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

Författarna erkänner Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls för att stödja denna forskning.

OBS: Matlab och Simcenter Amesim (nedan kallad systemsimuleringsplattform) användes i detta protokoll och listas i materialförteckningen. Det föreslagna protokollet är dock inte begränsat till implementering i dessa två program.
1. Välja och klassificera EVDP-designparametrarna (steg 1 i figur 2).
<ol><li>Demontera EVDP: s arkitektur i figur 1 i en kolvpumpenhet, en kulskruv,...

<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 och andra tekniska komponenter i EVDP har presenterats i tidigare publikationer 6,31, vilket visar tillämpligheten och fördelarna med EVDP. Istället för att studera själva EVDP fortsatte detta dokument att studera designmetoden i förhållande till framtida verkliga applikationsbehov. En specifik designmetod är nödvändig för denna typ av högintegrerad och tvärvetenskaplig kopplingsprodukt, vilket kräver känsliga prestandaavvägningar och op...

Elektrohydrostatiska ställdon (EHA) får ett ökande intresse för applikationer som industripressar, stora mobila maskiner, kranmanipulatorer och primär flygplanskontroll på grund av deras kombination av fördelarna med både elektriska ställdon och hydrauliska ställdon1. Två grundläggande typer av EPA kan identifieras: EHA med variabel hastighet och EHAs med variabel förskjutning2. För närvarande är EHA med variabel hastighet mer populär än EHA med variabel förskjutning på grund av dess högre effektivitet och enkelhet. Men tillsammans med den högre effektnivån för EHA, som behövs i tunga fordon, såsom tunga lanseringsfordon3 och ubåtar4, har drivmotorn och tillhörande elektronik i EHA med variabel hastighet problem relaterade till låg dynamik, hög termisk avledning, högt pris etc. Därför omprövas EHA med variabel förskjutning för dessa applikationer med hög effekt (>30 kW), eftersom dess kontroll realiseras via en enhet med låg effekt som reglerar pumpförskjutningen.
Ett stort problem som förhindrar att EHA med variabel förskjutning prioriteras är dess besvärliga pumpförskjutningsstyrenhet, som i sig är ett komplett ventilstyrt hydraulsystem. Den elektrovariabla förskjutningspumpen (EVDP) har föreslagits för att lösa detta problem genom att använda en kompakt elektrisk förskjutningsstyrenhet. Denna design förbättrar kompaktiteten, effektiviteten etc. hos EHA med variabel förskjutning, vilket löser den tidigare svagheten till en viss grad. Därför kan användningen av EPA med variabel förskjutning för högeffektstillämpningar underlättas genom användning av den nyligen föreslagna EVDP. Komplexiteten hos EVDP är dock betydligt större jämfört med den konventionella hydrauliskt styrda pumpen med variabel förskjutning eftersom den integrerar komponenter från flera nya discipliner. Följaktligen har specifik EVDP-baserad forskningsverksamhet uppstått. Vår forskargrupp startade EVDP-forskningen5 och har fortsatt att utveckla den6. Liu utvecklade EVDP för EHA-applikationer och utförde experimentella tester7. Vissa hydrauliska företag tillhandahåller också EVDP-produkter. Förutom forskningen om de tekniska komponenterna i EVDP är designmetoden för att svara på verkliga applikationskrav också viktig för att förbättra EVDP: s kompetens genom att ytterligare minska kostnaden för att använda EVDP och utforska deras prestandapotential. Därför är en specifik evdp-preliminär designmetod nödvändig för att optimera avvägningar i dess prestanda på systemnivå genom att analysera dess kopplade discipliner. Den simuleringsbaserade preliminära designen är av intresse för denna typ av tvärvetenskaplig koppling av mekatroniska produkter8.
Även om inga specifika simuleringsmodeller för EVDP preliminär design har föreslagits på grund av att det är ett nyligen föreslaget koncept, har mycket forskning investerats i relaterade mekatroniska produkter. En dynamisk EHA-modell har byggts för att optimera vikt, effektivitet och kontrollprestanda i preliminär design9, men livslängden, tillförlitligheten, termiska egenskaper etc. var inte inblandade, vilket är viktiga prestandaindex som bör beaktas i preliminär design. En annan dynamisk EHA-modell har också använts för att optimera kostnad, effektivitet och kontrollprestanda10, och en termisk modell utvecklades därefter för att utvärdera de termiska egenskaperna hos den optimerade EHA11, men tillförlitligheten och livslängden beaktades inte. En omfattande elektromekanisk ställdonsmetod (EMA) har presenterats12. Specifika modeller med olika funktioner som kan analysera olika egenskaper har föreslagits för denna metod, och tillförlitlighets- och livslängdsmodeller har också utvecklats13. Den mekaniska hållfastheten, effektförmågan, termiska prestandan etc. kunde härmed utvärderas, men kontrollprestandan var inte inblandad. En annan preliminär designmetod från EMA använde en dynamisk EMA-modell och tillhörande komponentstorleksmodeller14. Kostnad, vikt, utmattningslivslängd, effektkapacitet, fysiska begränsningar etc. var inblandade i simuleringsanalysen, men tillförlitlighet och kontrollprestanda inkluderades inte. En dynamisk modell föreslogs för optimeringsdesign av en hydraulisk hybriddrivlina15. Effektkapaciteten, effektiviteten, kontrollen etc. kunde simuleras, men tillförlitligheten och livslängden beaktades inte. Modeller för analys av ett EHA-baserat flygkontrollmanövreringssystem har föreslagits, inom vilka enkla kraftöverföringsekvationer och viktfunktioner användes16. Med tanke på att modellerna användes för analyser på fordonsnivå och uppdragsnivå var modellernas begränsade attributtäckning lämplig. Som en viktig komponent i EHA har servomotorer väckt separat uppmärksamhet när det gäller modellering och design, och resultaten är också lärorika för EHA-modellutveckling. Termiska nätverk, viktmodeller etc. kan också övervägas för EHA-modellering 17,18,19. Den granskade litteraturen indikerar att även med tanke på resultaten från produkter relaterade till EVDP analyserar de utvecklade modellerna inte alla inflytelserika prestandaattribut för produkterna för den preliminära designen. Kontrollprestanda, termisk prestanda, tillförlitlighet och livslängd är de attribut som har försummats mest vid konstruktionen av modellerna. Därför föreslår detta dokument ett modellpaket som kan analysera alla de mest inflytelserika prestandaattributen för EVDP:s preliminära design. Simuleringsanalysen presenteras också för att bättre illustrera modellfunktionerna. Detta dokument är en förlängning av en tidigare publikation20, eftersom det förbättrar parametergenereringen, involverar livstidsmodellen, tillförlitlighetsmodellen och kontrollmodellen, optimerar beräkningskostnaden, validerar modellen och genomför djupgående simuleringsanalys etc.
Den konventionella hydrauliska styrenheten för en kolvpump med variabel förskjutning ersätts med ett elektriskt ställdon för att förbättra kompaktiteten och minska värmeavledningen, som visas i figur 1. Det elektriska ställdonet består av en kulskruv, en växellåda och en permanentmagnetsynkronmotor (PMSM). Det elektriska ställdonet ansluter swashplattan via en stång för att reglera pumpens förskjutning. När evdp-swashplate-rotationspositionen appliceras i EPA:er styrs den med sluten slinga genom att PMSM moduleras. Det elektriska ställdonet är integrerat med kolvpumpen i ett ömsesidigt fodral för att bilda en integrerad komponent. Denna konstruktion sänker ner det elektriska ställdonet i arbetsvätskan och stärker därmed flerdomänkopplingseffekterna.
Eftersom EVDP är en typisk mekatronisk produkt med flera domäner spelar dess preliminära design en viktig roll för att optimera avvägningar i dess prestanda på systemnivå och beskriva komponentdesignkraven. Processen illustreras i figur 2 baserat på det simuleringsbaserade designschemat10,12. Steg 1 analyserar först den valda EVDP-arkitekturen, som i figur 1, och avslutar designparametrarna baserat på de angivna prestandakraven. Sedan omvandlas designuppgiften vanligtvis till ett optimeringsproblem för att utforska prestandaoptimeringen av EVDP. Detta utförs genom att konvertera designparametrarna till optimeringsvariabler och konvertera prestandakraven till mål och begränsningar. Det är värt att notera att designparametrarna måste klassificeras i aktiva, drivna och empiriska kategorier. Endast de aktiva parametrarna används som optimeringsvariabler på grund av deras oberoendefunktioner. De andra två kategorierna genereras automatiskt genom uppskattning från de aktiva parametrarna. Därför utvecklar steg 2 estimeringsmodellerna för de drivna och empiriska parametrarna. Dessa uppskattningsverktyg används i varje iteration av optimeringen, liksom i steg 5 för att formulera alla nödvändiga simuleringsparametrar. Steg 3 skapar beräkningsmodellerna för varje optimeringsmål eller begränsning, vilket återspeglar den prestanda som krävs. Dessa modeller bör vara beräkningsmässigt effektiva; annars skulle optimeringsberäkningskostnaden vara oacceptabel. Steg 4 utför optimeringsberäkningen, som vanligtvis är multimål och tvärvetenskaplig. Det handlar också om parameterosäkerheterna i den preliminära designfasen. Steg 5 konstruerar en övergripande modell av den designade EVDP och använder den för att validera optimeringsresultaten genom att simulera EVDP under typiska arbetscykler. Denna modell är det ultimata verktyget för att utvärdera de preliminära designresultaten. Därför bör denna modell ha högsta trohet och involvera alla inflytelserika egenskaper i en tät kopplingsstil. Slutligen erhålls de preliminära designprestandaresultaten och dimensioneringsresultaten på systemnivå.
Detta dokument fokuserar på systemmodellerings- och simuleringsmetoden för EVDP, vilket innebär att man utför parameteranalysen i steg 1 och slutför steg 2 och 5. För det första härleds designparametrarna baserat på EVDP-arkitekturen och designkraven, och de klassificeras i tre underkategorier. För det andra utvecklas estimeringsmodellerna för de icke-aktiva parametrarna baserat på skalningslagar, komponentkataloger, empiriska funktioner etc. För det tredje konstrueras den övergripande modellen för EVDP med hjälp av tvärvetenskapliga kopplingsekvationer och ytterligare undermodeller för livslängd och tillförlitlighet, och modellen verifieras delvis genom experiment. Slutligen importeras de tidigare storleksresultaten till den konstruerade modellen för att utföra simuleringsanalys under typiska arbetscykler. Prestanda på systemnivå härleds baserat på simuleringsresultaten. Parameterkänsligheten och designens robusthet utvärderas också. Som ett resultat utvecklar detta dokument en specifik modellerings- och simuleringsmetod för EVDP preliminär design. EVDP: s prestanda för tillämpning i EHA förutspås omfattande. Den föreslagna metoden står som ett praktiskt verktyg för att utveckla EVDP och EPA med variabel förskjutning för applikationer med hög effekt. Metoden kan också användas för att utveckla simuleringsverktyg för andra typer av mekatroniska produkter. EVDP i detta dokument hänvisar till den elektromekaniskt styrda pumpen med variabel förskjutning, men den elektrohydrauliskt styrda pumpen med variabel förskjutning omfattas inte av detta papper.

<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

Elektrohydrostatiska ställdon (EPA) har forskats avsevärt inom akademin, och deras tillämpningar inom olika industriområden expanderar. EHA med variabel hastighet har nu prioriterats framför EHA med variabel förskjutning, men dess drivmotor och tillhörande elektronik stöter på problem när den appliceras i applikationer med hög effekt: lågdynamik, hög termisk avledning, högt pris etc. Därför har en EHA med variabel förskjutning utrustad med en elektrovariabel förskjutningspump (EVDP) övervägts. EVDP i sig är ett mekatroniskt system som integrerar en kolvpump, en kulskruv, en växellåda och en permanentmagnet synkronmotor (PMSM). Följaktligen måste EVDP undersökas för att säkerställa dess prestanda på systemnivå när den tillämpas i en EHA. Förutom den tidigare forskningen om de tekniska parametrarna för EVDP är en dedikerad designmetod nödvändig för att ytterligare minska kostnaden för att använda EVDP och utforska dess prestandapotential. Här väljs en simuleringsbaserad EVDP preliminär designmetod för att designa en 37 kW EVDP. För det första utökas en tidigare föreslagen tvärvetenskaplig modell av EVDP genom att förbättra parametergenereringen, inklusive EVDP-livslängd, tillförlitlighet, kontrollmodeller etc. För det andra verifieras den föreslagna modellen delvis med hjälp av en förminskad prototyp. För det tredje simuleras EVDP på systemnivå, med stöd av den föreslagna modellen. EVDP-prestandan utvärderas enligt de angivna designkraven. Temperaturen, bandbredden och noggrannheten, tillförlitligheten och livslängden etc. förutspås alla för EVDP. Simuleringsresultaten visar EVDP: s tillämplighet i EHA med variabel förskjutning. Den föreslagna modellerings- och simuleringsmetoden kan användas för att utvärdera olika EVDP-prestanda och svara på allmänna designkrav. Metoden kan också stödja lösningen av de preliminära designutmaningarna i form av begränsad information och robusthet. Därför är den föreslagna metoden lämplig för förverkligandet av den simuleringsbaserade EVDP-preliminära designmetoden.

I det här avsnittet presenteras resultaten från utförandet av alla protokollsteg, som utgör en del av steg 1, hela steg 2 och hela steg 5 i den preliminära EVDP-designmetoden i figur 2. Indatainformationen i protokollet inkluderar EVDP-scheman i figur 1, de optimerade aktiva parametrarna (förtydligade i steg 5.1.1.) i EVDP från steg 4 i figur 2 och EVDP-prestandasimuleringsuppgifterna, som relaterar till EVDP-designkraven. Re...

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 simuleringsmodell som specifikt stöder den preliminära utformningen av en elektrovariabel förskjutningspump (EVDP) utvecklas och verifieras delvis genom experiment. Kontrollprestanda, livslängd, tillförlitlighet etc. kan alla utvärderas med hjälp av den föreslagna modellen, som täcker de viktigaste prestandakraven enligt EVDP: s preliminära designuppgift.

En modellerings- och simuleringsmetod för preliminär design av en elektrovariabel förskjutningspump

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

Elektrohydrostatiska aktivatorer stöder elektrifiering av tunga system. För att uppnå mindre energiförbrukning koncentrerar sig vår metod på optimering, elektrovariabelt förskjutningspumputnyttjande av systemen. Vår modellering och simuleringsmetoden stöder den preliminära designen.Vår elektrovariabla deplacementpump, som ska välja fullständig prestandaförutsägelse, automatisk parametergenerering och designstabilitet. Börja med att klassificera parametrarna för att designa den elektrovariabla förskjutningspumpen eller EVDP. Tilldela de oberoende parametrarna, som representerar varje komponent till den aktiva kategorin, och parametrarna som härleds från de aktiva parametrarna till den drivna kategorin.Ange sedan de beräknade parametrarna med hjälp av empiriska funktioner till den empiriska kategorin. För att utveckla uppskattningsmodellerna, uppskatta pump- och motordrivna parametrar från de aktiva parametrarna med hjälp av skalningslagarna. Använd komponentkatalogerna för att uppskatta de drivna parametrarna för växellådan och kulskruven från de aktiva parametrarna.Bedöm pumpens, växellådans och kulskruvens effektivitet med empiriska funktioner och uppskatta värmemotstånden för den termiska nätverksmodellen som utvecklats med de empiriska funktionerna från termodynamikteorin. Bygg viktmodellen för EVDP i MATLAB genom att lägga till vikterna för varje komponent och sedan genomföra den dynamiska klumpade parametermodelleringen av EVDP i systemsimuleringsplattformen. Därefter genomföra termisk modellering av EVDP i systemsimuleringsplattformen genom att ställa in ett termiskt nätverk för EVDP.För livstids- och tillförlitlighetsmodellering, använd kulans utmattningslivslängd och kolvpumpenhetens livslängd som livslängd. Modellera kulskruven och kolvpumpenhetens livslängd med ekvationerna. Antag att kulskruvens tillförlitlighet och pumpen som motsvarar dess livslängd är 0,90 och definierar tillförlitligheten beräknad vid den 50 000: e arbetstimmen.Modellera sedan kulskruven och kolvpumpenhetens tillförlitlighet med ekvationen. Fortsätt att montera modellen genom att placera alla ekvationer för varje nod tillsammans för att bilda modellblocket för varje nod. Avsluta sedan indata- och utdatavariablerna för varje nod.Definiera indata och utdata för den övergripande EVDP-modellen och utför kausalitetsanalysen för alla noder. Lägg vid behov till ytterligare noder för att säkerställa att alla noder är kausalt länkade. Anslut sedan alla noder för att bilda den övergripande modellen för EVDP.När EVDP-modellen har bildats, verifiera modelleringsmetoden med hjälp av EVDP-prototypen och testriggen. För att göra det, installera EVDP på en testrigg, bestående av en lastdel och en kontrolldel. Anslut sedan de tre EVDP-portarna till lastdelens hydraulkrets och EVDP-elkablarna till styrdelen.Utför prototyptestningen genom att trycka på startknappen på panelen och starta den extra hydraulkraften. När du har avaktiverat lägesventilen med knappen på panelen ställer du in kommandot svepande frekvensförskjutning på EVDP i textrutan i användargränssnittet. Registrera EVDP-förskjutningssvaret och härleda dess storleks- och fasegenskaper.För att analysera de experimentella resultaten ställer du in de aktiva parametrarna för EVDP-prototypen till den modell som byggts tidigare. Modellen genererar andra nödvändiga simuleringsparametrar automatiskt. Ställ in omgivningstemperaturen och den initiala EVDP-temperaturen vid 40 grader Celsius och kör simuleringsmodellen under samma förhållanden som EVDP-prototyptestet för att registrera simuleringsresultaten.För att kontrollera modellens noggrannhet, plotta experiment- och simuleringsresultaten för varje tillståndsgrupp i en figur. För att utföra simuleringsanalysen av EVDP-designen, ställ in de dynamiska och termiska modellerna genom att klicka på fliken parameterläge och välja alternativet TFFD31. Gå sedan till filnamnet för enkel vätskekarakteristikdataflik för att importera oljeegenskapsfilen.Under parameterläget använder du THGCV01- eller THGCV02-blocken. För att ställa in omgivningstemperaturen enligt beskrivningen i manuskriptet matar du in de aktiva parametrarna till parameteruppskattningsmodellerna. Klicka sedan på körknappen under redigeringsfliken för att köra skriptet för att generera alla simuleringsparametrar.I MATLAB använder du körknappen under fliken Editor för att köra skriptet för att beräkna vikten och aktivera de dynamiska och termiska modellerna med simuleringsparametrarna. Simuleringsresultaten kommer att erhållas av skriptet automatiskt. Med körningsknappen under redigeringsfliken kör du skriptet för att beräkna EVDP-livslängden och tillförlitlighetsprestandan från de sparade simuleringsresultaten.Gå till simuleringsläget i systemsimuleringsplattformen för att kontrollera resultaten. Härled sedan andra EVDP-prestandaresultat från dessa tidsdomänsimuleringsresultat. För att ställa in simuleringsparametrarna, kontrollera parameterläget.Använd sedan körknappen under redigeringsfliken för att köra skriptet för att aktivera de dynamiska och termiska modellerna. Senare trycker du på fliken simuleringsläge för att kontrollera känslighets- och osäkerhetsanalyserna. Temperaturdynamiken för olika EDVP-delar visas här.Den representativa analysen illustrerar EVDP-effektiviteten under en full arbetscykel. Under fullbelastningsförhållandet uppnådde EVDP en total effektivitet på cirka 80% Senare sjönk de absoluta förlusterna för EVDP, tillsammans med effektivitetsminskningen. Det svepande frekvenssvaret undersökte EVDP:s dynamiska prestanda.I den projicerade prestandan hos EVDP förutspåddes en god kontrollnoggrannhet med ett 0,09 graders fel, medan pumpens livslängd och tillförlitlighet befanns vara den svagaste. Efter att ha byggt de föreslagna modellerna kan den fullständiga preliminära designmetoden utvecklas. Metoden kan förbättra tillämpligheten hos den elektrovariabla förskjutningspumpen och de tillhörande elektrohydrostatiska aktivatorerna.Denna metod löste vanliga utmaningar i designstadiet, såsom parametersäkerhet och tvärvetenskapliga simuleringar. Detta leder till mer tillförlitlig, preliminär design av pumpen för elektrohydrostatiska 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

Simulering, tillverkning och karakterisering av THz metamaterial Absorbenter

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

Utformning och användning av en fullflödesprovtagningssystemet (FFS) för kvantifiering av metanutsläpp

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 med sifon Breaker Experiment och simuleringar för en forskningsreaktor

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

Modulär Design och produktion av en Intelligent Robot baserad på en strategi för slutna

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

Konstruktion och tillverkning av en optisk Fiber gjord av vatten

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 slumpmässig deplacement mätning genom att kombinera en magnetisk skala och två fiber Bragg galler

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 klass tillämpas-fältet Magnetoplasmadynamic bogpropeller

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

Konstruktion och tillverkning av en kryssare klass Solar fordon

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 och implementering av en skräddarsydd Robotic Manipulator för extra kroppsliga ultraljud

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 snabb metod för modellering av en variabel cykel motor

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