Modelado y análisis experimental del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje en actuadores electrohidrostáticos

Conocido como un actuador típicamente integrado con alta densidad de potencia, el EHA tiene amplias perspectivas en áreas como la aeroespacial, la aviación, la maquinaria de construcción y la robótica ^1,2. El EHA consiste principalmente en un servomotor, bomba, cilindro, depósito presurizado, bloque de válvulas, válvulas de control de modo, válvulas de control de módulo y sensores, que constituyen un sistema hidráulico cerrado, altamente integrado, controlado por bomba. El diagrama esquemático y el modelo físico se muestran en la figura 1 3,4,5,6,7. El conjunto motor-bomba es la potencia central y el componente de control, y determina el rendimiento estático y dinámico de la EHA⁷.

El conjunto motobomba convencional consiste en un motor y una bomba separados, cuyos ejes están conectados por un acoplamiento de eje⁸. Esta estructura tiene efectos negativos significativos en el rendimiento y la vida útil de la EHA. Primero, tanto el motor como la bomba soportarán una vibración relativamente grande debido a la precisión de ensamblaje, especialmente a alta velocidad⁵. La vibración no solo afectará las características de salida de la bomba, sino que también acelerará el desgaste de las interfaces de fricción en la bomba, lo que provocará la falla del conjunto motor-bomba⁹. En segundo lugar, los sellados deben colocarse en los extremos del eje de la bomba, lo que no puede evitar fundamentalmente las fugas. Mientras tanto, la eficiencia mecánica del conjunto motor-bomba disminuye con el aumento de la resistencia a la fricción¹⁰. En tercer lugar, la inversión frecuente del conjunto motor-bomba acelerará el desgaste del acoplamiento y aumentará la posibilidad de fractura por fatiga, reduciendo la fiabilidad del sistema de la EHA^11,12.

Por lo tanto, se desarrolló un conjunto de motobomba coaxial de un solo eje dentro de una carcasa compartida para evitar estas deficiencias. La estructura se muestra en la Figura 2. Se adopta un diseño sin acoplamiento en este componente, que podría aumentar simultáneamente el rendimiento dinámico y el estado de lubricación del motor y la bomba. Este diseño coaxial de un solo eje garantiza la alineación de los dos rotores y mejora el equilibrio dinámico en condiciones de alta velocidad. Además, la carcasa compartida elimina fundamentalmente las fugas en el extremo del eje.

Probar las características de salida del conjunto de motobomba EHA es de gran importancia para la optimización y mejora del rendimiento de EHA. Sin embargo, hay relativamente pocos estudios sobre las pruebas de rendimiento del conjunto motobomba, especialmente para las EHA. Por lo tanto, realizamos un método de prueba de combinación de simulación y experimentos. Este método es adecuado para probar conjuntos de motobombas con una amplia gama de condiciones de funcionamiento, especialmente bombas EHA.

Hay dos desafíos principales: el primero es construir un modelo de simulación preciso para analizar las características del flujo de salida de la motobomba y proporcionar asistencia para el diseño óptimo del conjunto motor-bomba. Hemos establecido un modelo de simulación del conjunto motor-bomba a través de modelos jerárquicos y realizado el análisis de simulación del flujo de salida cambiando diferentes parámetros. El segundo es la cavitación del elemento de prueba causada por la alta velocidad, que es el aspecto más importante que lo distingue de las bombas ordinarias. Por lo tanto, nos centramos más en el diseño del sistema de suministro de aceite al diseñar el sistema de prueba para realizar la prueba en diversas condiciones de trabajo.

En este protocolo, se estableció un modelo de simulación unidimensional para simular inicialmente las características del flujo de la bomba, juzgando si las características del flujo de la bomba cumplen con los requisitos de EHA. Luego, las características del flujo y la eficiencia general se probaron experimentalmente en un banco de pruebas dedicado, obteniendo el mapa de eficiencia general que no se puede simular con precisión mediante simulación. Por último, las características del flujo de la bomba se compararon con los resultados experimentales para verificar la precisión de los resultados de la simulación. Mientras tanto, se obtuvo el mapa de eficiencia general para evaluar el rendimiento del conjunto de motobomba coaxial de un solo eje.