Elektrohidrostatik Aktüatörlerde Tek Şaftlı Koaksiyel Motor-Pompa Düzeneğinin Modellenmesi ve Deneysel Analizi
Summary
Elektrohidrostatik aktüatörlerde pompa akış özelliklerini ve tek şaftlı koaksiyel motor-pompa tertibatının performansını değerlendirmek ve motor-pompa tertibatının geniş bir çalışma koşulları kümesindeki genel verimliliği deneysel olarak araştırmak için bir simülasyon modeli oluşturduk.
Abstract
Bir elektrohidrostatik aktüatör (EHA), yüksek güç yoğunluğu, bakım kolaylığı ve güvenilirliği nedeniyle geleneksel hidrolik servo aktüatörlere kıyasla en umut verici alternatif olabilir. EHA’nın performansını ve hizmet ömrünü belirleyen çekirdek güç ünitesi olarak, motor-pompa tertibatı aynı anda geniş bir hız/basınç aralığına ve yüksek dinamik tepkiye sahip olmalıdır.
Bu yazıda, motor-pompa tertibatının performansını simülasyon ve deney yoluyla test etmek için bir yöntem sunulmaktadır. Akış çıkış karakteristikleri, deneyin başlangıcında montajın simülasyonu ve analizi yoluyla tanımlanmış ve pompanın EHA’nın gereksinimlerini karşılayıp karşılayamayacağı sonucuna varılmıştır. Motor-pompa tertibatı üzerinde, 1.450-9.000 rpm hız aralığında ve 1-30 MPa basınç aralığında bir pompa test tezgahı aracılığıyla bir dizi performans testi gerçekleştirilmiştir.
Akış çıkış karakteristiklerinin test sonuçları ile simülasyon sonuçları arasındaki tutarlılığı doğruladıktan sonra motor-pompa tertibatının genel verimliliğini çeşitli çalışma koşulları altında test ettik. Sonuçlar, montajın 10-25 MPa basınç altında 4.500-7.000 rpm’de ve 5-15 MPa altında 2.000-2.500 rpm’de çalışırken daha yüksek genel verimliliğe sahip olduğunu göstermiştir. Genel olarak, bu yöntem, motor-pompa tertibatının EHA gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını önceden belirlemek için kullanılabilir. Ayrıca, bu makale, EHA performansının tahmin edilmesine yardımcı olabilecek çeşitli çalışma koşullarında motor-pompa tertibatının hızlı bir test yöntemini önermektedir.
Introduction
Yüksek güç yoğunluğuna sahip tipik olarak entegre bir aktüatör olarak bilinen EHA, havacılık, havacılık, inşaat makineleri ve robotik 1,2 gibi alanlarda geniş beklentilere sahiptir. EHA esas olarak bir servo motor, pompa, silindir, basınçlı rezervuar, valf bloğu, mod kontrol valfleri, modül kontrol valfleri ve sensörlerden oluşur ve yüksek oranda entegre, pompa kontrollü, kapalı bir hidrolik sistem oluşturur. Şematik diyagram ve fiziksel model Şekil 1 3,4,5,6,7’de gösterilmiştir. Motor-pompa tertibatı, çekirdek güç ve kontrol bileşenidir ve EHA7’nin statik ve dinamik performansını belirler.
Geleneksel motor-pompa tertibatı, şaftları bir şaft bağlantısı8 ile bağlanan ayrı bir motor ve pompadan oluşur. Bu yapının EHA’nın performansı ve ömrü üzerinde önemli olumsuz etkileri vardır. İlk olarak, hem motor hem de pompa, özellikle yüksek hızda5 montaj doğruluğu nedeniyle nispeten büyük bir titreşim taşıyacaktır. Titreşim sadece pompanın çıkış özelliklerini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda pompadaki sürtünme arayüzlerinin aşınmasını hızlandırır ve motor-pompa tertibatının arızalanmasına neden olur9. İkincisi, sızdırmazlıklar pompanın mil uçlarına yerleştirilmelidir, bu da sızıntıyı temel olarak önleyemez. Bu arada, motor-pompa tertibatının mekanik verimliliği, sürtünme direncinin artmasıyla azalır10. Üçüncüsü, motor pompası tertibatının sık sık tersine çevrilmesi, kaplinin aşınmasını hızlandıracak ve yorulma kırılması olasılığını artırarak EHA 11,12’nin sistem güvenilirliğini azaltacaktır.
Böylece, bu eksiklikleri önlemek için ortak bir mahfaza içinde tek şaftlı bir koaksiyel motor-pompa tertibatı geliştirilmiştir. Yapı Şekil 2’de gösterilmiştir. Bu bileşende, motor ve pompanın dinamik performansını ve yağlama durumunu aynı anda artırabilen bağlantısız bir tasarım benimsenmiştir. Bu tek şaftlı koaksiyel tasarım, iki rotorun hizalanmasını sağlar ve yüksek hız koşullarında dinamik dengeyi geliştirir. Dahası, paylaşımlı muhafaza, şaft ucu sızıntısını temel olarak ortadan kaldırır.
EHA motor-pompa tertibatının çıkış özelliklerinin test edilmesi, EHA performansının optimizasyonu ve iyileştirilmesi için büyük önem taşımaktadır. Bununla birlikte, özellikle EHA’lar için motor-pompa tertibatının performans testi konusunda nispeten az sayıda çalışma vardır. Bu nedenle, simülasyon ve deneyleri birleştirmek için bir test yöntemi gerçekleştirdik. Bu yöntem, özellikle EHA pompaları olmak üzere çok çeşitli çalışma koşullarına sahip motor-pompa montajlarını test etmek için uygundur.
İki ana zorluk vardır: Birincisi, motor pompasının çıkış akış özelliklerini analiz etmek ve motor-pompa tertibatının optimum tasarımı için yardım sağlamak için doğru bir simülasyon modeli oluşturmaktır. Hiyerarşik modelleme ile motor-pompa tertibatının simülasyon modelini oluşturduk ve farklı parametreleri değiştirerek çıkış akışının simülasyon analizini gerçekleştirdik. İkincisi, onu sıradan pompalardan ayıran en önemli husus olan yüksek hızın neden olduğu test elemanının kavitasyonudur. Bu nedenle, testi çeşitli çalışma koşulları altında gerçekleştirmek için test sistemini tasarlarken yağ besleme sisteminin tasarımına daha fazla odaklandık.
Bu protokolde, başlangıçta pompa akış karakteristiklerini simüle etmek ve pompa akış karakteristiklerinin EHA gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığına karar vermek için tek boyutlu bir simülasyon modeli oluşturulmuştur. Daha sonra, akış özellikleri ve genel verimlilik, simülasyon tarafından doğru bir şekilde simüle edilemeyen genel verimlilik haritası elde edilen özel bir test tezgahında deneysel olarak test edildi. Son olarak, simülasyon sonuçlarının doğruluğunu doğrulamak için pompa akış özellikleri deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu arada, tek şaftlı koaksiyel motor-pompa tertibatının performansını değerlendirmek için genel verimlilik haritası elde edildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu deneysel adımları uygularken, basınç ölçüm noktalarının pompanın yağ portuna yeterince yakın olduğundan emin olmak önemlidir, bu da deneysel sonuçları büyük ölçüde etkileyecektir. Ek olarak, özellikle yüksek hızlı çalışma koşullarında, kavitasyon olmadığından emin olmak için motor-pompa tertibatının giriş portunun basıncına dikkat edin.
Bu yöntem, farklı çalışma koşullarının doğru bir simülasyonunu gerçekleştirerek yağ besleme basıncını…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Sivil Uçak Projesi [No. MJ-2017-S49] ve Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı [No.2021M700331] tarafından desteklenmiştir.
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).
