פרמטרי היעילות אינם מסופקים על ידי גיליונות הנתונים של המשאבה, תיבת ההילוכים ובורג הכדור, ולכן הם מוערכים על ידי שיטה מבוססת פונקציה אמפירית.- נניח שהיעילות הנפחית של המשאבה והיעילות המכנית של המשאבה בנקודת העבודה הנומינלית הן 0.95 ו-0.90, בהתאמה. השתמש בשני ערכים אלה כדי להתאים לפונקציות האמפיריות של הדליפה והחיכוך הצמיג בנקודת העבודה הנומינלית, כמו במשוואה (4) ובמשוואה (5)24. לאחר מכן לגזור את המקדמים, Epv ו- Epm של הפונקציות האמפיריות. כתוצאה מכך, השתמש בפונקציות האמפיריות הנגזרות כדי לדמות את מאפייני היעילות בתנאי עבודה מלאים:
(4)
(5)
כאשר Δp הוא הפרש לחץ המשאבה, Tpo היא הטמפרטורה של השמן במשאבה, Dp היא תזוזת המשאבה המיידית, ו - Sp היא מהירות המשאבה.
הערה: את נתוני היעילות בנקודת העבודה הנומינלית של משאבות המדף ניתן לקבל מהיצרן, למרות שזה לא היה המקרה במאמר זה. לאחר מכן, ניתן להשתמש בנתוני היעילות במקום בנתונים המשוערים כדי לשפר את הנאמנות. המקדמים הנגזרים, הנמצאים תחת נקודת העבודה הנומינלית, מווסתים עוד יותר על פי תנאי העבודה המיידיים (כלומר, התזוזה והטמפרטורה). - השתמש בנתוני היעילות המרבית של תיבת ההילוכים או בורג הכדור כדי להתאים את פונקציית החיכוך הצמיג תחת עומס מרבי ומהירות מרבית, כמו במשוואה (6). לאחר מכן, גזור את מקדם החיכוך הצמיג f. כתוצאה מכך, עצבו את יעילות תיבת ההילוכים המיידית או בורג הכדור כמו במשוואה (7):
(6)
(7)
כאשר Emax, Smax ו- Fmax הם היעילות המרבית, המהירות המרבית והכוח המרבי של תיבת ההילוכים או בורג הכדור המתקבלים מגיליון הנתונים, בהתאמה; E, S ו-F הם היעילות המיידית, המהירות המיידית והכוח המיידי של תיבת ההילוכים או בורג הכדור במהלך הסימולציה, בהתאמה; ו-f הוא מקדם החיכוך הצמיג של תיבת ההילוכים או בורג הכדור.
הערה: נניח שהיעילות המרבית של בורג הכדור היא 0.90 עקב היעדר נתונים הקשורים ליעילות. עדכן את פונקציית היעילות של בורג הכדור ברגע שנתונים הקשורים ליעילות הופכים לזמינים.
- נניח שהיעילות הנפחית של המשאבה והיעילות המכנית של המשאבה בנקודת העבודה הנומינלית הן 0.95 ו-0.90, בהתאמה. השתמש בשני ערכים אלה כדי להתאים לפונקציות האמפיריות של הדליפה והחיכוך הצמיג בנקודת העבודה הנומינלית, כמו במשוואה (4) ובמשוואה (5)24. לאחר מכן לגזור את המקדמים, Epv ו- Epm של הפונקציות האמפיריות. כתוצאה מכך, השתמש בפונקציות האמפיריות הנגזרות כדי לדמות את מאפייני היעילות בתנאי עבודה מלאים:
- הערך את פרמטרי ההתנגדות התרמית. הערך את ההתנגדויות התרמיות עבור מודל הרשת התרמית שפותח בשלב 3.3. תוך שימוש בפונקציות האמפיריות מתורת התרמודינמיקה. סווג את ההתנגדויות התרמיות לשני סוגים: הסעה כפויה והולכה.
הערה: הגדר את ההתנגדות התרמית בין מעטפת EVDP לבין הסביבה כערך קבוע. הסיבה לכך היא שהשלב הנוכחי חוקר את המאפיינים התרמיים בתוך המשאבה, בעוד שביצועי פיזור החום המפורטים של הקליפה הם המוקד של התכנון התרמי העתידי.- להעריך את התנגדות ההולכה התרמית בין החלקים המוצקים באמצעות משוואה (8), המבוססת על חוק קנה המידה23:
(8)
כאשר Rsst הוא ההתנגדות התרמית בין שני חלקים מוצקים, ו - Tmn הוא המומנט הנומינלי של מנוע הסרוו.
הערה: משוואה (8) משמשת רק להערכת ההתנגדות התרמית של ההולכה התרמית של המעטפת המתפתלת מכיוון שהיא המגע המוצק-מוצק היחיד במודל הרשת התרמית. - הערך את ההתנגדות התרמית של הסעה כפויה בין חלק מוצק לחלק זורם באמצעות משוואה (9)25,26:
(9)
כאשר Rsft הוא ההתנגדות התרמית בין חלק מוצק לחלק זורם; λf היא המוליכות התרמית של הנוזל; La הוא האורך האופייני של חילופי החום; CRe ו-m הם מקדמים בהתאם למספר ריינולדס Re; Pr הוא מספר פראנדטל; ו- T הוא אזור חילופי החום.
הערה: La וממדים מבניים אחרים נאמדים על סמך חוקי קנה המידה, ומהירות הנוזל על פני אזור חילופי החום מחושבת באופן מיידי מתוצאות הסימולציה של זרימת המשאבה.
- להעריך את התנגדות ההולכה התרמית בין החלקים המוצקים באמצעות משוואה (8), המבוססת על חוק קנה המידה23:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)3. בניית מודל סימולציית המערכת (שלב 5 באיור 2).
הערה: בנה מודל צימוד רב-תחומי של ה- EVDP שיכול לבחון את ביצועיו המלאים. ארכיטקטורת המודל מוצגת באיור 3, והמודל מתבצע בסביבת הסימולציה המשותפת המבוססת על Matlab ועל פלטפורמת סימולציית המערכת. ראשית, לבנות את המודל הגושי האינדיבידואלי של כל רכיב או דיסציפלינה. לאחר מכן, הרכיבו את מודלי הרכיבים/המשמעת לפי איור 3.
- בנה את מודל המשקל של ה- EVDP ב- Matlab.
- חשב את המשקל של EVDP על ידי הוספת המשקלים של כל רכיב, המתקבלים ממודלים של הערכת משקל בשלב 2.
- ביצוע מידול פרמטרים דינמיים גושיים של ה- EVDP בפלטפורמת סימולציית המערכת.
- בנה את מודל התנועה האלקטרו-מגנטית של מנוע הסרוו, את מודל התנועה של תיבת ההילוכים המכנית, את מודל התנועה ההידראולית של יחידת משאבת הבוכנה ואת מודל מומנט העומס של לוחית השטיפה, כפי שתואר קודם לכן20.
- מודל הפסדי המערכת כמו במשוואה (10):
(10)
כאשר QmCu הוא אובדן הנחושת של מנוע הסרוו; Qmr הוא אובדן הרוטור של מנוע הסרוו; Qpv ו - Qpm הם האובדן הנפחי והאובדן המכני של המשאבה, בהתאמה; Qg הוא אובדן תיבת ההילוכים; Qs הוא אובדן בורג הכדור; im הוא זרם מנוע הסרוו; Sm היא מהירות מנוע הסרוו; Δp הוא הפרש לחץ המשאבה; Tpo היא הטמפרטורה של השמן במשאבה; Dp הוא תזוזת המשאבה; Sp היא מהירות המשאבה; fg הוא מקדם החיכוך הצמיג של תיבת ההילוכים; Ss היא מהירות הכניסה של תיבת ההילוכים; ו- Ts הוא המומנט של בורג הכדור. - מודל תכונות הזורם כמו במשוואה (11). זהה את המקדמים על-ידי התאמת גליון הנתונים של הזורם למשוואה (11):
(11)
כאשר ρf ו- ρf0 הם צפיפות המיידית והייחוס, בהתאמה; Cp ו- Cp0 הם החום הספציפי המיידי והייחוס, בהתאמה; μf ו- f0 μ הם הצמיגות המוחלטת המיידית וההתייחסות, בהתאמה; λf ו- λf0 הם המוליכות התרמית המיידית והייחוס, בהתאמה; pi הוא הלחץ המיידי של צומת הנוזלים ith; Ti היא הטמפרטורה המיידית של צומת הנוזלים ith; p0 ו- T0 הם לחץ הייחוס והטמפרטורה של תכונות הנוזל; ו-m,n, bm,n, cm,n ו-dm,n הם המקדמים. - למדל את דינמיקת הלחץ של נפחי הנוזלים כמו במשוואה (12)27,28. מודל הפתח כמו במשוואה (4):
(12)
כאשר p הוא הלחץ של נפח הנוזל; B הוא מודולוס בתפזורת נוזלית; ρ היא צפיפות הנוזלים; V הוא נפח הנוזל;
ו 
- הם קצב זרימת המסה הנכנסת והיוצאת של נפח הנוזל, בהתאמה; αp הוא מקדם ההתפשטות הנפחית של הזורם; ו-T היא הטמפרטורה של נפח הנוזל. - עצבו את הבקר באמצעות בקר PID בעל לולאה משולשת, כמו באיור 46. כוונן את פרמטרי הבקרה באמצעות מספר ניסויי סימולציה כאשר מודל הסימולציה ופרמטרים אחרים של סימולציה מוכנים. כוונן את פרמטרי הבקרה מהלולאה הפנימית ללולאה החיצונית על-ידי הגדלה הדרגתית של ערכי הרווח.
- הוסיפו קפיץ סיבובי ודגם בולמי זעזועים בין מקור מהירות הנהיגה לרוטור המשאבה. הוסף קפיץ ליניארי ודגם בולמי זעזועים בין מהירות הקלט לבין מסת העומס של בורג הכדור.
הערה: שלב זה מאפשר סיבתיות משוואה במודל יחידת משאבת הבוכנה ובמודל בורג הכדור. הגדר את נוקשות הקפיץ ואת דירוג הזעזועים לערכים קבועים שיכולים לגרום להתעלמות מההשפעות של שני בלוקים אלה.
- ביצוע מידול תרמי של EVDP בפלטפורמת סימולציית המערכת.
- הגדר רשת תרמית עבור EVDP20. הוסף את העומס התרמי במשוואה (10), למעט Qpv, לצמתים התרמיים המתאימים.
- עצבו את ההתנגדויות התרמיות לחילופי חום מוצקים-מוצקים וחילופי חום של נוזלים מוצקים באמצעות פונקציות הפרמטרים בשלב 2.4. מודל את חילופי החום של צמתים נוזליים-נוזליים באמצעות החלפת קצבי זרימת האנתלפיה החיצוניים שלהם (עיין בשלב 3.3.4.) 29.
הערה: מבנה חילופי חום ייחוס והממדים של EVDP נחוצים לקבלת הפרמטרים במשוואה (9) בהתבסס על חוקי קנה המידה. מבנה החליפין התרמי EVDP המשומש מתואר באיור 5. - למד את דינמיקת הטמפרטורה של הצמתים התרמיים המוצקים כמו במשוואה (13):
(13)
כאשר
, m ו- cp הם קצב זרימת החום, המסה והחום הספציפי של הצומת המוצק, בהתאמה. - מודל דינמיקת הטמפרטורה של נפחי הנוזלים כמו במשוואה (14)27,28:
(14)
כאשר p, m, cp ו- α p הם הלחץ, המסה, החום הספציפי ומקדם ההתפשטות הנפחי של צומת הנוזל, בהתאמה; V ו- h הם הנפחים והאנתלפיה של צומת הנוזל, בהתאמה; ו- hב- הם קצב זרימת המסה והאנתלפיה של הזרימה הנכנסת, בהתאמה; הוא שער החליפין של החום; ו- Ws היא עבודת הפיר של צומת הנוזל. - למדל את דינמיקת הטמפרטורה של הפתחים כמו במשוואה (15). זה גם קובע את השפעות עומס החום של Qpv. עצבו את הפתחים כצומת העברת אנתלפיה אידיאלית, המעבירה את האנתלפיה הנכנסת ישירות לאנתלפיה היוצאת.
(15)
כאשר αp, ρ ו-cp הם מקדם ההתפשטות הנפחית, הצפיפות והחום הספציפי של הנוזל, בהתאמה. - מודל האנתלפיה מעבירה בתוך המשאבה כמו במשוואה (16):
(16)
כאשר dmh החוצה ו- dmhin הם קצב זרימת האנתלפיה היוצאת והנכנסת, בהתאמה; ו-Dp, Δp ו-Sp הם התזוזה, הפרש הלחצים ומהירות המשאבה, בהתאמה.
- עבור מידול לכל החיים והאמינות, הגדר את בורג הכדור ואת יחידת משאבת הבוכנה כמרכיבים קריטיים לכל החיים והאמינות. השתמש בערך הקטן יותר של אורך החיים/המהימנות המוערכים של שני רכיבים אלה כביצועי אורך החיים/האמינות של EVDP. בצע את הדגמים באמצעות סקריפטים של Matlab.
- השתמש בחיי העייפות של בורג הכדור כחייו. השתמש בחיי השחיקה של יחידת משאבת הבוכנה כאורך החיים שלה. למד את אורך החיים של בורג הכדור ואת יחידת משאבת הבוכנה כמו במשוואה (17) ובמשוואה (18)13,30:
(17)
(18)
כאשר Fampi ו- Fמתכווניםi הם משרעת כוח העומס והעומס הממוצע של בורג הכדור הנגזר מתוצאות סימולציית העומס של בורג הכדור באמצעות ספירת זרימת גשם; Fמקסימום הוא כוח הטעינה המרבי המותר של בורג הכדור; Δpmeani הוא לחץ העומס הממוצע של המשאבה הנגזר מתוצאות סימולציית לחץ העומס של המשאבה באמצעות ספירת זרימת גשם; Sp היא מהירות המשאבה; m היא כמות המחזורים השונים הנספרים; ni היא הכמות של מחזור ה-ith; Ni היא הכמות של מחזור ith שיכולה להיגמר מהחיים המרכיבים; Tcyc הוא משך מחזור החובה, שממנו מזוהים מחזורי m; ו-p, α ו-β הם הקבועים הניסיוניים.
הערה: Ni מתקבל על ידי התאמת מתח העומס המשויך אליו,
, לעקומת S-N ליניארית של יומן יומן, אשר נקבעת באמצעות נתוני העומס המרביים ונתוני חיי העומס הנומינליים של הרכיב הספציפי. ניתן לשפר את עקומת S-N של יומן הרישום כאשר יותר נתונים לכל החיים הופכים לזמינים. - נניח שמהימנות בורג הכדור והמשאבה המתאימה לחייו היא 0.90. הגדר את המהימנות כפי שחושבהבשעת העבודה של 50,000. דגמו את אמינות בורג הכדור ויחידת משאבת הבוכנה כמו במשוואה (19)13:
(19)
כאשר Rref הוא מהימנות הייחוס ב- Lh,10 ו- Lh,10 spec הוא זמן העבודה שצוין כדי להעריך את המהימנות.
- השתמש בחיי העייפות של בורג הכדור כחייו. השתמש בחיי השחיקה של יחידת משאבת הבוכנה כאורך החיים שלה. למד את אורך החיים של בורג הכדור ואת יחידת משאבת הבוכנה כמו במשוואה (17) ובמשוואה (18)13,30:
- הרכיבו את הדגם.
- מקם את כל המשוואות הדרושות (שהוצגו משלב 3.1-3.4) של כל צומת באיור 3 יחד כדי ליצור את בלוק המודל עבור כל צומת. הסיק את משתני הקלט והפלט של כל צומת.
הערה: קח את צומת משאבת הבוכנה התיאורטית כדוגמה; היא כוללת חמש משוואות: מומנט הנהיגה בהתחשב בהפסדים המכניים, זרימת הפלט מבלי לקחת בחשבון דליפה (דליפה מעוצבת בנפרד על ידי הפתחים), וריאציית התזוזה בהתאם לתנועת בקרת התזוזה, הובלת האנתלפיה ומומנט העומס המיוצר על ידי לוחית הכביסה. התשומות הנגזרות הן מהירות הנהיגה, הלחץ והטמפרטורה בשתי היציאות ותזוזת לוחית השטיפה. ההפקות הנגזרות הן זווית הפיר, מומנט העומס של מוט ההנעה, זרימת היציאה, אנתלפיית הפלט ומומנט ההעמסה המיוצר על ידי לוחית ההנעה. - הגדר את הקלטים והפלטים של מודל EVDP הכולל ובצע את ניתוח הסיבתיות של כל הצמתים. הוסף צמתים נוספים בעת הצורך כדי להבטיח שכל הצמתים מקושרים באופן סיבתי. לאחר מכן, חברו את כל הצמתים כדי ליצור את המודל הכולל של ה-EVDP, כמו באיור 3.
הערה: נוספו שלושת צמתי הנתיב הנוזלי ושני צמתי היציאה הפנימית באיור 3 כדי להבטיח את תאימות הסיבתיות הכוללת של המודל. הם ממודלים כפתחים (משוואה [4]).
- מקם את כל המשוואות הדרושות (שהוצגו משלב 3.1-3.4) של כל צומת באיור 3 יחד כדי ליצור את בלוק המודל עבור כל צומת. הסיק את משתני הקלט והפלט של כל צומת.
(10)
(11)
(12)
ו 
- הם קצב זרימת המסה הנכנסת והיוצאת של נפח הנוזל, בהתאמה; αp הוא מקדם ההתפשטות הנפחית של הזורם; ו-T היא הטמפרטורה של נפח הנוזל.
(13)
, m ו- cp הם קצב זרימת החום, המסה והחום הספציפי של הצומת המוצק, בהתאמה.
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
, לעקומת S-N ליניארית של יומן יומן, אשר נקבעת באמצעות נתוני העומס המרביים ונתוני חיי העומס הנומינליים של הרכיב הספציפי. ניתן לשפר את עקומת S-N של יומן הרישום כאשר יותר נתונים לכל החיים הופכים לזמינים.
(19)4. אימות מודל חלקי (שלב 5 באיור 2).
הערה: השתמש באב טיפוס של EVDP ובמתקן הבדיקה שלו כדי לאמת את שיטת המידול בשלב 3. שלב 4 (אימות מודל) בוצע במאמר זה מכיוון שה- EVDP פותח לאחרונה, והדגמים הוצעו לאחרונה. אב הטיפוס של EVDP ששימש במאמר זה הצטמצם בהשוואה לזה המדומה בשלב 5. הדגמים המאומתים על סמך אב הטיפוס המוקטן נחשבים ישימים להדמיית אותו סוג של EVDP בגדלים אחרים. עבור משימות מידול וסימולציה עתידיות במהלך תכנון ראשוני של אותו סוג של EVDP, ניתן להשמיט את שלב 4.
- ביצוע מערך ניסיוני.
- בנה אב טיפוס של EVDP על פי הסכימות באיור 1. התאימו את הרכיבים הקיימים כך שייצרו את רכיבי המשנה של ה-EVDP, כגון יחידת משאבת הבוכנה, תיבת ההילוכים, בורג הכדור ומנוע הסרוו.
הערה: משאבת 7 בוכנות הכוללת תזוזה של 7.4 מ"ל/סל"ד שימשה לבניית אב הטיפוס במאמר זה. הנטייה המרבית של לוחית הכביסה הייתה 18 מעלות. המהירות הנומינלית הייתה 7000 סל"ד לדקה, והלחץ הנומינלי היה 21 MPa. הובלת בורג הכדור הייתה 1.59 x 10-3 מטר, ויחס תיבת ההילוכים היה 2.47. אב הטיפוס של EVDP מוצג באיור 6. - התקינו את ה-EVDP במתקן בדיקה המורכב מחלק טעינה וחלק בקרה31, כפי שמוצג באיור 7. חבר את שלוש יציאות EVDP למעגל ההידראולי של חלק הטעינה. חבר את הכבלים החשמליים EVDP לחלק הבקרה.
- בנה אב טיפוס של EVDP על פי הסכימות באיור 1. התאימו את הרכיבים הקיימים כך שייצרו את רכיבי המשנה של ה-EVDP, כגון יחידת משאבת הבוכנה, תיבת ההילוכים, בורג הכדור ומנוע הסרוו.
- בצע בדיקות אב טיפוס.
- הפעל את כוח העזר ההידראולי (9) על ידי לחיצה על כפתור ההתנעה בלוח.
- הגדר את העקירה של ה- EVDP ל- 2.5° בתיבת הטקסט של פקודת ההזזה באמצעות ממשק המשתמש. להמריץ את שסתום המצב (10) ולכוון את שסתומי בקרת העומס (12) ללחץ עומס של 3.5 MPa באמצעות הפאנל. קרא והקליט את זרימת הפלט של ה- EVDP מהחלונית.
- הגדר את תזוזת ה-EVDP ל-18°-, -15°, -12°, -10°, -10°, -8°, -5°, -2.5°, 2.5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15°, ו-18°, בהתאמה. תעד כל זרימת פלט של ה-EVDP תחת כל תזוזה מוגדרת, כפי שמוצג באיור 8A.
- הגדר את תזוזת ה- EVDP ל- 2.5° והתאם את לחץ העומס לכ- 3.3 MPa, 5 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 13 MPa, 15 MPa, 17 MPa, 18 MPa, 19 MPa, 20 MPa ו- 21 MPa, בהתאמה. תעד את זרימת הפלט של ה- EVDP תחת כל לחץ. הגדר את תזוזת ה- EVDP ל- 5°, 8° ו- 18°, בהתאמה, וחזור על הגדרת הלחץ של מבחן התזוזה של 2.5° עבור כל תזוזה חדשה. תעד את זרימת הפלט EVDP מתחת לכל נקודת בדיקה, כפי שמוצג באיור 8B.
- בטל את שסתום המצב (10) על-ידי לחיצה על הכפתור בלוח. הגדר את פקודת תזוזת התדרים הגורפת (מ- 0.02 הרץ ל- 20.5 הרץ באמפליטודה של 2.5° ) ל- EVDP בתיבת הטקסט של ממשק המשתמש. תעד את תגובת התזוזה של EVDP וגזור את הגודל ומאפייני הפאזה שלה, כפי שמוצג באיור 9A.
- לנתח את תוצאות הניסוי.
- הגדר את הפרמטרים הפעילים של אב הטיפוס של EVDP לדגם הבנוי בשלב 3. המודל יוצר פרמטרים אחרים של סימולציה נדרשת באופן אוטומטי. הגדר את טמפרטורת הסביבה ואת טמפרטורת EVDP הראשונית על 40 °C (74 °F). הפעל את מודל הסימולציה באותם תנאים כמו בבדיקת אב הטיפוס של EVDP בשלב 4.2 ותעד את תוצאות הסימולציה.
- שרטט את תוצאות הניסוי ואת תוצאות הסימולציה של כל קבוצת מצבים באותה דמות, כפי שמוצג באיור 8 ובאיור 9.
הערה: שגיאת סימולציית הזרימה המרבית (2.2 ליטר לדקה) התרחשה בתזוזה של 2.5°, שהייתה 4.35% מזרימת ה-EVDP המלאה. תוצאות הסימולציה של מאפייני התדר השיגו עקביות טובה עם תוצאות הניסוי תחת פקודות 10 הרץ והראו שגיאות גבוהות יותר מעל פקודות 10 הרץ. דיוק הסימולציה היה משביע רצון.
הערה: השגיאות הגבוהות יותר של תוצאות הסימולציה האופייניות לתדרים מעל פקודות של 10 הרץ באיור 9A נבעו מכלי יצירת הפרמטרים של חבילת המודל המוצעת. תוצאות הסימולציה השיגו דיוק טוב בעת שימוש בפרמטרים אמיתיים של אב טיפוס, כפי שמוצג באיור 9B. כלי יצירת הפרמטרים גרמו לשגיאות מכיוון שרכיבי הייחוס ששימשו להערכת הפרמטרים לא היו באותה סדרה כמו רכיבי אב הטיפוס (רכיבים פנימיים שימשו לאב הטיפוס של EVDP). לכן, שגיאות הסימולציה אינן מהוות דאגה כאשר הרכיבים שנבחרו נמצאים באותה סדרה כמו רכיבי הייחוס, אך אי-ודאות בפרמטרים נדונה גם בשלב 5.
5. ניתוח סימולציה (שלב 5 באיור 2).
הערה: בצע את ניתוח הסימולציה של אפשרות תכנון EVDP שהתקבלה בעבר על-ידי ביצוע שלבים 3 ו-4 (תכנון אופטימיזציה) באיור 2. לשבור את תהליך הסימולציה, כפי שמוצג באיור 10.
- הגדר פרמטרים פעילים והגדרות סימולציה.
- השתמש בקבוצה של פרמטרים פעילים שהתקבלו בעבר של EVDP עבור הסימולציה הראשונה, כאשר המהירות הנומינלית של EVDP היא 7000 סל"ד, הלחץ הנומינלי של EVDP הוא 28 MPa, תזוזת EVDP המרבית היא 12.3 מ"ל / סל"ד, המתח הנומינלי של מנוע הסרוו הוא 28 VDC, המומנט הנומינלי של מנוע הסרוו הוא 0.386 ננומטר, תיבת ההילוכים מושמטת, הכוח הנומינלי של בורג הכדור הוא 5460 N, ועופרת בורג הכדור היא 0.005 מ '.
- השתמש ב- GJB1177-1991 15# נוזל הידראולי של תעופה וחלל כנוזל העבודה בסימולציה. הגדר את הסביבה בטמפרטורה קריטית של 70 °C (70 °F). מקדם חילופי החום בין מעטפת ה-EVDP לסביבה קבוע ב-20 W/m2/K.
- הגדר את מחזור העבודה20. הוסיפו גוף קירור נוזלי כדי לאסוף את זרימת ההחזרה של EVDP ואת זרימת האספקה לכניסת ה-EVDP.
הערה: גוף הקירור מחקה את הרכיבים במורד הזרם ביישום האמיתי. הוא מכיל 10 L נוזל עם אזור חילופי חום של 5 מ '2 , אשר שומר על מקדם חילופי חום של 50 W /m2/K עם הסביבה. פיזור החום החזק של גוף הקירור הנוזלי משמש לפיזור כל כוח היציאה של EVDP מכיוון שהספק היציאה של EVDP מומר כולו לחום על ידי שסתום בקרת העומס. - הגדר את הפרמטרים של העיצוב לטווחים המכסים את שטח העיצוב לביצוע ניתוח הרגישות. השתמש ביחס תיבת ההילוכים כפרמטר המודגם במאמר זה. הגדר את טווח היחסים של תיבת ההילוכים כ- 1-3.5 כדי לחקור את ההשפעות של שימוש בערכים משתנים רציפים עבור יחס תיבת ההילוכים.
הערה: הטווח של יחס תיבת ההילוכים נקבע על ידי שימוש במספר הסדרה האחרונה כגבול התחתון ושימוש במספר הסדרה הבא כגבול העליון. בדרך זו, ניתן לנתח את ההשפעות של שימוש בערכים משתנים רציפים של יחס תיבת ההילוכים. מכיוון שיחס 1 (לא באמצעות תיבת הילוכים) היה יחס תיבת ההילוכים הממוטב, יחס תיבת ההילוכים של הסדרה האחרונה לא היה קיים. הגבול התחתון של הטווח היה צריך להיות 1 במחקר זה. יחס 3.5 לא היה צריך להיות מדומה שוב מכיוון שהוא כבר הושווה ליחס של 1 בתכנון האופטימיזציה הקודם והושלך. לבסוף נבחרו יחסים 2 ו-3 לניתוח הרגישות. גודל את הרכיבים האחרים לביצועי בקרת תזוזה דומים של EVDP לאחר הגדרת יחס תיבת ההילוכים החדש כדי להבטיח השוואה הוגנת32. - הגדר את הפרמטרים של העיצוב לטווחים המכסים את הסובלנות שלהם כדי לבצע את ניתוח אי הוודאות. השתמש בקבוע המומנט של מנוע הסרוו וברגע האינרציה של מנוע הסרוו כפרמטרים המודגמים במאמר זה. הגדר את הטווח של קבוע המומנט של מנוע הסרוו ואת רגע האינרציה של מנוע הסרוו כ- 1 - 20% ו- 1 + 20% מהערכים המשוערים שלהם כדי לבדוק את השפעות שגיאת ההערכה שלהם על מאפייני תדר EVDP33.
- הפעל את הסימולציה.
- הגדר את המודל הדינמי והמודל התרמי המוצעים בשלב 3 (מיושם בפלטפורמת סימולציית המערכת) על פי שלב 5.1.2. לחץ על מצב פרמטר > TFFD3-1 > שם הקובץ לקבלת נתונים פשוטים האופייניים לנוזל כדי לייבא את קובץ מאפיין השמן. לחץ על מצב פרמטר > THGCV0-1/THGCV0-2 > טמפרטורת הנוזל כדי להגדיר את טמפרטורת הסביבה על 70 °C (70 °F). לחץ על מצב פרמטר > THGCV0-1/THGCV0-2 > מקדם חילופי חום קונבקטיבי כדי להגדיר את טמפרטורת הסביבה ב- (20 W/m2/K) / (50 W/m2/K).
- הזן את הפרמטרים הפעילים בשלב 5.1.1. למודלים להערכת פרמטרים (המיושמים באמצעות Matlab) המוצעים בשלב 2. לחץ על EDITOR > הפעל כדי להפעיל את הסקריפט ליצירת כל הפרמטרים הדרושים לסימולציה, כפי שמוצג בטבלה 2.
הערה: פרמטרי הבקרה מתקבלים כפי שמודגם בשלב 3.2.5. במקום להיווצר באופן אוטומטי. - לחץ על עורך > הפעל ב- Matlab כדי להריץ את הסקריפט לחישוב המשקל והפעלת המודלים הדינמיים והתרמיים עם פרמטרי הסימולציה. תוצאות הסימולציה מתקבלות באופן אוטומטי על ידי סקריפט זה.
- לחץ על עורך > הפעל ב- Matlab כדי להפעיל את הסקריפט לחישוב אורך החיים והאמינות של EVDP מתוצאות הסימולציה שנשמרו.
- לחץ על מצב סימולציה בפלטפורמת סימולציית המערכת כדי לבדוק את תוצאות הסימולציה. הפק תוצאות אחרות של ביצועי EVDP מתוצאות סימולציה אלה בתחום הזמן (לדוגמה, הדיוק ורוחב הפס של בקרת לוחית ה-swashplate, טמפרטורת העבודה של EVDP, יעילות ה-EVDP ורמת ההספק של EVDP).
- לחץ על מצב פרמטרים בפלטפורמת סימולציית המערכת כדי להגדיר את פרמטרי הסימולציה שצוינו בשלבים 5.1.4. ו-5.1.5. לחץ על עורך > הפעל ב- Matlab כדי להפעיל את הסקריפט להפעלת המודלים הדינמיים והתרמיים. לחץ על מצב סימולציה בפלטפורמת סימולציית המערכת כדי לבדוק את תוצאות הסימולציה של ניתוחי הרגישות וחוסר הוודאות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
חלק זה מציג את התוצאות המתקבלות מביצוע כל שלבי הפרוטוקול, המהווים חלק משלב 1, כל שלב 2, וכל שלב 5 של שיטת התכנון הראשונית של EVDP באיור 2. מידע הקלט בפרוטוקול כולל את סכימות ה-EVDP באיור 1, את הפרמטרים הפעילים הממוטבים (שהובהרו בשלב 5.1.1.1.) של ה-EVDP משלב 4 של איור 2, ואת משימות סימולציית הביצועים של EVDP, המתייחסות לדרישות התכנון של EVDP. תוצאות הפרוטוקול הן תוצאות התכנון הראשוניות הסופיות של ה- EVDP, כולל הערכים של הפרמטרים של תכנון EVDP וביצועי EVDP החזויים תחת פרמטרי תכנון אלה. במיוחד, מודלי הערכת הפרמטרים המובנים בפרוטוקול שלב 1 ושלב 2 מייצרים את התוצאות של פרמטרי העיצוב. פרוטוקול שלב 3 ושלב 4 מייצרים את מודל הסימולציה לבחינה הסופית של ה- EVDP. פרוטוקול שלב 5 חוזה את ביצועי EVDP תחת פרמטרי התכנון הספציפיים. אלה מובהרים להלן בפירוט.
תוצאות הערכת הפרמטרים מבוססות על הפרמטרים הפעילים בשלב 5.1.1. מוצגים בטבלה 2. פרמטרים אלה הספיקו להפעלת מודל הסימולציה שהוצע בשלב 3. כמו כן, הם יופצו ליצרני הרכיבים שישמשו כדרישות הרכיבים. לאחר מכן, מסת EVDP הושגה בקלות על ידי הוספת משקלי הרכיבים הנפרדים יחד, וכתוצאה מכך 10.82 ק"ג.
לאחר ביצוע שלב 5.2.2. באמצעות הפרמטרים וההגדרות הנ"ל, התקבלו תוצאות הסימולציה הדינמית והתרמית הגולמית. איור 11 מציג את דינמיקת הטמפרטורה של חלקי EVDP שונים, התומכים מאוד בהערכת הביצועים התרמיים של עיצוב EVDP שנבחר. התוצאות מצביעות על כך שטמפרטורת הנוזל הגבוהה ביותר (175 מעלות צלזיוס) הייתה בנפח הניקוז, מה שמתווה את דרישות התכנון התרמי העתידיות. הנוזל בקו הדליפה (ניקוז, תמסורת ומנוע) הציג גל טמפרטורה, שנגרם בעיקר על ידי קצבי זרימת הדליפה השונים. לכן, הדליפה צריכה להיחשב לא רק בתכנון היעילות אלא גם בתכנון התרמי. החלקים המוצקים הדגימו קבוע תרמי איטי בהרבה, אך הם לא שינו את טמפרטורת ה-EVDP באופן משמעותי מכיוון שהחום שנוצר והמסה המוצקה לא היו דומים לצד הנוזלי.
איור 12A ממחיש את יעילות ה-EVDP תחת מחזור עבודה מלא. בתנאי העומס המלא (3 השניות הראשונות), ה- EVDP השיג יעילות כוללת של כ - 80%, המוגדרת כהספק נוזל פלט / (כוח כניסת פיר + כוח כניסה של מנוע סרוו). היעילות ירדה באופן משמעותי כאשר העומס ירד. הסיבה לכך היא שה-EVDP פועל תמיד במהירות הנומינלית שלו, מה שגורם להפסדי חיכוך מתמשכים, אך ההפסדים המוחלטים של ה-EVDP ירדו (מ-8.4 קילוואט ל-2.3 קילוואט) יחד עם הירידה ביעילות באיור 12A. אלה הם מאפיינים נפוצים של רוב התקני המרת ההספק (כלומר, תנאי עומס חלקיים גורמים ליעילות נמוכה יותר אך גם ההפסדים המוחלטים פוחתים), ולכן הם אינם גורמים לדאגה לגבי ביצועי EVDP. היעילות של 80% במצב העומס המלא של ה- EVDP היא בעצם תוצאה משביעת רצון. ראוי גם לציין כי תוצאות היעילות השתנו ב 2-3 שניות. במהלך תקופה זו, ההספק של פיר הקלט וחלק בקרת התזוזה האלקטרו-מכנית היו ברמה דומה (1 קילוואט). יתר על כן, חלק בקרת התזוזה האלקטרו-מכני הראה שינוי מהיר והתאוששות של צריכת החשמל בתקופה זו בשל דינמיקת הלחץ הפנימית הגבוהה של ה- EVDP. לכן, על פי הגדרת היעילות, היעילות בתקופה זו משתנה באופן משמעותי, אפילו להיות מעבר לטווח 0%-100%.
תגובת התדר הגורפת (משרעת של 2.5° מ-8 הרץ עד 20 הרץ) בוחנת את הביצועים הדינמיים של EVDP. כפי שניתן לראות באיור 12B, נטיית לוחית השטיפה עקבה אחר הפקודה היטב במהלך טווח התדרים הסוחף (-0.3 dB, -43° כנמוך ביותר), מה שמצביע על יותר מ-20 הרץ של רוחב פס EVDP. הביצועים הדינמיים הגבוהים הושגו בקלות בשל תכנון מנגנון בקרת האינרציה הנמוך של ה- EVDP (כלומר התקן הבקרה האלקטרו-מכני). זה מראה את היתרונות הדינמיים של EHA בעל תזוזה משתנה באמצעות EVDP בהשוואה ל- EHA במהירות משתנה. ה-EHA בעל המהירות המשתנה צריך לסובב באופן דינמי את הפיר הראשי של האינרציה הגבוהה של משאבת המנוע, שנמצא כאתגר גדול ביישום הנחקר (רמת הספק של 35 קילוואט).
לבסוף, שלב 5.2.3. ושלב 5.3. להפוך את נתוני הסימולציה הגולמיים לביצועים הצפויים של EVDP, בהתאם לסגנון המפרט, כפי שמוצג בטבלה 3. נחזה דיוק בקרה טוב (שגיאה של 0.09 מעלות). אורך החיים והאמינות של המשאבה נמצאו כחלשים ביותר, ואלה מפורטים בטבלה 3. לאחר מכן, צוירה תמונת ביצועים מלאה עבור EVDP שתוכנן בעבר, המייצג פלט משמעותי של עיצוב ראשוני זה.
התוצאות בטבלה 4 התקבלו לאחר הדמיית ההגדרות בשלב 5.1.4. תיבת ההילוכים נדחתה ב- EVDP שתוכנן בעבר (יחס תיבת הילוכים של 1). סימולציה זו אישרה כי יחס תיבת הילוכים מותאם אישית בין 1-3.5 (יחס מינימלי של תיבת הילוכים מהמדף) עשוי להיות מועיל. מנוע הסרוו גודלו לערך אופטימלי לאחר שנעשה שימוש ביחס תיבת הילוכים חדש. לאחר מכן, השוואה הוגנת בין יחסי תיבת ההילוכים השונים הייתה ניתנת להשגה. התוצאות הראו כי יחסים 2 ו -3 יכולים להשיג כמה יתרונות דיוק ומשקל, אך לא ברמה משמעותית, ולכן אין צורך לבחור את תיבת ההילוכים המותאמת אישית, בהתחשב בכך שהיתרונות שלה עשויים שלא לפצות על עלותה.
השפעות אי-הוודאות הפרמטריות של קבוע המומנט של מנוע הסרוו ורגע האינרציה מוצגות בטבלה 5. אי הוודאות של 20% משני הפרמטרים הללו לא גרמה לשינוי משמעותי בביצועי בקרת ה-EVDP. זה מצביע על כך שסובלנות של 20% לשני הפרמטרים הללו מקובלת על מפרטי מנוע הסרוו הסופיים; זוהי גם הוראה חשובה עבור יצרני הרכיבים. ניתוח אי הוודאות צריך להתבצע גם על פרמטרים אחרים של חוסר ודאות.
לסיכום, הפרמטרים העיצוביים וביצועי EVDP הושגו על ידי ביצוע הפרוטוקול. יתר על כן, ניתוח הרגישות וניתוח החוסן משפרים עוד יותר את הביטחון והישימות של תוצאות התכנון. אלה מהווים את תוצאות התכנון הראשוניות של ה- EVDP. השיטה המוצעת מאפשרת שיטת תכנון ראשונית מעשית של EVDP על ידי פיתוח מודלי אומדן הפרמטרים ומודל סימולציית EVDP רב-תחומי. איכות תוצאות התכנון שופרה ומחזור העיצוב קוצר. יתרונות אלה מחזקים את יכולתו של ה- EVDP, בנוסף למתן יתרונות טכניים משלהם.
איור 1: מושג EVDP. (A) הסכימות המעבירות את משאבת התזוזה המשתנה הקונבנציונלית למשאבת התזוזה האלקטרו-משתנית. (B) איור מבנה של ה-EVDP. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: תהליך התכנון הראשוני של ה-EVDP. ארכיטקטורת EVDP ודרישות התכנון נלקחות כקלט, והגודל ברמת המערכת ותוצאות ביצועי התכנון הראשוניות הם הפלטים. התהליך מורכב משני שלבים עיקריים: תכנון אופטימיזציה ואימות על ידי סימולציה. מודלי הערכת הפרמטרים תומכים מאוד בשני השלבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: ארכיטקטורת מודל הצימוד הרב-תחומית של ה-EVDP. מודל זה משמש לאימות העיצוב הסופי בתכנון הראשוני. הדיסציפלינות מצומדות להערכת כל דרישות העיצוב הכלליות ברמה גבוהה של נאמנות. המודל פותח בפלטפורמת סימולציה משותפת בשיטה מונחית עצמים. במיוחד, המודל כולל את פונקציית יצירת הפרמטרים כדי להתמודד עם האתגר של רכישת פרמטרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: הבקר של ה-EVDP. בקר PID בעל לולאה משולשת משמש לבקרת תזוזה EVDP, כאשר הלולאה הפנימית היא בקרת זרם מנוע הסרוו, הלולאה האמצעית היא בקרת המהירות של מנוע הסרוו, והלולאה החיצונית היא בקרת התזוזה EVDP. הפיר הראשי EVDP מונע במהירות קבועה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 5: מבנה החילוף התרמי EVDP הייחוס להערכת הפרמטרים במשוואה (9) בהתבסס על חוקי קנה המידה. (B) מבנה החליפין התרמי של נפח הניקוז. (C) מבנה החליפין התרמי של מכלול רוטור המשאבה. EVDPs בגדלים שונים מתייחסים כולם לאותם מבני חילופים תרמיים. לאחר מכן, ניתן לחשב את הממדים הקשורים להחלפה תרמית של עיצובי EVDP שונים בהתבסס על חוקי קנה המידה. ניתן לחשב בזאת את מקדמי החליפין התרמיים באמצעות משוואה (9). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 6: אב הטיפוס שנבדק של ה-EVDP. אב הטיפוס נבנה על פי השרטוטים באיור 1, עם פרמטרים של תזוזה של 7.4 מ"ל/סל"ד, מהירות נומינלית של 7,000 סל"ד לדקה, 21 MPa לחץ נומינלי, 1.59 x10-3 מ' מוליך הברגת כדור ויחס תיבת הילוכים של 2.47 מ'. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 7: מתקן הבדיקה של ה-EVDP. הקווים השחורים הם חלק הטעינה של מתקן הבדיקה. הקווים האדומים הם חלק הבקרה של מתקן הבדיקה. הקווים הכחולים הם אב הטיפוס של EVDP. 1. מנוע נהיגה, 2. חיישן לחץ, 3. מד זרימה, 4. חיישן לחץ, 5. מד זרימה, 6. אב טיפוס של EVDP, 7. שסתום בדיקה, 8. בדוק שסתום, 9. כוח הידראולי עזר, 10. מצב שסתום, 11. בדוק קבוצת שסתומים, 12. שסתום בקרת לחץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 8: תוצאות ניסוי וסימולציה של תגובות זרימת EVDP. (A) תגובות הזרימה בתנאי נטייה שונים של לוחית שטיפה בלחץ עומס קבוע של 3.5 MPa. (B) תגובות הזרימה בתנאי נטייה שונים של לוחית שטיפה ולחץ עומס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 9: תוצאות ניסוי וסימולציה של מאפייני התדרים של בקרת הנטייה של לוחית ה-swashplate. (A) תוצאות ההשוואה כאשר מודל הסימולציה משתמש בפרמטרים שנוצרו באופן אוטומטי. (ב) תוצאות ההשוואה כאשר מודל הסימולציה משתמש בפרמטרים האמיתיים של אב הטיפוס. התוצאות מתקבלות על ידי הגדרת פקודת התדר הגורפת לתזוזת EVDP והפיכת תגובות תחום הזמן לתגובות גודל ופאזה. תגובות הגודל והפאזה משמשות להמחשת תוצאות ההשוואה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 10: תהליך ניתוח סימולציה. זהו תת-שלב של שלב 5 באיור 2. מחזורי עבודה שונים ואובייקט הסימולציה (קבוצה של פרמטרים פעילים) מוגדרים ראשונים. לאחר מכן, ניתן להשתמש במודל המוצע כדי להפעיל את הסימולציה. לבסוף, תוצאות הסימולציה נגזרות למפרטי EVDP. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 11: תוצאות הסימולציה של טמפרטורת EVDP. (A) טמפרטורת נפח הנוזל. (B) טמפרטורת הצומת המוצק. נפחי הניקוז, התמסורת ומנוע הסרוו יוצרים את מעבר הדליפה ומביאים לטמפרטורות גבוהות יותר. שתי היציאות מעבירות נוזל מגוף הקירור הנוזלי, כך שהטמפרטורות שלהן נמוכות בהרבה. הקבועים התרמיים של החלקים המוצקים הפנימיים גדולים למדי בשל מקדמי חילופי החום הקטנים שלהם, אך הם אינם משנים את טמפרטורת ה- EVDP הסופית הרבה מכיוון שהם חלק קטן ממסת ה- EVDP וההפסדים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 12: יעילות EVDP והביצועים הדינמיים. (ב) . ה- EVDP מגיב לפקודת התדר הגורפת. היעילות יורדת יחד עם ירידה בהספק הפלט. הסיבה לכך היא שה- EVDP פועל תמיד במהירות הנומינלית ומפזר בזאת ברציפות כמות של אנרגיה, אך אין זה מדאיג את ביצועי ה- EVDP מכיוון שההפסדים המוחלטים יורדים יחד עם ירידה בהספק הפלט. לוחית ה-EVDP עוקבת היטב אחר פקודת התדר הגורפת של 8-20 הרץ, משרעת של 2.5° (-0.3 dB, -43° כנמוך ביותר), מה שמצביע על כך שלבקרת התזוזה EVDP יש רוחב פס גדול מ-20 הרץ.
טבלה 1: פרמטרי עיצוב מסווגים של EVDP. הפרמטרים העיצוביים של כל רכיב מסווגים לקטגוריות פעילות, מונעות ואמפיריות. הפרמטרים או המפרטים הבלתי תלויים המייצגים ביותר של כל רכיב הם הפרמטרים הפעילים. הפרמטרים שניתן לגזור מהפרמטרים הפעילים הם הפרמטרים המונעים. הפרמטרים האחרים המחושבים באמצעות פונקציות אמפיריות הם הפרמטרים האמפיריים. טבלה 1 זו היא הרחבה של זו שב-Han et al.20. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 2: תוצאות הערכת הפרמטרים מבוססות על הפרמטרים הפעילים. v היא מהירות הנוזל המיידית. חלק מהפרמטרים משתנים לצורה ממחישה יותר (לדוגמה, היעילות של בורג הכדור משתנה למקדם הצמיג). פרמטרים אלה הם תוצאות התכנון הראשוניות ויופצו ליצרני הרכיבים כמפרטים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 3: הביצועים המעוצבים של EVDP. תוצאות הסימולציה הגולמיות בתחום הזמן נגזרות למפרטי EVDP, שהם הפלט העיקרי של התכנון הראשוני של EVDP. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 4: רגישות ה-EVDP ליחס תיבת ההילוכים המותאם אישית. 1 הוא ערך העיצוב המקורי, בעוד ש- 2 ו- 3 הם הערכים המושווים (ערכים מותאמים אישית). מנוע הסרוו צריך להיות בגודל לערך אופטימלי בעת שימוש ביחס תיבת הילוכים חדש, כך שההשוואה בין יחסים שונים תהיה הוגנת, אך יחס תיבת הילוכים מותאם אישית נמצא מיותר מכיוון שהיתרונות היו מוגבלים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 5: השפעות אי הוודאות של קבוע המומנט של מנוע הסרוו ורגע האינרציה. 20% שגיאות של קבוע המומנט של מנוע הסרוו ורגע האינרציה אינן מראות השפעות שליליות על ביצועי בקרת ה- EVDP. זה מצביע על כך שניתן לציין סובלנות של 20% של הפרמטרים הנחקרים עבור יצרני הרכיבים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הרעיון ורכיבים טכניים אחרים של ה- EVDP הוצגו בפרסומים קודמים 6,31, המדגימים את הישימות והיתרונות של ה- EVDP. במקום ללמוד את ה-EVDP עצמו, מאמר זה המשיך ללמוד את שיטת התכנון ביחס לצרכי יישום אמיתיים עתידיים. שיטת תכנון ספציפית נחוצה לסוג זה של מוצר צימוד משולב ורב-תחומי מאוד, הדורש פשרות ביצועים עדינות ואופטימיזציה. מאמר זה הציע והמחיש תהליך שלם של מידול EVDP וסימולציה לתכנון ראשוני. תהליך זה החל מתוך ראייה כוללת ומעשית של משימה זו, הכוללת ניתוח צימוד רב-תחומי ודרישות רב-תחומיות. כמו כן, הקשיים ברכישת פרמטרי סימולציה נפתרו על ידי מודלים מגוונים של הערכת פרמטרים. כתוצאה מכך, השיטה מאפשרת תכנון ראשוני יעיל ואופטימום של EVDP. ראוי לציין כי הסימולציה הייתה שלב האימות הסופי של התכנון הראשוני של EVDP. התהליך נועד לאמת את ביצועי ה-EVDP המתוכננים מהמיטוב הקודם (שלבים 3 ו-4 באיור 2) ברמת נאמנות גבוהה. כלומר, ביצועי ה-EVDP (למשל, ביצועי הבקרה והמשקל) כבר עברו אופטימיזציה לפני שתהליך הסימולציה במאמר זה נערך.
ניתוח פרמטרי העיצוב (שלב 1) תלוי במומחיות של המעצב. נדרשת רמה טובה של ידע כדי לקשר את ביצועי הרכיבים לביצועי EVDP. קטלוגי הרכיבים יכולים לעזור ללמוד את הפילוסופיה של הרכיבים, אך המעצב תמיד אחראי להכיר את ה- EVDP. לאחר מכן, ניתן לרכוש תוצאות ניתוח פרמטרים מספקות.
הערכת הפרמטרים (שלב 2) שימשה לא רק לתמיכה בסימולציה, אלא גם לגיבוש מפרטי הרכיבים עבור יצרני הרכיבים. הפרמטרים של כל רכיב יופצו ליצרני הרכיבים לציון דרישות הרכיבים. ראוי לציין כי הפרמטרים תמיד מלווים בסובלנות, אשר ניתן להגדיר באמצעות ניתוח אי הוודאות. יש לפתח את מודלי הערכת הפרמטרים בהתאם למאפיינים המתאימים של הרכיבים. ראשית, יש לסווג את הרכיבים לקבוצות מותאמות אישית ולקבוצות מדף, המשתמשות במודלי חישוב ומסדי נתונים לצורך הערכה, בהתאמה. שנית, יש לנתח את היסודות לבחירת כל פרמטר (למשל, דמיון גיאומטריה, ביצועי חומרים וכו'). לאחר מכן, ניתן לבחור ולפתח מודל הערכה תקין.
ההספק, הבקרה והמאפיינים התרמיים של EVDP נוהלו בעיקר כדי להשיג את הפונקציות והביצועים הרצויים להפעלת ה- EHA בעל התזוזה המשתנה. לכן, המודל הדינמי (שלב 3.2.) והמודל התרמי (שלב 3.3.) עונים על צרכי הסימולציה הבסיסיים. הם פותחו בצורה מצומדת (כלומר, מודל משותף נבנה כדי לערב את המאפיינים הדינמיים ואת המאפיינים התרמיים בו זמנית). כמו כן, מידול מונחה עצמים עדיף בשל הארכיטקטורה הברורה שלו ושימוש חוזר טוב, אך נדרש מאמץ נוסף כדי לעמוד בסיבתיות. מידול ברמת הארכיטקטורה וברמת המשוואה הוא הכרחי מכיוון שסביבת הסימולציה עשויה להשתנות בהתאם לצרכים שונים. מאמר זה ממחיש עוד מעבר לסביבת הסימולציה, כך שניתן להתאים אותו לתוכנה ספציפית. אימות המודל באמצעות יצירת אב-טיפוס וניסויים (שלב 4) מועיל לבניית מודלים אמינים יותר של סימולציה, במיוחד כאשר אובייקט המידול הוא מוצר שהוצע לאחרונה, אך כפי שהובהר בשלב 4, המודלים נחשבים ישימים להדמיית אותו סוג של EVDP בעתיד לאחר אימותם.
סימולציית EVDP במאמר זה שימשה בעיקר להערכה וניתוח של אפשרות התכנון הראשונית. הסימולציה צריכה להתבצע באופן שאוסף את כל תוצאות התכנון בשלב זה. יש להגדיר את מחזור החובה והסביבה על ידי התחשבות במטרות הערכה שונות. בנוסף לסימולציית הביצועים, יש לקחת בחשבון גם רגישות פרמטרים וחוסר ודאות. לפיכך, ניתן לתאר הוראות מלאות עבור משימות העיצוב הבאות. במאמר זה, טמפרטורת הנוזל הגבוהה ביותר שזוהתה הייתה 175 מעלות צלזיוס, התומכת בתכנון התרמי לשליטה בטמפרטורת הנוזל. יחד עם תוצאות אחרות, צוירה תמונה מלאה עבור עיצוב EVDP ברמת המערכת. ניתוח הרגישות פעל כבדיקה כפולה של בחירת הפרמטרים באופציית התכנון הקודמת, בעוד שניתוח אי הוודאות תרם בעיקר להגדרת סובלנות העיצוב. רגישות מעמיקה יותר וניתוח אי ודאות נדרשים לאישור תוצאות התכנון הראשוניות של הפרמטרים. לסיכום, שיטת המידול וההדמיה המוצעת של EVDP לוקחת בחשבון את הצרכים המעשיים של התכנון הראשוני של EVDP, אשר הוזנחו חלקית במחקרים רלוונטיים קודמים (כלומר, תוך שילוב כל הדרישות הכלליות והתחשבות בחוסן העיצוב). לפיכך, הוא יכול לספק תוצאות תכנון מקיפות ולתמוך ביעילות בתכנון ראשוני עתידי של EVDP. יתר על כן, זה יכול להיות מותאם גם לעיצוב מוצרים דומים אחרים.
מקרה הסימולציה במאמר זה הוא דוגמה עיצובית של EVDP עבור EHA עתידי של 35 קילוואט תזוזה משתנה. זה מראה את הפוטנציאל של EVDP ביישומי EHA בהספק גבוה, אך יישום זה עדיין לא התחיל. תוצאות הסימולציה נחשבות אמינות בשל אימות המודל המבוסס על אב טיפוס EVDP מוקטן בשלב 4. הדיוק של מודלי הערכת הפרמטרים משפיע באופן משמעותי על איכות התכנון מכיוון שהם משפיעים על הערכת הביצועים ועל מפרטי הרכיבים. מטא-מודלים של חוק הספק משתנה (VPLMs)34 יכולים להיחשב לעדכון מודלי הערכת הפרמטרים במאמר זה, אך VPLMs זקוקים לכמות גדולה של תכנון ניסיוני, הדורש הרבה יותר זמן הכנת מידול.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים מודים למכון בייג'ינג למכוטרוניקה ובקרה מדויקת על תמיכתו במחקר זה.
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).
