Насос с фиксированным рабочим объемом

УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ГИДРАВЛИЧЕСКУЮ

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

Описание

Блок насоса фиксированного вытеснения представляет собой устройство, которое извлекает энергию из механической вращающейся сети и подает ее в гидравлическую (изотермическую) сеть. Смещение насоса фиксируется постоянным значением, заданным с помощью параметра «Смещение».

Порты T и P представляют входы насоса. Порт S представляет собой приводной вал насоса. Во время нормальной работы коэффициент усиления давления от порта T к порту P является положительным, если угловая скорость в порту S также является положительной. Этот режим работы называется в данном случае передним насосом.

Режимы работы

Всего возможно четыре режима работы. Рабочий режим зависит от усиления давления от порта T к порту P (Δp) и от угловой скорости в порту S (λ). На рисунке «Режимы работы» режимы отображаются в квадрантах диаграммы Δp-λ. Режимы обозначены 1-4:

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

Время срабатывания насоса считается ничтожно малым по сравнению со временем срабатывания системы. Предполагается, что насос достигает стационарного состояния почти мгновенно и обрабатывается как квазиустановившийся компонент.

Варианты блоков и параметризации потерь

Модель насоса учитывает потери мощности из-за утечки и трения. Утечка является внутренней и происходит только между входом насоса и выходом. 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, создаваемый насосом, составляет

$q =_{} {qИдеал}_{+}$ qУтечка,

где:

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

Крутящий момент, необходимый для питания насоса, составляет

$start=_{} {tiIdeal}_{+}$ δ Трение,

где:

λ - суммарный приводной крутящий момент.
theИдеальный - идеальный приводной крутящий момент.
«Трение» - это крутящий момент трения.

Идеальный расход и идеальный крутящий момент

Идеальным объемным расходом является

$_{qИдеал} =$ Дом,

и идеальным вращающим моментом является

$_{tiIdeal} =$ DΔp,

где:

D - указанное значение параметра блока «Смещение».
λ - мгновенная угловая скорость вращающегося вала.
Δp - мгновенный прирост 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 Блок коэффициента усиления коэффициента трения и коэффициента усиления 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

$_{} \frac{_{}}{} \frac{_{}_{}_{}}{_{KHP =νNomρv ρNomωNomDMaxΔpNom}} (_{1−ηv,} Имя$ ),

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 блока Номинальный коэффициент усиления 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

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

и крутящий момент трения

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

где:

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

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.

$_{qТечь,} Насос = (_{1} -_{λ v)}$ qИдеальный,

в режиме насоса и через уравнение

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

в режиме двигателя, 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.

$_{theТрение,} Насос = (_{1} -$

в режиме насоса и через уравнение

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

в режиме двигателя, 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 насоса 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 насоса.

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 насоса.

Зависимости

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

Сохранение

развернуть все

`P` - Выход насоса
гидравлическая (изотермическая жидкость)

Гидравлический (изотермический) консервационный порт, представляющий собой выход насоса.

`T` - Вход насоса
гидравлическая (изотермическая жидкость)

Гидравлический (изотермический) консервационный порт, представляющий собой вход насоса.

`S` - Вал насоса
механическое вращение

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВОРОТНОЕ КОНСЕРВИРУЮЩЕЕ ОТВЕРСТИЕ, ПРЕДСТАВЛЯЮЩЕЕ ВАЛ НАСОСА.

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

Коэффициент усиления давления от входа к выходу, при котором известен номинальный объемный КПД 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 сглаженной независимой от нагрузки составляющей общего крутящего момента трения.

Зависимости

`Friction torque vs. pressure gain coefficient` - Постоянная пропорциональность между крутящим моментом трения и усилением 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 коэффициентом усиления 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 gain vector for efficiencies, dp` - прирост давления, при котором определяется объемная и механическая эффективность;
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 усилениях давления и угловых скоростях
безразмерная матрица M-by-N

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

M - число векторных элементов в векторе усиления 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 усилениях давления и угловых скоростях
безразмерная матрица M-by-N

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

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

Зависимости

`Pressure gain threshold for pump—motor transition` - Усиление давления, при котором инициируется плавный переход между режимами прокачки и моторирования
`1e5 Pa` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения давления

Прирост давления от входа к выходу, ниже которого компонент начинает переходить между режимами перекачки и моторирования. 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 режимами прокачки и моторирования
`10 rad/s` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения угла/времени

Угловая скорость вала, ниже которой компонент начинает переходить между режимами прокачки и моторирования. 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 gain vector for losses, dp` - прирост давления, при котором определяются объемные и механические потери;
Вектор М-элемента с единицами измерения давления (по умолчанию)

M-элементный вектор усиления давления, при котором указываются 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 усилениями при заданных усилениях давления текучей среды 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 усиления 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 усилениях давления текучей среды 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 усиления давления для потерь, параметр dp.
N - число векторных элементов в векторе угловой скорости вала для потерь, параметр w.

Зависимости

Вариант 2: Input efficiencies

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

`Pressure gain threshold for pump—motor transition` - Усиление давления, при котором начинается плавный переход между режимами двигателя и насоса
`1e5 Pa` (по умолчанию) | скаляр с единицами измерения давления

Прирост 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.