Modellering en experimentele analyse van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren
Summary
We hebben een simulatiemodel gebouwd om de pompstroomkarakteristieken en prestaties van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren te evalueren en de algehele efficiëntie in een breed scala aan werkomstandigheden van de motorpompassemblage experimenteel te onderzoeken.
Abstract
Een elektrohydrostatische actuator (EHA) kan het meest veelbelovende alternatief zijn in vergelijking met de traditionele hydraulische servoactuatoren vanwege de hoge vermogensdichtheid, onderhoudsgemak en betrouwbaarheid. Als de kernvoedingseenheid die de prestaties en levensduur van de EHA bepaalt, moet de motor-pompassemblage tegelijkertijd een breed snelheids-/drukbereik en een hoge dynamische respons hebben.
Dit artikel presenteert een methode om de prestaties van de motorpompassemblage te testen door middel van simulatie en experimenten. De eigenschappen van de stroomuitgang werden gedefinieerd door simulatie en analyse van de assemblage aan het begin van het experiment, wat leidde tot de conclusie of de pomp aan de vereisten van de EHA kon voldoen. Een reeks prestatietests werd uitgevoerd op de motorpompassemblage via een pomptestbank in het snelheidsbereik van 1.450-9.000 tpm en het drukbereik van 1-30 MPa.
We hebben de algehele efficiëntie van de motorpompassemblage onder verschillende werkomstandigheden getest na bevestiging van de consistentie tussen de testresultaten van de stroomuitgangskarakteristieken met de simulatieresultaten. De resultaten toonden aan dat de assemblage een hogere algehele efficiëntie heeft bij het werken bij 4.500-7.000 tpm onder de druk van 10-25 MPa en bij 2.000-2.500 tpm onder 5-15 MPa. Over het algemeen kan deze methode worden gebruikt om van tevoren te bepalen of de motorpompassemblage voldoet aan de vereisten van EHA. Bovendien stelt dit artikel een snelle testmethode voor van de motor-pompassemblage in verschillende werkomstandigheden, die zou kunnen helpen bij het voorspellen van EHA-prestaties.
Introduction
Bekend als een typisch geïntegreerde actuator met een hoge vermogensdichtheid, heeft de EHA brede vooruitzichten op gebieden zoals lucht- en ruimtevaart, luchtvaart, bouwmachines en robotica 1,2. De EHA bestaat voornamelijk uit een servomotor, pomp, cilinder, reservoir onder druk, ventielblok, modusregelkleppen, moduleregelkleppen en sensoren, die een sterk geïntegreerd, pompgestuurd, gesloten hydraulisch systeem vormen. Het schematische diagram en het fysische model zijn weergegeven in figuur 1 3,4,5,6,7. De motor-pompassemblage is het kernvermogen en de besturingscomponent en bepaalt de statische en dynamische prestaties van de EHA7.
De conventionele motor-pompassemblage bestaat uit een afzonderlijke motor en pomp, waarvan de assen zijn verbonden door een askoppeling8. Deze structuur heeft aanzienlijke negatieve effecten op de prestaties en levensduur van de EHA. Ten eerste zullen zowel de motor als de pomp een relatief grote trilling dragen vanwege de montagenauwkeurigheid, vooral bij hoge snelheid5. Trillingen zullen niet alleen de uitgangskarakteristieken van de pomp beïnvloeden, maar ook de slijtage van de wrijvingsinterfaces in de pomp versnellen, wat leidt tot het falen van de motorpompassemblage9. Ten tweede moeten afdichtingen worden ingesteld aan de asuiteinden van de pomp, wat lekkage niet fundamenteel kan voorkomen. Ondertussen neemt de mechanische efficiëntie van de motor-pompassemblage af met toenemende wrijvingsweerstand10. Ten derde zal het frequent omkeren van de motor-pompassemblage de slijtage van de koppeling versnellen en de kans op vermoeiingsfracturen vergroten, waardoor de systeembetrouwbaarheid van de EHA11,12 wordt verminderd.
Zo werd een coaxiale motorpompassemblage met één as in een gedeelde behuizing ontwikkeld om deze tekortkomingen te voorkomen. De structuur is weergegeven in figuur 2. In dit onderdeel wordt een ontwerp zonder koppeling aangenomen, dat tegelijkertijd de dynamische prestaties en de smeerstatus van de motor en pomp zou kunnen verhogen. Dit coaxiale ontwerp met één as zorgt voor de uitlijning van de twee rotoren en verbetert de dynamische balans onder omstandigheden met hoge snelheden. Bovendien elimineert gedeelde behuizing fundamenteel asuitlek.
Het testen van de uitgangskarakteristieken van de EHA-motorpompassemblage is van groot belang voor de optimalisatie en verbetering van de EHA-prestaties. Er zijn echter relatief weinig studies over prestatietests van de motorpompassemblage, vooral voor EPA’s. Daarom hebben we een testmethode uitgevoerd om simulatie en experimenten te combineren. Deze methode is geschikt voor het testen van motorpompassemblages met een breed scala aan bedrijfsomstandigheden, met name EHA-pompen.
Er zijn twee belangrijke uitdagingen: de eerste is het bouwen van een nauwkeurig simulatiemodel om de uitgangsstroomkarakteristieken van de motorpomp te analyseren en hulp te bieden bij het optimale ontwerp van de motor-pompassemblage. We hebben een simulatiemodel van de motor-pompassemblage opgesteld door middel van hiërarchische modellering en de simulatieanalyse van de uitgangsstroom gerealiseerd door verschillende parameters te wijzigen. De tweede is de cavitatie van het testelement veroorzaakt door hoge snelheid, wat het belangrijkste aspect is dat het onderscheidt van gewone pompen. Daarom hebben we ons bij het ontwerpen van het testsysteem meer gericht op het ontwerp van het olietoevoersysteem om de test onder verschillende werkomstandigheden te realiseren.
In dit protocol werd een eendimensionaal simulatiemodel opgesteld om de pompstroomkarakteristieken in eerste instantie te simuleren en te beoordelen of de pompstroomkarakteristieken voldoen aan de vereisten van EHA. Vervolgens werden de stromingskarakteristieken en de algehele efficiëntie experimenteel getest op een speciale testbank, waardoor de algehele efficiëntiekaart werd verkregen die niet nauwkeurig kan worden gesimuleerd door simulatie. Ten slotte werden de pompstroomkarakteristieken vergeleken met de experimentele resultaten om de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten te verifiëren. Ondertussen werd de algemene efficiëntiekaart verkregen om de prestaties van de coaxiale motorpompassemblage met één as te evalueren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij het uitvoeren van deze experimentele stappen is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de drukmeetpunten dicht genoeg bij de oliepoort van de pomp liggen, wat de experimentele resultaten sterk zou beïnvloeden. Let bovendien op de druk van de inlaatpoort van de motorpompassemblage om ervoor te zorgen dat er geen cavitatie bestaat, vooral bij werkomstandigheden met hoge snelheid.
Deze methode maakt een dynamische aanpassing van de olietoevoerdruk mogelijk, waardoor een nauwkeurige simulatie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Chinese Civil Aircraft Project [Nr. MJ-2017-S49] en de China Postdoctoral Science Foundation [Nr.2021M700331].
Materials
| AmeSim simulation platform | Siemens | Amesim 16 | |
| DAQ card | Advantech | PCI1710 | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.04E1RS, 0.02-4 L/min | |
| Flowmeter | KRACHT | VC0.4E1RS, 0.2-40 L/min | |
| Industrial Computer | Advantech | 610H | |
| Oil supply motor | Siemens | 1TL0001-1BB23-3JA5 | |
| Oil supply pump | Kangbaishi | P222RF01DT | |
| OriginPro | OriginLab Corporation | OriginPro 2021 (64-bit) 9.8.0.200 | |
| Pressure sensor | Feejoy | PI131G(0-5 MPA)F4MCAH5C | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/50YV | |
| Proportional relief valve | Huade hydraulic | DBE10-30B/315YV | |
| Spindle motor | HAOZHI | DGZX-18020 / 22A2-KFHWVJLS | Max speed: 18,000 rpm; Power: 22 kW |
| Temperature sensor | Feejoy | TI-A42M1A180/30+F1 |
References
- Yu, B., Wu, S., Jiao, Z., Shang, Y. Multi-objective optimization design of an electrohydrostatic actuator based on a particle swarm optimization algorithm and an analytic hierarchy process. Energies. 11 (9), 2426 (2018).
- Chao, Q., et al. Load-sensing pump design to reduce heat generation of electro-hydrostatic actuator systems. Energies. 11 (9), 2266 (2018).
- Zhao, J., et al. Experimental research on tribological characteristics of TiAlN coated valve plate in electro-hydrostatic actuator pumps. Tribology International. 155, 106782 (2021).
- Zhao, J., et al. Review of cylinder block/valve plate interface in axial piston pumps: Theoretical models, experimental investigations, and optimal design. Chinese Journal of Aeronautics. 34 (1), 111-134 (2021).
- Chao, Q., Zhang, J., Xu, B., Huang, H., Pan, M. A review of high-speed electro-hydrostatic actuator pumps in aerospace applications: challenges and solutions. Journal of Mechanical Design. 141 (5), 050801 (2019).
- Fu, Y., et al. Design and performance analysis of position-based impedance control for an electrohydrostatic actuation system. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (3), 584-596 (2018).
- Alle, N., Hiremath, S. 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).
- Chakraborty, I., Mavris, D. N., Emeneth, M., Schneegans, A. A methodology for vehicle and mission level comparison of More Electric Aircraft subsystem solutions: Application to the flight control actuation system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 229 (6), 1088-1102 (2014).
- Zhang, T., He, D. A reliability-based robust design method for the sealing of slipper-swash plate friction pair in hydraulic piston pump. IEEE Transactions on Reliability. 67 (2), 459-469 (2018).
- Guo, S., Chen, J., Lu, Y., Wang, Y., Dong, H. Hydraulic piston pump in civil aircraft: current status, future directions and critical technologies. Chinese Journal of Aeronautics. 33 (1), 16-30 (2020).
- Habibi, S., Goldenberg, A. Design of a new high-performance electrohydraulic actuator. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 5 (2), 158-164 (1999).
- Xu, B., Hu, M., Zhang, J., Mao, Z. Distribution characteristics and impact on pump’s efficiency of hydro-mechanical losses of axial piston pump over wide operating ranges. Journal of Central South University. 24 (3), 609-624 (2017).
