En modellerings- og simuleringsmetode til foreløbig design af en elektrovariabel forskydningspumpe

Summary

En simuleringsmodel, der specifikt understøtter det foreløbige design af en elektrovariabel fortrængningspumpe (EVDP), udvikles og delvist verificeres ved eksperimenter. Kontrolydelsen, levetiden, pålideligheden osv. kan alle evalueres ved hjælp af den foreslåede model, som dækker de vigtigste præstationskrav under EVDP's foreløbige designopgave.

Abstract

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHA'er) er blevet undersøgt betydeligt i den akademiske verden, og deres anvendelser på forskellige industriområder udvides. EHA med variabel hastighed har nu fået prioritet over EHA med variabel forskydning, men dens drivmotor og tilhørende elektronik støder på problemer, når den anvendes i applikationer med høj effekt: lav dynamik, høj termisk spredning, høj pris osv. Derfor er en EHA med variabel forskydning udstyret med en elektrovariabel fortrængningspumpe (EVDP) blevet overvejet. EVDP selv er et mekatronisk system, der integrerer en stempelpumpe, en kugleskrue, en gearkasse og en permanent magnet synkronmotor (PMSM). EVDP skal derfor undersøges for at sikre dens ydeevne på systemniveau, når den anvendes i en EHA. Ud over den tidligere forskning i EVDP's tekniske parametre er der behov for en særlig designmetode for yderligere at reducere omkostningerne ved at anvende EVDP og udforske dens præstationspotentiale. Her vælges en simuleringsbaseret EVDP foreløbig designmetode til at designe en 37 kW EVDP. For det første udvides en tidligere foreslået tværfaglig model af EVDP ved at forbedre parametergenereringen, herunder EVDP's levetid, pålidelighed, kontrolmodeller osv. For det andet er den foreslåede model delvist verificeret ved hjælp af en downsized prototype. For det tredje simuleres EVDP på systemniveau, understøttet af den foreslåede model. EVDP-ydeevnen evalueres i henhold til de specificerede designkrav. Temperatur, båndbredde og nøjagtighed, pålidelighed og levetid osv. forudsiges alle for EVDP. Simuleringsresultaterne viser EVDP's anvendelighed i EHA med variabel forskydning. Den foreslåede modellerings- og simuleringsmetode kan bruges til at evaluere forskellig EVDP-ydeevne og reagere på generelle designkrav. Metoden kan også understøtte løsningen af de foreløbige designudfordringer med hensyn til begrænset information og robusthed. Derfor er den foreslåede metode egnet til realisering af den simuleringsbaserede EVDP foreløbige designmetode.

Introduction

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHA'er) modtager stigende interesse for applikationer såsom industrielle presser, store mobile maskiner, kranmanipulatorer og primær flykontrol på grund af deres kombination af fordelene ved både elektriske aktuatorer og hydrauliske aktuatorer¹. To grundlæggende typer EHA'er kan identificeres: EHA'er med variabel hastighed og EHA'er med variabel forskydning². I øjeblikket er EHA med variabel hastighed mere populær end EHA med variabel forskydning på grund af dens højere effektivitet og enkelhed. Sammen med EHA's højere effektniveau, som er nødvendigt i tunge køretøjer, såsom tunge løfteraketter³ og ubåde⁴, har køremotoren og tilhørende elektronik i EHA med variabel hastighed imidlertid problemer i forbindelse med lav dynamik, høj termisk spredning, høj pris osv. Derfor genovervejes EHA med variabel forskydning til disse applikationer med høj effekt (>30 kW), da dens styring realiseres via en laveffektenhed, der regulerer pumpens forskydning.

En stor bekymring, der forhindrer, at EHA med variabel forskydning tages som en prioritet, er dens besværlige pumpeforskydningskontrolenhed, som i sig selv er et komplet ventilstyret hydraulisk system. Den elektrovariable fortrængningspumpe (EVDP) er blevet foreslået for at løse dette problem ved hjælp af en kompakt elektrisk forskydningsstyreenhed. Dette design forbedrer kompaktiteten, effektiviteten osv. af EHA med variabel forskydning, hvilket til en vis grad løser den tidligere svaghed. Derfor kan anvendelsen af EHA'er med variabel forskydning til applikationer med høj effekt lettes ved hjælp af den nyligt foreslåede EVDP. EVDP's kompleksitet er dog betydeligt større sammenlignet med den konventionelle hydraulisk styrede pumpe med variabel forskydning, da den integrerer komponenter fra flere nye discipliner. Derfor er der opstået specifikke EVDP-baserede forskningsaktiviteter. Vores forskningsgruppe startede EVDP-forskningen⁵ og har fortsat med at udvikle den⁶. Liu udviklede EVDP til EHA-applikationer og udførte eksperimentelle tests⁷. Nogle hydrauliske virksomheder leverer også EVDP-produkter. Ud over forskningen vedrørende de tekniske komponenter i EVDP er designmetoden til at reagere på reelle applikationskrav også vigtig for at forbedre EVDP's kompetence ved yderligere at reducere omkostningerne ved at bruge EVDP'er og udforske deres præstationspotentiale. Derfor er en specifik EVDP foreløbig designmetode nødvendig for at optimere kompromiser i sin ydeevne på systemniveau ved at analysere sine koblede discipliner. Det simuleringsbaserede foreløbige design er af interesse for denne type tværfaglig kobling af mekatroniske produkter⁸.

Selvom der ikke er foreslået nogen specifikke simuleringsmodeller til EVDP-foreløbigt design, fordi det er et nyligt foreslået koncept, er der investeret meget forskning i relaterede mekatroniske produkter. En dynamisk EHA-model er blevet bygget for at optimere vægten, effektiviteten og kontrolydelsen i det foreløbige design⁹, men levetiden, pålideligheden, de termiske egenskaber osv. var ikke involveret, hvilket er væsentlige præstationsindekser, der bør overvejes i det foreløbige design. En anden dynamisk EHA-model er også blevet brugt til at optimere omkostnings-, effektivitets- og kontrolydelse¹⁰, og en termisk model blev efterfølgende udviklet til at evaluere de termiske egenskaber ved den optimerede EHA¹¹, men pålideligheden og levetiden blev ikke overvejet. En omfattende elektromekanisk aktuator (EMA) foreløbig designmetode er blevet præsenteret¹². Specifikke modeller med forskellige funktioner, der er i stand til at analysere forskellige egenskaber, er blevet foreslået til denne metode, og pålideligheds- og levetidsmodeller er også blevet udviklet¹³. Den mekaniske styrke, effektkapacitet, termiske ydeevne osv. kunne hermed evalueres, men kontrolydelsen var ikke involveret. En anden EMA-foreløbig designmetode anvendte en dynamisk EMA-model og tilhørende komponentstørrelsesmodeller¹⁴. Omkostninger, vægt, udmattelseslevetid, effektkapacitet, fysiske begrænsninger osv. var involveret i simuleringsanalysen, men pålidelighed og kontrolydelse blev ikke inkluderet. Der blev foreslået en dynamisk model til optimeringsdesign af et hydraulisk hybriddrivaggregat¹⁵. Effektkapaciteten, effektiviteten, styringen osv. kunne simuleres, men pålideligheden og levetiden blev ikke overvejet. Modeller til analyse af et EHA-baseret flyvekontrolaktiveringssystem er blevet foreslået, inden for hvilket enkle kraftoverførselsligninger og vægtfunktioner blev anvendt¹⁶. I betragtning af at modellerne blev anvendt til analyser på køretøjsniveau og missionsniveau, var modellernes begrænsede attributdækning passende. Som en vigtig del af EHA har servomotorer tiltrukket sig særskilt opmærksomhed med hensyn til modellering og design, og resultaterne er også lærerige for EHA-modeludvikling. Termiske netværk, vægtmodeller osv. kan også overvejes til EHA-modellering 17,18,19. Den gennemgåede litteratur indikerer, at selv i betragtning af resultaterne fra produkter relateret til EVDP analyserer de udviklede modeller ikke alle de indflydelsesrige præstationsegenskaber for produkterne til det foreløbige design. Kontrolydelsen, den termiske ydeevne, pålideligheden og levetiden er de egenskaber, der er blevet mest forsømt i konstruktionen af modellerne. Derfor foreslår dette papir en modelpakke, der er i stand til at analysere alle de mest indflydelsesrige præstationsattributter for EVDP's foreløbige design. Simuleringsanalysen præsenteres også for bedre at illustrere modelfunktionerne. Dette papir er en udvidelse af en tidligere publikation²⁰, da det forbedrer parametergenereringen, involverer levetidsmodellen, pålidelighedsmodellen og kontrolmodellen, optimerer beregningsomkostningerne, validerer modellen og udfører dybdegående simuleringsanalyse osv.

Den konventionelle hydrauliske styreenhed i en stempelpumpe med variabel forskydning udskiftes med en elektrisk aktuator for at forbedre kompaktiteten og reducere varmeafledningen, som vist i figur 1. Den elektriske aktuator består af en kugleskrue, en gearkasse og en permanent magnet synkronmotor (PMSM). Den elektriske aktuator forbinder vaskepladen via en stang for at regulere pumpens forskydning. Når den anvendes i EHA'er, styres EVDP-swashplate-rotationspositionen i lukket kredsløb ved at modulere PMSM. Den elektriske aktuator er integreret med stempelpumpen i et gensidigt tilfælde for at danne en integreret komponent. Dette design nedsænker den elektriske aktuator i arbejdsvæsken og styrker dermed multidomænekoblingseffekterne.

Da EVDP er et typisk mekatronisk produkt med flere domæner, spiller dets foreløbige design en væsentlig rolle i optimeringen af kompromiser i dets ydeevne på systemniveau og skitserer kravene til komponentdesign. Processen er illustreret i figur 2 baseret på det simuleringsbaserede designskema^10,12. Trin 1 analyserer først den valgte EVDP-arkitektur, som i figur 1, og afslutter designparametrene baseret på de specificerede præstationskrav. Derefter omdannes designopgaven normalt til et optimeringsproblem for at udforske EVDP's ydeevneoptimering. Dette udføres ved at konvertere designparametrene til optimeringsvariabler og konvertere præstationskravene til mål og begrænsninger. Det er værd at bemærke, at designparametrene skal klassificeres i aktive, drevne og empiriske kategorier. Kun de aktive parametre bruges som optimeringsvariabler på grund af deres uafhængighedsfunktioner. De to andre kategorier genereres automatisk ved estimering ud fra de aktive parametre. Derfor udvikler trin 2 estimeringsmodellerne for de drevne og empiriske parametre. Disse estimeringsværktøjer bruges i hver iteration af optimeringen såvel som i trin 5 til formulering af alle de krævede simuleringsparametre. Trin 3 bygger beregningsmodellerne for hvert optimeringsmål eller -begrænsning, som afspejler den krævede ydeevne. Disse modeller skal være beregningsmæssigt effektive; Ellers ville optimeringsberegningsomkostningerne være uacceptable. Trin 4 udfører optimeringsberegningen, som normalt er multi-objektiv og tværfaglig. Den omhandler også parameterusikkerhederne i den indledende designfase. Trin 5 konstruerer en overordnet model af den designede EVDP og bruger den til validering af optimeringsresultaterne ved at simulere EVDP under typiske driftscyklusser. Denne model er det ultimative værktøj til evaluering af de foreløbige designresultater. Derfor skal denne model have den højeste troskab og involvere alle de indflydelsesrige egenskaber i en tæt koblingsstil. Endelig opnås de foreløbige resultater af designydelsen og dimensioneringsresultaterne på systemniveau.

Dette papir fokuserer på EVDP's systemmodellerings- og simuleringsmetode, som indebærer at udføre parameteranalysen i trin 1 og gennemføre trin 2 og 5. For det første er designparametrene afledt af EVDP-arkitekturen og designkravene, og de er klassificeret i tre underkategorier. For det andet udvikles estimeringsmodellerne for de ikke-aktive parametre baseret på skaleringslove, komponentkataloger, empiriske funktioner mv. For det tredje er evdp's overordnede model konstrueret ved hjælp af tværfaglige koblingsligninger og yderligere levetids- og pålidelighedsundermodeller, og modellen er delvist verificeret af eksperimenter. Endelig importeres de tidligere størrelsesresultater til den konstruerede model for at udføre simuleringsanalyse under typiske driftscyklusser. Ydeevnen på systemniveau udledes baseret på simuleringsresultaterne. Parameterfølsomheden og designets robusthed evalueres også. Som et resultat udvikler dette papir en specifik modellerings- og simuleringsmetode til EVDP-foreløbigt design. EVDP's ydeevne til anvendelse i EHA er omfattende forudsagt. Den foreslåede metode står som et praktisk redskab til udvikling af EVPP'er og EHA'er med variabel forskydning til applikationer med høj effekt. Metoden kan også henvises til til udvikling af simuleringsværktøjer til andre typer mekatroniske produkter. EVDP i dette papir refererer til den elektromekanisk styrede pumpe med variabel forskydning, men den elektrohydraulisk styrede variabelt fortrængningspumpe er uden for dette papirs anvendelsesområde.

Protocol

BEMÆRK: Matlab og Simcenter Amesim (i det følgende benævnt systemsimuleringsplatform) blev brugt i denne protokol og er angivet i materialetabellen. Den foreslåede protokol er dog ikke begrænset til implementering i disse to softwareapplikationer.

1. Valg og klassificering af EVDP-designparametrene (trin 1 i figur 2).

1. Demonter EVDP's arkitektur i figur 1 i en stempelpumpeenhed, en kugleskrue, en gearkasse, en PMSM og en controller. Kontroller EVDP's ydelseskrav.
   BEMÆRK: Især i dette papir omfattede kravene effektkapacitet, kontrolydelse, termisk ydeevne, levetid, pålidelighed, effektivitet og vægt.
2. Sammenfat størrelsesparametrene og specifikationerne for komponenterne i EVDP. Analyser parametrene og specifikationerne, og vælg dem, der er relateret til de specificerede EVDP-præstationskrav.
   BEMÆRK: De valgte komponentparametre og specifikationer er konstruktionsparametrene i EVDP's foreløbige design, som vist i tabel 1. Tabel 1 indeholder også de parameterklassifikationsresultater, der blev opnået gennem trin 1.3.
3. Klassificer designparametrene i aktive, drevne og empiriske kategorier²¹, jf . tabel 1²⁰.
   1. Tildel de uafhængige parametre eller specifikationer, der er mest repræsentative for hver komponent, til den aktive kategori.
   2. Tildel de parametre, der kan udledes af de aktive parametre, til den drevne kategori.
   3. Tildel de andre parametre, der beregnes ved hjælp af empiriske funktioner, til den empiriske kategori.
      BEMÆRK: De termiske modstande er gruppen af parametre til modellering af termisk netværk. Hver termisk sti er tildelt en termisk modstand. Mængden og værdierne af de termiske parametre afgøres endeligt af den termiske netværksarkitektur.

2. Udvikling af estimeringsmodellerne for de drevne og empiriske parametre (trin 2 i figur 2).

BEMÆRK: Udfør estimeringsmodellerne for de drevne og empiriske parametre ved hjælp af Matlab baseret på følgende metoder. Der opbygges et individuelt script for hver drevet eller empirisk parameter.

1. Anslå pumpen og de motordrevne parametre ud fra de aktive parametre ved hjælp af skaleringslove^22,23.
   BEMÆRK: Pumpe- og motordrevne parametre er for det meste geometri eller vægtrelaterede, som normalt opfylder kravet om materiale- og geometriligheder for brug af skaleringslove.
   1. Definer skaleringsforholdet for en vilkårlig komponentparameter x som:
      (1)
      hvor x er den pågældende parameter, og x_ref er den tilsvarende parameter for en referencekomponent. Relatere de aktive og drevne parametre til komponentens karakteristiske dimension som:
      (2)
      hvor Y* er skaleringsforholdet for en aktiv eller drevet parameter, l* er skaleringsforholdet for komponentens karakteristiske dimension, og α er koefficienten for skaleringsforholdet.
   2. Relatere hver drevet parameter af komponenten til den aktive parameter ved at kombinere den respektive ligning (2) af den specifikke drevne parameter og de aktive parametre.
      BEMÆRK: Nogle eksemplificerede resultater er^22,23:
      (3)
      hvor symbolerne i ligningerne henviser til tabel 1. Se materialetabellen for at få oplysninger om stempelpumpen og motoren, der anvendes i denne protokol.
2. Anslå de drevne parametre for gearkassen og kugleskruen fra de aktive parametre ved hjælp af komponentkataloger.
   BEMÆRK: De aktive parametre for gearkassen og kugleskruen er diskrete værdier. Kontinuerlig variation af de aktive parametre er ikke mulig på grund af mekanismebegrænsninger eller høje omkostninger. Derfor foretrækkes det at bruge hyldegearkasser eller kugleskruer.
   1. Anslå gearkassens drevne parametre ved at udtrække de parametre fra gearkassens datablad, der bedst matcher det definerede forhold og nominelle drejningsmoment. Især i dette papir blev gearhovedet (Table of Materials) brugt til at opbygge gearkassebiblioteket i Matlab-software. Brug det nominelle drejningsmoment før det definerede forhold til at matche gearkassen baseret på porteføljeorganisationsmetoden for det specificerede gearhoved (Materialetabel).
   2. Anslå de drevne parametre for kugleskruen ved at udtrække de parametre fra kugleskruedatabladet, der bedst matcher den definerede ledning og nominelle belastning. Især i dette papir blev kugleskruen (Table of Materials) brugt til at bygge kugleskruebiblioteket i Matlab. Brug den nominelle belastning før den definerede ledning til at matche kugleskruen baseret på porteføljeorganisationsmetoden for den specificerede kugleskrue (Table of Materials).
3. Anslå pumpen, gearkassen og kugleskruens effektivitet ved hjælp af empiriske funktioner.
   BEMÆRK: Effektivitetsparametrene leveres ikke af databladene for pumpen, gearkassen og kugleskruen, så de estimeres ved hjælp af en empirisk funktionsbaseret metode.
   1. Antag, at pumpens volumetriske effektivitet og pumpens mekaniske effektivitet ved det nominelle arbejdspunkt er henholdsvis 0,95 og 0,90. Brug disse to værdier til at passe til de empiriske funktioner af lækagen og den viskøse friktion ved det nominelle arbejdspunkt, som i ligning (4) og ligning (5)²⁴. Derefter udledes koefficienterne, E_pv og E_pm af de empiriske funktioner. Som følge heraf skal du bruge de afledte empiriske funktioner til at simulere effektivitetsegenskaberne under fulde arbejdsvilkår:
      (4)
      (5)
      hvor Δp er pumpens trykforskel, T_po er temperaturen på olien i pumpen, D_p er den øjeblikkelige pumpeforskydning, og S_p er pumpehastigheden.
      BEMÆRK: Effektivitetsdataene på det nominelle arbejdspunkt for hyldepumperne kan fås hos producenten, selvom det ikke var tilfældet i dette papir. Derefter kan effektivitetsdataene bruges i stedet for de antagne data til at forbedre troskaben. De afledte koefficienter, der er under det nominelle arbejdspunkt, reguleres yderligere i henhold til de øjeblikkelige arbejdsvilkår (dvs. forskydningen og temperaturen).
   2. Brug dataene om maksimal effektivitet for gearkassen eller kugleskruen til at montere den viskøse friktionsfunktion under maksimal belastning og maksimal hastighed, som i ligning (6). Derefter udledes den viskøse friktionskoefficient f. Som følge heraf modelleres den øjeblikkelige gearkasse eller kugleskrueeffektiviteten som i ligning (7):
      (6)
      (7)
      hvor E_max, S_max og F_max er henholdsvis den maksimale effektivitet, den maksimale hastighed og den maksimale kraft af gearkassen eller kugleskruen opnået fra databladet E, S og F er henholdsvis øjeblikkelig effektivitet, øjeblikkelig hastighed og øjeblikkelig kraft af gearkassen eller kugleskruen under simuleringen; og f er gearkassens eller kugleskruens viskøse friktionskoefficient.
      BEMÆRK: Antag, at kugleskruens maksimale effektivitet er 0,90 på grund af fraværet af effektivitetsrelaterede data. Opdater kugleskruens effektivitetsfunktion, når effektivitetsrelaterede data bliver tilgængelige.
4. Anslå parametrene for termisk modstand. Anslå de termiske modstande for den termiske netværksmodel, der er udviklet i trin 3.3. ved hjælp af de empiriske funktioner fra termodynamikteorien. Klassificer de termiske modstande i to typer: tvungen konvektion og ledning.
   BEMÆRK: Definer den termiske modstand mellem EVDP-skallen og miljøet som en konstant værdi. Dette skyldes, at det nuværende trin undersøger de termiske egenskaber inde i pumpen, mens skallens detaljerede varmeafledningsevne er fokus for det fremtidige termiske design.
   1. Anslå den termiske ledningsmodstand mellem de faste dele ved hjælp af ligning (8), som er baseret på skaleringsloven²³:
      (8)
      hvor R_sst er den termiske modstand mellem to faste dele, og T_mn er servomotorens nominelle drejningsmoment.
      BEMÆRK: Ligning (8) anvendes kun til estimering af den termiske modstand af den termiske ledning med viklingskallen, da den er den eneste faste-faste kontakt i den termiske netværksmodel.
   2. Den tvungne konvektions termiske modstand mellem en fast del og en flydende del anslås ved hjælp af ligning (9)^25,26:
      (9)
      hvor R_sft er den termiske modstand mellem en fast del og en flydende del λ_f er væskens varmeledningsevne; L_a er den karakteristiske længde af varmevekslingen; C_Re og m er koefficienter afhængigt af Reynolds-tallet Re; Pr er Prandtl-nummeret; og A_t er varmevekslingsområdet.
      BEMÆRK: L_a og andre strukturelle dimensioner estimeres ud fra skaleringslove, og væskehastigheden over varmevekslingsområdet beregnes øjeblikkeligt ud fra simuleringsresultaterne af pumpestrømmen.

3. Opbygning af systemsimuleringsmodellen (trin 5 i figur 2).

BEMÆRK: Byg en tværfaglig koblingsmodel af EVDP, der kan undersøge dens fulde ydeevne. Modelarkitekturen er vist i figur 3, og modellen udføres i co-simuleringsmiljøet baseret på Matlab og systemsimuleringsplatformen. For det første skal du opbygge den individuelle klumpede model for hver komponent eller disciplin. Saml derefter komponent-/disciplinmodellerne i henhold til figur 3.

1. Byg vægtmodellen af EVDP i Matlab.
   1. Beregn vægten af EVDP ved at lægge vægtene af hver komponent sammen, som opnås fra vægtestimeringsmodellerne i trin 2.
2. Udfør dynamisk klumpet parametermodellering af EVDP i systemsimuleringsplatformen.
   1. Byg servomotorens elektromagnetiske bevægelsesmodel, bevægelsesmodellen for den mekaniske transmission, stempelpumpeenhedens hydrauliske bevægelsesmodel og belastningsmomentmodellen for vaskepladen som tidligere beskrevet²⁰.
   2. Model systemtabene som i ligning (10):
      (10)
      hvor Q_mCu er kobbertabet af servomotoren; Q_mr er rotortabet af servomotoren; Q_pv og Q_pm er henholdsvis det volumetriske tab og mekaniske tab af pumpen; Q_g er gearkassetabet; Q_s er kugleskruetabet; i_m er servomotorstrømmen; S_m er servomotorhastigheden; Δp er pumpens trykforskel; T_po er temperaturen på olien i pumpen; D_p er pumpens forskydning; S_p er pumpehastigheden; f_g er gearkassens viskøse friktionskoefficient; S_s er gearkassens indgangshastighed; og T_s er kugleskruens drejningsmoment.
   3. Model væskeegenskaberne som i ligning (11). Identificer koefficienterne ved at tilpasse væskedatabladet til ligning (11):
      (11)
      hvor ρ_f og ρ_f0 er henholdsvis instant- og referencetætheden C_p og C_p0 er henholdsvis den øjeblikkelige og referencespecifikke varme; μ_f og μ_f0 er henholdsvis den øjeblikkelige og reference absolutte viskositet; λ_f og λ_f0 er henholdsvis den øjeblikkelige og reference varmeledningsevne; p_i er det øjeblikkelige tryk af ith væskeknuden; T_i er den øjeblikkelige temperatur af ith væskeknuden; p₀ og T₀ er referencetrykket og temperaturen for væskeegenskaberne; og a_m,n, b_m,n, c_m,n og d_m,n er koefficienterne.
   4. Modellere væskevolumenernes trykdynamik som i ligning (12)^27,28. Model åbningen som i ligning (4):
      (12)
      hvor p er trykket af væskevolumenet B er det flydende bulkmodul; ρ er væsketætheden; V er væskevolumenet; og er henholdsvis den indgående og udgående massestrømningshastighed for væskevolumenet; α_p er væskens volumetriske ekspansionskoefficient; og T er temperaturen på væskevolumenet.
   5. Model controlleren ved hjælp af en triple loop PID-controller, som i figur 4⁶. Indstil kontrolparametrene gennem flere simuleringsforsøg, når simuleringsmodellen og andre simuleringsparametre er klar. Indstil kontrolparametrene fra den indre sløjfe til den ydre sløjfe ved gradvist at øge forstærkningsværdierne.
   6. Tilføj en roterende fjeder- og spjældmodel mellem kørehastighedskilden og pumpens rotor. Tilføj en lineær fjeder- og spjældmodel mellem indgangshastigheden og kugleskruens belastningsmasse.
      BEMÆRK: Dette trin muliggør ligningsmæssig kausalitet i stempelpumpeenhedsmodellen og kugleskruemodellen. Indstil fjederstivhed og spjældklassificering til konstante værdier, der kan drive virkningerne af disse to blokke uvidende.
3. Udfør termisk modellering af EVDP i systemsimuleringsplatformen.
   1. Indstil et termisk netværk til EVDP²⁰. Tilføj den termiske belastning i ligning (10), undtagen Q_pv, til de tilsvarende termiske knudeknuder.
   2. Modellere de termiske modstande for fast-fast varmeveksling og fast-flydende varmeveksling ved hjælp af parameterfunktionerne i trin 2.4. Modellere varmevekslingen af væske-væskeknuder ved at udveksle deres eksterne entalpistrømningshastigheder (se trin 3.3.4.) ²⁹.
      BEMÆRK: En termisk referenceudvekslingsstruktur og dimensionerne af EVDP er nødvendige for at opnå parametrene i ligning (9) baseret på skaleringslove. Den anvendte EVDP termiske udvekslingsstruktur er afbildet i figur 5.
   3. Model temperaturdynamikken for de faste termiske knudeknuder som i ligning (13):
      (13)
      hvor , m og c_p er henholdsvis varmestrømningshastigheden, massen og den specifikke varme i den faste knude.
   4. Modellere temperaturdynamikken i væskevolumenerne som i ligning (14)^27,28:
      (14)
      hvor p, m, c_p og α_p er henholdsvis trykket, massen, den specifikke varme og den volumetriske ekspansionskoefficient for væskeknuden V og h er henholdsvis volumenerne og entalpien af væskeknuden; og h_in er henholdsvis massestrømningshastighed og entalpi af den indkommende strømning; er varmevekslingskursen; og W_s er akselarbejdet i væskeknuden.
   5. Modellere temperaturdynamikken i åbningerne som i ligning (15). Dette bestemmer også varmebelastningseffekterne af Q_pv. Model åbningerne som en ideel entalpioverførselsknude, som overfører den indgående entalpi direkte til den udgående entalpi.
      (15)
      hvor α_p, ρ og c_p er henholdsvis den volumetriske ekspansionskoefficient, densiteten og væskens specifikke varme.
   6. Model entalpioverførslerne inde i pumpen som i ligning (16):
      (16)
      hvor dmh_ud og dmh_in er henholdsvis den udgående og indgående entalpi strømningshastighed; og D_p, Δp og S_p er henholdsvis forskydningen, trykforskellen og pumpens hastighed.
4. For levetids- og pålidelighedsmodellering skal du indstille kugleskruen og stempelpumpeenheden som levetids- og pålidelighedskritiske komponenter. Brug den mindre værdi af den evaluerede levetid/pålidelighed af disse to komponenter som EVDP's levetid/pålidelighedsydelse. Udfør modellerne ved hjælp af Matlab-scripts.
   1. Brug kugleskruens udmattelseslevetid som levetid. Brug stempelpumpeenhedens slidlevetid som levetid. Model kugleskruens og stempelpumpeenhedens levetid som i ligning (17) og ligning (18)^13,30:
      (17)
      (18)
      hvor F_ampi og F_betyderi er kugleskruens belastningskraftamplitude og gennemsnitlige belastning afledt af kugleskruens belastningssimuleringsresultater ved hjælp af regnstrømstælling F_max er kugleskruens maksimalt tilladte belastningskraft; Δp_betyderi er pumpens gennemsnitlige belastningstryk afledt af pumpens belastningstryksimuleringsresultater ved hjælp af regnstrømstælling; S_p er pumpehastigheden; m er mængden af de forskellige cyklusser, der tælles; n_i er mængden af ith-cyklussen; N_i er mængden af ith-cyklus, der kan løbe tør for komponentens levetid; T_cyc er arbejdscyklusvarigheden, hvorfra m-cyklusserne identificeres; og p, α og β er de eksperimentelle konstanter.
      BEMÆRK: N_i opnås ved at montere den tilhørende belastningsspænding på den lineære log-log S-N-kurve, som fastlægges ved hjælp af den specifikke komponents maksimale belastningsdata og nominelle belastningslevetidsdata. Log-log S-N-kurven kan forbedres, når flere levetidsdata bliver tilgængelige.
   2. Antag, at pålideligheden af kugleskruen og pumpen svarende til dens levetid er 0,90. Definer pålideligheden som beregnet ved den 50.000^. arbejdstime. Model kugleskruens og stempelpumpeenhedens pålidelighed som i ligning (19)¹³:
      (19)
      hvor R_ref er referencepålideligheden ved referencelevetiden L_h,10 og L_{h,10 spec} er den specificerede arbejdstid til vurdering af pålideligheden.
5. Saml modellen.
   1. Placer alle de nødvendige ligninger (introduceret fra trin 3.1-3.4) af hver knude i figur 3 sammen for at danne modelblokken for hver knude. Afslut input- og outputvariablerne for hver node.
      BEMÆRK: Tag den teoretiske stempelpumpeknude som et eksempel; det involverer fem ligninger: det drivende drejningsmoment i betragtning af de mekaniske tab, udgangsstrømmen uden at overveje lækage (lækage modelleres separat af åbningerne), forskydningsvariationen i henhold til forskydningskontrolbevægelsen, entalpitransporten og belastningsmomentet produceret af vaskepladen. De afledte indgange er kørehastigheden, trykket og temperaturen ved de to porte og swashplate-forskydningen. De afledte udgange er akselvinklen, drivakslens belastningsmoment, udgangsstrømmen, udgangsentalpien og belastningsmomentet produceret af vaskepladen.
   2. Definer input og output fra den samlede EVDP-model, og udfør kausalitetsanalysen af alle noderne. Tilføj ekstra noder, når det er nødvendigt for at sikre, at alle noderne er kausalt forbundet. Tilslut derefter alle noderne for at danne den overordnede model af EVDP, som i figur 3.
      BEMÆRK: De tre væskevejsknuder og to indre portknuder i figur 3 blev tilføjet for at sikre kompatibiliteten af den samlede model kausalitet. De er modelleret som åbningerne (ligning [4]).

4. Delvis modelverifikation (trin 5 i figur 2).

BEMÆRK: Brug en EVDP-prototype og dens testrig til at verificere modelleringsmetoden i trin 3. Trin 4 (modelverifikation) blev udført i dette papir, fordi EVDP var nyudviklet, og modellerne blev nyligt foreslået. EVDP-prototypen, der blev brugt i dette papir, blev nedskåret i forhold til den, der blev simuleret i trin 5. De modeller, der er valideret baseret på den downsizede prototype, anses for anvendelige til simulering af den samme type EVDP i andre størrelser. For fremtidige modellerings- og simuleringsopgaver under indledende design af samme type EVDP kan trin 4 udelades.

1. Udfør eksperimentel opsætning.
   1. Byg en EVDP-prototype i henhold til skemaerne i figur 1. Tilpas de eksisterende komponenter til at danne delkomponenterne i EVDP, såsom stempelpumpeenheden, gearkassen, kugleskruen og servomotoren.
      BEMÆRK: En 7-stempelpumpe med 7,4 ml / omdrejningsforskydning blev brugt til at bygge prototypen i dette papir. Den maksimale hældning af swashplate var 18 °. Den nominelle hastighed var 7000 omdr./min., og det nominelle tryk var 21 MPa. Kugleskrueføringen var 1,59 x ^10-3 m, og gearkasseforholdet var 2,47. EVDP-prototypen er vist i figur 6.
   2. Installer EVDP på en testrig bestående af en lastedel og en kontroldel³¹, som vist i figur 7. Tilslut de tre EVDP-porte til lastedelens hydrauliske kredsløb. Tilslut EVDP-elkablerne til kontroldelen.
2. Udfør prototype test.
   1. Start den ekstra hydrauliske effekt (9) ved at trykke på startknappen på panelet.
   2. Indstil forskydningen af EVDP til 2,5° i tekstboksen til forskydningskommandoen ved hjælp af brugergrænsefladen. Start tilstandsventilen (10), og indstil belastningsreguleringsventilerne (12) til 3,5 MPa belastningstryk ved hjælp af panelet. Læs og optag EVDP'ens udgangsflow fra panelet.
   3. Indstil EVDP-forskydningen til henholdsvis -18°, -15°, -12°, -10°, -8°, -5°, -2,5°, 2,5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15° og 18°. Registrer hver udgangsstrøm fra EVDP under hver sætforskydning, som vist i figur 8A.
   4. Indstil EVDP-forskydningen til 2,5°, og juster belastningstrykket til henholdsvis ca. 3,3 MPa, 5 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 13 MPa, 15 MPa, 17 MPa, 18 MPa, 19 MPa, 20 MPa og 21 MPa. Registrer EVDP'ens udgangsstrøm under hvert tryk. Indstil EVDP-forskydningen til henholdsvis 5°, 8° og 18°, og gentag trykindstillingen for 2,5° forskydningstesten for hver ny forskydning. Registrer EVDP-udgangsflowet under hvert testpunkt, som vist i figur 8B.
   5. Deaktiver tilstandsventilen (10) ved at trykke på knappen på panelet. Indstil kommandoen for omfattende frekvensforskydning (fra 0,02 Hz til 20,5 Hz ved 2,5° amplitude) til EVDP i tekstboksen i brugergrænsefladen. Registrer EVDP-forskydningsresponsen, og udled dens størrelse og faseegenskaber, som vist i figur 9A.
3. Analyser de eksperimentelle resultater.
   1. Indstil de aktive parametre for EVDP-prototypen til den indbyggede model i trin 3. Modellen genererer automatisk andre nødvendige simuleringsparametre. Indstil omgivelsestemperaturen og den indledende EVDP-temperatur til 40 °C. Kør simuleringsmodellen under de samme betingelser som i EVDP-prototypetesten i trin 4.2, og registrer simuleringsresultaterne.
   2. Plot de eksperimentelle resultater og simuleringsresultater for hver tilstandsgruppe i samme figur, som vist i figur 8 og figur 9.
      BEMÆRK: Den maksimale flowsimuleringsfejl (2,2 L/min) skete ved 2,5° forskydning, hvilket var 4,35 % af det fulde EVDP-flow. Simuleringsresultaterne af frekvensegenskaberne opnåede god overensstemmelse med forsøgsresultaterne under 10 Hz-kommandoer og viste højere fejl over 10 Hz-kommandoer. Simuleringsnøjagtigheden var tilfredsstillende.
      BEMÆRK: De højere fejl i frekvenskarakteristikkens simuleringsresultater over 10 Hz-kommandoer i figur 9A opstod fra parametergenereringsværktøjerne i den foreslåede modelpakke. Simuleringsresultaterne opnåede god nøjagtighed ved brug af reelle prototypeparametre, som vist i figur 9B. Værktøjerne til generering af parametre resulterede i fejl, fordi de referencekomponenter, der blev brugt til at estimere parametrene, ikke var i samme serie som komponenterne i prototypen (interne komponenter blev brugt til EVDP-prototypen). Simuleringsfejlene er derfor ikke et problem, når de valgte komponenter er i samme serie som referencekomponenterne, men parameterusikkerheder diskuteres også i trin 5.

5. Simuleringsanalyse (trin 5 i figur 2).

BEMÆRK: Udfør simuleringsanalysen af EVDP-designindstillingen, der tidligere er opnået ved at udføre trin 3 og 4 ( optimeringsdesign) i figur 2. Opbryd simuleringsprocessen, som vist i figur 10.

1. Indstil aktive parametre og simuleringsindstillinger.
   1. Brug et sæt tidligere opnåede aktive parametre for EVDP til den første simulering, hvor EVDP nominelle hastighed er 7000 o / min, EVDP nominelle tryk er 28 MPa, den maksimale EVDP forskydning er 12,3 ml / omdrejninger, servomotorens nominelle spænding er 28 VDC, servomotorens nominelle drejningsmoment er 0,386 Nm, gearkassen udelades, kugleskruens nominelle kraft er 5460 N, og kugleskrueledningen er 0,005 m.
   2. Brug GJB1177-1991 15# hydraulisk rumfartsvæske som arbejdsvæske i simuleringen. Indstil omgivelserne til en kritisk temperatur på 70 °C. Varmevekslingskoefficienten mellem EVDP-skallen og miljøet er konstant ved 20 W/m²/K.
   3. Indstil arbejdscyklussen²⁰. Tilføj en flydende køleplade for at opsamle EVDP-returstrømmen og forsyningsstrømmen til EVDP'ens indløb.
      BEMÆRK: Kølelegemet emulerer nedstrømskomponenterne i den virkelige applikation. Den indeholder 10 L væske med et 5 m² varmevekslingsområde, som opretholder en 50 W/m²/K varmevekslingskoefficient med miljøet. Den stærke varmeafledning af væskelegemet bruges til at sprede al EVDP-udgangseffekten, da EVDP-udgangseffekten alle omdannes til varme af belastningsreguleringsventilen.
   4. Indstil designparametrene til områder, der dækker designområdet til udførelse af følsomhedsanalysen. Brug gearkasseforholdet som den eksemplificerede parameter i dette papir. Indstil gearkasseforholdsområdet til 1-3,5 for at undersøge virkningerne af at bruge kontinuerlige varierende værdier for gearkasseforholdet.
      BEMÆRK: Rækkevidden af gearkasseforholdet blev indstillet ved at bruge det sidste serienummer som den nedre grænse og bruge det næste serienummer som den øvre grænse. På denne måde kunne virkningerne af at anvende kontinuerlige varierende værdier af gearkasseforholdet analyseres. Da forhold 1 (ikke ved hjælp af gearkasse) var det optimerede gearkasseforhold, eksisterede det sidste serie gearkasseforhold ikke. Den nedre grænse for intervallet måtte være 1 i denne undersøgelse. Ratio 3.5 behøvede ikke at blive simuleret igen, fordi det allerede var sammenlignet med forholdet 1 i det tidligere optimeringsdesign og blev kasseret. Endelig blev forhold 2 og 3 udvalgt til sensibilitetsanalysen. Størrelse de øvrige komponenter til sammenlignelig EVDP-forskydningskontrolydelse, når det nye gearkasseforhold er defineret for at sikre en rimelig sammenligning³².
   5. Indstil designparametrene til intervaller, der dækker deres tolerancer for at udføre usikkerhedsanalysen. Brug servomotorens drejningsmomentkonstant og servomotorens inertimoment som de eksemplificerede parametre i dette papir. Indstil rækkevidden af servomotorens drejningsmomentkonstant og servomotorens inertimoment som 1 - 20% og 1 + 20% af deres estimerede værdier for at kontrollere deres estimationsfejleffekter på EVDP-frekvensegenskaberne³³.
2. Kør simuleringen.
   1. Indstil den dynamiske model og termiske model, der foreslås i trin 3 (implementeret i systemsimuleringsplatformen) i henhold til trin 5.1.2. Klik på Parametertilstand > TFFD3-1 > filnavn for enkle væskekarakteristiske data for at importere olieegenskabsfilen. Klik på Parametertilstand > THGCV0-1/THGCV0-2 > Temperatur for at indstille omgivelsestemperaturen til 70 °C. Klik på Parametertilstand > THGCV0-1/THGCV0-2 > konvektiv varmevekslingskoefficient for at indstille miljøtemperaturen til (20 W/m²/K) / (50 W/m²/K).
   2. Indtast de aktive parametre i trin 5.1.1. til de parameterestimeringsmodeller (implementeret ved hjælp af Matlab), der foreslås i trin 2. Klik på EDITOR > Kør for at køre scriptet til generering af alle de nødvendige simuleringsparametre, som vist i tabel 2.
      BEMÆRK: Kontrolparametrene opnås som illustreret i trin 3.2.5. i stedet for at blive genereret automatisk.
   3. Klik på EDITOR > Kør i Matlab for at køre scriptet til beregning af vægten og aktivering af de dynamiske og termiske modeller med simuleringsparametrene. Simuleringsresultaterne opnås automatisk ved hjælp af dette script.
   4. Klik på EDITOR > Kør i Matlab for at køre scriptet til beregning af EVDP's levetid og pålidelighedsydelse ud fra de gemte simuleringsresultater.
3. Klik på Simuleringstilstand i systemsimuleringsplatformen for at kontrollere simuleringsresultaterne. Udlede andre EVDP-præstationsresultater fra disse tidsdomænesimuleringsresultater (f.eks. Swashplate-kontrolnøjagtigheden og -båndbredden, EVDP-arbejdstemperaturen, EVDP-effektiviteten og EVDP-effektniveauet).
4. Klik på Parametertilstand i systemsimuleringsplatformen for at indstille de simuleringsparametre, der er angivet i trin 5.1.4. og 5.1.5. Klik på EDITOR > Kør i Matlab for at køre scriptet til aktivering af de dynamiske og termiske modeller. Klik på Simuleringstilstand i systemsimuleringsplatformen for at kontrollere simuleringsresultaterne af følsomheds- og usikkerhedsanalyserne.

Representative Results

Dette afsnit præsenterer resultaterne af at udføre alle de protokoltrin, der udgør en del af trin 1, hele trin 2 og hele trin 5 i EVDP's foreløbige designmetode i figur 2. Inputoplysningerne i protokollen omfatter EVDP-skemaerne i figur 1, de optimerede aktive parametre (præciseret i trin 5.1.1.) i EVDP fra trin 4 i figur 2 og EVDP-præstationssimuleringsopgaverne, der vedrører EVDP-designkravene. Resultaterne af protokollen er de endelige foreløbige designresultater af EVDP, herunder værdierne for EVDP-designparametrene og den forudsagte EVDP-ydeevne under disse designparametre. Især de parameterestimeringsmodeller, der er indbygget i protokol trin 1 og trin 2, giver resultaterne af designparametrene. Protokol trin 3 og trin 4 producerer simuleringsmodellen til den afsluttende undersøgelse af EVDP. Protokoltrin 5 forudsiger EVDP-ydeevnen under de specifikke designparametre. Disse er præciseret nedenfor i detaljer.

Parameterestimeringen er baseret på de aktive parametre i trin 5.1.1. er vist i tabel 2. Disse parametre var tilstrækkelige til at køre den simuleringsmodel, der blev foreslået i trin 3. De vil også blive distribueret til komponentproducenterne, der skal bruges som komponentkrav. Derefter blev EVDP-massen let opnået ved at tilføje de separate komponentvægte sammen, hvilket resulterede i 10,82 kg.

Efter udførelse af trin 5.2.2. ved hjælp af ovennævnte parametre og indstillinger blev de rå dynamiske og termiske simuleringsresultater opnået. Figur 11 viser temperaturdynamikken i forskellige EVDP-dele, som stærkt understøtter evalueringen af den termiske ydeevne af det valgte EVDP-design. Resultaterne viser, at den højeste væsketemperatur (175 °C) var ved afløbsvolumenet, hvilket skitserer de fremtidige krav til termisk design. Væsken i lækageledningen (afløb, transmission og motor) viste en temperaturbølge, som for det meste var forårsaget af de forskellige lækagestrømningshastigheder. Derfor bør lækagen ikke kun tages i betragtning i effektivitetsdesignet, men også i det termiske design. De faste dele viste en meget langsommere termisk konstant, men de ændrede ikke EVDP-temperaturen væsentligt, da den genererede varme og den faste masse ikke var sammenlignelige med væskesiden.

Figur 12A illustrerer EVDP-effektiviteten under en fuld driftscyklus. Under fuld belastningsforholdet (første 3 s) opnåede EVDP en samlet effektivitet på omkring 80%, hvilket defineres som udgangsvæskeeffekt / (akselindgangseffekt + servomotorindgangseffekt). Effektiviteten faldt betydeligt, da belastningen faldt. Dette skyldes, at EVDP altid kører med sin nominelle hastighed, hvilket forårsager kontinuerlige friktionstab, men EVDP's absolutte tab faldt (fra 8,4 kW til 2,3 kW) sammen med effektivitetsfaldet i figur 12A. Disse er almindelige egenskaber ved de fleste effekttransformationsenheder (dvs. delbelastningsforhold resulterer i lavere effektivitet, men de absolutte tab falder også), så de giver ikke anledning til bekymring for EVDP-ydeevnen. EvDP's effektivitet på 80 % i fuldlasttilstand er grundlæggende et tilfredsstillende resultat. Det er også værd at bemærke, at effektivitetsresultaterne svingede ved 2-3 s. I løbet af denne periode var indgangsakslens effekt og den elektromekaniske forskydningskontroldel på et sammenligneligt niveau (1 kW). Desuden viste den elektromekaniske forskydningskontroldel hurtig ændring og rekreation af strømforbruget inden for denne periode på grund af EVDP's høje interne trykdynamik. Derfor svinger effektiviteten i denne periode ifølge effektivitetsdefinitionen betydeligt, endda uden for 0% -100% -området.

Det fejende frekvensrespons (2,5° amplitude fra 8 Hz til 20 Hz) undersøger EVDP's dynamiske ydeevne. Som vist i figur 12B fulgte swashplate-hældningen kommandoen godt under det fejende frekvensområde (-0,3 dB, -43 ° som den laveste), hvilket indikerer mere end 20 Hz EVDP-båndbredde. Den høje dynamiske ydeevne blev let opnået på grund af EVDP's design af lav inertistyringsapparatet (dvs. den elektromekaniske styreenhed). Dette viser de dynamiske fordele ved EHA med variabel forskydning ved hjælp af EVDP sammenlignet med EHA med variabel hastighed. EHA med variabel hastighed skal dynamisk rotere motorpumpens hovedaksel med høj inerti, hvilket viste sig at være en stor udfordring i den undersøgte applikation (35 kW effektniveau).

Endelig trin 5.2.3. og trin 5.3. omdanne de rå simuleringsdata til EVDP'ens forventede ydeevne i overensstemmelse med specifikationsstilen som vist i tabel 3. En god kontrolnøjagtighed (0,09 graders fejl) blev forudsagt. Pumpens levetid og pålidelighed viste sig at være den svageste, og disse er specificeret i tabel 3. Derefter blev der tegnet et fuldt præstationsbillede for den tidligere designede EVDP, hvilket repræsenterer et betydeligt output af dette foreløbige design.

Resultaterne i tabel 4 blev opnået efter simulering af indstillingerne i trin 5.1.4. Gearkassen blev afvist i den tidligere designede EVDP (gearkasseforhold på 1). Denne simulering bekræftede, at et tilpasset gearkasseforhold mellem 1-3,5 (minimum off-the-shelf gearkasseforhold) kan være nyttigt. Servomotoren blev dimensioneret til en optimal værdi, når et nyt gearkasseforhold blev brugt. Derefter var en rimelig sammenligning mellem de forskellige gearkasseforhold opnåelig. Resultaterne viste, at forhold 2 og 3 kunne opnå nogle nøjagtigheds- og vægtfordele, men ikke på et betydeligt niveau, så det er ikke nødvendigt at vælge den tilpassede gearkasse, i betragtning af at fordelene måske ikke kompenserer for omkostningerne.

Parameterusikkerhedseffekterne af servomotorens drejningsmomentkonstant og inertimomentet er vist i tabel 5. Usikkerheden på 20 % af disse to parametre forårsagede ikke større variation i EVDP-kontrolydelsen. Dette indikerer, at 20% tolerance for disse to parametre er acceptabel for de endelige servomotorspecifikationer; dette er også en vigtig instruktion for komponentproducenterne. Usikkerhedsanalysen bør også udføres på andre usikre parametre.

Afslutningsvis blev designparametrene og EVDP-ydeevnen opnået ved at udføre protokollen. Desuden øger sensibilitetsanalysen og robusthedsanalysen yderligere tilliden og anvendeligheden af designresultaterne. Disse udgør de foreløbige designresultater af EVDP. Den foreslåede metode muliggør en praktisk EVDP-foreløbig designmetode ved at udvikle parameterestimeringsmodellerne og EVDP-simuleringsmodellen med flere domæner. Kvaliteten af designresultaterne er blevet forbedret, og designcyklussen er blevet forkortet. Disse fordele styrker EVDP's kompetence ud over at give deres egne tekniske fordele.

Figur 1: EVDP-konceptet. (A) Skemaerne, der overfører den konventionelle variable fortrængningspumpe til den elektrovariable fortrængningspumpe. B) En strukturillustration af EVDP. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Den indledende designproces af EVDP. EVDP-arkitekturen og designkravene tages som input, og størrelsen på systemniveau og de foreløbige designpræstationsresultater er outputtene. Processen består af to hovedtrin: optimeringsdesign og verifikation ved simulering. Parameterestimeringsmodellerne understøtter i høj grad de to trin. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: EVDP's tværfaglige koblingsmodelarkitektur. Denne model bruges til den endelige designverifikation i det foreløbige design. Disciplinerne er koblet til at evaluere alle de generelle designkrav på et højt niveau af troskab. Modellen er udviklet i en co-simulationsplatform ved hjælp af en objektorienteret metode. Modellen involverer især parametergenereringsfunktionen for at imødegå udfordringen med parametererhvervelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: EVDP's controller. En triple loop PID-controller bruges til EVDP-forskydningsstyringen, hvor den indre sløjfe er servomotorstrømstyringen, den midterste sløjfe er servomotorens hastighedskontrol, og den ydre sløjfe er EVDP-forskydningskontrollen. EVDP-hovedakslen drives med konstant hastighed. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5: EVDP's referencestruktur for termisk udveksling til estimering af parametrene i ligning (9) baseret på skaleringslove. (A) Termisk udvekslingsstruktur for de to porte. B) Termisk udvekslingsstruktur af dræningsvolumenet. (C) Termisk udvekslingsstruktur af pumprotorenheden. EVPP'er i forskellige størrelser henviser alle til de samme termiske udvekslingsstrukturer. Derefter kan de termiske udvekslingsrelaterede dimensioner af forskellige EVDP-designs beregnes ud fra skaleringslove. De termiske udvekslingskoefficienter kan hermed beregnes ved hjælp af ligning (9). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 6: Den testede prototype af EVDP. Prototypen er bygget i henhold til skemaerne i figur 1 med parametre på 7,4 ml /omdrejningstal, 7000 omdr./min nominel hastighed, 21 MPa nominelt tryk, 1,59 x10-3 m kugleskrueledning og 2,47 gearkasseforhold. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 7: EVDP's testrig. De sorte linjer er lastedelen af testriggen. De røde linjer er kontroldelen af testriggen. De blå linjer er EVDP-prototypen. 1. Køremotor, 2. Tryksensor, 3. Flowmåler, 4. Tryksensor, 5. Flowmåler, 6. EVDP prototype, 7. Kontraventil, 8. Kontraventil, 9. Hjælpehydraulisk kraft, 10. Tilstandsventil, 11. Kontraventilgruppe, 12. Trykreguleringsventil. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 8: Eksperimentelle og simuleringsresultater af EVDP-flowresponserne. (A) Flowresponserne under forskellige hældningsforhold for vaskepladen ved konstant 3,5 MPa belastningstryk. (B) Flowresponserne under forskellige forhold med vaskepladehældning og belastningstryk. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 9: Eksperimentelle og simuleringsresultater af frekvensegenskaberne for swashplate-hældningskontrollen. (A) Sammenligningen resulterer i, at simuleringsmodellen anvender automatisk genererede parametre. B) Sammenligningen opstår, når simuleringsmodellen anvender prototypens reelle parametre. Resultaterne opnås ved at indstille den fejende frekvenskommando til EVDP-forskydningen og omdanne tidsdomæneresponserne til størrelses- og faseresponser. Størrelses- og faseresponserne bruges til at illustrere sammenligningsresultaterne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 10: Simuleringsanalyseproces. Dette er et undertrin i trin 5 i figur 2. Forskellige arbejdscyklusser og simuleringsobjektet (en gruppe aktive parametre) defineres først. Derefter kan den foreslåede model bruges til at køre simuleringen. Endelig udledes simuleringsresultaterne i EVDP-specifikationerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 11: Simuleringsresultaterne af EVDP-temperaturen. (A) Væskevolumentemperaturen. (B) Den faste knudetemperatur. Afløbs-, transmissions- og servomotorvolumenerne danner lækagepassagen og resulterer i højere temperaturer. De to porte transporterer væske fra væske kølelegemet, så deres temperaturer er meget lavere. De termiske konstanter i de indre faste dele er ret store på grund af deres små varmevekslingskoefficienter, men de ændrer ikke den endelige EVDP-temperatur meget, fordi de er en lille del af EVDP-massen og tabene. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 12: EVDP's effektivitet og dynamiske ydeevne. (A) EVDP-effektiviteten under én driftscyklus. (B) . EVDP reagerer på den fejende frekvenskommando. Effektiviteten falder sammen med fald i udgangseffekten. Dette skyldes, at EVDP altid kører med den nominelle hastighed og hermed kontinuerligt spreder en mængde energi, men dette er ikke et problem for EVDP-ydeevnen, fordi de absolutte tab falder sammen med udgangseffekten falder. EVDP-vaskepladen følger 8-20 Hz, 2,5 ° amplitude fejende frekvenskommando godt (-0,3 dB, -43 ° som den laveste), hvilket indikerer, at EVDP-forskydningskontrollen har en båndbredde større end 20 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.

Tabel 1: Klassificerede designparametre for EVDP. Designparametrene for hver komponent klassificeres i aktive, drevne og empiriske kategorier. De uafhængige parametre eller specifikationer, der er mest repræsentative for hver komponent, er de aktive parametre. De parametre, der kan udledes af de aktive parametre, er de drevne parametre. De andre parametre, der beregnes ved hjælp af empiriske funktioner, er de empiriske parametre. Denne tabel 1 er en udvidelse af den i Han et ^al.20. Klik her for at downloade denne tabel.

Tabel 2: Parameterestimeringsresultaterne baseret på de aktive parametre. v er den øjeblikkelige væskehastighed. Nogle parametre ændres til en mere illustrativ form (f.eks. Ændres kugleskruens effektivitet til den viskøse koefficient). Disse parametre er de foreløbige designresultater og vil blive distribueret til komponentproducenterne som specifikationer. Klik her for at downloade denne tabel.

Tabel 3: EVDP's designede ydeevne. De rå tidsdomænesimuleringsresultater er afledt af EVDP-specifikationerne, som er det vigtigste output af EVDP's foreløbige design. Klik her for at downloade denne tabel.

Tabel 4: EVDP-følsomheden over for det tilpassede gearkasseforhold. 1 er den oprindelige designværdi, mens 2 og 3 er de sammenlignede værdier (tilpassede værdier). Servomotoren skal dimensioneres til en optimal værdi, når der anvendes et nyt gearkasseforhold, så sammenligningen mellem forskellige forhold er retfærdig, men et tilpasset gearkasseforhold viste sig at være unødvendigt, da fordelene var begrænsede. Klik her for at downloade denne tabel.

Tabel 5: Usikkerhedsvirkningerne af servomotorens drejningsmomentkonstant og inertimomentet. 20% fejl i servomotorens drejningsmomentkonstant og inertimomentet viser ikke negative virkninger på EVDP-kontrolydelsen. Dette indikerer, at en tolerance på 20% for de undersøgte parametre kan specificeres for komponentproducenterne. Klik her for at downloade denne tabel.

Discussion

Konceptet og andre tekniske komponenter i EVDP er blevet præsenteret i tidligere publikationer ^6,31, hvilket viser anvendeligheden og fordelene ved EVDP. I stedet for at studere EVDP selv fortsatte dette papir med at studere designmetoden i forhold til fremtidige reelle applikationsbehov. En specifik designmetode er nødvendig for denne type højt integrerede og tværfaglige koblingsprodukt, hvilket kræver delikate præstationsafvejninger og optimering. Dette papir har foreslået og illustreret en komplet proces med EVDP-modellering og simulering til foreløbigt design. Denne proces startede ud fra et overordnet og praktisk syn på denne opgave, som involverer multidomænekoblingsanalyse og tværfaglige krav. Vanskelighederne med erhvervelse af simuleringsparametre er også blevet løst af forskellige parameterestimeringsmodeller. Som følge heraf muliggør metoden et effektivt og optimalt foreløbigt design af EVDP. Det er værd at bemærke, at simuleringen var det sidste verifikationstrin i det foreløbige design af EVDP. Processen havde til formål at verificere den designede EVDP-ydeevne fra den tidligere optimering (trin 3 og 4 i figur 2) med et højt niveau af troskab. Det vil sige, at EVDP-ydeevnen (f.eks. Kontrolydelse og vægt) allerede var blevet optimeret, før simuleringsprocessen i dette papir blev udført.

Designparameteranalysen (trin 1) afhænger af designerens ekspertise. Der kræves et godt niveau af viden for at relatere komponentens ydeevne til EVDP-ydeevnen. Komponentkatalogerne kan hjælpe med at lære filosofien bag komponenterne, men designeren er altid ansvarlig for at være fortrolig med EVDP. Derefter er det muligt at opnå tilfredsstillende parameteranalyseresultater.

Parameterestimeringen (trin 2) blev ikke kun brugt til at understøtte simuleringen, men også til at formulere komponentspecifikationerne for komponentproducenter. Parametrene for hver komponent vil blive distribueret til komponentproducenterne for at specificere komponentkravene. Det er værd at bemærke, at parametrene altid ledsages af tolerancer, som kan defineres ved hjælp af usikkerhedsanalysen. Parameterestimeringsmodellerne bør udvikles i overensstemmelse med komponenternes respektive egenskaber. For det første skal komponenterne klassificeres i tilpassede gruppe- og hyldegrupper, der bruger henholdsvis beregningsmodeller og databaser til estimering. For det andet skal de grundlæggende elementer analyseres for at vælge hver parameter (f.eks. Geometri lighed, materialeydelse osv.). Derefter kan en ordentlig estimeringsmodel vælges og udvikles.

EVDP-effekt-, kontrol- og termiske egenskaber blev primært formået for at opnå de ønskede funktioner og ydeevne til at drive EHA med variabel forskydning. Derfor opfylder den dynamiske model (trin 3.2.) og den termiske model (trin 3.3.) de grundlæggende simuleringsbehov. De blev udviklet på en koblet måde (dvs. en fælles model blev bygget til at involvere de dynamiske egenskaber og termiske egenskaber på samme tid). Objektorienteret modellering foretrækkes også på grund af sin klare arkitektur og gode genanvendelighed, men der er behov for en yderligere indsats for at overholde kausaliteten. Modellering på arkitekturniveau og ligningsniveau er nødvendig, da simuleringsmiljøet kan ændre sig afhængigt af forskellige behov. Dette papir illustrerer yderligere ud over simuleringsmiljøet, så det kan tilpasses til specifik software. Validering af modellen gennem prototyper og eksperimenter (trin 4) er gavnlig for at opbygge mere pålidelige simuleringsmodeller, især når modelleringsobjektet er et nyligt foreslået produkt, men som præciseret i trin 4 anses modellerne for at være anvendelige til simulering af den samme type EVDP i fremtiden, når de er valideret.

EVDP-simuleringen i dette papir blev hovedsageligt brugt til evaluering og analyse af den foreløbige designmulighed. Simuleringen skal udføres på en måde, der samler alle designresultaterne på dette stadium. Arbejdscyklussen og miljøet bør defineres ved at tage hensyn til forskellige evalueringsformål. Ud over præstationssimuleringen bør parameterfølsomhed og usikkerheder også tages i betragtning. Derved kan komplette instruktioner til følgende designopgaver skitseres. I dette papir var den højeste væsketemperatur, der blev registreret, 175 ° C, hvilket understøtter det termiske design til styring af væsketemperaturen. Sammen med andre resultater er der tegnet et komplet billede af EVDP-designet på systemniveau. Sensibilitetsanalysen fungerede som en dobbeltkontrol af parametervalget i den tidligere designmulighed, mens usikkerhedsanalysen for det meste bidrog til at definere designtolerancen. Mere grundig følsomheds- og usikkerhedsanalyse er berettiget til at bekræfte de foreløbige designresultater af parametrene. Afslutningsvis tager den foreslåede EVDP-modellerings- og simuleringsmetode hensyn til de praktiske behov i EVDP's foreløbige design, som delvist er blevet forsømt i tidligere relevant forskning (dvs. inddragelse af alle de generelle krav og hensyntagen til designets robusthed). Således kan det levere omfattende designresultater og effektivt understøtte fremtidigt EVDP-foreløbigt design. Desuden kan den også tilpasses til design af andre lignende produkter.

Simuleringssagen i dette papir er et designeksempel på en EVDP til fremtidig 35 kW EHA med variabel forskydning. Det viser EVDP's potentiale i EHA-applikationer med høj effekt, men denne applikation er endnu ikke startet. Simuleringsresultaterne betragtes som troværdige på grund af modelvalideringen baseret på en downsized EVDP-prototype i trin 4. Nøjagtigheden af parameterestimeringsmodellerne påvirker designkvaliteten væsentligt, da de både påvirker ydeevneevalueringen og komponentspecifikationerne. Metamodeller med variabel effektlov (VPLM'er)³⁴ kan overvejes til opdatering af parameterestimeringsmodellerne i dette papir, men VPLM'er har brug for en stor mængde eksperimentelt design, hvilket kræver meget mere forberedelsestid til modellering.

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