Метод моделирования и имитационного моделирования предварительного проектирования электроизменяющегося объемного насоса

Резюме

Разработана и частично проверена экспериментами имитационная модель, специально поддерживающая предварительный проект электроизмерительного объемного насоса (EVDP). Эффективность управления, срок службы, надежность и т. Д. Могут быть оценены с использованием предлагаемой модели, которая охватывает основные требования к производительности в рамках задачи предварительного проектирования EVDP.

Аннотация

Электрогидростатические приводы (ЭХА) были значительно исследованы в академических кругах, и их применение в различных промышленных областях расширяется. EHA с переменной скоростью в настоящее время имеет приоритет над EHA с переменным смещением, но его приводной двигатель и связанная с ним электроника сталкиваются с проблемами при применении в приложениях с высокой мощностью: низкая динамика, высокое рассеивание тепла, высокая цена и т. Д. Поэтому был рассмотрен вопрос о EHA с переменным рабочим объемом, оснащенный электроизмерительным объемным насосом (EVDP). Сама EVDP представляет собой мехатронную систему, которая объединяет поршневой насос, шарико-винтовой пар, редуктор и синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM). Следовательно, EVDP необходимо исследовать, чтобы обеспечить его производительность на системном уровне при применении в EHA. В дополнение к предыдущим исследованиям технических параметров EVDP, для дальнейшего снижения стоимости использования EVDP и изучения его потенциала производительности необходим специализированный метод проектирования. Здесь выбран метод предварительного проектирования EVDP на основе моделирования для проектирования EVDP мощностью 37 кВт. Во-первых, ранее предложенная мультидисциплинарная модель EVDP расширяется за счет улучшения генерации параметров, включая срок службы EVDP, надежность, модели управления и т.д. Во-вторых, предложенная модель частично проверяется с использованием уменьшенного прототипа. В-третьих, EVDP моделируется на системном уровне, поддерживаемом предлагаемой моделью. Производительность EVDP оценивается в соответствии с заданными требованиями к проектированию. Температура, пропускная способность и точность, надежность и срок службы и т. Д. Все это прогнозируется для EVDP. Результаты моделирования демонстрируют применимость EVDP в EHA с переменным смещением. Предлагаемый метод моделирования и имитационного моделирования может быть использован для оценки различных характеристик EVDP и реагирования на общие требования к проектированию. Этот метод также может способствовать решению проблем предварительного проектирования с точки зрения ограниченной информации и надежности. Поэтому предложенный способ является подходящим для реализации метода предварительного проектирования EVDP на основе моделирования.

Введение

Электрогидростатические приводы (ЭХА) получают все больший интерес для таких применений, как промышленные прессы, крупное мобильное оборудование, крановые манипуляторы и первичное управление воздушным судном из-за их сочетания преимуществ как электрических приводов, так и гидравлических приводов¹. Можно выделить два основных типа ЭХА: ЭХА с переменной скоростью и ЭХА с переменным смещением². В настоящее время EHA с переменной скоростью более популярен, чем EHA с переменным смещением из-за его более высокой эффективности и простоты. Однако, наряду с более высоким уровнем мощности EHA, который необходим в тяжелых транспортных средствах, таких как тяжелые ракеты-носители³ и подводные лодки⁴, приводной двигатель и связанная с ним электроника EHA с переменной скоростью имеют проблемы, связанные с низкой динамикой, высокой рассеиваемостью тепла, высокой ценой и т. Д. Поэтому EHA с переменным рабочим объемом пересматривается для этих высокомощных применений (>30 кВт), поскольку его управление осуществляется с помощью устройства малой мощности, которое регулирует объем насоса.

Одной из основных проблем, которая препятствует тому, чтобы EHA с переменным рабочим объемом рассматривался в качестве приоритета, является его громоздкий блок управления рабочим объемом насоса, который сам по себе представляет собой полную гидравлическую систему с клапанным управлением. Для решения этой проблемы был предложен электроизмерительный объемный насос (EVDP) с использованием компактного электрического блока управления перемещением. Такая конструкция улучшает компактность, эффективность и т.д. ЭГА с переменным смещением, что в определенной степени устраняет предыдущую слабость. Таким образом, использование ЭХА с переменным смещением для применения с высокой мощностью может быть облегчено за счет использования недавно предложенного EVDP. Тем не менее, сложность EVDP значительно выше по сравнению с обычным гидравлически управляемым насосом с переменным рабочим объемом, поскольку он объединяет компоненты из нескольких новых дисциплин. В результате появилась конкретная исследовательская деятельность на основе ЕВПР. Наша исследовательская группа начала исследование EVDP⁵ и продолжила его разработку⁶. Лю разработал EVDP для приложений EHA и провел экспериментальные испытания⁷. Некоторые гидравлические компании также поставляют продукты EVDP. В дополнение к исследованиям, касающимся технических компонентов EVDP, метод проектирования для удовлетворения реальных требований применения также имеет важное значение для повышения компетентности EVDP за счет дальнейшего снижения стоимости использования EVDP и изучения их потенциала производительности. Следовательно, для оптимизации компромиссов в производительности на системном уровне путем анализа связанных дисциплин необходим конкретный метод предварительного проектирования EVDP. Предварительный проект на основе моделирования представляет интерес для этого типа междисциплинарной связи мехатронных изделий⁸.

Хотя никаких конкретных имитационных моделей для предварительного проектирования EVDP не было предложено из-за того, что это недавно предложенная концепция, много исследований было вложено в соответствующие мехатронные продукты. Динамическая модель EHA была построена для оптимизации веса, эффективности и производительности управления в предварительном проекте⁹, но срок службы, надежность, тепловые характеристики и т. Д. Не были задействованы, которые являются существенными показателями производительности, которые следует учитывать при предварительном проектировании. Другая динамическая модель EHA также была использована для оптимизации затрат, эффективности и производительности управления¹⁰, и впоследствии была разработана тепловая модель для оценки тепловых характеристик оптимизированной EHA¹¹, но надежность и срок службы не были рассмотрены. Представлен комплексный метод предварительного проектирования электромеханического привода (ЕМА)¹². Для этого метода были предложены конкретные модели с различными функциями, способные анализировать различные характеристики, а также разработаны модели надежности и срока службы¹³. Таким образом, можно было оценить механическую прочность, мощность, тепловые характеристики и т.д., но эффективность управления не была задействована. Другой метод предварительного проектирования EMA использовал динамическую модель EMA и связанные с ней модели размеров компонентов¹⁴. Стоимость, вес, срок службы усталости, мощность, физические ограничения и т. Д. Были задействованы в анализе моделирования, но надежность и эффективность управления не были включены. Предложена динамическая модель для оптимизации конструкции гидравлической гибридной трансмиссии¹⁵. Мощность, эффективность, управление и т. Д. Могли быть смоделированы, но надежность и срок службы не учитывались. Предложены модели для анализа системы управления полетом на основе EHA, в рамках которой использовались простые уравнения передачи мощности и весовые функции¹⁶. С учетом того, что эти модели использовались для анализа на уровне автотранспортных средств и на уровне миссий, ограниченный охват характеристик моделей является уместным. Как основной компонент EHA, серводвигатели привлекли отдельное внимание в отношении моделирования и проектирования, и результаты также поучительны для разработки модели EHA. Тепловые сети, весовые модели и т. Д. Также могут быть рассмотрены для моделирования EHA 17,18,19. В рецензируемой литературе указывается, что даже с учетом результатов от продуктов, связанных с EVDP, разработанные модели не анализируют все влиятельные эксплуатационные характеристики продуктов для предварительного проектирования. Управляющая производительность, тепловые характеристики, надежность и срок службы - это атрибуты, которыми больше всего пренебрегали при построении моделей. Поэтому в данной работе предлагается модельный пакет, способный анализировать все наиболее влиятельные атрибуты производительности для предварительного проектирования EVDP. Анализ моделирования также представлен для лучшей иллюстрации функций модели. Эта статья является продолжением предыдущей публикации²⁰, поскольку она улучшает генерацию параметров, включает в себя модель жизненного цикла, модель надежности и модель управления, оптимизирует стоимость расчета, проверяет модель и проводит углубленный анализ моделирования и т. Д.

Обычный гидравлический блок управления поршневого насоса с переменным рабочим объемом заменяется электрическим приводом для повышения компактности и уменьшения рассеивания тепла, как показано на рисунке 1. Электрический привод состоит из шарико-винтового парового механизма, редуктора и синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM). Электрический привод соединяет перемычку через стержень для регулирования объема насоса. При применении в EHA вращательное положение плиты EVDP контролируется замкнутым контуром путем модуляции PMSM. Электрический привод интегрирован с поршневым насосом во взаимном корпусе, образуя неотъемлемую составляющую. Такая конструкция погружает электропривод в рабочую жидкость и тем самым усиливает эффекты многодоменной связи.

Поскольку EVDP является типичным многодоменным мехатронным продуктом, его предварительный дизайн играет важную роль в оптимизации компромиссов в его производительности на системном уровне и изложении требований к проектированию компонентов. Процесс проиллюстрирован на рисунке 2 на основе схемы проектирования на основе моделирования^10,12. Шаг 1 сначала анализирует выбранную архитектуру EVDP, как показано на рисунке 1, и заключает проектные параметры на основе заданных требований к производительности. Затем задача проектирования обычно преобразуется в задачу оптимизации для изучения оптимизации производительности EVDP. Это осуществляется путем преобразования проектных параметров в переменные оптимизации и преобразования требований к производительности в цели и ограничения. Стоит отметить, что проектные параметры необходимо классифицировать на активные, управляемые и эмпирические категории. В качестве переменных оптимизации используются только активные параметры из-за их особенностей независимости. Две другие категории автоматически генерируются оценкой по активным параметрам. Поэтому шаг 2 разрабатывает оценочные модели управляемых и эмпирических параметров. Эти инструменты оценки используются в каждой итерации оптимизации, а также на шаге 5 для формулирования всех необходимых параметров моделирования. На шаге 3 строятся вычислительные модели для каждой цели или ограничения оптимизации, которые отражают требуемую производительность. Эти модели должны быть вычислительно эффективными; в противном случае затраты на оптимизацию расчета будут неприемлемы. Шаг 4 выполняет расчет оптимизации, который обычно является многоцелевым и многодисциплинарным. В нем также рассматриваются неопределенности параметров на этапе предварительного проектирования. Шаг 5 строит общую модель спроектированного EVDP и использует ее для проверки результатов оптимизации путем моделирования EVDP при типичных рабочих циклах. Эта модель является окончательным инструментом для оценки предварительных результатов проектирования. Поэтому данная модель должна обладать высочайшей точностью и включать в себя все влиятельные характеристики в стиле плотной сцепки. Наконец, получены предварительные результаты проектирования и результаты определения размеров на системном уровне.

В данной статье основное внимание уделяется методу системного моделирования и имитационного моделирования EVDP, который включает в себя проведение анализа параметров на этапе 1 и выполнение шагов 2 и 5. Во-первых, параметры проектирования выводятся на основе архитектуры EVDP и требований к проектированию, и они классифицируются на три подкатегории. Во-вторых, модели оценки неактивных параметров разрабатываются на основе законов масштабирования, каталогов компонентов, эмпирических функций и т.д. В-третьих, общая модель EVDP построена с использованием междисциплинарных уравнений связи и дополнительных подмоделей времени службы и надежности, и модель частично проверяется экспериментами. Наконец, предыдущие результаты калибровки импортируются в построенную модель для выполнения имитационного анализа в типичных рабочих циклах. Производительность системного уровня выводится на основе результатов моделирования. Также оценивается чувствительность параметров и прочность конструкции. В результате в данной работе разрабатывается конкретный метод моделирования и имитационного моделирования для предварительного проектирования EVDP. Производительность EVDP для применения в EHA всесторонне прогнозируется. Предлагаемый метод выступает в качестве практического инструмента для разработки БВВЭ и ЭХА с переменным рабочим объемом для применений с высокой мощностью. Метод также может быть использован для разработки инструментов моделирования для других типов мехатронных продуктов. EVDP в этой статье относится к электромеханически управляемому насосу с переменным рабочим объемом, но электрогидравлически управляемый насос с переменным рабочим объемом выходит за рамки данной статьи.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Matlab и Simcenter Amesim (далее именуемые платформой системного моделирования) использовались в этом протоколе и перечислены в Таблице материалов. Однако предлагаемый протокол не ограничивается реализацией в этих двух программных приложениях.

1. Выбор и классификация проектных параметров EVDP (Шаг 1 на рисунке 2).

1. Демонтируйте архитектуру EVDP на рисунке 1 на поршневой насосный агрегат, шарико-винтовой, редуктор, PMSM и контроллер. Проверьте требования к производительности EVDP.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В частности, в настоящем документе требования включали в себя мощность, управляющую производительность, тепловые характеристики, срок службы, надежность, эффективность и вес.
2. Обобщите параметры размера и спецификации компонентов EVDP. Проанализируйте параметры и спецификации и выберите те, которые связаны с заданными требованиями к производительности EVDP.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранные параметры компонентов и спецификации являются проектными параметрами в предварительном проекте EVDP, как показано в таблице 1. Таблица 1 также включает результаты классификации параметров, полученные на шаге 1.3.
3. Классифицируйте проектные параметры на активные, управляемые и эмпирические категории²¹, как указано в таблице 1²⁰.
   1. Присвойте активной категории независимые параметры или спецификации, наиболее репрезентативные для каждого компонента.
   2. Назначьте управляемым категориям параметры, которые могут быть получены из активных параметров.
   3. Другие параметры, вычисляемые с помощью эмпирических функций, относятся к эмпирической категории.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Тепловые сопротивления представляют собой группу параметров для моделирования тепловых сетей. Каждому тепловому тракту присваивается тепловое сопротивление. Количество и значения тепловых параметров окончательно определяются архитектурой тепловой сети.

2. Разработка оценочных моделей управляемых и эмпирических параметров (Шаг 2 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Провести оценку моделей управляемых и эмпирических параметров с помощью Matlab на основе следующих методов. Для каждого управляемого или эмпирического параметра создается индивидуальный скрипт.

1. Оцените параметры насоса и привода двигателя от активных параметров, используя законы масштабирования^22,23.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры насоса и двигателя в основном связаны с геометрией или весом, которые обычно отвечают требованиям сходства материала и геометрии для использования законов масштабирования.
   1. Определите коэффициент масштабирования одного произвольного параметра компонента x следующим образом:
      (1)
      где x — соответствующий параметр, а x_ref — соответствующий параметр эталонного компонента. Соотнесите активные и управляемые параметры с характерным размером компонента следующим образом:
      (2)
      где Y* — коэффициент масштабирования одного активного или управляемого параметра, l* — коэффициент масштабирования характеристической размерности компонента, а α — коэффициент коэффициента масштабирования.
   2. Свяжите каждый управляемый параметр компонента с активным параметром, объединив соответствующее уравнение (2) конкретного управляемого параметра и активные параметры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые примерные результаты^{: 22,23}:
      (3)
      где символы уравнений относятся к таблице 1. Обратитесь к Таблице материалов для получения подробной информации о поршневом насосе и двигателе, используемых в этом протоколе.
2. Оцените приводные параметры редуктора и шарико-винтовой пары из активных параметров с помощью каталогов компонентов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Активные параметры редуктора и шарико-винтового парового механизма являются дискретными значениями. Непрерывное изменение активных параметров невозможно из-за ограничений механизма или высоких затрат. Поэтому предпочтительнее использовать готовые редукторы или шарико-винтовые пары.
   1. Оцените приводные параметры коробки передач, извлекая из технического описания коробки передач те параметры, которые наилучшим образом соответствуют определенному передаточному числу и номинальному крутящему моменту. В частности, в этой статье редуктор (Таблица материалов) был использован для создания библиотеки редукторов в программном обеспечении Matlab. Используйте номинальный крутящий момент перед заданным передаточным числом для согласования коробки передач на основе метода портфельной организации указанного редуктора (Таблица материалов).
   2. Оцените параметры привода для шарикового винта, извлекая из технического описания шарико-винтовых пар те параметры, которые наилучшим образом соответствуют определенному выводу и номинальной нагрузке. В частности, в этой статье шарико-винтовой пар (Таблица материалов) был использован для создания библиотеки шарико-винтовых пар в Matlab. Используйте номинальную нагрузку перед заданным выводом для согласования шарикового винта на основе метода портфельной организации указанного шарикового винта (Таблица материалов).
3. Оцените эффективность насоса, редуктора и шарико-винтовой пары с помощью эмпирических функций.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры эффективности не указаны в технических описаниях насоса, редуктора и шарико-винтового парового механизма, поэтому они оцениваются эмпирическим функциональным методом.
   1. Предположим, что объемный КПД насоса и механический КПД насоса в номинальной рабочей точке составляют 0,95 и 0,90 соответственно. Используйте эти два значения, чтобы соответствовать эмпирическим функциям утечки и вязкого трения в номинальной рабочей точке, как в уравнении (4) и уравнении (5)²⁴. Затем выводим коэффициенты E_pv и E_pm эмпирических функций. В результате используют производные эмпирические функции для моделирования характеристик эффективности при полных условиях работы:
      (4)
      (5)
      где Δp — разность давлений насоса, T_po — температура масла в насосе, D_p — мгновенный объем насоса, а S_p — скорость насоса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данные об эффективности в номинальной рабочей точке готовых насосов могут быть получены от производителя, хотя в настоящем документе это не так. Затем данные об эффективности могут быть использованы вместо предполагаемых данных для повышения точности. Производные коэффициенты, которые находятся под номинальной рабочей точкой, дополнительно регулируются в соответствии с условиями мгновенной работы (т.е. смещением и температурой).
   2. Используйте данные о максимальной эффективности коробки передач или шарикового винта, чтобы соответствовать функции вязкого трения при максимальной нагрузке и максимальной скорости, как в уравнении (6). Затем выведите коэффициент вязкого трения f. В результате моделируйте мгновенную коробку передач или эффективность шариковинтового пар, как в уравнении (7):
      (6)
      (7)
      где E_max, S_max и F_max - максимальная эффективность, максимальная скорость и максимальное усилие коробки передач или шарикового винта, полученные из технического описания, соответственно; E, S и F — это мгновенная эффективность, мгновенная скорость и мгновенная сила коробки передач или шарикового винта во время моделирования, соответственно; и f - коэффициент вязкого трения коробки передач или шарико-винтового парового механизма.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предположим, что максимальная эффективность шарикового винта составляет 0,90 из-за отсутствия каких-либо данных, связанных с эффективностью. Обновите функцию эффективности шарикового винта, как только станут доступны данные, связанные с эффективностью.
4. Оцените параметры теплового сопротивления. Оцените тепловое сопротивление для модели тепловой сети, разработанной на этапе 3.3. использование эмпирических функций из теории термодинамики. Классифицируйте тепловые сопротивления на два типа: принудительная конвекция и проводимость.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Определите тепловое сопротивление между оболочкой EVDP и окружающей средой как постоянное значение. Это связано с тем, что текущая стадия исследует тепловые характеристики внутри насоса, в то время как подробные характеристики рассеивания тепла оболочки находятся в центре внимания будущего теплового проектирования.
   1. Оцените сопротивление теплопроводности между твердыми частями с помощью уравнения (8), которое основано на законе масштабирования²³:
      (8)
      где R_sst — тепловое сопротивление между двумя твердыми частями, а T_mn — номинальный крутящий момент серводвигателя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Уравнение (8) используется только для оценки теплового сопротивления теплопроводности обмотки-оболочки, поскольку оно является единственным твердо-твердым контактом в модели тепловой сети.
   2. Оцените тепловое сопротивление принудительной конвекции между твердой и текучей частью с помощью уравнения (9)^25,26:
      (9)
      где R_sft - тепловое сопротивление между твердой частью и жидкой частью; λ_f - теплопроводность жидкости; L_a - характерная длина теплообмена; C_Re и m — коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса Re; Pr — число Прандтля; а A_t — площадь теплообмена.
      ПРИМЕЧАНИЕ: L a и другие _{структурные} размеры оцениваются на основе законов масштабирования, а скорость жидкости в области теплообмена мгновенно рассчитывается по результатам моделирования потока насоса.

3. Построение имитационной модели системы (Шаг 5 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Постройте многодисциплинарную модель связи EVDP, которая может проверить его полную производительность. Архитектура модели показана на рисунке 3, а модель выполнена в среде совместного моделирования на основе Matlab и платформы моделирования системы. Во-первых, постройте индивидуальную сгруппированную модель каждого компонента или дисциплины. Затем соберите модели компонентов/дисциплин в соответствии с рисунком 3.

1. Постройте весовую модель EVDP в Matlab.
   1. Рассчитайте вес EVDP путем сложения весов каждого компонента, которые получены из моделей оценки веса на шаге 2.
2. Провести динамическое сгрупповое моделирование параметров EVDP в платформе моделирования системы.
   1. Построить модель электромагнитного движения серводвигателя, модель движения механической трансмиссии, модель гидравлического движения поршневого насосного агрегата и модель крутящего момента нагрузки перекоса, как описано ранее²⁰.
   2. Моделируйте потери системы, как в уравнении (10):
      (10)
      где Q_mCu - потеря меди серводвигателем; Q_mr - потеря ротора серводвигателем; Q_pv и Q_pm - объемные потери и механические потери насоса соответственно; Q_g - потеря коробки передач; Q_s - потеря шариковинтового винта; i_m - ток серводвигателя; S_m - скорость серводвигателя; Δp - разность давлений насоса; T_po - температура масла в насосе; D_p - рабочий объем насоса; S_p - скорость насоса; f_g - коэффициент вязкого трения коробки передач; S_s - входная скорость коробки передач; и T_s — крутящий момент шарикового винта.
   3. Моделируйте свойства жидкости, как в уравнении (11). Определите коэффициенты, подогнав техническое описание жидкости к уравнению (11):
      (11)
      где ρ_f и ρ_f0 — мгновенная и опорная плотность соответственно; C_p и C_p0 являются мгновенной и эталонной удельной теплоемкостью соответственно; μ_f и μ_f0 являются мгновенной и эталонной абсолютной вязкостью соответственно; λ_f и λ_f0 — мгновенная и опорная теплопроводность соответственно; p_i - мгновенное давление i-го узла жидкости; T_i - мгновенная температура i-го узла жидкости; p₀ и T₀ - эталонное давление и температура свойств жидкости; и a_m,n, b_m,n, c_m,n и d_m,n являются коэффициентами.
   4. Моделируйте динамику давления объемов жидкости, как в уравнении (12)^27,28. Смоделируйте отверстие, как показано в уравнении (4):
      (12)
      где p — давление объема жидкости; B - модуль объемной массы жидкости; ρ — плотность жидкости; V - объем жидкости; и - входящий и исходящий массовый расход объема жидкости, соответственно; α_p — коэффициент объемного расширения жидкости; и T — температура объема жидкости.
   5. Моделируйте контроллер с помощью ПИД-контроллера с тремя контурами, как показано на рисунке 4⁶. Настройте параметры управления с помощью нескольких имитационных испытаний, когда имитационная модель и другие параметры симуляции будут готовы. Настройте параметры управления от внутреннего цикла к внешнему, постепенно увеличивая значения усиления.
   6. Добавьте роторную пружину и модель амортизатора между источником движущей скорости и ротором насоса. Добавьте линейную модель пружины и амортизатора между входной скоростью и массой нагрузки шарико-винтовой пары.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг позволяет выровнять причинно-следственную связь в модели поршневого насосного агрегата и модели шариковинтового парового двигателя. Установите жесткость пружины и рейтинг демпфера на постоянные значения, которые могут привести к тому, что эффекты этих двух блоков будут игнорироваться.
3. Провести тепловое моделирование EVDP в платформе моделирования системы.
   1. Установите тепловую сеть для EVDP²⁰. Добавьте тепловую нагрузку в уравнении (10), за исключением Q_pv, к соответствующим тепловым узлам.
   2. Моделирование тепловых сопротивлений для твердо-твердого теплообмена и твердо-текучего теплообмена с использованием функций параметров на шаге 2.4. Моделирование теплообмена жидко-жидкостных узлов путем обмена их внешними скоростями потока энтальпии (см. Этап 3.3.4). ^29.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эталонная теплообменная структура и размеры EVDP необходимы для получения параметров в уравнении (9) на основе законов масштабирования. Используемая теплообменная структура EVDP изображена на рисунке 5.
   3. Моделируйте температурную динамику твердых тепловых узлов, как в уравнении (13):
      (13)
      где , m и c_p — скорость теплового потока, масса и удельная теплоемкость твердого узла соответственно.
   4. Смоделировать температурную динамику объемов жидкости, как показано в уравнении (14)^27,28:
      (14)
      где p, m, c_p и α_p — давление, масса, удельная теплоемкость и коэффициент объемного расширения узла жидкости соответственно; V и h – объемы и энтальпия жидкого узла соответственно; и h_in - массовый расход и энтальпия входящего потока, соответственно; - скорость теплообмена; и W_s - работа вала узла жидкости.
   5. Моделируйте температурную динамику отверстий, как в уравнении (15). Это также определяет влияние тепловой нагрузки Q_pv. Моделируйте отверстия как идеальный узел переноса энтальпии, который передает входящую энтальпию непосредственно в исходящую энтальпию.
      (15)
      где α_p, ρ и c_p — коэффициент объемного расширения, плотность и удельная теплоемкость жидкости соответственно.
   6. Моделируйте передачу энтальпии внутри насоса, как показано в уравнении (16):
      (16)
      где dmh_out и dmh in - расход исходящей и _{входящей} энтальпии соответственно; и D_p, Δp и S_p — смещение, разность давлений и скорость насоса соответственно.
4. Для моделирования срока службы и надежности установите шарико-винтовой пароход и поршневой насосный агрегат в качестве критически важных компонентов для срока службы и надежности. Используйте меньшее значение оцениваемого срока службы/надежности этих двух компонентов в качестве показателя срока службы/надежности EVDP. Выполняйте модели с помощью скриптов Matlab.
   1. Используйте усталостный срок службы шарико-винтовой пары в качестве срока его службы. Используйте срок службы поршневого насоса в качестве срока его службы. Моделируйте срок службы шарико-винтового и поршневого насосного агрегата, как в уравнении (17) и уравнении (^18)13,30:
      (17)
      (18)
      где F_ampi и F_meani - амплитуда силы нагрузки и средняя нагрузка шарико-винтовой пары, полученные из результатов моделирования нагрузки шарикового винта с использованием подсчета дождевого потока; F_max - максимально допустимая сила нагрузки шарико-винтового паровозацепа; Δp_{среднееi} - среднее давление нагрузки насоса, полученное на основе результатов моделирования давления нагрузки насоса с использованием подсчета дождевого потока; S_p - скорость насоса; m - количество различных циклов, которые подсчитываются; n_i — величина i-го цикла; N_i - величина i-го цикла, которая может исчерпать срок службы компонента; T_cyc - длительность рабочего цикла, по которой идентифицируются m циклы; и p, α и β являются экспериментальными константами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: N_i получается путем подгонки связанного с ним напряжения нагрузки к линейной логарифмической кривой S-N, которая устанавливается с использованием данных о максимальной нагрузке и номинальных данных о сроке службы конкретного компонента. Кривая S-N журнала может быть улучшена, когда станет доступно больше данных о времени жизни.
   2. Предположим, что надежность шарикового винта и соответствующего его сроку службы насоса составляет 0,90. Определите надежность, рассчитанную на 50^{000-й рабочий} час. Моделируйте надежность шариковинтового и поршневого насосного агрегата, как показано в уравнении (19)¹³:
      (19)
      где R_ref - эталонная надежность при контрольном сроке службы L_h,10 , а L_h,10 - указанное рабочее время для оценки надежности.
5. Соберите модель.
   1. Поместите все необходимые уравнения (введенные из шагов 3.1-3.4) каждого узла на рисунке 3 вместе, чтобы сформировать блок модели для каждого узла. Завершите вывод входных и выходных переменных каждого узла.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Возьмем в качестве примера теоретический узел поршневого насоса; он включает в себя пять уравнений: крутящий момент с учетом механических потерь, выходной поток без учета утечки (утечка моделируется отдельно отверстиями), изменение смещения в соответствии с движением управления перемещением, транспортировка энтальпии и крутящий момент нагрузки, создаваемый перемычкой. Производными входами являются скорость движения, давление и температура в двух портах, а также смещение перемычки. Производными выходами являются угол вала, крутящий момент нагрузки приводного вала, выходной поток, выходная энтальпия и крутящий момент нагрузки, создаваемый перемычкой.
   2. Определите входы и выходы общей модели EVDP и выполните анализ причинно-следственных связей всех узлов. При необходимости добавьте дополнительные узлы, чтобы убедиться, что все узлы причинно связаны. Затем соедините все узлы, чтобы сформировать общую модель EVDP, как показано на рисунке 3.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Три узла плавного пути и два узла внутреннего порта на рисунке 3 были добавлены для обеспечения совместимости общей причинно-следственной связи модели. Они моделируются как отверстия (Уравнение [4]).

4. Частичная проверка модели (шаг 5 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте прототип EVDP и его испытательный стенд для проверки метода моделирования на шаге 3. Этап 4 (проверка модели) был выполнен в настоящем документе, поскольку EVDP был недавно разработан, и модели были вновь предложены. Прототип EVDP, используемый в этой статье, был уменьшен по сравнению с прототипом, смоделированным на шаге 5. Модели, проверенные на основе уменьшенного прототипа, считаются применимыми для моделирования того же типа EVDP в других размерах. Для будущих задач моделирования и имитационного моделирования во время предварительного проектирования того же типа EVDP шаг 4 может быть опущен.

1. Проведите экспериментальную установку.
   1. Постройте прототип EVDP в соответствии со схемами, приведенными на рисунке 1. Адаптировать существующие компоненты для формирования подкомпонентов EVDP, таких как поршневой насосный агрегат, редуктор, шарико-винтовой пар и серводвигатель.
      ПРИМЕЧАНИЕ: для создания прототипа в данной работе использовался 7-поршневой насос с рабочим объемом 7,4 мл/об. Максимальный наклон перекоса составлял 18°. Номинальная скорость составляла 7000 об/мин, а номинальное давление – 21 МПа. Шарико-винтовой провод составлял 1,59 х ^10-3 м, а передаточное отношение коробки передач составляло 2,47. Прототип EVDP показан на рисунке 6.
   2. Установите EVDP на испытательный стенд, состоящий из погрузочной части и контрольной части³¹, как показано на рисунке 7. Подключите три порта EVDP к гидравлическому контуру загрузочной части. Подключите электрические кабели EVDP к управляющей части.
2. Проведите тестирование прототипа.
   1. Запустите вспомогательную гидравлическую мощность (9), нажав кнопку запуска на панели.
   2. Установите смещение EVDP на 2,5° в текстовом поле команды смещения с помощью пользовательского интерфейса. Включите клапан режима (10) и настройте клапаны регулирования нагрузки (12) на давление нагрузки 3,5 МПа с помощью панели. Считывание и запись выходного потока EVDP с панели.
   3. Установите смещение EVDP на -18°, -15°, -12°, -10°, -8°, -5°, -2.5°, 2.5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15° и 18° соответственно. Регистрируйте каждый выходной поток EVDP при каждом заданном смещении, как показано на рисунке 8A.
   4. Установите смещение EVDP на 2,5° и отрегулируйте давление нагрузки примерно до 3,3 МПа, 5 МПа, 8 МПа, 10 МПа, 13 МПа, 15 МПа, 17 МПа, 18 МПа, 19 МПа, 20 МПа и 21 МПа соответственно. Записывайте выходной поток EVDP под каждым давлением. Установите смещение EVDP на 5°, 8° и 18°, соответственно, и повторите настройку давления испытания на смещение 2,5° для каждого нового смещения. Запишите выходной поток EVDP под каждой точкой тестирования, как показано на рисунке 8B.
   5. Отключите режим клапана (10), нажав кнопку на панели. Установите команду sweeping frequency displacement (от 0,02 Гц до 20,5 Гц при амплитуде 2,5°) на EVDP в текстовом поле пользовательского интерфейса. Запишите реакцию смещения EVDP и получите ее величину и фазовые характеристики, как показано на рисунке 9A.
3. Проанализируйте результаты экспериментов.
   1. Задайте для активных параметров прототипа EVDP встроенную модель на шаге 3. Модель автоматически генерирует другие необходимые параметры моделирования. Установите температуру окружающей среды и начальную температуру EVDP на уровне 40 °C. Запустите имитационную модель в тех же условиях, что и в тесте прототипа EVDP на шаге 4.2, и запишите результаты моделирования.
   2. Постройте экспериментальные результаты и результаты моделирования каждой группы условий на одном рисунке, как показано на рисунках 8 и 9.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Максимальная погрешность моделирования потока (2,2 л/мин) произошла при смещении 2,5°, что составило 4,35% от полного потока EVDP. Результаты моделирования частотных характеристик достигли хорошей согласованности с экспериментальными результатами при командах 10 Гц и показали более высокие погрешности по сравнению с командами 10 Гц. Точность моделирования была удовлетворительной.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Более высокие погрешности результатов моделирования частотных характеристик свыше 10 Гц команд на рисунке 9А возникли из-за инструментов генерации параметров предлагаемого пакета моделей. Результаты моделирования достигли хорошей точности при использовании реальных параметров прототипа, как показано на рисунке 9B. Инструменты генерации параметров приводили к ошибкам, поскольку эталонные компоненты, используемые для оценки параметров, не были в той же серии, что и компоненты прототипа (для прототипа EVDP использовались собственные компоненты). Таким образом, ошибки моделирования не являются проблемой, когда выбранные компоненты находятся в том же ряду, что и эталонные компоненты, но неопределенности параметров также обсуждаются на шаге 5.

5. Анализ моделирования (шаг 5 на рисунке 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните имитационный анализ варианта проектирования EVDP, ранее полученного путем выполнения шагов 3 и 4 (проектирование оптимизации) на рисунке 2. Разбейте процесс моделирования, как показано на рисунке 10.

1. Задайте активные параметры и параметры моделирования.
   1. Используйте набор ранее полученных активных параметров EVDP для первого моделирования, где номинальная скорость EVDP составляет 7000 об/мин, номинальное давление EVDP составляет 28 МПа, максимальный рабочий объем EVDP составляет 12,3 мл/об, номинальное напряжение серводвигателя составляет 28 В постоянного тока, номинальный крутящий момент серводвигателя 0,386 Нм, коробка передач опущена, номинальное усилие шарикового винта составляет 5460 Н, а шарико-винтовой вывод составляет 0,005 м.
   2. Используйте GJB1177-1991 15# аэрокосмическую гидравлическую жидкость в качестве рабочей жидкости в моделировании. Установите в окружающей среде критическую температуру 70 °C. Коэффициент теплообмена между оболочкой EVDP и окружающей средой постоянен при 20 Вт/м²/К.
   3. Установите рабочий цикл²⁰. Добавьте жидкостный радиатор для сбора обратного потока EVDP и потока подачи на вход EVDP.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Теплоотвод эмулирует последующие компоненты в реальном приложении. Он содержит 10 л жидкости с площадью теплообмена 5^м2 , которая поддерживает коэффициент теплообмена 50 Вт/м²/К с окружающей средой. Сильное рассеивание тепла теплоотвода жидкости используется для рассеивания всей выходной мощности EVDP, поскольку выходная мощность EVDP преобразуется в тепло клапаном регулирования нагрузки.
   4. Задайте параметры проектирования в диапазоны, охватывающие пространство проектирования для выполнения анализа чувствительности. Используйте передаточное число коробки передач в качестве примера параметра в этой статье. Установите диапазон передаточного числа коробки передач равным 1-3,5, чтобы исследовать последствия использования непрерывных изменяющихся значений передаточного числа коробки передач.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Диапазон передаточного числа коробки передач был установлен с использованием последнего номера серии в качестве нижней границы и следующего номера серии в качестве верхней границы. Таким образом, можно было бы проанализировать последствия использования непрерывных изменяющихся значений передаточного числа коробки передач. Поскольку передаточное число 1 (без использования коробки передач) было оптимизировано передаточным числом коробки передач, передаточного числа последней серии не существовало. Нижняя граница диапазона должна была быть равна 1 в этом исследовании. Коэффициент 3,5 не нужно было моделировать снова, потому что он уже сравнивался с отношением 1 в предыдущей оптимизационной конструкции и был отброшен. Наконец, для анализа чувствительности были выбраны соотношения 2 и 3. Размер других компонентов до сопоставимых показателей управления перемещением EVDP после определения нового передаточного числа коробки передач для обеспечения справедливого сравнения³².
   5. Задайте проектные параметры диапазонам, которые охватывают их допуски для выполнения анализа неопределенности. Используйте постоянную крутящего момента серводвигателя и момент инерции серводвигателя в качестве примерных параметров в данной работе. Устанавливают диапазон постоянного крутящего момента серводвигателя и момента инерции серводвигателя в размере 1 - 20% и 1 + 20% от их расчетных значений для проверки их погрешности оценки влияния на частотные характеристики^{ЭВВДП 33}.
2. Запустите симуляцию.
   1. Установите динамическую и тепловую модель, предложенные на Шаге 3 (реализованные в платформе моделирования системы) в соответствии с Шагом 5.1.2. Щелкните Режим параметров > TFFD3-1 > имя файла для простых данных характеристик жидкости для импорта файла свойств масла. Нажмите на Режим параметров > THGCV0-1 / THGCV0-2 > Температура жидкости , чтобы установить температуру окружающей среды на уровне 70 °C. Нажмите режим параметра > THGCV0-1/THGCV0-2 > коэффициент конвективного теплообмена , чтобы установить температуру окружающей среды на уровне (20 Вт/м²/K) / (50 Вт/м²/K).
   2. Введите активные параметры на шаге 5.1.1. к моделям оценки параметров (реализованным с помощью Matlab), предложенным на шаге 2. Нажмите редактор > Запустить , чтобы запустить скрипт для генерации всех необходимых параметров моделирования, как показано в таблице 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Контрольные параметры получены, как показано на этапе 3.2.5. вместо того, чтобы генерироваться автоматически.
   3. Щелкните РЕДАКТОР > Выполнить в Matlab, чтобы запустить скрипт для расчета веса и активации динамической и тепловой моделей с параметрами моделирования. Результаты моделирования автоматически получаются этим скриптом.
   4. Щелкните РЕДАКТОР > Выполнить в Matlab, чтобы запустить сценарий для расчета срока службы EVDP и производительности надежности на основе сохраненных результатов моделирования.
3. Щелкните Режим моделирования на платформе моделирования системы, чтобы проверить результаты моделирования. Извлеките другие результаты производительности EVDP из этих результатов моделирования во временной области (например, точность и пропускная способность управления перемычкой, рабочая температура EVDP, эффективность EVDP и уровень мощности EVDP).
4. Щелкните Режим параметров на платформе моделирования системы, чтобы задать параметры моделирования, указанные в шагах 5.1.4. и 5.1.5. Щелкните РЕДАКТОР > Выполнить в Matlab, чтобы запустить сценарий активации динамической и тепловой моделей. Щелкните Режим моделирования на платформе моделирования системы, чтобы проверить результаты моделирования анализа чувствительности и неопределенности.

Результаты

В этом разделе представлены результаты, полученные в результате выполнения всех этапов протокола, которые являются частью шага 1, всего шага 2 и всего шага 5 метода предварительного проектирования EVDP на рисунке 2. Входная информация в протоколе включает схемы EVDP

Обсуждение

Концепция и другие технические компоненты EVDP были представлены в предыдущих публикациях ^6,31, демонстрируя применимость и преимущества EVDP. Вместо того, чтобы изучать сам EVDP, в этом документе продолжалось изучение метода проектирования в связи с будущими ?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ball screw	NSK	PSS
EVDP prototype	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa
EVDP testrig	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.
Gearhead	Maxon	GP
Matlab	Mathworks	R2020a
Permannet magnet synchronous motor	Maxon	393023
Piston pump	Bosch Rexroth	A10VZO
Simcenter Amesim	Siemens	2021.1	system simulation platform