Ein Modellierungs- und Simulationsverfahren zur Vorkonstruktion einer elektrischen Verdrängerpumpe

Elektrohydrostatische Aktuatoren (EHAs) stoßen aufgrund ihrer Kombination der Vorteile von elektrischen Aktuatoren und hydraulischen Aktuatoren zunehmend auf Interesse für Anwendungen wie Industriepressen, große mobile Maschinen, Kranmanipulatoren und primäre Flugzeugsteuerung¹. Es können zwei grundlegende Arten von EHAs identifiziert werden: EHAs mit variabler Geschwindigkeit und EHAs mit variabler Verschiebung². Derzeit ist die EHA mit variabler Geschwindigkeit aufgrund ihrer höheren Effizienz und Einfachheit beliebter als die EHA mit variabler Verschiebung. Neben dem höheren Leistungsniveau der EHA, das in schweren Fahrzeugen wie schweren Trägerraketen³ und U-Booten⁴ benötigt wird, haben der Antriebsmotor und die zugehörige Elektronik der EHA mit variabler Drehzahl jedoch Probleme im Zusammenhang mit niedriger Dynamik, hoher Wärmeableitung, hohem Preis usw. Daher wird der EHA mit variablem Hubraum für diese Hochleistungsanwendungen (>30 kW) neu überdacht, da seine Steuerung über ein Low-Power-Gerät realisiert wird, das den Pumpenhubraum regelt.

Ein Hauptanliegen, das verhindert, dass EHA mit variabler Verschiebung als Priorität betrachtet wird, ist die umständliche Pumpenverdrängungssteuerung, die selbst ein komplettes ventilgesteuertes Hydrauliksystem ist. Die elektrische Verdrängerpumpe (EVDP) wurde vorgeschlagen, um dieses Problem durch die Verwendung einer kompakten elektrischen Verdrängersteuereinheit zu lösen. Dieses Design verbessert die Kompaktheit, Effizienz usw. der EHA mit variabler Verschiebung, wodurch die vorherige Schwäche bis zu einem gewissen Grad behoben wird. Daher kann die Verwendung von EHAs mit variabler Verschiebung für Hochleistungsanwendungen durch die Verwendung des neu vorgeschlagenen EVDP erleichtert werden. Die Komplexität der EVDP ist jedoch im Vergleich zur herkömmlichen hydraulisch gesteuerten Verdrängerpumpe deutlich größer, da sie Komponenten aus mehreren neuen Disziplinen integriert. Folglich sind spezifische EVDP-basierte Forschungsaktivitäten entstanden. Unsere Forschungsgruppe hat die EVDP-Forschung⁵ gestartet und weiterentwickelt⁶. Liu entwickelte das EVDP für EHA-Anwendungen und führte experimentelle Tests^{durch 7}. Einige Hydraulikunternehmen bieten auch EVDP-Produkte an. Neben der Forschung zu den technischen Komponenten des EVDP ist auch die Designmethode für die Reaktion auf reale Anwendungsanforderungen von Bedeutung, um die Kompetenz des EVDP zu verbessern, indem die Kosten für den Einsatz von EVDPs weiter gesenkt und ihr Leistungspotenzial ausgeschöpft werden. Daher ist eine spezifische EVDP-Vorentwurfsmethode erforderlich, um Kompromisse in der Leistung auf Systemebene durch Analyse der gekoppelten Disziplinen zu optimieren. Der simulationsbasierte Vorentwurf ist für diese Art der multidisziplinären Kopplung mechatronischer Produkte von Interesse⁸.

Obwohl keine spezifischen Simulationsmodelle für das EVDP-Vordesign vorgeschlagen wurden, da es sich um ein neu vorgeschlagenes Konzept handelt, wurde viel Forschung in verwandte mechatronische Produkte investiert. Ein dynamisches EHA-Modell wurde entwickelt, um das Gewicht, die Effizienz und die Steuerleistung im Vorentwurf⁹ zu optimieren, aber die Lebensdauer, Zuverlässigkeit, thermischen Eigenschaften usw. waren nicht beteiligt, was wesentliche Leistungsindizes sind, die im Vorentwurf berücksichtigt werden sollten. Ein weiteres dynamisches EHA-Modell wurde ebenfalls verwendet, um Kosten, Effizienz und Steuerungsleistung zu optimieren¹⁰, und anschließend wurde ein thermisches Modell entwickelt, um die thermischen Eigenschaften des optimierten EHA¹¹ zu bewerten, aber die Zuverlässigkeit und Lebensdauer wurden nicht berücksichtigt. Ein umfassendes elektromechanisches Aktuatorverfahren (EMA) wurde vorgestellt¹². Für diese Methode wurden spezifische Modelle mit unterschiedlichen Funktionen vorgeschlagen, die in der Lage sind, verschiedene Merkmale zu analysieren, und Zuverlässigkeits- und Lebensdauermodelle wurden ebenfalls entwickelt¹³. Die mechanische Festigkeit, Leistungsfähigkeit, thermische Leistung usw. konnten hiermit bewertet werden, aber die Regelleistung war nicht beteiligt. Eine weitere EMA-Vorentwurfsmethode verwendete ein dynamisches EMA-Modell und zugehörige Komponentengrößenmodelle¹⁴. Die Kosten, das Gewicht, die Ermüdungslebensdauer, die Leistungskapazität, die physikalischen Einschränkungen usw. waren an der Simulationsanalyse beteiligt, aber Zuverlässigkeit und Regelleistung wurden nicht berücksichtigt. Für die Optimierungsauslegung eines hydraulischen Hybridantriebsstrangs¹⁵ wurde ein dynamisches Modell vorgeschlagen. Die Leistungskapazität, der Wirkungsgrad, die Steuerung usw. konnten simuliert werden, aber die Zuverlässigkeit und Lebensdauer wurden nicht berücksichtigt. Es wurden Modelle zur Analyse eines EHA-basierten Flugsteuerungsbetätigungssystems vorgeschlagen, in dem einfache Kraftübertragungsgleichungen und Gewichtsfunktionen verwendet wurden¹⁶. In Anbetracht der Tatsache, dass die Modelle für Analysen auf Fahrzeug- und Missionsebene verwendet wurden, war die begrenzte Attributabdeckung der Modelle angemessen. Als Hauptbestandteil der EHA haben Servomotoren in Bezug auf Modellierung und Design separate Aufmerksamkeit erregt, und die Ergebnisse sind auch für die EHA-Modellentwicklung aufschlussreich. Thermische Netzwerke, Gewichtsmodelle usw. können auch für die EHA-Modellierung^17,18,19 in Betracht gezogen werden. Aus der begutachteten Literatur geht hervor, dass die entwickelten Modelle selbst unter Berücksichtigung der Ergebnisse von Produkten im Zusammenhang mit dem EVDP nicht alle einflussreichen Leistungsmerkmale der Produkte für das Vorentwurf analysieren. Die Steuerungsleistung, die thermische Leistung, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer sind die Attribute, die bei der Konstruktion der Modelle am meisten vernachlässigt wurden. Daher wird in diesem Dokument ein Modellpaket vorgeschlagen, das in der Lage ist, alle einflussreichsten Leistungsmerkmale für das EVDP-Vorentwurf zu analysieren. Die Simulationsanalyse wird ebenfalls vorgestellt, um die Modellfunktionen besser zu veranschaulichen. Dieses Papier ist eine Erweiterung einer früheren Veröffentlichung²⁰, da es die Parametergenerierung verbessert, das Lebensdauermodell, das Zuverlässigkeitsmodell und das Steuerungsmodell umfasst, die Berechnungskosten optimiert, das Modell validiert und eine eingehende Simulationsanalyse durchführt usw.

Das konventionelle hydraulische Steuergerät einer verstellbaren Kolbenpumpe wird durch einen elektrischen Stellantrieb ersetzt, um die Kompaktheit zu verbessern und die Wärmeableitung zu reduzieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der elektrische Aktuator besteht aus einem Kugelgewindetrieb, einem Getriebe und einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Der elektrische Stellantrieb verbindet die Taumelscheibe über eine Stange, um den Pumpenhub zu regeln. Bei Anwendung in EHAs wird die EVDP-Taumelscheibenrotationsposition durch Modulation des PMSM geschlossen. Der elektrische Aktuator ist in einem gegenseitigen Fall mit der Kolbenpumpe integriert, um eine integrale Komponente zu bilden. Diese Konstruktion taucht den elektrischen Aktuator in die Arbeitsflüssigkeit ein und verstärkt hierdurch die Multi-Domain-Kopplungseffekte.

Da es sich bei dem EVDP um ein typisches mechatronisches Multi-Domain-Produkt handelt, spielt sein vorläufiges Design eine wesentliche Rolle bei der Optimierung von Kompromissen bei der Leistung auf Systemebene und bei der Darstellung der Anforderungen an das Komponentendesign. Der Prozess ist in Abbildung 2 basierend auf dem simulationsbasierten ^{Entwurfsschema 10,12} dargestellt. Schritt 1 analysiert zunächst die ausgewählte EVDP-Architektur, wie in Abbildung 1, und schließt die Designparameter basierend auf den spezifizierten Leistungsanforderungen ab. Dann wird die Designaufgabe normalerweise in ein Optimierungsproblem umgewandelt, um die Leistungsoptimierung des EVDP zu untersuchen. Dies geschieht, indem die Konstruktionsparameter in Optimierungsvariablen umgewandelt und die Leistungsanforderungen in Ziele und Einschränkungen umgewandelt werden. Es ist erwähnenswert, dass die Designparameter in aktive, getriebene und empirische Kategorien eingeteilt werden müssen. Nur die aktiven Parameter werden aufgrund ihrer Unabhängigkeitsmerkmale als Optimierungsvariablen verwendet. Die beiden anderen Kategorien werden automatisch durch Schätzung aus den aktiven Parametern generiert. Daher entwickelt Schritt 2 die Schätzmodelle der getriebenen und empirischen Parameter. Diese Schätzwerkzeuge werden in jeder Iteration der Optimierung sowie in Schritt 5 zur Formulierung aller erforderlichen Simulationsparameter verwendet. In Schritt 3 werden die Berechnungsmodelle für jedes Optimierungsziel oder jede Einschränkung erstellt, die die erforderliche Leistung widerspiegeln. Diese Modelle sollten recheneffizient sein; Andernfalls wären die Kosten für die Optimierungsberechnung inakzeptabel. Schritt 4 führt die Optimierungsberechnung durch, die in der Regel multiobjektiv und multidisziplinär ist. Es befasst sich auch mit den Parameterunsicherheiten in der Vorentwurfsphase. Schritt 5 erstellt ein Gesamtmodell des entworfenen EVDP und verwendet es zur Validierung der Optimierungsergebnisse, indem das EVDP unter typischen Tastverhältnissen simuliert wird. Dieses Modell ist das ultimative Werkzeug zur Bewertung der vorläufigen Entwurfsergebnisse. Daher sollte dieses Modell die höchste Wiedergabetreue aufweisen und alle einflussreichen Eigenschaften in einem engen Kupplungsstil enthalten. Schließlich werden die vorläufigen Ergebnisse der Entwurfsleistung und die Dimensionierungsergebnisse auf Systemebene erhalten.

Dieses Papier konzentriert sich auf die Systemmodellierungs- und Simulationsmethode des EVDP, bei der die Parameteranalyse in Schritt 1 durchgeführt und die Schritte 2 und 5 abgeschlossen werden. Erstens werden die Designparameter basierend auf der EVDP-Architektur und den Designanforderungen abgeleitet und in drei Unterkategorien eingeteilt. Zweitens werden die Schätzmodelle für die nicht-aktiven Parameter auf Basis von Skalierungsgesetzen, Komponentenkatalogen, empirischen Funktionen etc. entwickelt. Drittens wird das Gesamtmodell des EVDP unter Verwendung multidisziplinärer Kopplungsgleichungen und zusätzlicher Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsuntermodelle erstellt, und das Modell wird teilweise durch Experimente verifiziert. Schließlich werden die vorherigen Dimensionierungsergebnisse in das konstruierte Modell importiert, um Simulationsanalysen unter typischen Arbeitszyklen durchzuführen. Die Leistung auf Systemebene wird basierend auf den Simulationsergebnissen abgeleitet. Die Parametersensitivität und die Robustheit des Designs werden ebenfalls bewertet. Als Ergebnis wird in diesem Beitrag eine spezifische Modellierungs- und Simulationsmethode für den EVDP-Vorentwurf entwickelt. Die Leistung des EVDP für den Einsatz in der EHA wird umfassend vorhergesagt. Die vorgeschlagene Methode ist ein praktisches Werkzeug für die Entwicklung von EVDPs und EHAs mit variabler Verschiebung für Hochleistungsanwendungen. Die Methode kann auch für die Entwicklung von Simulationswerkzeugen für andere Arten von mechatronischen Produkten herangezogen werden. Die EVDP in diesem Artikel bezieht sich auf die elektromechanisch gesteuerte Verdrängerpumpe, aber die elektrohydraulisch gesteuerte Verdrängerpumpe liegt außerhalb des Rahmens dieses Papiers.