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

De auteurs erkennen het Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls voor het ondersteunen van dit onderzoek.

OPMERKING: Matlab en Simcenter Amesim (hierna systeemsimulatieplatform genoemd) werden in dit protocol gebruikt en staan vermeld in de Materiaaltabel. Het voorgestelde protocol is echter niet beperkt tot implementatie in deze twee softwaretoepassingen.
1. Selecteren en classificeren van de EVDP-ontwerpparameters (stap 1 in figuur 2).
<ol><li>Ontmantel de architectuur van de EVDP in figuur 1<...

<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>

Het concept en andere technische componenten van het EVDP zijn gepresenteerd in eerdere publicaties 6,31, waaruit de toepasbaarheid en voordelen van het EVDP blijken. In plaats van het EVDP zelf te bestuderen, bleef dit artikel de ontwerpmethode bestuderen in relatie tot toekomstige echte toepassingsbehoeften. Een specifieke ontwerpmethode is noodzakelijk voor dit type sterk geïntegreerd en multidisciplinair koppelingsproduct, wat delicate prestatieafwegingen en...

Elektrohydrostatische actuatoren (ETA's) krijgen steeds meer belangstelling voor toepassingen zoals industriële persen, grote mobiele machines, kraanmanipulatoren en primaire vliegtuigbesturing vanwege hun combinatie van de voordelen van zowel elektrische actuatoren als hydraulische actuatoren1. Er kunnen twee basistypen ETA's worden geïdentificeerd: ETA's met variabele snelheid en ETA's met variabele verplaatsing2. Momenteel is de EHA met variabele snelheid populairder dan de EHA met variabele verplaatsing vanwege de hogere efficiëntie en eenvoud. Samen met het hogere vermogensniveau van de EHA, dat nodig is in zware voertuigen, zoals zware lanceervoertuigen3 en onderzeeërs4, hebben de aandrijfmotor en bijbehorende elektronica van de EHA met variabele snelheid problemen met betrekking tot lage dynamiek, hoge thermische dissipatie, hoge prijs, enz. Daarom wordt de EHA met variabele verplaatsing heroverwogen voor deze toepassingen met een hoog vermogen (>30 kW), omdat de regeling ervan wordt gerealiseerd via een apparaat met een laag vermogen dat de pompverplaatsing regelt.
Een belangrijke zorg die voorkomt dat EHA met variabele verplaatsing als prioriteit wordt genomen, is de omslachtige pompverplaatsingsregelingseenheid, die zelf een compleet klepgestuurd hydraulisch systeem is. De elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) is voorgesteld om dit probleem aan te pakken door gebruik te maken van een compacte elektrische verplaatsingsregeling. Dit ontwerp verbetert de compactheid, efficiëntie, enz., van de EHA met variabele verplaatsing, die de vorige zwakte tot op zekere hoogte oplost. Daarom kan het gebruik van ETA's met variabele verplaatsing voor toepassingen met een hoog vermogen worden vergemakkelijkt door gebruik te maken van het nieuw voorgestelde EVDP. De complexiteit van de EVDP is echter aanzienlijk groter in vergelijking met de conventionele hydraulisch gestuurde pomp met variabele verplaatsing, omdat deze componenten uit verschillende nieuwe disciplines integreert. Bijgevolg zijn er specifieke op EVDP gebaseerde onderzoeksactiviteiten ontstaan. Onze onderzoeksgroep startte het EVDP-onderzoek5 en is het verder ontwikkeld6. Liu ontwikkelde de EVDP voor EHA-toepassingen en voerde experimentele tests uit7. Sommige hydraulische bedrijven leveren ook EVDP-producten. Naast het onderzoek naar de technische componenten van het EVDB is de ontwerpmethode voor het reageren op echte toepassingsvereisten ook belangrijk voor het vergroten van de competentie van het EVDP door de kosten van het gebruik van EVDP's verder te verlagen en hun prestatiepotentieel te verkennen. Daarom is een specifieke EVDP voorlopige ontwerpmethode nodig voor het optimaliseren van afwegingen in de prestaties op systeemniveau door de gekoppelde disciplines te analyseren. Het op simulatie gebaseerde voorontwerp is van belang voor dit type multidisciplinaire koppeling van mechatronische producten8.
Hoewel er geen specifieke simulatiemodellen voor evdp-voorontwerp zijn voorgesteld omdat het een nieuw voorgesteld concept is, is er veel onderzoek gedaan naar gerelateerde mechatronische producten. Een dynamisch EHA-model is gebouwd om het gewicht, de efficiëntie en de controleprestaties in voorlopig ontwerp9 te optimaliseren, maar de levensduur, betrouwbaarheid, thermische kenmerken, enz., Waren niet betrokken, wat essentiële prestatie-indexen zijn waarmee rekening moet worden gehouden in het voorlopige ontwerp. Een ander dynamisch EHA-model is ook gebruikt om de kosten, efficiëntie en controleprestaties10 te optimaliseren, en een thermisch model werd vervolgens ontwikkeld om de thermische kenmerken van de geoptimaliseerde EHA11 te evalueren, maar de betrouwbaarheid en levensduur werden niet overwogen. Een uitgebreide elektromechanische actuator (EMA) voorlopige ontwerpmethode is gepresenteerd12. Specifieke modellen met verschillende functies die in staat zijn om verschillende kenmerken te analyseren, zijn voorgesteld voor deze methode, en betrouwbaarheid en levensduur modellen zijn ook ontwikkeld13. De mechanische sterkte, het vermogen, de thermische prestaties, enz., Konden hierbij worden geëvalueerd, maar de controleprestaties waren niet betrokken. Een andere voorlopige ontwerpmethode van ema maakte gebruik van een dynamisch EMA-model en bijbehorende componentgroottemodellen14. De kosten, het gewicht, de levensduur van de vermoeiing, de vermogenscapaciteit, fysieke beperkingen, enz., waren betrokken bij de simulatieanalyse, maar betrouwbaarheid en controleprestaties werden niet meegenomen. Een dynamisch model werd voorgesteld voor het optimalisatieontwerp van een hydraulische hybride aandrijflijn15. De vermogenscapaciteit, efficiëntie, controle, enz., Konden worden gesimuleerd, maar de betrouwbaarheid en levensduur werden niet overwogen. Modellen voor het analyseren van een op EHA gebaseerd vluchtbesturingsbedieningssysteem zijn voorgesteld, waarbinnen eenvoudige krachtoverbrengingsvergelijkingen en gewichtsfuncties werden gebruikt16. Aangezien de modellen werden gebruikt voor analyses op voertuigniveau en missieniveau, was de beperkte attribuutdekking van de modellen passend. Als een belangrijk onderdeel van de EHA hebben servomotoren afzonderlijke aandacht getrokken met betrekking tot modellering en ontwerp, en de resultaten zijn ook leerzaam voor de ontwikkeling van EHA-modellen. Thermische netwerken, gewichtsmodellen, enz., Kunnen ook worden overwogen voor EHA-modellering 17,18,19. De beoordeelde literatuur geeft aan dat, zelfs gezien de resultaten van producten met betrekking tot de EVDP, de ontwikkelde modellen niet alle invloedrijke prestatiekenmerken van de producten voor het voorlopige ontwerp analyseren. De controleprestaties, thermische prestaties, betrouwbaarheid en levensduur zijn de kenmerken die het meest zijn verwaarloosd bij de constructie van de modellen. Daarom stelt dit artikel een modelpakket voor dat in staat is om alle meest invloedrijke prestatiekenmerken voor het voorlopige ontwerp van evdp te analyseren. De simulatieanalyse wordt ook gepresenteerd om de modelfuncties beter te illustreren. Dit artikel is een uitbreiding van een eerdere publicatie20, omdat het de parametergeneratie verbetert, het levensduurmodel, het betrouwbaarheidsmodel en het besturingsmodel omvat, de berekeningskosten optimaliseert, het model valideert en diepgaande simulatieanalyses uitvoert, enz.
De conventionele hydraulische regeleenheid van een zuigerpomp met variabele verplaatsing wordt vervangen door een elektrische actuator om de compactheid te verbeteren en de warmteafvoer te verminderen, zoals weergegeven in figuur 1. De elektrische actuator bestaat uit een kogelomloopspindel, een versnellingsbak en een permanente magneetsynchronisatiemotor (PMSM). De elektrische actuator verbindt de spoelplaat via een staaf om de pompverplaatsing te regelen. Bij toepassing in ETA's wordt de rotatiepositie van de EVDP-swashplate closed-loop geregeld door de PMSM te moduleren. De elektrische actuator is in een onderling geval geïntegreerd met de zuigerpomp om een integraal onderdeel te vormen. Dit ontwerp dompelt de elektrische actuator onder in de werkvloeistof en versterkt hiermee de multi-domein koppelingseffecten.
Aangezien de EVDP een typisch multi-domein mechatronisch product is, speelt het voorlopige ontwerp een essentiële rol bij het optimaliseren van afwegingen in de prestaties op systeemniveau en het schetsen van de vereisten voor het ontwerpen van componenten. Het proces wordt geïllustreerd in figuur 2 op basis van het op simulatie gebaseerde ontwerpschema10,12. Stap 1 analyseert eerst de geselecteerde EVDP-architectuur, zoals in figuur 1, en concludeert de ontwerpparameters op basis van de gespecificeerde prestatie-eisen. Vervolgens wordt de ontwerptaak meestal omgezet in een optimalisatieprobleem om de prestatieoptimalisatie van de EVDP te verkennen. Dit wordt uitgevoerd door de ontwerpparameters om te zetten in optimalisatievariabelen en de prestatie-eisen om te zetten in doelstellingen en beperkingen. Het is vermeldenswaard dat de ontwerpparameters moeten worden ingedeeld in actieve, gedreven en empirische categorieën. Alleen de actieve parameters worden gebruikt als optimalisatievariabelen vanwege hun onafhankelijkheidskenmerken. De andere twee categorieën worden automatisch gegenereerd door schatting van de actieve parameters. Daarom ontwikkelt Stap 2 de schattingsmodellen van de gedreven en empirische parameters. Deze schattingstools worden gebruikt in elke iteratie van de optimalisatie, evenals in stap 5 voor het formuleren van alle vereiste simulatieparameters. Stap 3 bouwt de rekenmodellen voor elke optimalisatiedoelstelling of -beperking, die de vereiste prestaties weerspiegelt. Deze modellen moeten rekenkundig efficiënt zijn; anders zouden de berekeningskosten van de optimalisatie onaanvaardbaar zijn. Stap 4 voert de optimalisatieberekening uit, die meestal multi-objectief en multidisciplinair is. Ook wordt ingegaan op de parameteronzekerheden in de voorontwerpfase. Stap 5 construeert een algemeen model van de ontworpen EVDP en gebruikt deze voor het valideren van de optimalisatieresultaten door de EVDP te simuleren onder typische duty cycles. Dit model is het ultieme hulpmiddel voor het evalueren van de voorlopige ontwerpresultaten. Daarom moet dit model de hoogste getrouwheid hebben en alle invloedrijke kenmerken in een strakke koppelingsstijl betrekken. Ten slotte worden de voorlopige ontwerpprestatieresultaten en de dimensioneringsresultaten op systeemniveau verkregen.
Dit artikel richt zich op de systeemmodellerings- en simulatiemethode van de EVDP, waarbij de parameteranalyse in stap 1 wordt uitgevoerd en stap 2 en 5 worden voltooid. Ten eerste worden de ontwerpparameters afgeleid op basis van de EVDP-architectuur en de ontwerpvereisten en worden ze ingedeeld in drie subcategorieën. Ten tweede worden de schattingsmodellen voor de niet-actieve parameters ontwikkeld op basis van schaalwetten, componentencatalogi, empirische functies, enz. Ten derde wordt het algemene model van de EVDP geconstrueerd met behulp van multidisciplinaire koppelingsvergelijkingen en aanvullende submodellen voor levensduur en betrouwbaarheid, en het model wordt gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. Ten slotte worden de vorige maatresultaten geïmporteerd in het geconstrueerde model om simulatieanalyses uit te voeren onder typische taakcycli. De prestaties op systeemniveau worden afgeleid op basis van de simulatieresultaten. De parametergevoeligheid en de robuustheid van het ontwerp worden ook geëvalueerd. Als gevolg hiervan ontwikkelt dit artikel een specifieke modellerings- en simulatiemethode voor evdp-voorontwerp. De prestaties van de EVDP voor toepassing in de EHA worden uitgebreid voorspeld. De voorgestelde methode is een praktisch hulpmiddel voor de ontwikkeling van EVDP's en ETA's met variabele verplaatsing voor toepassingen met een hoog vermogen. De methode kan ook worden gebruikt voor het ontwikkelen van simulatietools voor andere soorten mechatronische producten. De EVDP in dit artikel verwijst naar de elektromechanisch geregelde pomp met variabele verplaatsing, maar de elektrohydraulisch geregelde pomp met variabele verplaatsing valt buiten het bestek van dit artikel.

<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

Elektrohydrostatische actuatoren (ETA's) zijn aanzienlijk onderzocht in de academische wereld en hun toepassingen op verschillende industriële gebieden breiden zich uit. De EHA met variabele snelheid heeft nu voorrang gekregen op de EHA met variabele verplaatsing, maar de aandrijfmotor en bijbehorende elektronica ondervinden problemen bij toepassing in toepassingen met een hoog vermogen: lage dynamiek, hoge thermische dissipatie, hoge prijs, enz. Daarom is een EHA met variabele verplaatsing uitgerust met een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) overwogen. De EVDP zelf is een mechatronisch systeem dat een zuigerpomp, een kogelomloopspindel, een versnellingsbak en een permanente magneetsynchronisatiemotor (PMSM) integreert. Bijgevolg moet de EVDP worden onderzocht om de prestaties op systeemniveau te waarborgen wanneer deze in een EHA wordt toegepast. Naast het eerdere onderzoek naar de technische parameters van het EVDP is een specifieke ontwerpmethode nodig om de kosten van het gebruik van het EVDP verder te verlagen en het prestatiepotentieel ervan te verkennen. Hier wordt een op simulatie gebaseerde EVDP voorlopige ontwerpmethode geselecteerd voor het ontwerpen van een EVDP van 37 kW. Ten eerste wordt een eerder voorgesteld multidisciplinair model van het EVDP uitgebreid door de parametergeneratie te verbeteren, inclusief de levensduur van het EVDP, de betrouwbaarheid, de besturingsmodellen, enz. Ten tweede wordt het voorgestelde model gedeeltelijk geverifieerd met behulp van een verkleind prototype. Ten derde wordt het EVDP gesimuleerd op systeemniveau, ondersteund door het voorgestelde model. De EVDP-prestaties worden geëvalueerd volgens de gespecificeerde ontwerpvereisten. De temperatuur, bandbreedte en nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en levensduur, enz., Worden allemaal voorspeld voor de EVDP. De simulatieresultaten tonen de toepasbaarheid van de EVDP in EHA met variabele verplaatsing. De voorgestelde modellerings- en simulatiemethode kan worden gebruikt om diverse EVDP-prestaties te evalueren en te reageren op algemene ontwerpvereisten. De methode kan ook de oplossing van de voorlopige ontwerpuitdagingen ondersteunen in termen van beperkte informatie en robuustheid. Daarom is de voorgestelde methode geschikt voor de realisatie van de op simulatie gebaseerde EVDP-voorlopige ontwerpmethode.

Deze sectie presenteert de resultaten die zijn verkregen van het uitvoeren van alle protocolstappen, die deel uitmaken van stap 1, stap 2 en stap 5 van de voorlopige EVDP-ontwerpmethode in figuur 2. De invoerinformatie in het protocol omvat de EVDP-schema's in figuur 1, de geoptimaliseerde actieve parameters (verduidelijkt in stap 5.1.1.) van de EVDP uit stap 4 van figuur 2 en de EVDP-prestatiesimulatietaken, die betrekking hebben o...

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

Een simulatiemodel dat specifiek het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) ondersteunt, wordt ontwikkeld en gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. De controleprestaties, levensduur, betrouwbaarheid, enz., Kunnen allemaal worden geëvalueerd met behulp van het voorgestelde model, dat de belangrijkste prestatie-eisen in het kader van de evdp-voorlopige ontwerptaak omvat.

Een modellerings- en simulatiemethode voor het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verplaatsingspomp

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

Elektrohydrostatische activatoren ondersteunen de elektrificatie van zware systemen. Om minder energieverbruik te bereiken, concentreert onze methode zich op optimalisatie, elektrovariabele verplaatsingspompgebruik van de systemen. Onze modellering en de simulatiemethode ondersteunen het voorontwerp.Onze elektrovariabele verdringingspomp, die moet kiezen voor volledige prestatievoorspelling, automatische parametergeneratie en ontwerprobuustheid. Begin met het classificeren van de parameters om de elektrovariabele verplaatsingspomp of EVDP te ontwerpen. Wijs de onafhankelijke parameters, die elk onderdeel vertegenwoordigen, toe aan de actieve categorie en de parameters die zijn afgeleid van de actieve parameters aan de aangestuurde categorie.Wijs vervolgens de berekende parameters aan, met behulp van empirische functies voor de empirische categorie. Om de schattingsmodellen te ontwikkelen, schat u de pomp- en motoraangedreven parameters van de actieve parameters, met behulp van de schaalwetten. Gebruik de componentencatalogi om de aangedreven parameters voor de versnellingsbak en de kogelomloopspindel te schatten op basis van de actieve parameters.Beoordeel de efficiëntie van de pomp, de versnellingsbak en de kogelomloopspindel door empirische functies en schat de thermische weerstanden voor het thermische netwerkmodel dat is ontwikkeld met de empirische functies uit de thermodynamicatheorie. Bouw het gewichtsmodel van de EVDP in MATLAB door de gewichten van elk onderdeel op te tellen en vervolgens de dynamische ge lumped parametermodellering van de EVDP in het systeemsimulatieplatform uit te voeren. Voer vervolgens thermische modellering van de EVDP uit in het systeemsimulatieplatform door een thermisch netwerk voor de EVDP in te stellen.Gebruik voor levensduur- en betrouwbaarheidsmodellering de levensduur van de kogel en de levensduur van de zuigerpompeenheid als levensduur. Modelleer de levensduur van de kogelomloopspindel en zuigerpompeenheid met de vergelijkingen. Stel dat de betrouwbaarheid van de kogelomloopspindel en de pomp die overeenkomt met de levensduur 0,90 is en definieer de betrouwbaarheid zoals berekend op het 50.000e werkuur.Modelleer vervolgens de betrouwbaarheid van de kogelomloopspindel en zuigerpompeenheid met de vergelijking. Ga verder met het samenstellen van het model door alle vergelijkingen van elk knooppunt samen te voegen om het modelblok voor elk knooppunt te vormen. Sluit vervolgens de invoer- en uitvoervariabelen van elk knooppunt af.Definieer de in- en uitgangen van het algemene EVDP-model en voer de causaliteitsanalyse van alle knooppunten uit. Voeg indien nodig extra knooppunten toe om ervoor te zorgen dat alle knooppunten causaal zijn gekoppeld. Verbind vervolgens alle knooppunten om het algemene model van de EVDP te vormen.Zodra het EVDP-model is gevormd, controleert u de modelleringsmethode met behulp van het EVDP-prototype en de testopstelling. Installeer hiervoor de EVDP op een testopstelling, bestaande uit een laadgedeelte en een besturingsonderdeel. Sluit vervolgens de drie EVDP-poorten aan op het hydraulische circuit van het laadgedeelte en de EVDP-elektrische kabels op het besturingsgedeelte.Voer de prototypetests uit door op de startknop op het paneel te drukken en het extra hydraulische vermogen te starten. Nadat u de modusklep met de knop op het paneel hebt gedeactiveerd, stelt u de veegfrequentieverplaatsingsopdracht in op de EVDP in het tekstvak van de gebruikersinterface. Registreer de EVDP-verplaatsingsrespons en leid de grootte en fasekenmerken ervan af.Om de experimentele resultaten te analyseren, stelt u de actieve parameters van het EVDP-prototype in op het eerder gebouwde model. Het model genereert automatisch andere vereiste simulatieparameters. Stel de omgevingstemperatuur en de initiële EVDP-temperatuur in op 40 graden Celsius en voer het simulatiemodel uit onder dezelfde omstandigheden als de EVDP-prototypetest om de simulatieresultaten vast te leggen.Om de nauwkeurigheid van het model te controleren, plot u de experimentele en simulatieresultaten van elke conditiegroep in één figuur. Om de simulatieanalyse van het EVDP-ontwerp uit te voeren, stelt u de dynamische en thermische modellen in door op het tabblad parametermodus te klikken en de optie TFFD31 te selecteren. Ga vervolgens naar de bestandsnaam voor het tabblad eenvoudige vloeistofkarakteristiekgegevens om het olie-eigenschappenbestand te importeren.Gebruik onder de parametermodus de blokken THGCV01 of THGCV02. Om de omgevingstemperatuur in te stellen zoals beschreven in het manuscript, voert u de actieve parameters in de parameterschattingsmodellen in. Klik vervolgens op de knop Uitvoeren onder het tabblad Editor om het script voor het genereren van alle simulatieparameters uit te voeren.Gebruik in MATLAB de knop Uitvoeren onder het tabblad Editor om het script uit te voeren voor het berekenen van het gewicht en het activeren van de dynamische en thermische modellen met de simulatieparameters. De simulatieresultaten worden automatisch door het script verkregen. Voer met de knop Uitvoeren onder het tabblad Editor het script uit voor het berekenen van de levensduur van de EVDP en de betrouwbaarheidsprestaties van de opgeslagen simulatieresultaten.Ga naar de simulatiemodus in het systeemsimulatieplatform om de resultaten te controleren. Leid vervolgens andere EVDP-prestatieresultaten af uit deze tijddomeinsimulatieresultaten. Als u de simulatieparameters wilt instellen, controleert u de parametermodus.Gebruik vervolgens de knop Uitvoeren onder het tabblad Editor om het script uit te voeren voor het activeren van de dynamische en thermische modellen. Druk later op het tabblad simulatiemodus om de gevoeligheids- en onzekerheidsanalyses te controleren. De temperatuurdynamiek van verschillende EDVP-onderdelen wordt hier weergegeven.De representatieve analyse illustreert de EVDP-efficiëntie onder een volledige duty cycle. Onder de volledige belastingsconditie behaalde de EVDP een totale efficiëntie van ongeveer 80% Later daalden de absolute verliezen van de EVDP, samen met de efficiëntiedaling. De sweeping frequency response onderzocht de evdp-dynamische prestaties.In de geprojecteerde prestaties van de EVDP werd een goede regelnauwkeurigheid met een fout van 0,09 graden voorspeld, terwijl de levensduur en betrouwbaarheid van de pomp het zwakst bleken te zijn. Na het bouwen van de voorgestelde modellen kan de volledige voorlopige ontwerpmethode worden ontwikkeld. De methode kan de toepasbaarheid van de elektrovariabele verplaatsingspomp en de bijbehorende elektrohydrostatische activatoren verbeteren.Deze methode loste veelvoorkomende uitdagingen van de ontwerpfase op, zoals parameterszekerheid en multidisciplinaire simulaties. Dit leidt tot een betrouwbaarder, voorlopig ontwerp van de pomp voor elektrohydrostatische activatoren.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Virtual Work

SCIENTISTS IN ACTION

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Simulatie, fabricage en karakterisering van THz Metamateriaal 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

Ontwerp en gebruik van een Full Flow Sampling System (FFS) voor de kwantificering van methaan emissies

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

Studie van Siphon Breaker Experiment en simulatie voor een onderzoeksreactor

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

Het modulaire ontwerp en de productie van een intelligente Robot gebaseerd op een controlestrategie van Closed-Loop

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

Ontwerp en fabricage van een optische vezel gemaakt van Water

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

Een meting van willekeurige verplaatsing door het combineren van een magnetische schaal en twee Gratingen van vezel Bragg

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

Een 100 KW klasse toegepast-veld Magnetoplasmadynamic boegschroef

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

Structurele ontwerp en de productie van een Cruiser klasse zonne-voertuig

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

Ontwerp en implementatie van een op maat gemaakte Robot Manipulator voor extra lichamelijke echografie

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

Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus motor

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