Modellierung und experimentelle Analyse der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpen-Baugruppe in elektrohydrostatischen Aktuatoren
Summary
Wir haben ein Simulationsmodell erstellt, um die Pumpenströmungseigenschaften und die Leistung der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpenbaugruppe in elektrohydrostatischen Aktuatoren zu bewerten und den Gesamtwirkungsgrad unter einer Vielzahl von Arbeitsbedingungen der Motor-Pumpen-Baugruppe experimentell zu untersuchen.
Abstract
Ein elektrohydrostatischer Aktuator (EHA) kann aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, Wartungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit die vielversprechendste Alternative im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Servoaktuatoren sein. Als Kernaggregat, das die Leistung und Lebensdauer des EHA bestimmt, sollte die Motor-Pumpen-Baugruppe gleichzeitig einen weiten Drehzahl-/Druckbereich und ein hohes dynamisches Ansprechverhalten besitzen.
In diesem Artikel wird eine Methode zum Testen der Leistung der Motor-Pumpen-Baugruppe durch Simulation und Experimente vorgestellt. Die Durchflussleistungseigenschaften wurden durch Simulation und Analyse der Baugruppe zu Beginn des Experiments definiert, was zu dem Schluss führte, ob die Pumpe die Anforderungen der EHA erfüllen konnte. Eine Reihe von Leistungstests wurde an der Motor-Pumpen-Baugruppe über einen Pumpenprüfstand im Drehzahlbereich von 1.450-9.000 U/min und im Druckbereich von 1-30 MPa durchgeführt.
Wir testeten den Gesamtwirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen, nachdem wir die Übereinstimmung zwischen den Testergebnissen der Durchflussleistungseigenschaften und den Simulationsergebnissen bestätigt hatten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Baugruppe einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufweist, wenn sie bei 4.500-7.000 U/min unter dem Druck von 10-25 MPa und bei 2.000-2.500 U/min unter 5-15 MPa arbeitet. Insgesamt kann dieses Verfahren genutzt werden, um im Vorfeld festzustellen, ob die Motor-Pumpen-Baugruppe die Anforderungen der EHA erfüllt. Darüber hinaus schlägt dieses Papier ein Schnelltestverfahren für die Motor-Pumpen-Baugruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen vor, das bei der Vorhersage der EHA-Leistung helfen könnte.
Introduction
Bekannt als typischerweise integrierter Aktuator mit hoher Leistungsdichte, hat der EHA breite Perspektiven in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt, Baumaschinen und Robotik 1,2. Die EHA besteht hauptsächlich aus Servomotor, Pumpe, Zylinder, Druckbehälter, Ventilblock, Moderegelventilen, Modulregelventilen und Sensoren, die ein hochintegriertes, pumpengesteuertes, geschlossenes Hydrauliksystem bilden. Das schematische Diagramm und das physikalische Modell sind in Abbildung 1 3,4,5,6,7 dargestellt. Die Motor-Pumpen-Baugruppe ist die Kernleistung und die Steuerungskomponente und bestimmt das statische und dynamische Verhalten der EHA7.
Die konventionelle Motor-Pumpen-Baugruppe besteht aus einem separaten Motor und einer Pumpe, deren Wellen durch eine Wellenkupplung8 verbunden sind. Diese Struktur hat erhebliche negative Auswirkungen auf die Leistung und Lebensdauer der EHA. Erstens werden sowohl der Motor als auch die Pumpe aufgrund der Montagegenauigkeit eine relativ große Vibration tragen, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit5. Vibrationen beeinflussen nicht nur die Leistungseigenschaften der Pumpe, sondern beschleunigen auch den Verschleiß der Reibungsschnittstellen in der Pumpe, was zum Ausfall der Motor-Pumpen-Baugruppeführt 9. Zweitens müssen an den Wellenenden der Pumpe Dichtungen angebracht werden, die ein Auslaufen nicht grundsätzlich verhindern können. Gleichzeitig nimmt der mechanische Wirkungsgrad der Motor-Pumpen-Baugruppe mit zunehmendem Reibungswiderstandab 10. Drittens beschleunigt das häufige Umkehren der Motor-Pumpen-Baugruppe den Verschleiß der Kupplung und erhöht die Möglichkeit eines Ermüdungsbruchs, wodurch die Systemzuverlässigkeit des EHA11,12 verringert wird.
So wurde eine einwellige koaxiale Motor-Pumpen-Baugruppe innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses entwickelt, um diese Mängel zu vermeiden. Die Struktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei diesem Bauteil wird ein kupplungsloses Design verwendet, das gleichzeitig die dynamische Leistung und den Schmierzustand von Motor und Pumpe erhöhen könnte. Dieses koaxiale Einwellendesign gewährleistet die Ausrichtung der beiden Rotoren und verbessert die dynamische Balance unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen. Darüber hinaus eliminiert das gemeinsame Gehäuse Leckagen der Wellenenden grundlegend.
Die Prüfung der Leistungseigenschaften der EHA-Motor-Pumpen-Baugruppe ist von großer Bedeutung für die Optimierung und Verbesserung der EHA-Leistung. Es gibt jedoch relativ wenige Studien zur Leistungsprüfung der Motor-Pumpen-Baugruppe, insbesondere für EHAs. Daher haben wir eine Testmethode zur Kombination von Simulation und Experimenten durchgeführt. Dieses Verfahren eignet sich für die Prüfung von Motor-Pumpen-Baugruppen mit einer Vielzahl von Betriebsbedingungen, insbesondere von EHA-Pumpen.
Es gibt zwei Hauptherausforderungen: Die erste besteht darin, ein genaues Simulationsmodell zu erstellen, um die Ausgangsströmungseigenschaften der Motorpumpe zu analysieren und Unterstützung für die optimale Auslegung der Motor-Pumpen-Baugruppe zu bieten. Wir haben ein Simulationsmodell der Motor-Pumpen-Baugruppe durch hierarchische Modellierung etabliert und die Simulationsanalyse des Ausgangsflusses durch Änderung verschiedener Parameter realisiert. Die zweite ist die Kavitation des Testelements, die durch hohe Geschwindigkeit verursacht wird, was der wichtigste Aspekt ist, der es von gewöhnlichen Pumpen unterscheidet. Daher haben wir uns bei der Auslegung des Testsystems mehr auf das Design des Ölversorgungssystems konzentriert, um den Test unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu realisieren.
In diesem Protokoll wurde ein eindimensionales Simulationsmodell erstellt, um zunächst die Pumpenströmungseigenschaften zu simulieren und zu beurteilen, ob die Pumpenströmungseigenschaften den Anforderungen der EHA entsprechen. Anschließend wurden die Strömungseigenschaften und der Gesamtwirkungsgrad auf einem speziellen Prüfstand experimentell getestet, um die Gesamteffizienzkarte zu erhalten, die durch Simulation nicht genau simuliert werden kann. Schließlich wurden die Strömungseigenschaften der Pumpe mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu überprüfen. In der Zwischenzeit wurde die Gesamteffizienzkarte erstellt, um die Leistung der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpenbaugruppe zu bewerten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bei der Durchführung dieser Versuchsschritte ist darauf zu achten, dass die Druckmessstellen nahe genug am Ölanschluss der Pumpe liegen, was die Versuchsergebnisse stark beeinflussen würde. Achten Sie außerdem auf den Druck der Einlassöffnung der Motorpumpenbaugruppe, um sicherzustellen, dass keine Kavitation auftritt, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsarbeitsbedingungen.
Diese Methode ermöglicht eine dynamische Anpassung des Ölversorgungsdrucks und realisiert eine genaue Simulation …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom Chinese Civil Aircraft Project [No. MJ-2017-S49] und der China Postdoctoral Science Foundation [No.2021M700331] unterstützt.
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 |
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