Un método de modelado y simulación para el diseño preliminar de una bomba de desplazamiento electrovariable

Los actuadores electrohidrostáticos (NEA) están recibiendo un interés creciente para aplicaciones como prensas industriales, maquinaria móvil grande, manipuladores de grúas y control primario de aeronaves debido a su combinación de las ventajas de los actuadores eléctricos y los actuadores hidráulicos¹. Se pueden identificar dos tipos básicos de UCA: AEH de velocidad variable y UCA de desplazamiento variable². Actualmente, el EHA de velocidad variable es más popular que el EHA de desplazamiento variable debido a su mayor eficiencia y simplicidad. Sin embargo, junto con el mayor nivel de potencia de la EHA, que se necesita en vehículos pesados, como los vehículos de lanzamiento pesados³ y los submarinos⁴, el motor de conducción y la electrónica asociada de la EHA de velocidad variable tienen problemas relacionados con la baja dinámica, la alta disipación térmica, el alto precio, etc. Por lo tanto, la EHA de desplazamiento variable se está reconsiderando para estas aplicaciones de alta potencia (>30 kW), ya que su control se realiza a través de un dispositivo de baja potencia que regula el desplazamiento de la bomba.

Una preocupación importante que impide que la EHA de desplazamiento variable se tome como prioridad es su engorrosa unidad de control de desplazamiento de la bomba, que a su vez es un sistema hidráulico completo controlado por válvulas. La bomba de desplazamiento electrovariable (EVDP) se ha propuesto para abordar este problema mediante el uso de una unidad de control de desplazamiento eléctrica compacta. Este diseño mejora la compacidad, eficiencia, etc., de la EHA de desplazamiento variable, lo que resuelve la debilidad anterior hasta cierto punto. Por lo tanto, el uso de EMA de desplazamiento variable para aplicaciones de alta potencia puede facilitarse mediante el uso del EVDP recientemente propuesto. Sin embargo, la complejidad del EVDP es significativamente mayor en comparación con la bomba convencional de desplazamiento variable controlada hidráulicamente, ya que integra componentes de varias disciplinas nuevas. En consecuencia, han surgido actividades específicas de investigación basadas en EVDP. Nuestro grupo de investigación inició la investigación EVDP⁵ y ha continuado desarrollándola⁶. Liu desarrolló el EVDP para aplicaciones EHA y realizó pruebas experimentales⁷. Algunas compañías hidráulicas también ofrecen productos EVDP. Además de la investigación sobre los componentes técnicos del EVDP, el método de diseño para responder a los requisitos reales de la aplicación también es importante para mejorar la competencia del EVDP al reducir aún más el costo de usar EVDP y explorar su potencial de rendimiento. Por lo tanto, es necesario un método de diseño preliminar EVDP específico para optimizar las compensaciones en su rendimiento a nivel de sistema mediante el análisis de sus disciplinas acopladas. El diseño preliminar basado en simulación es de interés para este tipo de acoplamiento multidisciplinar de productos mecatrónicos⁸.

Aunque no se han propuesto modelos de simulación específicos para el diseño preliminar de EVDP debido a que es un concepto recientemente propuesto, se ha invertido mucha investigación en productos mecatrónicos relacionados. Se ha construido un modelo EHA dinámico para optimizar el peso, la eficiencia y el rendimiento de control en el diseño preliminar⁹, pero la vida útil, la confiabilidad, las características térmicas, etc., no estuvieron involucradas, que son índices de rendimiento esenciales que deben considerarse en el diseño preliminar. También se ha utilizado otro modelo dinámico de EHA para optimizar el costo, la eficiencia y el rendimiento^{de control 10}, y posteriormente se desarrolló un modelo térmico para evaluar las características térmicas del EHA¹¹ optimizado, pero no se consideraron la confiabilidad y la vida útil. Se ha presentado un método de diseño preliminar integral de actuador electromecánico (EMA)¹². Se han propuesto modelos específicos con diferentes funciones capaces de analizar diferentes características para este método, y también se han desarrollado modelos de fiabilidad y vida útil¹³. La resistencia mecánica, la capacidad de potencia, el rendimiento térmico, etc., podrían evaluarse, pero el rendimiento del control no estuvo involucrado. Otro método de diseño preliminar de la EMA utilizó un modelo dinámico de la EMA y los modelos de dimensionamiento de componentes asociados¹⁴. El costo, el peso, la vida útil de fatiga, la capacidad de potencia, las restricciones físicas, etc., participaron en el análisis de simulación, pero no se incluyeron la confiabilidad y el rendimiento del control. Se propuso un modelo dinámico para el diseño de optimización de un tren motriz híbrido hidráulico¹⁵. La capacidad de potencia, la eficiencia, el control, etc., se pudieron simular, pero no se consideró la confiabilidad y la vida útil. Se han propuesto modelos para analizar un sistema de actuación de control de vuelo basado en EHA, dentro del cual se utilizaron ecuaciones simples de transmisión de potencia y funciones de peso¹⁶. Teniendo en cuenta que los modelos se utilizaron para los análisis a nivel de vehículo y de misión, la limitada cobertura de atributos de los modelos fue apropiada. Como un componente importante de la EHA, los servomotores han atraído una atención separada con respecto al modelado y el diseño, y los resultados también son instructivos para el desarrollo del modelo EHA. Las redes térmicas, los modelos de peso, etc., también se pueden considerar para el modelado EHA 17,18,19. La literatura revisada indica que, incluso considerando los resultados de los productos relacionados con el EVDP, los modelos desarrollados no analizan todos los atributos de rendimiento influyentes de los productos para el diseño preliminar. El rendimiento del control, el rendimiento térmico, la fiabilidad y la vida útil son los atributos que más se han descuidado en la construcción de los modelos. Por lo tanto, este documento propone un paquete de modelo capaz de analizar todos los atributos de rendimiento más influyentes para el diseño preliminar de EVDP. El análisis de simulación también se presenta para ilustrar mejor las funciones del modelo. Este artículo es una extensión de una publicación anterior²⁰, ya que mejora la generación de parámetros, involucra el modelo de vida útil, el modelo de confiabilidad y el modelo de control, optimiza el costo de cálculo, valida el modelo y realiza un análisis de simulación en profundidad, etc.

La unidad de control hidráulico convencional de una bomba de pistón de desplazamiento variable se reemplaza por un actuador eléctrico para mejorar la compacidad y reducir la disipación de calor, como se muestra en la Figura 1. El actuador eléctrico consiste en un tornillo de bolas, una caja de engranajes y un motor síncrono de imán permanente (PMSM). El actuador eléctrico conecta la placa de lavado a través de una barra para regular el desplazamiento de la bomba. Cuando se aplica en EHAs, la posición de rotación de la placa de lavado EVDP se controla en bucle cerrado modulando el PMSM. El actuador eléctrico está integrado con la bomba de pistón en una caja mutua para formar un componente integral. Este diseño sumerge el actuador eléctrico en el fluido de trabajo y, por lo tanto, fortalece los efectos de acoplamiento multidominio.

Como el EVDP es un producto mecatrónico multidominio típico, su diseño preliminar desempeña un papel esencial en la optimización de las compensaciones en su rendimiento a nivel de sistema y en la descripción de los requisitos de diseño de los componentes. El proceso se ilustra en la Figura 2 basado en el esquema de diseño basado en simulación^10,12. El paso 1 analiza en primer lugar la arquitectura EVDP seleccionada, como en la Figura 1, y concluye los parámetros de diseño en función de los requisitos de rendimiento especificados. Luego, la tarea de diseño generalmente se transforma en un problema de optimización para explorar la optimización del rendimiento del EVDP. Esto se lleva a cabo convirtiendo los parámetros de diseño en variables de optimización y convirtiendo los requisitos de rendimiento en objetivos y restricciones. Vale la pena señalar que los parámetros de diseño deben clasificarse en categorías activas, impulsadas y empíricas. Solo los parámetros activos se utilizan como variables de optimización debido a sus características de independencia. Las otras dos categorías se generan automáticamente mediante la estimación a partir de los parámetros activos. Por lo tanto, el Paso 2 desarrolla los modelos de estimación de los parámetros impulsados y empíricos. Estas herramientas de estimación se utilizan en cada iteración de la optimización, así como en el Paso 5 para formular todos los parámetros de simulación requeridos. El paso 3 crea los modelos de cálculo para cada objetivo o restricción de optimización, que refleja el rendimiento requerido. Estos modelos deben ser computacionalmente eficientes; de lo contrario, el costo de cálculo de optimización sería inaceptable. El paso 4 realiza el cálculo de optimización, que suele ser multiobjetivo y multidisciplinario. También se ocupa de las incertidumbres de los parámetros en la fase de diseño preliminar. El paso 5 construye un modelo general del EVDP diseñado y lo utiliza para validar los resultados de optimización simulando el EVDP en ciclos de trabajo típicos. Este modelo es la herramienta definitiva para evaluar los resultados preliminares del diseño. Por lo tanto, este modelo debe tener la más alta fidelidad e involucrar todas las características influyentes en un estilo de acoplamiento estrecho. Finalmente, se obtienen los resultados preliminares de rendimiento del diseño y los resultados de dimensionamiento a nivel de sistema.

Este documento se centra en el método de modelado y simulación del sistema del EVDP, que implica realizar el análisis de parámetros en el Paso 1 y completar los Pasos 2 y 5. En primer lugar, los parámetros de diseño se derivan en función de la arquitectura EVDP y los requisitos de diseño, y se clasifican en tres subcategorías. En segundo lugar, los modelos de estimación para los parámetros no activos se desarrollan en base a leyes de escalado, catálogos de componentes, funciones empíricas, etc. En tercer lugar, el modelo general del EVDP se construye utilizando ecuaciones de acoplamiento multidisciplinarias y submodelos adicionales de vida útil y confiabilidad, y el modelo se verifica parcialmente mediante experimentos. Por último, los resultados de dimensionamiento anteriores se importan al modelo construido para realizar análisis de simulación en ciclos de trabajo típicos. El rendimiento a nivel de sistema se deduce en función de los resultados de la simulación. También se evalúa la sensibilidad de los parámetros y la robustez del diseño. Como resultado, este documento desarrolla un método específico de modelado y simulación para el diseño preliminar de EVDP. El rendimiento del EVDP para su aplicación en la EHA se predice exhaustivamente. El método propuesto se erige como una herramienta práctica para desarrollar EVDP y EHAs de desplazamiento variable para aplicaciones de alta potencia. El método también se puede consultar para desarrollar herramientas de simulación para otros tipos de productos mecatrónicos. El EVDP en este documento se refiere a la bomba de desplazamiento variable controlada electromecánicamente, pero la bomba de desplazamiento variable controlada electrohidráulicamente está fuera del alcance de este documento.