Двигатель с фиксированным смещением

Устройство преобразования гидравлической энергии в механическое

Библиотека:
Simscape/Жидкости/Гидравлика (изотермическая )/Насосы и двигатели

Описание

Блок двигателя с фиксированным смещением представляет собой устройство, которое извлекает энергию из гидравлической (изотермической жидкости) сети и подает ее в механическую вращательную сеть. Смещение двигателя фиксируется постоянным значением, которое задается параметром «Смещение».

Отверстия А и В представляют соответственно вход и выход двигателя. Порт S представляет собой вал привода двигателя. При нормальной работе угловая скорость в порту S является положительной, если падение давления от порта A к порту B также является положительным. Этот режим работы здесь называется двигателем переднего хода.

Режимы работы

Всего возможно четыре режима работы. Рабочий режим зависит от перепада давления от порта A к порту B (Δp) и от угловой скорости в порту S (λ). На рисунке «Режимы работы» режимы сопоставляются с октантами диаграммы Δp-λ-D. Режимы обозначены 1-4:

Режим 1: передний двигатель - положительный перепад давления генерирует положительную угловую скорость вала.
Режим 2: обратный насос - отрицательная угловая скорость вала генерирует отрицательный коэффициент усиления давления (показан на рисунке как положительный перепад давления).
Режим 3: реверсивный двигатель - отрицательный перепад давления генерирует отрицательную угловую скорость вала.
Режим 4: прямой насос - положительная угловая скорость вала создает положительный коэффициент усиления давления (показан на рисунке как отрицательный перепад давления).

Время срабатывания двигателя считается ничтожно малым по сравнению со временем срабатывания системы. Предполагается, что двигатель достигает установившегося состояния почти мгновенно и рассматривается как квазиустановившаяся составляющая.

Варианты блоков и параметризации потерь

Модель двигателя учитывает потери мощности из-за утечки и трения. Утечка является внутренней и происходит только между входом и выходом двигателя. Блок вычисляет скорость потока утечки и крутящий момент трения, используя пять параметров потерь. Параметризация выбирается с помощью вариантов блоков и, в Analytical or tabulated data случай, параметр параметризации трения и утечки.

Параметризации потерь

Блок предоставляет три варианта Simulink ® для выбора из. Чтобы изменить активный вариант блока, щелкните его правой кнопкой мыши и выберите «Simscape» > «Варианты блока». Доступны следующие варианты:

Analytical or tabulated data - Получение механической и объемной эффективности или потерь из аналитических моделей на основе номинальных параметров или на основе табулированных данных. Используйте параметр параметризации трения и утечки, чтобы выбрать точный тип ввода.
Input efficiencies - Обеспечивает механическую и объемную эффективность непосредственно через порты ввода физических сигналов.
Input losses - Обеспечивают механические и объемные потери непосредственно через порты ввода физического сигнала. Механические потери определяются как момент внутреннего трения. Объемные потери определяются как внутренний расход утечки.

Расход и крутящий момент

Объемный расход, необходимый для питания двигателя, составляет

$q =_{} {qИдеал}_{+}$ qУтечка,

где:

q - чистый объемный расход.
qIdeal - идеальный объемный расход.
qТечь - объемный расход внутренней течи.

Крутящий момент, создаваемый двигателем, составляет

$start=_{} {tiIdeal}_{− «}$ Трение»,

где:

start- чистый крутящий момент.
theИдеальный - идеальный крутящий момент.
«Трение» - это крутящий момент трения.

Идеальный расход и идеальный крутящий момент

Идеальным объемным расходом является

$_{qИдеал} =$ Дом,

и идеальным генерируемым крутящим моментом является

$_{tiIdeal} =$ DΔp,

где:

D - указанное значение параметра блока «Смещение».
λ - мгновенная угловая скорость вращающегося вала.
Δp - мгновенный перепад давления от входа к выходу.

Скорость потока утечки и момент трения

Расчет расхода внутренней утечки и крутящего момента трения зависит от выбранного варианта блока. Если вариант блока является Analytical or tabulated data, расчеты также зависят от настройки параметров «Утечка» и «Трение». Существует пять возможных перестановок варианта блока и настроек параметризации.

Вариант 1: Расчет аналитической эффективности

Если активным вариантом блока является Analytical or tabulated data и параметризация утечки и трения имеет значение Analytical, расход утечки составляет

$_{qТечь} =_{}$ KHPΔp,

и крутящий момент трения

$_{ΔP}_{}_{} \frac{|)}{_{tanh (}}$ 4

где:

KHP - коэффициент Хагена-Пуасейля для ламинарных трубных потоков. Этот коэффициент вычисляется по указанным номинальным параметрам.
KTP - заданное значение параметра «Коэффициент трения и коэффициент падения давления».
start0 - заданное значение параметра блока крутящего момента без нагрузки.
startПорог - пороговая угловая скорость для перехода мотор-насос. Пороговая угловая скорость - это внутренняя доля заданного значения параметра блока номинальной угловой скорости вала.

Коэффициент Хагена-Пуасейля определяется по номинальным параметрам жидкости и компонента через уравнение

$_{} \frac{_{}}{} \frac{_{}_{}_{}}{_{KHP =νNomρv ρNomωNomDMaxΔpNom}} \frac{(}{_{1ηv,}} Nom-1$ ),

где:

startNom - заданное значение параметра блока Номинальная кинематическая вязкость. Это кинематическая вязкость, при которой задается номинальная объемная эффективность.
startNom - заданное значение параметра блока Номинальная плотность жидкости. Это плотность, при которой определяется номинальная объемная эффективность.
startNom - заданное значение параметра блока Номинальная угловая скорость вала. Это угловая скорость, при которой определяется номинальная объемная эффективность.
start- фактическая плотность жидкости в присоединенной гидравлической (изотермической) сети. Эта плотность может отличаться от заданного значения параметра блока Номинальная плотность жидкости (Nominal fluid density block).
v - кинематическая вязкость текучей среды, связанной с сетью текучей среды.
ΔpNom - заданное значение параметра Блок номинального перепада давления. Это перепад давления, при котором определяется номинальный объемный КПД.
λ v_{, Nom} - заданное значение параметра блока Объемная эффективность при номинальных условиях. Это объемная эффективность, соответствующая указанным номинальным условиям.

Случай 2: Табличные данные по эффективности

Если активным вариантом блока является Analytical or tabulated data и параметризация утечки и трения имеет значение Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies, расход утечки составляет

$_{qТечь} =_{qТечь,} \frac{Электродвигатель (}{1} +_{α) 2 +} \frac{qТечь,}{}$ Насос (1 − α) 2,

и крутящий момент трения

$_{TiФрикция} {= («}_{Трение»),} \frac{}{Motor1} +_{α2 + («} \frac{Трение»),}{}$ Pump1 − («Трение»),

где:

α - численный параметр сглаживания для перехода мотор-насос.
qТечь_{, двигатель} - расход течи в режиме двигателя.
qТечь_{, насос} - расход течи в режиме насоса.
«Трение»_{, «Двигатель}» - момент трения в режиме двигателя.
«Трение»_{, «Насос}» - момент трения в режиме насоса.

Параметр сглаживания α задаётся гиперболической функцией

$α = \frac{tanh (}{_{}} 4ΔpΔpThreshold)· \frac{}{\tanh_{(}}$ 4

где:

ΔpThreshold - заданное значение порога перепада давления для параметра блока перехода мотор-насос.
startThreshold - заданное значение порога Угловой скорости для параметра блока перехода мотор-насос.

Скорость потока утечки вычисляется на основе табличных данных эффективности через уравнение.

$_{qТечь,} Двигатель = (_{1} -$ λ v) q,

в двигательном режиме и через уравнение

$_{qТечь,} Насос = -_{(} 1_{−}$

в режиме насоса, где:

λ v - объемная эффективность, полученная посредством интерполяции или экстраполяции таблицы Объемная эффективность, e_v (dp, w) данных параметров.

Аналогично, крутящий момент трения вычисляется на основе табличных данных эффективности через уравнение.

$_{theТрение,} Двигатель = (_{1} -_{}$

в двигательном режиме и через уравнение

$_{theТрение,} Насос = -_{(} 1 -$

в режиме насоса, где:

λ m - механическая эффективность, полученная с помощью интерполяции или экстраполяции таблицы механической эффективности, e_m (dp, w) данных параметров.

Случай 3: Табличные данные о потерях

Если активным вариантом блока является Analytical or tabulated data и параметризация утечки и трения имеет значение Tabulated data — volumetric and mechanical losses, уравнение расхода утечки

$_{qТечь} =_{} qТечь (Δp,$ λ).

и уравнение крутящего момента трения

$_{ΔФрикция} =_{} ΔФрикция (Δp,$ λ),

где qLeak (Δp, ω) и _τFriction (Δp, ω) являются объемными и механическими потерями, полученными посредством интерполяции или экстраполяции Объемной таблицы потерь, q_loss (разность потенциалов, w) и Механической таблицы потерь, torque_loss (разность потенциалов, w) данные о параметре.

Вариант 4: Физические сигнальные входы эффективности

Если активным вариантом блока является Input efficienciesрасчеты расхода утечки и крутящего момента трения являются такими, как описано для табличных данных эффективности (случай 2). Таблицы объемной и механической эффективности поиска заменяются физическими входами сигналов, которые задаются через порты EV и EM.

Случай 5: Физические сигнальные входы с потерями

Если вариант блока является Input lossesрасчеты расхода утечки и крутящего момента трения являются такими, как описано для табличных данных о потерях (случай 3). Таблицы объемных и механических потерь заменяются физическими входами сигналов, которые задаются через порты LV и LM.

Визуализация характеристической кривой

Если вариант блока имеет значение Analytical or tabulated dataНа основе расчетных данных и параметров компонентов можно построить графики различных кривых производительности, эффективности и потерь. Для печати характеристических кривых используется контекстно-зависимое меню блока. Щелкните правой кнопкой мыши блок, чтобы открыть меню, и выберите «Жидкости» > «Печать характеристики». Откроется тестовый электрический жгут с инструкциями по созданию кривых. См. раздел Параметризация насосов и двигателей.

Предположения

Сжимаемость жидкости незначительна.
Нагрузка на вал двигателя из-за инерции, трения и сил пружины ничтожна.

Порты

Вход

развернуть все

`EV` - Объемная эффективность, без единиц измерения
физический сигнал

Порт ввода физического сигнала для коэффициента объемной эффективности. Входной сигнал имеет верхнюю границу при значении параметра максимальной объемной эффективности и нижнюю границу при значении параметра минимальной объемной эффективности.

Зависимости

Этот порт открывается только в том случае, если для варианта блока установлено значение Input efficiencies.

`EM` - Механическая эффективность, без установки
физический сигнал

Порт ввода физического сигнала для коэффициента механической эффективности. Входной сигнал имеет верхнюю границу при значении параметра максимальной механической эффективности и нижнюю границу при значении параметра минимальной механической эффективности.

Зависимости

Этот порт открывается только в том случае, если для варианта блока установлено значение Input efficiencies.

`LV` - Объемные потери, `m^3/s`
физический сигнал

Порт ввода физического сигнала для объемных потерь, определяемый как внутренний расход утечки между входами двигателя.

Зависимости

Этот порт открывается только в том случае, если для варианта блока установлено значение Input losses.

`LM` - Механические потери, `N*m`
физический сигнал

Порт ввода физического сигнала для механических потерь, определяемый как момент трения на вращающемся валу двигателя.

Зависимости

Этот порт открывается только в том случае, если для варианта блока установлено значение Input losses.

Сохранение

развернуть все

`A` - Вход двигателя
гидравлический (изотермический)

Гидравлическое (изотермическое жидкостное) отверстие, представляющее вход двигателя.

`B` - Выход двигателя
гидравлический (изотермический)

Гидравлическое (изотермическое жидкостное) отверстие, представляющее выход двигателя.

`S` - Вал двигателя
механическое вращение

Механическое поворотное отверстие, представляющее вал двигателя.

Параметры

развернуть все

Параметры открытого блока зависят от варианта активного блока. См. раздел Исполнения блоков и параметризации потерь.

Вариант 1: Analytical or tabulated data

`Displacement` - Объем жидкости, смещенный на угол поворота вала агрегата
`30 cm^3/rev` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения объема/угла

Объем жидкости смещен на угол вращения вала агрегата. Смещение фиксируется при этом значении во время моделирования. Указанное значение должно быть больше нуля.

`Leakage and friction parameterization` - Параметризация, используемая для расчета расхода утечки и крутящего момента трения
`Analytical` (по умолчанию)

Параметризация используется для вычисления потерь расхода и крутящего момента из-за внутренних утечек и трения. Analytical параметризация основана на номинальных параметрах, обычно доступных на листах технических данных компонентов. Остальные табличные опции основаны на таблицах поиска для сопоставления перепада давления и угловой скорости с эффективностью или потерями компонентов. Табличные варианты включают в себя:

Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies
Tabulated data — volumetric and mechanical losses

Зависимости

Этот параметр активируется, если для варианта блока установлено значение Analytical or tabulated data.

`Nominal shaft angular velocity` - Угловая скорость вала, при которой определяется номинальная объемная эффективность
`188 rad/s` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения угла/времени

Угловая скорость вращающегося вала, при которой известна номинальная объемная эффективность компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных рабочих условий в листах технических данных производителя. Блок использует этот параметр для вычисления, используя простые линейные функции, скорости потока утечки и крутящего момента трения.

Зависимости

Этот параметр активируется, если для варианта блока установлено значение Analytical or tabulated data и параметризация утечки и трения имеет значение Analytical.

`Nominal pressure drop` - Коэффициент усиления давления, при котором определяется номинальный объемный КПД
`100e5 Pa` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения давления

Перепад давления от входа до выхода, при котором известна номинальная объемная эффективность компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных рабочих условий в листах технических данных производителя. Блок использует этот параметр для вычисления, используя простую линейную функцию, внутреннего расхода утечки.

Зависимости

`Nominal kinematic viscosity` - Кинематическая вязкость, при которой определяется номинальная объемная эффективность
`18 cSt` (по умолчанию) | скаляр с единицами площади/времени

Кинематическая вязкость гидравлической жидкости, при которой известна номинальная объемная эффективность компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных рабочих условий в листах технических данных производителя. Блок использует этот параметр для вычисления, используя простую линейную функцию, внутреннего расхода утечки.

Зависимости

`Nominal fluid density` - Плотность жидкости, при которой определяется номинальный объемный КПД
`900 kg/m^3` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения массы/объема

Массовая плотность гидравлической жидкости, при которой известна номинальная объемная эффективность компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных рабочих условий в листах технических данных производителя. Блок использует этот параметр для вычисления, используя простую линейную функцию, внутреннего расхода утечки.

Зависимости

`Volumetric efficiency at nominal conditions` - Объемный КПД при заданных номинальных условиях
`0.92` (по умолчанию) | безразмерный скаляр между `0` и `1`

Объемный КПД, определяемый как отношение фактических и идеальных объемных расходов при заданных номинальных условиях. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных рабочих условий в листах технических данных производителя. Блок использует этот параметр для вычисления, используя простую линейную функцию, внутреннего расхода утечки.

Зависимости

`No-load torque` - Минимальный крутящий момент, необходимый для обеспечения вращения вала
`0.05 N*m` (по умолчанию) | скаляр с единицами крутящего момента

Крутящий момент, необходимый для преодоления трения уплотнения и обеспечения вращения механического вала. Этот крутящий момент является независимым от нагрузки компонентом общего крутящего момента трения.

Зависимости

`Friction torque vs. pressure drop coefficient` - Постоянная пропорциональность между крутящим моментом трения и перепадом давления
`0.6e-6 N*m/Pa` (по умолчанию) | скаляр с единицами крутящего момента/давления

Постоянная пропорциональность между крутящим моментом трения на механическом валу и падением давления от входа к выходу.

Зависимости

Этот параметр активируется, если для варианта блока установлено значение Analytical or tabulated data и параметризация утечки и трения имеет значение Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies.

`Check if lower side pressure violating minimum valid condition` - Режим имитационного предупреждения о минимальном допустимом давлении
`None` (по умолчанию) | `Warning`

Режим предупреждения моделирования для недопустимых давлений в портах компонента. Выбрать Warning для уведомления о падении давления ниже минимального заданного значения. Предупреждение может быть полезным в моделях, где давление может упасть ниже давления насыщенного пара гидравлической жидкости, вызывая кавитацию.

`Minimum valid pressure` - Давление, необходимое для запуска предупреждения о моделировании
`0` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения давления

Нижняя граница диапазона достоверности давления. При падении давления ниже указанного значения выдается предупреждение.

Зависимости

Этот параметр активируется, если для параметра Check if lower side pression violing minimum validable condition parameter установлено значение Warning.

`Pressure drop vector for efficiencies, dp` - перепады давления для определения объемной и механической эффективности;
Вектор М-элемента с единицами измерения давления (по умолчанию)

M-элементный вектор усиления давления, при котором задаются табличные данные эффективности. Размер вектора M должен быть не меньше двух. Векторные элементы не обязательно должны быть равномерно разнесены. Однако они должны монотонно увеличивать значение слева направо.

Зависимости

`Shaft angular velocity vector for efficiencies, w` - Угловые скорости, при которых определяется объемная и механическая эффективность
Вектор N-элемента с единицами угловой скорости (по умолчанию)

N-элементный вектор угловых скоростей вала, при котором задаются табличные данные эффективности. Размер вектора N должен быть не меньше двух. Векторные элементы не обязательно должны быть равномерно разнесены. Однако они должны монотонно увеличивать значение слева направо.

Зависимости

`Volumetric efficiency table, e_v(dp,w)` - Объемная эффективность при заданных перепадах давления и угловых скоростях
безразмерная матрица M-by-N

Матрица M-by-N с объемными КПД при заданных перепадах давления жидкости и угловых скоростях вала. Эффективность должна быть в диапазоне 0-1. M и N - размеры указанных векторов таблицы поиска:

M - количество векторных элементов в векторе перепада давления для эффективности, параметр dp.
N - число векторных элементов в векторе угловой скорости вала для эффективности, параметр w.

Зависимости

`Mechanical efficiency table, e_m(dp,w)` - Механическая эффективность при заданных перепадах давления и угловых скоростях
безразмерная матрица M-by-N

Матрица M-by-N с механическими КПД, соответствующими заданным перепадам давления жидкости и угловым скоростям вала. Эффективность должна быть в диапазоне 0-1. M и N - размеры указанных векторов таблицы поиска:

M - количество векторных элементов в векторе перепада давления для эффективности, параметр dp.
N - число векторных элементов в векторе угловой скорости вала для эффективности, параметр w.

Зависимости

`Pressure drop threshold for motor-pump transition` - Перепад давления, при котором инициируется плавный переход между двигательным и насосным режимами
`1e5 Pa` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения давления

Перепад давления от входа к выходу, ниже которого компонент начинает переходить между двигательным и насосным режимами. Гиперболическое Tanh функция преобразует скорость потока утечки и крутящий момент трения так, чтобы переход был непрерывным и плавным.

Зависимости

Этот параметр активируется, если для варианта блока установлено значение Input efficiencies или если вариант блока имеет значение Analytical or tabulated data и параметризация утечки и трения имеет значение Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies.

`Angular velocity threshold for pump—motor transition` - Угловая скорость вала, при которой инициируется плавный переход между двигательным и насосным режимами
`10 rad/s` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения угла/времени

Угловая скорость вала, ниже которой компонент начинает переходить между двигательным и насосным режимами. Гиперболическое Tanh функция преобразует скорость потока утечки и крутящий момент трения так, чтобы переход был непрерывным и плавным.

Зависимости

`Check if operating beyond the quadrants of supplied tabulated data` - Режим имитационного предупреждения для условий эксплуатации вне диапазона табулированных данных
`None` (по умолчанию) | `Warning`

Режим предупреждения моделирования для рабочих условий вне диапазона табулированных данных. Выбрать Warning должен быть уведомлен, когда усиление давления текучей среды или угловая скорость вала пересекаются за пределами указанных табличных данных. Предупреждение не приводит к остановке моделирования.

Зависимости

`Pressure drop vector for losses, dp` - перепады давления, при которых указываются объемные и механические потери;
Вектор М-элемента с единицами измерения давления (по умолчанию)

M-элементный вектор перепадов давления, при котором задаются табличные данные потерь. Размер вектора M должен быть не меньше двух. Векторные элементы не обязательно должны быть равномерно разнесены. Однако они должны монотонно увеличивать значение слева направо.

Зависимости

`Shaft angular velocity vector for losses, w` - Угловые скорости для определения объемных и механических потерь
Вектор N-элемента с единицами измерения угла/времени (по умолчанию)

N-элементный вектор угловых скоростей вала, при котором задаются данные потерь компонента. Размер вектора N должен быть не меньше двух. Векторные элементы не обязательно должны быть равномерно разнесены. Однако они должны монотонно увеличивать значение слева направо.

Зависимости

`Volumetric loss table, q_loss(dp,w)` - Расход внутренних протечек при заданных перепадах давления и угловых скоростях
Матрица M-by-N с единицами объема/времени

Матрица M-на-N с объемными коэффициентами усиления при заданных перепадах давления жидкости и угловых скоростях вала. Объемные потери определяются здесь как объемный расход внутренней утечки между портом A и портом B. M и N являются размерами указанных векторов таблицы поиска:

M - число элементов вектора в векторе перепада давления для потерь, параметр dp.
N - число векторных элементов в векторе угловой скорости вала для потерь, параметр w.

Зависимости

`Mechanical loss table, torque_loss(dp,w)` - Моменты трения при заданных усилениях давления и угловых скоростях
Матрица M-by-N с единицами крутящего момента

Матрица M-by-N с механическими потерями при заданных перепадах давления жидкости и угловых скоростях вала. Механические потери определяются здесь как момент трения из-за уплотнений и внутренних компонентов. M и N - размеры указанных векторов таблицы поиска:

M - число элементов вектора в векторе перепада давления для потерь, параметр dp.
N - число векторных элементов в векторе угловой скорости вала для потерь, параметр w.

Зависимости

Вариант 2: Input efficiencies