Modelagem e Análise Experimental do Conjunto Motor-Bomba Coaxial de Eixo Único em Atuadores Eletro-Hidrostáticos

Conhecido como um atuador tipicamente integrado com alta densidade de potência, o EHA tem amplas perspectivas em áreas como aeroespacial, aviação, máquinas de construção e robótica ^1,2. O EHA consiste principalmente em um servomotor, bomba, cilindro, reservatório pressurizado, bloco de válvulas, válvulas de controle de modo, válvulas de controle de módulo e sensores, constituindo um sistema hidráulico fechado altamente integrado, controlado por bomba. O diagrama esquemático e o modelo físico são mostrados na Figura 1 3,4,5,6,7. O conjunto motor-bomba é a potência central e o componente de controle, e determina o desempenho estático e dinâmico do EHA⁷.

O conjunto moto-bomba convencional consiste em um motor e uma bomba separados, cujos eixos são conectados por um acoplamento de eixo⁸. Esta estrutura tem efeitos negativos significativos no desempenho e na vida útil do EHA. Primeiro, tanto o motor quanto a bomba suportarão uma vibração relativamente grande devido à precisão da montagem, especialmente em alta velocidade⁵. A vibração não só afetará as características de saída da bomba, mas também acelerará o desgaste das interfaces de atrito na bomba, levando à falha do conjunto motor-bomba⁹. Em segundo lugar, as vedações devem ser colocadas nas extremidades do eixo da bomba, o que não pode fundamentalmente impedir vazamentos. Enquanto isso, a eficiência mecânica do conjunto motor-bomba diminui com o aumento da resistência ao atrito¹⁰. Em terceiro lugar, a reversão frequente do conjunto motor-bomba acelerará o desgaste do acoplamento e aumentará a possibilidade de fratura por fadiga, reduzindo a confiabilidade do sistema do EHA^11,12.

Assim, um conjunto de motor-bomba coaxial de eixo único dentro de uma carcaça compartilhada foi desenvolvido para evitar essas deficiências. A estrutura é mostrada na Figura 2. Um projeto sem acoplamento é adotado neste componente, o que poderia aumentar simultaneamente o desempenho dinâmico e o status de lubrificação do motor e da bomba. Este projeto coaxial de eixo único garante o alinhamento dos dois rotores e melhora o equilíbrio dinâmico em condições de alta velocidade. Além disso, a carcaça compartilhada elimina fundamentalmente o vazamento da extremidade do eixo.

Testar as características de saída do conjunto motor-bomba EHA é de grande importância para a otimização e melhoria do desempenho do EHA. No entanto, existem relativamente poucos estudos sobre testes de desempenho do conjunto motor-bomba, especialmente para EHAs. Portanto, realizamos um método de teste de combinação de simulação e experimentos. Este método é adequado para testar conjuntos de motobombas com uma ampla gama de condições de operação, especialmente bombas EHA.

Existem dois desafios principais: o primeiro é construir um modelo de simulação preciso para analisar as características do fluxo de saída da motobomba e fornecer assistência para o projeto ideal do conjunto motobomba. Estabelecemos um modelo de simulação do conjunto motor-bomba através de modelagem hierárquica e realizamos a análise de simulação do fluxo de saída alterando diferentes parâmetros. O segundo é a cavitação do elemento de teste causada por alta velocidade, que é o aspecto mais importante que o distingue das bombas comuns. Portanto, nos concentramos mais no projeto do sistema de fornecimento de óleo ao projetar o sistema de teste para realizar o teste sob várias condições de trabalho.

Neste protocolo, um modelo de simulação unidimensional foi estabelecido para simular as características de fluxo da bomba inicialmente, julgando se as características de fluxo da bomba atendem aos requisitos da EHA. Em seguida, as características de fluxo e a eficiência geral foram testadas experimentalmente em uma bancada de testes dedicada, obtendo o mapa de eficiência geral que não pode ser simulado com precisão por simulação. Por fim, as características de vazão da bomba foram comparadas com os resultados experimentais para verificar a acurácia dos resultados da simulação. Enquanto isso, o mapa geral de eficiência foi obtido para avaliar o desempenho do conjunto motor-bomba coaxial de eixo único.