Modélisation et analyse expérimentale de l’ensemble motopompe coaxiale à arbre unique dans des actionneurs électrohydrostatiques

Connu comme un actionneur typiquement intégré avec une densité de puissance élevée, l’EHA a de vastes perspectives dans des domaines tels que l’aérospatiale, l’aviation, les machines de construction et la robotique ^1,2. L’EHA se compose principalement d’un servomoteur, d’une pompe, d’un cylindre, d’un réservoir sous pression, d’un bloc de soupapes, de vannes de régulation de mode, de vannes de commande de module et de capteurs, constituant un système hydraulique fermé, hautement intégré, contrôlé par pompe. Le diagramme schématique et le modèle physique sont illustrés à la figure 1 3,4,5,6,7. L’ensemble motopompe est la puissance centrale et le composant de commande, et il détermine les performances statiques et dynamiques de l’EHA⁷.

L’ensemble motopompe conventionnel se compose d’un moteur et d’une pompe séparés, dont les arbres sont reliés par un accouplement d’arbre⁸. Cette structure a des effets négatifs importants sur les performances et la durée de vie de l’EHA. Tout d’abord, le moteur et la pompe supporteront une vibration relativement importante en raison de la précision d’assemblage, en particulier à grande vitesse⁵. Les vibrations affecteront non seulement les caractéristiques de sortie de la pompe, mais accéléreront également l’usure des interfaces de friction dans la pompe, entraînant la défaillance de l’ensemble moto-pompe⁹. Deuxièmement, les joints doivent être placés aux extrémités de l’arbre de la pompe, ce qui ne peut pas fondamentalement empêcher les fuites. Pendant ce temps, l’efficacité mécanique de l’ensemble motopompe diminue avec l’augmentation de la résistance au frottement¹⁰. Troisièmement, l’inversion fréquente de l’ensemble moto-pompe accélérera l’usure de l’accouplement et augmentera le risque de rupture par fatigue, réduisant ainsi la fiabilité du système de l’EHA^11,12.

Ainsi, un ensemble motopompe coaxiale à arbre unique dans un boîtier partagé a été développé pour éviter ces lacunes. La structure est illustrée à la figure 2. Une conception sans accouplement est adoptée dans ce composant, ce qui pourrait simultanément augmenter les performances dynamiques et l’état de lubrification du moteur et de la pompe. Cette conception coaxiale à arbre unique assure l’alignement des deux rotors et améliore l’équilibre dynamique dans des conditions de vitesse élevée. De plus, les logements partagés éliminent fondamentalement les fuites d’extrémité de puits.

Le test des caractéristiques de sortie de l’ensemble motopompe EHA est d’une grande importance pour l’optimisation et l’amélioration des performances de l’EHA. Cependant, il existe relativement peu d’études sur les essais de performance de l’ensemble motopompe, en particulier pour les EHA. Par conséquent, nous avons mené une méthode de test combinant simulation et expériences. Cette méthode convient aux essais d’ensembles motopompes avec une large gamme de conditions de fonctionnement, en particulier les pompes EHA.

Il y a deux défis principaux: le premier est de construire un modèle de simulation précis pour analyser les caractéristiques de débit de sortie de la motopompe et fournir une assistance pour la conception optimale de l’ensemble motopompe. Nous avons établi un modèle de simulation de l’ensemble moto-pompe grâce à la modélisation hiérarchique et réalisé l’analyse de simulation du débit de sortie en modifiant différents paramètres. La seconde est la cavitation de l’élément de test causée par une vitesse élevée, qui est l’aspect le plus important qui le distingue des pompes ordinaires. Par conséquent, nous nous sommes davantage concentrés sur la conception du système d’alimentation en huile lors de la conception du système de test pour réaliser le test dans diverses conditions de travail.

Dans ce protocole, un modèle de simulation unidimensionnel a été établi pour simuler initialement les caractéristiques de débit de la pompe, en jugeant si les caractéristiques de débit de la pompe répondent aux exigences de l’EHA. Ensuite, les caractéristiques d’écoulement et l’efficacité globale ont été testées expérimentalement sur un banc d’essai dédié, obtenant la carte d’efficacité globale qui ne peut pas être simulée avec précision par simulation. Enfin, les caractéristiques de débit de la pompe ont été comparées aux résultats expérimentaux pour vérifier l’exactitude des résultats de simulation. Entre-temps, la carte d’efficacité globale a été obtenue pour évaluer les performances de l’ensemble motopompe coaxiale à arbre unique.