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

Резюме

Построена имитационная модель для оценки характеристик расхода насоса и производительности одновального коаксиального узла двигателя-насоса в электрогидростатических приводах и экспериментального исследования общей эффективности в широком наборе условий работы узла двигателя-насоса.

Аннотация

Электрогидростатический привод (EHA) может быть наиболее перспективной альтернативой по сравнению с традиционными гидравлическими сервоприводами из-за его высокой плотности мощности, простоты обслуживания и надежности. В качестве основного силового агрегата, определяющего производительность и срок службы EHA, двигатель-насос в сборе должен одновременно обладать широким диапазоном скоростей/давлений и высокой динамической характеристикой.

В данной работе представлен метод проверки работоспособности моторно-насосного узла путем моделирования и экспериментирования. Выходные характеристики потока были определены путем моделирования и анализа сборки в начале эксперимента, что привело к выводу о том, может ли насос соответствовать требованиям EHA. Была проведена серия эксплуатационных испытаний на мотор-насосном агрегате через насосный испытательный стенд в диапазоне скоростей 1 450-9 000 об/мин и диапазоне давлений 1-30 МПа.

Мы проверили общую эффективность сборки двигателя-насоса в различных условиях работы после подтверждения согласованности результатов испытаний выходных характеристик потока с результатами моделирования. Результаты показали, что сборка имеет более высокий общий КПД при работе при 4 500-7 000 об/мин под давлением 10-25 МПа и при 2 000-2 500 об/мин при 5-15 МПа. В целом, этот метод может быть использован для предварительного определения того, соответствует ли узел мотокомпа требованиям EHA. Кроме того, в данной работе предлагается метод экспресс-тестирования мотокомпа в различных условиях работы, который может помочь в прогнозировании производительности EHA.

Введение

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.

протокол

1. Моделирование характеристик потока насоса

1. Построить имитационную модель узла мотонасоса. Откройте платформу моделирования AMESim и перейдите в режим SKETCH .
   1. Постройте имитационную модель для одного поршня в соответствии с кинематической математической моделью и кривой распределения (рисунок 3). Инкапсулируйте однопоршневую модель в качестве суперкомпонента (рисунок 4).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Основная кинематическая математическая модель поршня (Eq (1)) дает:
      
      (1)
      В этом уравнении x — абсолютное смещение поршня, β — угол наклона плиты перекоса, φ — фазовый угол поршня, R_f — радиус распределения блока цилиндров, d_f — диаметр распределения блока цилиндров.
   2. Постройте модель насоса с учетом утечки и трения пластины клапана (рисунок 4). Чтобы построить модуль клапанной пластины, в основном сосредоточьтесь на вязком трении и дроссельном эффекте интерфейса поршня / цилиндрического блока и интерфейса скользящей / перемычки пластины.
   3. Постройте модель двигателя с помощью идеального модуля крутящего момента (рисунок 4). Используйте идеальный модуль крутящего момента для имитации двигателя, игнорируя потерю железа, потерю меди и потерю перемешивания двигателя.
2. Задайте основные параметры модели сборки двигателя-насоса.
   1. Задайте параметры узла мотонасоса согласно таблице 1. Войдите в режим PARAMETER и задайте основные параметры, дважды щелкнув конкретный компонент в имитационной модели. Установите скорость вращения и испытательное давление в соответствии с таблицей 2.
   2. Установка параметров предварительного запуска модели: Время начала: 0 с, Окончательное время: 1 с, Интервал печати: 1 мс.
   3. Предварительно запустите моделирование для достижения устойчивого состояния.
      1. Запустите моделирование и проверьте, достигнет ли система устойчивого состояния в конце моделирования. Если система достигает устойчивого состояния, установите флажок Использовать старые конечные значения в окне Параметры запуска . Если нет, сбросьте последнее время на шаге 1.2.1 до 2 с или даже дольше и повторяйте шаг 1.2.2 до тех пор, пока система не достигнет устойчивого состояния.
   4. Задайте параметры запуска модели: Время начала: 0 с, Окончательное время: 0,2 с, Интервал печати: 0,002 мс.
3. Запустите моделирование и сохраните данные моделирования.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите шаги 1.2.1-1.2.4 для конкретного рабочего состояния; сохранить данные после моделирования.
4. Экспортируйте данные моделирования и постройте контур характеристик потока в сборке двигателя-насоса в OriginPro. Рассчитайте значение расхода насоса как среднее значение расхода насоса, зарегистрированное в течение 0,2 с.
5. Определение характеристик выходного потока
   1. Построение кривой выходного расхода двигателя-насоса в сборе на максимальной скорости при различных условиях давления.
   2. Рассчитайте требуемый выходной расход насоса в соответствии с конкретной максимальной скоростью EHA и постройте требуемую кривую выходного расхода при различных условиях давления.
   3. Убедитесь, что требуемая кривая расхода EHA окутана кривой выходного расхода двигателя-насоса в сборе.

2. Создание экспериментальной платформы

1. Установите испытательный стенд.
   1. Подготовьте гидравлические компоненты испытательного стенда согласно таблице 3. Убедитесь, что ключевые параметры каждого компонента соответствуют требованиям, перечисленным в таблице 3.
   2. Проектирование и изготовление блоков гидравлических клапанов и построение гидравлической системы в соответствии с гидравлической принципиальной схемой (рисунок 5). Убедитесь, что относительное положение компонентов совпадает с показанной принципиальной схемой, а датчики давления и температуры расположены как можно ближе к точке испытания.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта серия экспериментов проводилась на специальном испытательном стенде для моделирования нагрузки высокоскоростного насоса высокого давления, как показано на рисунке 6.
   3. Проектирование и изготовление оснастки и испытание блоков клапанов. Убедитесь, что конструкция оснастки осуществляется в соответствии с конкретным интерфейсом тестируемого насоса и испытательного стенда.
2. Установка механических интерфейсов (рисунок 7)
   1. Соедините торцевую поверхность узла мотор-насоса с блоком испытательного клапана. Используйте не менее 4 винтов для обеспечения хорошей герметизации.
   2. Закрепите двигатель-насос в сборе и блок испытательного клапана на верстаке испытательного стенда (рисунок 8). Соедините узел мотор-насос и блок испытательного клапана с помощью специальной оснастки четырьмя винтами, а оснастку к верстаку с помощью 2 винтов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что два винта достаточно прочны, чтобы при проведении испытания не возникало вибрации.
   3. Установите две группы датчиков давления и температуры порта A и порта B на блок испытательного клапана. Подключите эти датчики непосредственно к порту утечки для мониторинга утечки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для завершения эксперимента необходимо спроектировать и изготовить различные оснастки для различных испытанных узлов моторных насосов.
3. Подключение гидравлических интерфейсов (рисунок 7)
   1. Соедините два масляных отверстия высокого давления источника насоса с портом A или B испытательного клапанного блока.
   2. Соедините масляный порт под давлением с отверстием для утечки масла насоса.
4. Отвод воздуха в блоке мотонасоса
   1. Убедитесь, что предохранительный клапан системы подачи масла находится в состоянии разгрузки. Запустите двигатель подачи масла в течение 3 минут, чтобы выдохнуть воздух из испытательной системы и нагреть его.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретное время работы определяется в соответствии с конкретными условиями испытательного стенда. Основной целью этого этапа является обеспечение того, чтобы масло полностью поступало в каждый компонент испытательного контура, а температура поверхности тестируемого насоса была близка к температуре масла.
5. Чтобы проверить наличие утечек в блоке мотосампа, отключите предохранительный клапан системы подачи масла. Отрегулируйте давление подачи масла до 2 МПа в течение более 1 мин.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это поможет выяснить, есть ли какая-либо очевидная утечка в системе тестирования, такая как утечка, вызванная выходом из строя уплотнительного кольца.
   1. Ищите утечки в блоке мотосамоса. Если он протекает, сначала выключите гидравлическую систему и замените уплотнение, а затем повторите шаги 2.3 и 2.4. Если утечки нет, откройте предохранительный клапан системы подачи масла.
6. Подключение электрических интерфейсов (рисунок 9)
   1. Подключите интерфейс питания и интерфейс поворотного сигнала к драйверу двигателя-насоса в сборе.
   2. Подключите драйвер к контроллеру через RS 442, работающий в полнодуплексном режиме.
   3. Подключите драйвер к источнику питания 270 В постоянного тока.
7. Контроль холостого хода мотокомпа в сборе
   1. Запустите насос подачи масла и поддерживайте предохранительные клапаны систем подачи и погрузки масла в разгрузочном состоянии. Включите драйвер и контроллер и проверьте, может ли двигатель-насос нормально принимать команду управления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Входное отверстие узла моторного насоса может находиться под давлением с помощью масляного насоса, предотвращая кавитацию компонента.
   2. Установите инструкцию 2 000 об/мин вперед на двигатель-насос в сборе. Понаблюдайте за рабочим состоянием мотор-насосного узла и проверьте, нет ли утечки в блоке клапанов (см. шаг 2.5).
   3. Установите инструкцию 2000 об/мин реверсом на двигатель-насос в сборе. Понаблюдайте за рабочим состоянием мотор-насосного узла и проверьте, нет ли утечки в блоке клапанов (см. шаг 2.5).

3. Испытание расхода насоса и общей эффективности двигателя-насоса в сборе

1. Настройка системы подачи масла
   1. Запустите насос подачи масла и переключите предохранительные клапаны системы подачи масла и системы загрузки в состояние загрузки.
   2. Отрегулируйте предохранительный клапан подачи масла до минимального давления подачи масла p_smin 0,6 МПа. Выполните шаги 3.1.2.1-3.1.2.3, чтобы выбрать p_smin.
      ПРИМЕЧАНИЕ: psmin - это давление во входном отверстии мотор-насоса в сборе, чтобы избежать кавитации.
      1. Отрегулируйте давление подачи масла до 1 МПа и более, что решается испытанным двигателем-насосом в сборе.
      2. Отрегулируйте скорость вращения испытуемого блока насоса двигателя до 9 000 об/мин, убедившись, что поток насоса равен теоретическому потоку насоса. В противном случае увеличьте давление подачи масла, чтобы избежать кавитации.
      3. Медленно снижайте давление подачи масла и регистрируйте изменение расхода насоса. Постройте график относительного расхода насоса по сравнению с давлением подачи масла и найдите точку перегиба потока насоса - давление подачи масла в этой точке является минимальным давлением подачи масла p_smin.
   3. Отрегулируйте предохранительный клапан на p_smin.
2. Включите систему контроля температуры и отрегулируйте температуру масла до 30 °C.
3. Включите тепловизор, чтобы определить температуру поверхности двигателя-насоса в сборе.
4. Отправьте инструкции по управлению в узел моторного насоса, чтобы он непрерывно работал с определенной скоростью (таблица 2).
5. Отрегулируйте предохранительный клапан и постепенно увеличивайте давление нагрузки до определенного значения (таблица 2). Держите в течение 4 с при каждом критическом измеренном давлении.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обратите пристальное внимание на температуру двигателя во время эксперимента. Убедитесь, что температура поверхности сборки насоса двигателя ниже 100 °C.
6. После того, как давление достигнет определенного значения скорости, отрегулируйте предохранительный клапан обратно до 1 МПа.
7. Повторяйте шаги 3.3 и 3.4 до тех пор, пока не будут проверены характеристики всех критических точек измерения давления в соответствии с таблицей 2.
8. Экспортируйте экспериментальные данные о расходе и постройте карту характеристик потока насоса в блоке двигателя-насоса.
9. Рассчитайте общую эффективность ηo узла мотонасоса в различных условиях работы и постройте общую карту эффективности.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Общий КПД в сборе мотокоса задается Eq (2):
   . (2)
   Где P_o - выходная мощность двигателя-насоса в сборе, P_i - входная мощность драйвера, насос Q - поток насоса; Δp - разность давлений насоса; U_{мощность} - выходное напряжение блока питания; I_power - выходной ток блока питания.

Результаты

Результат моделирования потока нагнетания (рисунок 10А) показал, что поток нагнетания несколько уменьшался с увеличением давления нагрузки, когда скорость была постоянной. Кроме того, выходной расход увеличивался линейно с увеличением скорости, когда давление постоянн...

Обсуждение

При проведении этих экспериментальных этапов важно убедиться, что точки измерения давления находятся достаточно близко к масляному отверстию насоса, что сильно повлияет на результаты экспериментов. Кроме того, обратите внимание на давление впускного отверстия двигателя-насоса в сбо?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
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