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

Forfatterne anerkender Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls for at støtte denne forskning.

BEMÆRK: Matlab og Simcenter Amesim (i det følgende benævnt systemsimuleringsplatform) blev brugt i denne protokol og er angivet i materialetabellen. Den foreslåede protokol er dog ikke begrænset til implementering i disse to softwareapplikationer.
1. Valg og klassificering af EVDP-designparametrene (trin 1 i figur 2).
<ol><li>Demonter EVDP's arkitektur i figur 1 i en stempelpum...

<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>

Konceptet og andre tekniske komponenter i EVDP er blevet præsenteret i tidligere publikationer 6,31, hvilket viser anvendeligheden og fordelene ved EVDP. I stedet for at studere EVDP selv fortsatte dette papir med at studere designmetoden i forhold til fremtidige reelle applikationsbehov. En specifik designmetode er nødvendig for denne type højt integrerede og tværfaglige koblingsprodukt, hvilket kræver delikate præstationsafvejninger og optimering. Dette p...

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHA'er) modtager stigende interesse for applikationer såsom industrielle presser, store mobile maskiner, kranmanipulatorer og primær flykontrol på grund af deres kombination af fordelene ved både elektriske aktuatorer og hydrauliske aktuatorer1. To grundlæggende typer EHA'er kan identificeres: EHA'er med variabel hastighed og EHA'er med variabel forskydning2. I øjeblikket er EHA med variabel hastighed mere populær end EHA med variabel forskydning på grund af dens højere effektivitet og enkelhed. Sammen med EHA's højere effektniveau, som er nødvendigt i tunge køretøjer, såsom tunge løfteraketter3 og ubåde4, har køremotoren og tilhørende elektronik i EHA med variabel hastighed imidlertid problemer i forbindelse med lav dynamik, høj termisk spredning, høj pris osv. Derfor genovervejes EHA med variabel forskydning til disse applikationer med høj effekt (>30 kW), da dens styring realiseres via en laveffektenhed, der regulerer pumpens forskydning.
En stor bekymring, der forhindrer, at EHA med variabel forskydning tages som en prioritet, er dens besværlige pumpeforskydningskontrolenhed, som i sig selv er et komplet ventilstyret hydraulisk system. Den elektrovariable fortrængningspumpe (EVDP) er blevet foreslået for at løse dette problem ved hjælp af en kompakt elektrisk forskydningsstyreenhed. Dette design forbedrer kompaktiteten, effektiviteten osv. af EHA med variabel forskydning, hvilket til en vis grad løser den tidligere svaghed. Derfor kan anvendelsen af EHA'er med variabel forskydning til applikationer med høj effekt lettes ved hjælp af den nyligt foreslåede EVDP. EVDP's kompleksitet er dog betydeligt større sammenlignet med den konventionelle hydraulisk styrede pumpe med variabel forskydning, da den integrerer komponenter fra flere nye discipliner. Derfor er der opstået specifikke EVDP-baserede forskningsaktiviteter. Vores forskningsgruppe startede EVDP-forskningen5 og har fortsat med at udvikle den6. Liu udviklede EVDP til EHA-applikationer og udførte eksperimentelle tests7. Nogle hydrauliske virksomheder leverer også EVDP-produkter. Ud over forskningen vedrørende de tekniske komponenter i EVDP er designmetoden til at reagere på reelle applikationskrav også vigtig for at forbedre EVDP's kompetence ved yderligere at reducere omkostningerne ved at bruge EVDP'er og udforske deres præstationspotentiale. Derfor er en specifik EVDP foreløbig designmetode nødvendig for at optimere kompromiser i sin ydeevne på systemniveau ved at analysere sine koblede discipliner. Det simuleringsbaserede foreløbige design er af interesse for denne type tværfaglig kobling af mekatroniske produkter8.
Selvom der ikke er foreslået nogen specifikke simuleringsmodeller til EVDP-foreløbigt design, fordi det er et nyligt foreslået koncept, er der investeret meget forskning i relaterede mekatroniske produkter. En dynamisk EHA-model er blevet bygget for at optimere vægten, effektiviteten og kontrolydelsen i det foreløbige design9, men levetiden, pålideligheden, de termiske egenskaber osv. var ikke involveret, hvilket er væsentlige præstationsindekser, der bør overvejes i det foreløbige design. En anden dynamisk EHA-model er også blevet brugt til at optimere omkostnings-, effektivitets- og kontrolydelse10, og en termisk model blev efterfølgende udviklet til at evaluere de termiske egenskaber ved den optimerede EHA11, men pålideligheden og levetiden blev ikke overvejet. En omfattende elektromekanisk aktuator (EMA) foreløbig designmetode er blevet præsenteret12. Specifikke modeller med forskellige funktioner, der er i stand til at analysere forskellige egenskaber, er blevet foreslået til denne metode, og pålideligheds- og levetidsmodeller er også blevet udviklet13. Den mekaniske styrke, effektkapacitet, termiske ydeevne osv. kunne hermed evalueres, men kontrolydelsen var ikke involveret. En anden EMA-foreløbig designmetode anvendte en dynamisk EMA-model og tilhørende komponentstørrelsesmodeller14. Omkostninger, vægt, udmattelseslevetid, effektkapacitet, fysiske begrænsninger osv. var involveret i simuleringsanalysen, men pålidelighed og kontrolydelse blev ikke inkluderet. Der blev foreslået en dynamisk model til optimeringsdesign af et hydraulisk hybriddrivaggregat15. Effektkapaciteten, effektiviteten, styringen osv. kunne simuleres, men pålideligheden og levetiden blev ikke overvejet. Modeller til analyse af et EHA-baseret flyvekontrolaktiveringssystem er blevet foreslået, inden for hvilket enkle kraftoverførselsligninger og vægtfunktioner blev anvendt16. I betragtning af at modellerne blev anvendt til analyser på køretøjsniveau og missionsniveau, var modellernes begrænsede attributdækning passende. Som en vigtig del af EHA har servomotorer tiltrukket sig særskilt opmærksomhed med hensyn til modellering og design, og resultaterne er også lærerige for EHA-modeludvikling. Termiske netværk, vægtmodeller osv. kan også overvejes til EHA-modellering 17,18,19. Den gennemgåede litteratur indikerer, at selv i betragtning af resultaterne fra produkter relateret til EVDP analyserer de udviklede modeller ikke alle de indflydelsesrige præstationsegenskaber for produkterne til det foreløbige design. Kontrolydelsen, den termiske ydeevne, pålideligheden og levetiden er de egenskaber, der er blevet mest forsømt i konstruktionen af modellerne. Derfor foreslår dette papir en modelpakke, der er i stand til at analysere alle de mest indflydelsesrige præstationsattributter for EVDP's foreløbige design. Simuleringsanalysen præsenteres også for bedre at illustrere modelfunktionerne. Dette papir er en udvidelse af en tidligere publikation20, da det forbedrer parametergenereringen, involverer levetidsmodellen, pålidelighedsmodellen og kontrolmodellen, optimerer beregningsomkostningerne, validerer modellen og udfører dybdegående simuleringsanalyse osv.
Den konventionelle hydrauliske styreenhed i en stempelpumpe med variabel forskydning udskiftes med en elektrisk aktuator for at forbedre kompaktiteten og reducere varmeafledningen, som vist i figur 1. Den elektriske aktuator består af en kugleskrue, en gearkasse og en permanent magnet synkronmotor (PMSM). Den elektriske aktuator forbinder vaskepladen via en stang for at regulere pumpens forskydning. Når den anvendes i EHA'er, styres EVDP-swashplate-rotationspositionen i lukket kredsløb ved at modulere PMSM. Den elektriske aktuator er integreret med stempelpumpen i et gensidigt tilfælde for at danne en integreret komponent. Dette design nedsænker den elektriske aktuator i arbejdsvæsken og styrker dermed multidomænekoblingseffekterne.
Da EVDP er et typisk mekatronisk produkt med flere domæner, spiller dets foreløbige design en væsentlig rolle i optimeringen af kompromiser i dets ydeevne på systemniveau og skitserer kravene til komponentdesign. Processen er illustreret i figur 2 baseret på det simuleringsbaserede designskema10,12. Trin 1 analyserer først den valgte EVDP-arkitektur, som i figur 1, og afslutter designparametrene baseret på de specificerede præstationskrav. Derefter omdannes designopgaven normalt til et optimeringsproblem for at udforske EVDP's ydeevneoptimering. Dette udføres ved at konvertere designparametrene til optimeringsvariabler og konvertere præstationskravene til mål og begrænsninger. Det er værd at bemærke, at designparametrene skal klassificeres i aktive, drevne og empiriske kategorier. Kun de aktive parametre bruges som optimeringsvariabler på grund af deres uafhængighedsfunktioner. De to andre kategorier genereres automatisk ved estimering ud fra de aktive parametre. Derfor udvikler trin 2 estimeringsmodellerne for de drevne og empiriske parametre. Disse estimeringsværktøjer bruges i hver iteration af optimeringen såvel som i trin 5 til formulering af alle de krævede simuleringsparametre. Trin 3 bygger beregningsmodellerne for hvert optimeringsmål eller -begrænsning, som afspejler den krævede ydeevne. Disse modeller skal være beregningsmæssigt effektive; Ellers ville optimeringsberegningsomkostningerne være uacceptable. Trin 4 udfører optimeringsberegningen, som normalt er multi-objektiv og tværfaglig. Den omhandler også parameterusikkerhederne i den indledende designfase. Trin 5 konstruerer en overordnet model af den designede EVDP og bruger den til validering af optimeringsresultaterne ved at simulere EVDP under typiske driftscyklusser. Denne model er det ultimative værktøj til evaluering af de foreløbige designresultater. Derfor skal denne model have den højeste troskab og involvere alle de indflydelsesrige egenskaber i en tæt koblingsstil. Endelig opnås de foreløbige resultater af designydelsen og dimensioneringsresultaterne på systemniveau.
Dette papir fokuserer på EVDP's systemmodellerings- og simuleringsmetode, som indebærer at udføre parameteranalysen i trin 1 og gennemføre trin 2 og 5. For det første er designparametrene afledt af EVDP-arkitekturen og designkravene, og de er klassificeret i tre underkategorier. For det andet udvikles estimeringsmodellerne for de ikke-aktive parametre baseret på skaleringslove, komponentkataloger, empiriske funktioner mv. For det tredje er evdp's overordnede model konstrueret ved hjælp af tværfaglige koblingsligninger og yderligere levetids- og pålidelighedsundermodeller, og modellen er delvist verificeret af eksperimenter. Endelig importeres de tidligere størrelsesresultater til den konstruerede model for at udføre simuleringsanalyse under typiske driftscyklusser. Ydeevnen på systemniveau udledes baseret på simuleringsresultaterne. Parameterfølsomheden og designets robusthed evalueres også. Som et resultat udvikler dette papir en specifik modellerings- og simuleringsmetode til EVDP-foreløbigt design. EVDP's ydeevne til anvendelse i EHA er omfattende forudsagt. Den foreslåede metode står som et praktisk redskab til udvikling af EVPP'er og EHA'er med variabel forskydning til applikationer med høj effekt. Metoden kan også henvises til til udvikling af simuleringsværktøjer til andre typer mekatroniske produkter. EVDP i dette papir refererer til den elektromekanisk styrede pumpe med variabel forskydning, men den elektrohydraulisk styrede variabelt fortrængningspumpe er uden for dette papirs anvendelsesområde.

<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

Elektrohydrostatiske aktuatorer (EHA'er) er blevet undersøgt betydeligt i den akademiske verden, og deres anvendelser på forskellige industriområder udvides. EHA med variabel hastighed har nu fået prioritet over EHA med variabel forskydning, men dens drivmotor og tilhørende elektronik støder på problemer, når den anvendes i applikationer med høj effekt: lav dynamik, høj termisk spredning, høj pris osv. Derfor er en EHA med variabel forskydning udstyret med en elektrovariabel fortrængningspumpe (EVDP) blevet overvejet. EVDP selv er et mekatronisk system, der integrerer en stempelpumpe, en kugleskrue, en gearkasse og en permanent magnet synkronmotor (PMSM). EVDP skal derfor undersøges for at sikre dens ydeevne på systemniveau, når den anvendes i en EHA. Ud over den tidligere forskning i EVDP's tekniske parametre er der behov for en særlig designmetode for yderligere at reducere omkostningerne ved at anvende EVDP og udforske dens præstationspotentiale. Her vælges en simuleringsbaseret EVDP foreløbig designmetode til at designe en 37 kW EVDP. For det første udvides en tidligere foreslået tværfaglig model af EVDP ved at forbedre parametergenereringen, herunder EVDP's levetid, pålidelighed, kontrolmodeller osv. For det andet er den foreslåede model delvist verificeret ved hjælp af en downsized prototype. For det tredje simuleres EVDP på systemniveau, understøttet af den foreslåede model. EVDP-ydeevnen evalueres i henhold til de specificerede designkrav. Temperatur, båndbredde og nøjagtighed, pålidelighed og levetid osv. forudsiges alle for EVDP. Simuleringsresultaterne viser EVDP's anvendelighed i EHA med variabel forskydning. Den foreslåede modellerings- og simuleringsmetode kan bruges til at evaluere forskellig EVDP-ydeevne og reagere på generelle designkrav. Metoden kan også understøtte løsningen af de foreløbige designudfordringer med hensyn til begrænset information og robusthed. Derfor er den foreslåede metode egnet til realisering af den simuleringsbaserede EVDP foreløbige designmetode.

Dette afsnit præsenterer resultaterne af at udføre alle de protokoltrin, der udgør en del af trin 1, hele trin 2 og hele trin 5 i EVDP's foreløbige designmetode i figur 2. Inputoplysningerne i protokollen omfatter EVDP-skemaerne i figur 1, de optimerede aktive parametre (præciseret i trin 5.1.1.) i EVDP fra trin 4 i figur 2 og EVDP-præstationssimuleringsopgaverne, der vedrører EVDP-designkravene. Resultaterne af protokollen e...

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

En simuleringsmodel, der specifikt understøtter det foreløbige design af en elektrovariabel fortrængningspumpe (EVDP), udvikles og delvist verificeres ved eksperimenter. Kontrolydelsen, levetiden, pålideligheden osv. kan alle evalueres ved hjælp af den foreslåede model, som dækker de vigtigste præstationskrav under EVDP's foreløbige designopgave.

En modellerings- og simuleringsmetode til foreløbig design af en elektrovariabel forskydningspumpe

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

Elektrohydrostatiske aktivatorer understøtter elektrificering af tunge systemer. For at opnå mindre energiforbrug koncentrerer vores metode sig om optimering, elektrovariabel fortrængningspumpeudnyttelse af systemerne. Vores modellering og simuleringsmetoden understøtter det foreløbige design.Vores elektrovariable fortrængningspumpe, som skal vælge komplet ydelsesforudsigelse, automatisk parametergenerering og designrobusthed. Begynd med at klassificere parametrene for at designe elektrovariabel forskydningspumpen eller EVDP. Tildel de uafhængige parametre, der repræsenterer hver komponent til den aktive kategori, og de parametre, der stammer fra de aktive parametre, til den drevne kategori.Udpeg derefter de beregnede parametre ved hjælp af empiriske funktioner til den empiriske kategori. For at udvikle estimeringsmodellerne skal du estimere de pumpe- og motordrevne parametre ud fra de aktive parametre ved hjælp af skaleringslovene. Brug komponentkatalogerne til at estimere de drevne parametre for gearkassen og kugleskruen ud fra de aktive parametre.Vurder pumpens, gearkassens og kugleskruens effektivitet ved hjælp af empiriske funktioner, og vurder de termiske modstande for den termiske netværksmodel, der er udviklet med de empiriske funktioner fra termodynamikteorien. Byg vægtmodellen af EVDP i MATLAB ved at tilføje vægtene af hver komponent og derefter udføre den dynamiske klumpede parametermodellering af EVDP i systemsimuleringsplatformen. Udfør derefter termisk modellering af EVDP i systemsimuleringsplatformen ved at indstille et termisk netværk til EVDP.For modellering af levetid og pålidelighed skal du bruge boldens udmattelsestid og stempelpumpeenhedens slidlevetid som levetid. Model kugleskruens og stempelpumpeenhedens levetid med ligningerne. Antag, at pålideligheden af kugleskruen og pumpen svarende til dens levetid er 0,90, og definer pålideligheden som beregnet ved den 50.000. arbejdstime.Model derefter kugleskruen og stempelpumpeenhedens pålidelighed med ligningen. Fortsæt med at samle modellen ved at placere alle ligningerne for hver knude sammen for at danne modelblokken for hver node. Afslut derefter input- og outputvariablerne for hver node.Definer input og output fra den samlede EVDP-model, og udfør kausalitetsanalysen af alle noderne. Når det er nødvendigt, tilføj yderligere noder for at sikre, at alle noderne er kausalt forbundet. Tilslut derefter alle noderne for at danne den overordnede model af EVDP.Når EVDP-modellen er dannet, skal du kontrollere modelleringsmetoden ved hjælp af EVDP-prototypen og testriggen. For at gøre dette skal du installere EVDP på en testrig, der består af en lastedel og en kontroldel. Tilslut derefter de tre EVDP-porte til lastedelens hydrauliske kredsløb og EVDP-elkablerne til kontroldelen.Udfør prototypetesten ved at trykke på startknappen på panelet og starte den ekstra hydrauliske effekt. Når du har deaktiveret tilstandsventilen med knappen på panelet, skal du indstille kommandoen til fejning af frekvensforskydning til EVDP i tekstfeltet i brugergrænsefladen. Registrer EVDP-forskydningsresponsen, og udled dens størrelse og faseegenskaber.For at analysere de eksperimentelle resultater indstilles de aktive parametre for EVDP-prototypen til den model, der er bygget tidligere. Modellen genererer automatisk andre nødvendige simuleringsparametre. Indstil miljøtemperaturen og den indledende EVDP-temperatur til 40 grader Celsius, og kør simuleringsmodellen under de samme betingelser som EVDP-prototypetesten for at registrere simuleringsresultaterne.For at kontrollere modelnøjagtigheden skal du plotte de eksperimentelle og simuleringsresultater for hver tilstandsgruppe i en figur. For at udføre simuleringsanalysen af EVDP-designet skal du indstille de dynamiske og termiske modeller ved at klikke på fanen Parametertilstand og vælge TFFD31-indstillingen. Gå derefter til filnavnet for fanen enkle væskekarakteristiske data for at importere olieegenskabsfilen.Under parametertilstanden skal du bruge THGCV01- eller THGCV02-blokkene. For at indstille miljøtemperaturen som beskrevet i manuskriptet skal du indtaste de aktive parametre i parameterestimeringsmodellerne. Klik derefter på knappen Kør under fanen Editor for at køre scriptet til generering af alle simuleringsparametrene.I MATLAB skal du bruge knappen Kør under fanen Editor til at køre scriptet til beregning af vægten og aktivering af de dynamiske og termiske modeller med simuleringsparametrene. Simuleringsresultaterne opnås automatisk af scriptet. Med knappen Kør under fanen Editor skal du køre scriptet til beregning af EVDP's levetid og pålidelighedsydelse ud fra de gemte simuleringsresultater.Gå til simuleringstilstanden i systemsimuleringsplatformen for at kontrollere resultaterne. Udled derefter andre EVDP-præstationsresultater fra disse tidsdomænesimuleringsresultater. For at indstille simuleringsparametrene skal du kontrollere parametertilstanden.Brug derefter knappen Kør under fanen Editor til at køre scriptet til aktivering af de dynamiske og termiske modeller. Senere skal du trykke på fanen simuleringstilstand for at kontrollere følsomheds- og usikkerhedsanalyserne. Temperaturdynamikken for forskellige EDVP-dele er vist her.Den repræsentative analyse illustrerer EVDP-effektiviteten under en fuld driftscyklus. Under fuld belastning opnåede EVDP en samlet effektivitet på omkring 80%Senere faldt EVDP's absolutte tab sammen med effektivitetsfaldet. Det gennemgribende frekvensrespons undersøgte EVDP's dynamiske ydeevne.I EVDP's forventede ydeevne blev der forudsagt en god kontrolnøjagtighed med en 0,09 graders fejl, mens pumpens levetid og pålidelighed viste sig at være den svageste. Efter opbygning af de foreslåede modeller kan den komplette foreløbige designmetode udvikles. Metoden kan forbedre anvendeligheden af elektrovariabel forskydningspumpen og de tilhørende elektrohydrostatiske aktivatorer.Denne metode løste almindelige udfordringer i designfasen, såsom parametersikkerhed og tværfaglige simuleringer. Dette fører til mere pålideligt, foreløbigt design af pumpen til elektrohydrostatiske aktivatorer.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Virtual Work

SCIENTISTS IN ACTION

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

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

Design og brug af en Full Flow Sampling System (FFS) til kvantificering af Metan emissioner

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

Undersøgelse af sifon Breaker eksperiment og Simulation for en forskningsreaktoren

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

Modulært Design og produktion af en Intelligent Robot baseret på et lukket kredsløb kontrolstrategi

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

Design og fabrikation af en optisk Fiber gjorde vand

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

En måling med tilfældig forskydning ved at kombinere en magnetisk skala og to fiber

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

En 100 KW klasse anvendes feltet Magnetoplasmadynamic bovpropel

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

Strukturelle Design og fremstilling af en Cruiser klasse Solar køretøj

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

Design og implementering af en skræddersyet robot Manipulator for ekstra legemlige ultralyd

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

En hurtig metode til modellering af en variabel cyklus motor

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