Моделирование и экспериментальный анализ одновального коаксиального моторно-насосного агрегата в электрогидростатических приводах

Известный как типично интегрированный привод с высокой плотностью мощности, EHA имеет широкие перспективы в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, авиация, строительная техника и робототехника ^1,2. EHA в основном состоит из серводвигателя, насоса, цилиндра, резервуара под давлением, блока клапанов, клапанов управления режимом, клапанов управления модулем и датчиков, представляющих собой высокоинтегрированную, управляемую насосом, закрытую гидравлическую систему. Принципиальная схема и физическая модель показаны на рисунке 1 3,4,5,6,7. Двигатель-насос в сборе является основной силой и компонентом управления, и он определяет статические и динамические характеристики EHA⁷.

Обычный мотор-насос в сборе состоит из отдельного двигателя и насоса, валы которого соединены муфтой^{вала 8}. Эта структура оказывает значительное негативное влияние на производительность и срок службы EHA. Во-первых, и двигатель, и насос будут выдерживать относительно большую вибрацию из-за точности сборки, особенно на высокой скорости⁵. Вибрация не только повлияет на выходные характеристики насоса, но и ускорит износ фрикционных интерфейсов в насосе, что приведет к выходу из строя двигателя-насоса в сборе⁹. Во-вторых, уплотнения должны быть установлены на концах вала насоса, что не может принципиально предотвратить утечку. Между тем, механический КПД мотонасоса в сборе снижается с увеличением сопротивления трению¹⁰. В-третьих, частое реверсирование мотор-насосного узла ускорит износ муфты и увеличит возможность усталостного разрушения, снижая надежность системы EHA^11,12.

Таким образом, для избежания этих недостатков был разработан одновальный коаксиальный двигатель-насос в общем корпусе. Структура показана на рисунке 2. В этом компоненте принята конструкция без связи, которая может одновременно повысить динамические характеристики и смазывающий статус двигателя и насоса. Эта одновальная коаксиальная конструкция обеспечивает выравнивание двух роторов и улучшает динамический баланс в условиях высоких скоростей. Кроме того, общий корпус принципиально исключает протечку торца вала.

Тестирование выходных характеристик электронасоса EHA имеет большое значение для оптимизации и улучшения характеристик EHA. Тем не менее, существует относительно мало исследований по тестированию производительности мотор-насоса в сборе, особенно для EHA. Поэтому мы провели тестовый метод совмещения моделирования и экспериментов. Этот метод подходит для тестирования узлов мотонасосов с широким диапазоном условий эксплуатации, особенно насосов EHA.

Есть две основные задачи: первая заключается в построении точной имитационной модели для анализа характеристик выходного потока двигателя-насоса и оказания помощи в оптимальном проектировании узла двигателя-насоса. Нами создана имитационная модель сборки двигателя-насоса путем иерархического моделирования и осуществлен имитационный анализ выходного потока путем изменения различных параметров. Второй – кавитация испытуемого элемента, вызванная высокой скоростью, что является наиболее важным аспектом, отличающим его от обычных насосов. Поэтому мы больше сосредоточились на проектировании системы подачи масла при проектировании испытательной системы для реализации испытания в различных условиях работы.

В этом протоколе была создана одномерная имитационная модель для первоначального моделирования характеристик потока насоса, оценивая, соответствуют ли характеристики потока насоса требованиям EHA. Затем характеристики потока и общая эффективность были экспериментально протестированы на специальном испытательном стенде, получив общую карту эффективности, которая не может быть точно смоделирована путем моделирования. Наконец, характеристики расхода насоса были сопоставлены с экспериментальными результатами для проверки точности результатов моделирования. Между тем, была получена общая карта эффективности для оценки производительности одновального коаксиального двигателя-насоса в сборе.