طريقة نمذجة ومحاكاة للتصميم الأولي لمضخة إزاحة كهرومتغيرة

تتلقى المحركات الكهروهيدروستاتيكية (EHAs) اهتماما متزايدا بتطبيقات مثل المكابس الصناعية والآلات المتنقلة الكبيرة ومناورات الرافعات والتحكم الأساسي في الطائرات بسبب مزيجها بين مزايا كل من المحركات الكهربائية والمحركات الهيدروليكية¹. يمكن تحديد نوعين أساسيين من EHAs: EHAs متغيرة السرعة و EHAs^متغيرة الإزاحة 2. حاليا ، EHA متغير السرعة أكثر شعبية من EHA متغير الإزاحة بسبب كفاءته العالية وبساطته. ومع ذلك ، إلى جانب ارتفاع مستوى الطاقة في EHA ، وهو أمر مطلوب في المركبات الثقيلة ، مثل مركبات الإطلاق الثقيلة³ والغواصات⁴ ، فإن محرك القيادة والإلكترونيات المرتبطة به في EHA متغيرة السرعة لديها مشكلات تتعلق بالديناميكيات المنخفضة ، والتبديد الحراري العالي ، والسعر المرتفع ، إلخ. لذلك ، يتم إعادة النظر في EHA متغير الإزاحة لهذه التطبيقات عالية الطاقة (>30 كيلو واط) ، حيث يتم تحقيق التحكم فيها عبر جهاز منخفض الطاقة ينظم إزاحة المضخة.

أحد الشواغل الرئيسية التي تمنع أخذ EHA متغير الإزاحة كأولوية هو وحدة التحكم في إزاحة المضخة المرهقة ، والتي هي في حد ذاتها نظام هيدروليكي كامل يتم التحكم فيه بواسطة الصمام. تم اقتراح مضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة (EVDP) لمعالجة هذه المشكلة باستخدام وحدة تحكم في الإزاحة الكهربائية المدمجة. يعمل هذا التصميم على تحسين الاكتناز والكفاءة وما إلى ذلك من EHA متغير الإزاحة ، مما يحل الضعف السابق إلى درجة معينة. ولذلك، يمكن تيسير استخدام EHAs متغيرة الإزاحة للتطبيقات عالية الطاقة باستخدام EVDP المقترح حديثا. ومع ذلك ، فإن تعقيد EVDP أكبر بكثير مقارنة بمضخة الإزاحة المتغيرة التقليدية التي يتم التحكم فيها هيدروليكيا لأنها تدمج مكونات من العديد من التخصصات الجديدة. ونتيجة لذلك، ظهرت أنشطة بحثية محددة قائمة على برنامج EVDP. بدأت مجموعتنا البحثية بحث EVDP⁵ واستمرت في تطويره⁶. طور ليو EVDP لتطبيقات EHA وأجرى اختبارات تجريبية⁷. توفر بعض الشركات الهيدروليكية أيضا منتجات EVDP. بالإضافة إلى البحث المتعلق بالمكونات التقنية ل EVDP ، فإن طريقة التصميم للاستجابة لمتطلبات التطبيق الحقيقية مهمة أيضا لتعزيز كفاءة EVDP من خلال زيادة تقليل تكلفة استخدام EVDPs واستكشاف إمكانات أدائها. وبالتالي ، فإن طريقة التصميم الأولي المحددة ل EVDP ضرورية لتحسين المقايضات في أدائها على مستوى النظام من خلال تحليل تخصصاتها المقترنة. التصميم الأولي القائم على المحاكاة هو موضع اهتمام لهذا النوع من الاقتران متعدد التخصصات لمنتجات الميكاترونيك⁸.

على الرغم من عدم اقتراح نماذج محاكاة محددة للتصميم الأولي ل EVDP نظرا لكونه مفهوما مقترحا حديثا ، فقد تم استثمار الكثير من الأبحاث في منتجات الميكاترونيك ذات الصلة. تم بناء نموذج EHA ديناميكي لتحسين الوزن والكفاءة وأداء التحكم في التصميم الأولي⁹ ، ولكن العمر الافتراضي والموثوقية والخصائص الحرارية وما إلى ذلك ، لم تكن متورطة ، وهي مؤشرات أداء أساسية يجب مراعاتها في التصميم الأولي. كما تم استخدام نموذج EHA ديناميكي آخر لتحسين التكلفة والكفاءة وأداء التحكم¹⁰ ، وتم تطوير نموذج حراري لاحقا لتقييم الخصائص الحرارية ل EHA¹¹ الأمثل ، ولكن لم يتم النظر في الموثوقية والعمر. تم تقديم طريقة تصميم أولية شاملة للمشغل الكهروميكانيكي (EMA)¹². تم اقتراح نماذج محددة ذات وظائف مختلفة قادرة على تحليل خصائص مختلفة لهذه الطريقة ، كما تم تطوير نماذج الموثوقية والعمر^{الافتراضي 13}. يمكن بموجب هذا تقييم القوة الميكانيكية ، والقدرة على الطاقة ، والأداء الحراري ، وما إلى ذلك ، ولكن أداء التحكم لم يكن متورطا. استخدمت طريقة تصميم أولية أخرى ل EMA نموذجا ديناميكيا ل EMA ونماذج تحجيم المكونات المرتبطة به¹⁴. وشارك في تحليل المحاكاة التكلفة والوزن وعمر التعب والقدرة على الطاقة والقيود المادية وما إلى ذلك، ولكن لم يتم تضمين الموثوقية وأداء التحكم. تم اقتراح نموذج ديناميكي للتصميم الأمثل لمجموعة نقل الحركة الهيدروليكية الهجينة¹⁵. يمكن محاكاة قدرة الطاقة والكفاءة والتحكم وما إلى ذلك ، ولكن لم يتم النظر في الموثوقية والحياة. تم اقتراح نماذج لتحليل نظام تشغيل التحكم في الطيران القائم على EHA ، والذي تم من خلاله استخدام معادلات نقل الطاقة البسيطة ووظائف الوزن¹⁶. وبالنظر إلى أن النماذج استخدمت في التحليلات على مستوى المركبات وعلى مستوى البعثات، فإن التغطية المحدودة للسمات للنماذج كانت مناسبة. كعنصر رئيسي في EHA ، جذبت محركات المؤازرة اهتماما منفصلا فيما يتعلق بالنمذجة والتصميم ، والنتائج مفيدة أيضا لتطوير نموذج EHA. يمكن أيضا النظر في الشبكات الحرارية ونماذج الوزن وما إلى ذلك لنمذجة EHA¹⁷،^18،19. تشير الأدبيات التي تمت مراجعتها إلى أنه حتى بالنظر إلى نتائج المنتجات المتعلقة ب EVDP ، فإن النماذج المتقدمة لا تحلل جميع سمات الأداء المؤثرة للمنتجات للتصميم الأولي. أداء التحكم والأداء الحراري والموثوقية والعمر الافتراضي هي السمات الأكثر إهمالا في بناء النماذج. لذلك ، تقترح هذه الورقة حزمة نموذجية قادرة على تحليل جميع سمات الأداء الأكثر تأثيرا للتصميم الأولي ل EVDP. كما يتم تقديم تحليل المحاكاة لتوضيح وظائف النموذج بشكل أفضل. هذه الورقة هي امتداد لمنشور سابق²⁰ ، لأنها تحسن توليد المعلمات ، وتتضمن نموذج العمر الافتراضي ، ونموذج الموثوقية ، ونموذج التحكم ، وتحسن تكلفة الحساب ، وتتحقق من صحة النموذج ، وتجري تحليلا متعمقا للمحاكاة ، إلخ.

يتم استبدال وحدة التحكم الهيدروليكية التقليدية لمضخة المكبس متغيرة الإزاحة بمشغل كهربائي لتحسين الاكتناز وتقليل تبديد الحرارة ، كما هو موضح في الشكل 1. يتكون المحرك الكهربائي من برغي كروي وعلبة تروس ومحرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM). يقوم المحرك الكهربائي بتوصيل لوحة الغسل عبر قضيب لتنظيم إزاحة المضخة. عند تطبيقه في EHAs ، يتم التحكم في الوضع الدوراني للوحة الغسيل EVDP في حلقة مغلقة عن طريق تعديل PMSM. يتم دمج المحرك الكهربائي مع مضخة المكبس في حالة متبادلة لتشكيل مكون متكامل. هذا التصميم يغمر المحرك الكهربائي في سائل العمل ويعزز هنا تأثيرات الاقتران متعددة المجالات.

نظرا لأن EVDP هو منتج ميكاترونيك نموذجي متعدد المجالات ، فإن تصميمه الأولي يلعب دورا أساسيا في تحسين المقايضات في أدائه على مستوى النظام وتحديد متطلبات تصميم المكونات. يتم توضيح العملية في الشكل 2 استنادا إلى مخطط التصميم القائم على المحاكاة^10,12. تقوم الخطوة 1 أولا بتحليل بنية EVDP المحددة ، كما في الشكل 1 ، وتختتم معلمات التصميم بناء على متطلبات الأداء المحددة. بعد ذلك ، عادة ما يتم تحويل مهمة التصميم إلى مشكلة تحسين لاستكشاف تحسين أداء EVDP. يتم ذلك عن طريق تحويل معلمات التصميم إلى متغيرات التحسين وتحويل متطلبات الأداء إلى أهداف وقيود. تجدر الإشارة إلى أن معلمات التصميم تحتاج إلى تصنيفها إلى فئات نشطة ومدفوعة وتجريبية. يتم استخدام المعلمات النشطة فقط كمتغيرات تحسين بسبب ميزات استقلاليتها. يتم إنشاء الفئتين الأخريين تلقائيا عن طريق التقدير من المعلمات النشطة. لذلك ، تقوم الخطوة 2 بتطوير نماذج التقدير للمعلمات المدفوعة والتجريبية. يتم استخدام أدوات التقدير هذه في كل تكرار للتحسين ، وكذلك في الخطوة 5 لصياغة جميع معلمات المحاكاة المطلوبة. تبني الخطوة 3 نماذج الحساب لكل هدف أو قيد تحسين ، مما يعكس الأداء المطلوب. وينبغي أن تكون هذه النماذج فعالة حسابيا؛ خلاف ذلك ، فإن تكلفة حساب التحسين ستكون غير مقبولة. تقوم الخطوة 4 بإجراء حساب التحسين ، والذي عادة ما يكون متعدد الأهداف ومتعدد التخصصات. كما أنه يتعامل مع عدم اليقين في المعلمات في مرحلة التصميم الأولي. تقوم الخطوة 5 ببناء نموذج شامل ل EVDP المصمم واستخدامه للتحقق من صحة نتائج التحسين من خلال محاكاة EVDP في إطار دورات العمل النموذجية. هذا النموذج هو الأداة النهائية لتقييم نتائج التصميم الأولية. لذلك ، يجب أن يكون لهذا النموذج أعلى دقة وأن يتضمن جميع الخصائص المؤثرة بأسلوب اقتران ضيق. وأخيرا ، يتم الحصول على نتائج أداء التصميم الأولية ونتائج الأبعاد على مستوى النظام.

تركز هذه الورقة على طريقة نمذجة النظام والمحاكاة الخاصة ب EVDP ، والتي تتضمن إجراء تحليل المعلمة في الخطوة 1 وإكمال الخطوتين 2 و 5. أولا ، يتم اشتقاق معلمات التصميم بناء على بنية EVDP ومتطلبات التصميم ، ويتم تصنيفها إلى ثلاث فئات فرعية. ثانيا ، يتم تطوير نماذج التقدير للمعلمات غير النشطة بناء على قوانين القياس ، وكتالوجات المكونات ، والوظائف التجريبية ، وما إلى ذلك. ثالثا ، يتم بناء النموذج العام ل EVDP باستخدام معادلات اقتران متعددة التخصصات ونماذج فرعية إضافية مدى الحياة والموثوقية ، ويتم التحقق من النموذج جزئيا عن طريق التجارب. وأخيرا، يتم استيراد نتائج التحجيم السابقة إلى النموذج الذي تم بناؤه لإجراء تحليل المحاكاة في إطار دورات العمل النموذجية. يتم استنتاج الأداء على مستوى النظام بناء على نتائج المحاكاة. كما يتم تقييم حساسية المعلمة ومتانة التصميم. ونتيجة لذلك، تطور هذه الورقة طريقة نمذجة ومحاكاة محددة للتصميم الأولي ل EVDP. يتم التنبؤ بشكل شامل بأداء EVDP للتطبيق في EHA. وتمثل الطريقة المقترحة أداة عملية لتطوير EVDPs و EHAs متغيرة الإزاحة للتطبيقات عالية الطاقة. يمكن أيضا الرجوع إلى هذه الطريقة لتطوير أدوات محاكاة لأنواع أخرى من منتجات الميكاترونيك. يشير EVDP في هذه الورقة إلى مضخة الإزاحة المتغيرة التي يتم التحكم فيها كهروميكانيكيا ، ولكن مضخة الإزاحة المتغيرة التي يتم التحكم فيها كهربائيا هيدروليكيا خارج نطاق هذه الورقة.