Name: a modeling and simulation method for preliminary design of an electro-variable displacement pump
Uploaded: 2022-06-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump at JoVE.com

يعترف المؤلفون بمعهد بكين للميكاترونيكس الدقيق والضوابط لدعم هذا البحث.

ملاحظة: تم استخدام Matlab و Simcenter Amesim (المشار إليهما باسم منصة محاكاة النظام فيما يلي) في هذا البروتوكول وهما مدرجان في جدول المواد. ومع ذلك، فإن البروتوكول المقترح لا يقتصر على التنفيذ في هذين التطبيقين البرمجيين.
1. اختيار وتصنيف معلمات تصميم EVDP (الخطوة 1 في <stro...

<ol>
	<li>Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Classification+and+review+of+pump-controlled+differential+cylinder+drives.">Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives.</a> Energies. 12 (7), 1293 (2019).</li><li>Alle, N., Hiremath, S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+on+electro+hydrostatic+actuator+for+flight+control.">Review on electro hydrostatic actuator for flight control.</a> International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).</li><li>Garrison, M., Steffan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-fault+tolerant+electric+actuation+systems+for+space+applications.">Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications.</a> 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &amp; Exhibit. , (2006).</li><li>Smith, S., Irving, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electro+hydrostatic+actuators+for+control+of+undersea+vehicles.">Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles.</a> Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , (2006).</li><li>Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Research+on+dual-variable+integrated+electro-hydrostatic+actuator.">Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).</li><li>Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+dynamic+performance+analysis+of+a+novel+integrated+electro+mechanical+hydrostatic+actuator.">Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator.</a> The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering. 459, 2563-2573 (2018).</li><li>Liu, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system. , (2015).</li><li>Jean-Charles, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Best+practices+for+model-based+and+simulation-aided+engineering+of+power+transmission+and+motion+control+systems.">Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).</li><li>Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simulation-based+multiobjective+optimization+design+method+for+pump-driven+electro-hydrostatic+actuators.">A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators.</a> Processes. 7, 274 (2019).</li><li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+as+a+support+for+selection+and+design+of+aircraft+actuation+systems.">Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems.</a> 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887 (1998).</li><li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems.">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).</li><li>Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+preliminary+design+of+electromechanical+actuators.">Optimal preliminary design of electromechanical actuators.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).</li><li>Liscou&#235;t, J., Budinger, M., Mare, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+for+reliability+of+electromechanical+actuators.">Design for reliability of electromechanical actuators.</a> 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 174-182 (2010).</li><li>Arriola, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+model-based+method+to+assist+the+architecture+selection+and+preliminary+design+of+flight+control+electro-mechanical+actuators.">A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators.</a> 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 166-174 (2016).</li><li>Baer, K., Ericson, L., Krus, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Framework+for+simulation-based+simultaneous+system+optimization+for+a+series+hydraulic+hybrid+vehicle.">Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle.</a> International Journal of Fluid Power. , (2018).</li><li>Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-objective+optimal+design+of+electro-hydrostatic+actuator+driving+motors+for+low+temperature+rise+and+high+power+weight+ratio.">Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio.</a> Energies. 11 (5), 1173 (2018).</li><li>Sun, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiobjective+and+multiphysics+design+optimization+of+a+switched+reluctance+motor+for+electric+vehicle+applications.">Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications.</a> IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).</li><li>Gerada, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Holistic+electrical+machine+optimization+for+system+integration.">Holistic electrical machine optimization for system integration.</a> IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).</li><li>Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidomain+optimization+of+high-power-density+PM+electrical+machines+for+system+architecture+selection.">Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).</li><li>Han, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidisciplinary+model+for+preliminary+design+of+electro-mechanical+servo+pump.">Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump.</a> Scandinavian International Conference on Fluid Power. , 362-374 (2019).</li><li>Liscou&#235;t, J., Budinger, M., Mar&#233;, J. C., Orieux, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+approach+for+the+simulation-based+preliminary+design+of+power+transmissions.">Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions.</a> Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).</li><li>Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling-laws+based+hydraulic+pumps+parameter+estimation.">Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation.</a> UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).</li><li>Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Mar&#233;, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+models+for+the+preliminary+design+of+electromechanical+actuators.">Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).</li><li>Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applicability+of+pump+models+for+varying+operational+conditions.">Applicability of pump models for varying operational conditions.</a> ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).</li><li>Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , (2011).</li><li>Whitaker, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forced+convection+heat+transfer+correlations+for+flow+in+pipes,+past+flat+plates,+single+cylinders,+single+spheres,+and+for+flow+in+packed+beds+and+tube+bundles.">Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles.</a> AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).</li><li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calculation+method+for+thermal-hydraulic+system+simulation.">Calculation method for thermal-hydraulic system simulation.</a> Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).</li><li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal-hydraulic+modeling+and+simulation+of+piston+pump.">Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).</li><li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems.">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).</li><li>Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitigation+of+fatigue+damage+and+vibration+severity+of+electric+drivetrains+by+systematic+selection+of+motion+profiles.">Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles.</a> IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).</li><li>Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+system+design+for+a+novel+aerospace+electrically+actuator.">Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator.</a> Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. , 612-620 (2022).</li><li>De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reusable+surrogate+models+for+the+preliminary+design+of+aircraft+application+systems.">Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems.</a> AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).</li><li>Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+performance+evaluation+for+electro-mechanical+actuators+considering+parameter+uncertainties.">Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties.</a> 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, 136-142 (2014).</li><li>Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dimensional+analysis+and+surrogate+models+for+the+thermal+modeling+of+multiphysics+systems.">Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems.</a> Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).</li></ol>

وقد عرض مفهوم هذا البرنامج وعناصره التقنية الأخرى في المنشورات السابقة 6,31، مما يدل على إمكانية تطبيق هذا البرنامج ومزاياه. بدلا من دراسة EVDP نفسه ، واصلت هذه الورقة دراسة طريقة التصميم فيما يتعلق باحتياجات التطبيق الحقيقية المستقبلية. تعد طريقة التصميم الم...

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 EHAsمتغيرة 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 والعمرالافتراضي 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 المحاكاة10,12. 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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ball screw</td>
			<td>NSK</td>
			<td>PSS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EVDP prototype</td>
			<td>Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls</td>
			<td>customized</td>
			<td>7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EVDP testrig</td>
			<td>Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls</td>
			<td>customized</td>
			<td>Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gearhead</td>
			<td>Maxon</td>
			<td>GP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>R2020a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permannet magnet synchronous motor</td>
			<td>Maxon</td>
			<td>393023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piston pump</td>
			<td>Bosch Rexroth</td>
			<td>A10VZO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Simcenter Amesim</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>2021.1</td>
			<td>system simulation platform</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a modeling and simulation method for preliminary design of an electro-variable displacement pump

تم بحث المحركات الكهروهيدروستاتيكية (EHAs) بشكل كبير في الأوساط الأكاديمية ، وتتوسع تطبيقاتها في مختلف المجالات الصناعية. لقد أخذت EHA متغيرة السرعة الآن الأولوية على EHA متغيرة الإزاحة ، لكن محرك القيادة الخاص بها والإلكترونيات المرتبطة بها تواجه مشكلات عند تطبيقها في التطبيقات عالية الطاقة: الديناميكيات المنخفضة ، والتبديد الحراري العالي ، والسعر المرتفع ، وما إلى ذلك. لذلك ، تم النظر في EHA متغير الإزاحة مجهز بمضخة إزاحة كهربائية متغيرة (EVDP). EVDP نفسه هو نظام ميكاترونيك يدمج مضخة مكبس ، وبرغي كروي ، وعلبة تروس ، ومحرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM). وبالتالي ، يجب التحقيق في EVDP لضمان أدائها على مستوى النظام عند تطبيقها في EHA. بالإضافة إلى الأبحاث السابقة حول المعلمات التقنية ل EVDP ، من الضروري وجود طريقة تصميم مخصصة لزيادة تقليل تكلفة استخدام EVDP واستكشاف إمكانات أدائها. هنا ، يتم اختيار طريقة التصميم الأولي EVDP القائمة على المحاكاة لتصميم EVDP 37 كيلو واط. أولا ، يتم توسيع نموذج متعدد التخصصات مقترح سابقا ل EVDP من خلال تحسين توليد المعلمات ، بما في ذلك عمر EVDP ، والموثوقية ، ونماذج التحكم ، وما إلى ذلك. ثانيا ، يتم التحقق جزئيا من النموذج المقترح باستخدام نموذج أولي أصغر حجما. ثالثا ، تتم محاكاة EVDP على مستوى النظام ، بدعم من النموذج المقترح. يتم تقييم أداء EVDP وفقا لمتطلبات التصميم المحددة. يتم التنبؤ بدرجة الحرارة وعرض النطاق الترددي والدقة والموثوقية والعمر الافتراضي ، وما إلى ذلك ، ل EVDP. تظهر نتائج المحاكاة قابلية تطبيق EVDP في EHA متغير الإزاحة. يمكن استخدام طريقة النمذجة والمحاكاة المقترحة لتقييم أداء EVDP المتنوع والاستجابة لمتطلبات التصميم العامة. يمكن أن تدعم هذه الطريقة أيضا حل تحديات التصميم الأولية من حيث المعلومات المحدودة والمتانة. ولذلك، فإن الطريقة المقترحة مناسبة لتحقيق طريقة التصميم الأولي ل EVDP القائمة على المحاكاة.

يعرض هذا القسم النتائج التي تم الحصول عليها من تنفيذ جميع خطوات البروتوكول ، والتي تشكل جزءا من الخطوة 1 ، وكل الخطوة 2 ، وكل الخطوة 5 من طريقة التصميم الأولي ل EVDP في الشكل 2. تتضمن معلومات الإدخال في البروتوكول مخططات EVDP في الشكل 1 ، والمعلمات النشطة المحسنة (ا...

Watch this Scientific Journal Video about A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump at JoVE.com

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

تم تطوير نموذج محاكاة يدعم على وجه التحديد التصميم الأولي لمضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة (EVDP) والتحقق منه جزئيا من خلال التجارب. يمكن تقييم أداء التحكم والعمر والموثوقية وما إلى ذلك باستخدام النموذج المقترح ، والذي يغطي متطلبات الأداء الرئيسية في إطار مهمة التصميم الأولي ل EVDP.

طريقة نمذجة ومحاكاة للتصميم الأولي لمضخة إزاحة كهرومتغيرة

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

تدعم المنشطات الهيدروستاتيكية الكهربائية كهربة أنظمة الخدمة الشاقة. لتحقيق استهلاك أقل للطاقة ، تركز طريقتنا على التحسين ، واستخدام مضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة للأنظمة. تدعم النمذجة وطريقة المحاكاة التصميم الأولي.مضخة الإزاحة المتغيرة الكهربائية الخاصة بنا ، والتي يجب أن تختار التنبؤ الكامل بالأداء ، وتوليد المعلمات التلقائي ، ومتانة التصميم. ابدأ بتصنيف المعلمات لتصميم مضخة الإزاحة الكهربائية المتغيرة أو EVDP. قم بتعيين المعلمات المستقلة، التي تمثل كل مكون إلى الفئة النشطة، والمعلمات المشتقة من المعلمات النشطة إلى الفئة المدفوعة.ثم قم بتعيين المعلمات المحسوبة ، باستخدام الوظائف التجريبية للفئة التجريبية. لتطوير نماذج التقدير ، قم بتقدير المعلمات التي تحركها المضخة والمحركات من المعلمات النشطة ، باستخدام قوانين التحجيم. استخدم كتالوجات المكونات لتقدير المعلمات المدفوعة لعلبة التروس والمسمار الكروي من المعلمات النشطة.تقييم المضخة وعلبة التروس وكفاءات المسمار الكروي من خلال الوظائف التجريبية ، وتقدير المقاومات الحرارية لنموذج الشبكة الحرارية الذي تم تطويره باستخدام الوظائف التجريبية من نظرية الديناميكا الحرارية. قم ببناء نموذج وزن EVDP في MATLAB عن طريق إضافة أوزان كل مكون ثم إجراء نمذجة المعلمة المجمعة الديناميكية ل EVDP في منصة محاكاة النظام. بعد ذلك ، قم بإجراء النمذجة الحرارية ل EVDP في منصة محاكاة النظام عن طريق تعيين شبكة حرارية ل EVDP.للحصول على نمذجة مدى الحياة والموثوقية ، استخدم عمر التعب للكرة وعمر تآكل وحدة مضخة المكبس كعمرها. نمذجة عمر وحدة مضخة المسمار الكروي والمكبس باستخدام المعادلات. افترض أن موثوقية المسمار الكروي والمضخة المقابلة لعمرها الافتراضي ، هي 0.90 ، وحدد الموثوقية كما تم حسابها في ساعة العمل 50،000th.ثم قم بنمذجة المسمار الكروي وموثوقية وحدة مضخة المكبس مع المعادلة. تابع تجميع النموذج عن طريق وضع جميع معادلات كل عقدة معا لتشكيل كتلة النموذج لكل عقدة. ثم استنتج متغيرات الإدخال والإخراج لكل عقدة.تحديد مدخلات ومخرجات نموذج EVDP الشامل وإجراء تحليل السببية لجميع العقد. عند الضرورة ، أضف عقدا إضافية للتأكد من أن جميع العقد مرتبطة سببيا. ثم قم بتوصيل جميع العقد لتشكيل النموذج العام ل EVDP.بمجرد تشكيل نموذج EVDP ، تحقق من طريقة النمذجة باستخدام النموذج الأولي EVDP وجهاز الاختبار. للقيام بذلك ، قم بتثبيت EVDP على جهاز اختبار ، يتكون من جزء تحميل وجزء تحكم. ثم قم بتوصيل منافذ EVDP الثلاثة بالدائرة الهيدروليكية لجزء التحميل ، والكابلات الكهربائية EVDP بجزء التحكم.قم بإجراء اختبار النموذج الأولي عن طريق الضغط على زر البدء على اللوحة وبدء تشغيل الطاقة الهيدروليكية الإضافية. بعد إلغاء تنشيط صمام الوضع باستخدام الزر الموجود على اللوحة ، اضبط أمر إزاحة التردد الشامل على EVDP في مربع النص الخاص بواجهة المستخدم. سجل استجابة إزاحة EVDP ، واستمد حجمها وخصائص طورها.لتحليل النتائج التجريبية ، قم بتعيين المعلمات النشطة للنموذج الأولي EVDP إلى النموذج الذي تم إنشاؤه مسبقا. سيقوم النموذج بإنشاء معلمات محاكاة أخرى مطلوبة تلقائيا. اضبط درجة حرارة البيئة ، ودرجة حرارة EVDP الأولية عند 40 درجة مئوية ، وقم بتشغيل نموذج المحاكاة تحت نفس ظروف اختبار النموذج الأولي EVDP لتسجيل نتائج المحاكاة.للتحقق من دقة النموذج، ارسم النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة لكل مجموعة حالة في شكل واحد. لإجراء تحليل محاكاة لتصميم EVDP ، قم بتعيين النماذج الديناميكية والحرارية بالنقر فوق علامة التبويب وضع المعلمة وتحديد خيار TFFD31. ثم انتقل إلى اسم الملف للحصول على علامة تبويب بيانات خصائص سائلة بسيطة لاستيراد ملف خاصية الزيت.ضمن وضع المعلمة ، استخدم كتل THGCV01 أو THGCV02. لضبط درجة حرارة البيئة كما هو موضح في المخطوطة ، أدخل المعلمات النشطة في نماذج تقدير المعلمات. ثم انقر فوق الزر "تشغيل" ضمن علامة التبويب "محرر" لتشغيل البرنامج النصي لإنشاء جميع معلمات المحاكاة.في MATLAB ، استخدم زر التشغيل ضمن علامة تبويب المحرر لتشغيل البرنامج النصي لحساب الوزن وتنشيط النماذج الديناميكية والحرارية باستخدام معلمات المحاكاة. سيتم الحصول على نتائج المحاكاة بواسطة البرنامج النصي تلقائيا. باستخدام زر التشغيل ضمن علامة تبويب المحرر، قم بتشغيل البرنامج النصي لحساب عمر EVDP وأداء الموثوقية من نتائج المحاكاة المحفوظة.انتقل إلى وضع المحاكاة في منصة محاكاة النظام للتحقق من النتائج. ثم اشتق نتائج أداء EVDP الأخرى من نتائج محاكاة المجال الزمني هذه. لتعيين معلمات المحاكاة، تحقق من وضع المعلمة.ثم استخدم زر التشغيل ضمن علامة تبويب المحرر لتشغيل البرنامج النصي لتنشيط النماذج الديناميكية والحرارية. في وقت لاحق، اضغط على علامة التبويب وضع المحاكاة للتحقق من تحليلات الحساسية وعدم اليقين. تظهر ديناميكيات درجة الحرارة لأجزاء EDVP المختلفة هنا.يوضح التحليل التمثيلي كفاءة EVDP في ظل دورة عمل كاملة. في ظل حالة الحمل الكامل ، حقق EVDP كفاءة إجمالية تبلغ حوالي 80٪ في وقت لاحق ، انخفضت الخسائر المطلقة ل EVDP ، إلى جانب انخفاض الكفاءة. فحصت استجابة التردد الشاملة الأداء الديناميكي EVDP.في الأداء المتوقع ل EVDP ، تم التنبؤ بدقة تحكم جيدة مع خطأ 0.09 درجة ، في حين وجد أن عمر المضخة وموثوقيتها هما الأضعف. بعد بناء النماذج المقترحة ، يمكن تطوير طريقة التصميم الأولية الكاملة. يمكن لهذه الطريقة أن تعزز قابلية تطبيق مضخة الإزاحة المتغيرة الكهربائية ، والمنشطات الهيدروستاتيكية الكهربائية المرتبطة بها.حلت هذه الطريقة التحديات الشائعة لمرحلة التصميم ، مثل اليقين في المعلمات ، والمحاكاة متعددة التخصصات. وهذا يؤدي إلى تصميم أولي أكثر موثوقية للمضخة للمنشطات الهيدروستاتيكية الكهروستاتيكية.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Virtual Work

SCIENTISTS IN ACTION

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

المحاكاة، تصنيع وتوصيف امتصاص Metamaterial THz

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions

Design and Use of a Full Flow Sampling System FFS for the Quantification of Methane Emissions

تصميم واستخدام نظام أخذ العينات التدفق الكامل (FFS) لالكمي لانبعاثات الميثان

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

دراسة تجربة الكسارة السيفون ومحاكاة لمفاعل للأبحاث

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

The Modular Design and Production of an Intelligent Robot Based on a Closed-Loop Control Strategy

وحدات تصميم وإنتاج روبوت ذكي يستند إلى استراتيجية لمراقبة مغلقة

Intelligent robots are part of a new generation of robots that are able to sense the surrounding environment, plan their own actions and eventually reach ...

Design and Fabrication of an Optical Fiber Made of Water

تصميم وتصنيع الألياف الضوئية مصنوعة من الماء

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

قياس الازاحه العشوائية عن طريق الجمع بين مقياس مغناطيسي واثنين من ألياف براج الحواجز الشبكية

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

100 كيلوواط فئة حقل تطبيق ستدمر ماجنيتوبلاسماديناميك

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

التصميم الهيكلي والتصنيع من طراد فئة السيارة الشمسية

Cruisers are multi-occupant solar vehicles that are conceived to compete in long-range (over 3,000 km) solar races based on the best compromise between ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل لمادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

طريقة سريعة لنمذجة محرك دورة متغير

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...