Variable-Displacement Motor (TL)

Двунаправленный двигатель тепловой жидкости переменного объема

Библиотека:
Simscape/Жидкости/Тепловая жидкость/Насосы и двигатели

Описание

Блок Variable-Displacement Motor представляет устройство, которое извлекает степень из тепловой гидравлической сети и доставляет ее в механическую вращательную сеть. Значение перемещения мотора изменяется во время симуляции в соответствии с входом физического сигнала, заданной в порте D.

Порты A и B представляют входные отверстия мотора. Порты R и C представляют приводной вал и случай. Во время нормальной операции перепад давления между портом A и портом B вызывает положительную скорость потока жидкости от порта A к порту B и положительное вращение вала мотора относительно корпуса мотора. Этот режим работы здесь называется прямым движением.

Операции

Блок имеет восемь режимов работы. Рабочий режим зависит от перепада давления от порта A до порта B, Δp = p B - _p A; скорость вращения, ω = ω R _- ω C; и объемное перемещение жидкости в порту D. Рисунок выше отображает эти режимы на октанты диаграммы Δp - ω - D:

Режим 1, Прямое движение: Поток от порта A к порту B вызывает уменьшение давления с A до B и положительную угловую скорость вала.
Режим 2, Реверсивный насос: Отрицательная угловая скорость вала вызывает увеличение давления от порта B до порта A и поток от B до порта A.
Режим 3, Реверсивный мотор: Поток от порта B к порту A вызывает снижение давления от B до A и отрицательную угловую скорость вала.
Режим 4, Прямой насос: Положительная угловая скорость вала вызывает увеличение давления от порта A до порта B и поток от A до B.
Режим 5, Реверсивный насос: Положительная угловая скорость вала вызывает увеличение давления от порта B до порта A и поток от B до A.
Режим 6, Прямое движение: Поток от порта A к порту B вызывает уменьшение давления с A до B и положительную угловую скорость вала.
Режим 7, Прямой насос: Отрицательная угловая скорость вала вызывает увеличение давления от порта A до порта B и поток от A до B.
Режим 8, Реверсивный мотор: Поток от B до A вызывает уменьшение давления с B до A и положительную угловую скорость вала.

Время отклика двигателя рассматривается незначительным по сравнению со временем отклика системы. Принято, что двигатель достигает устойчивого состояния почти мгновенно и обрабатывается как квазистационарный компонент.

Варианты блока и параметризации потерь

Модель электродвигателя учитывает потери степени из-за утечек и трения. Утечки являются внутренними и происходят только между отверстиями входа и выхода мотора. Блок вычисляет уровень утечек и крутящий момент трения с помощью вашего выбора пяти вариантов параметризации потерь. Вы выбираете для использования в блоке варианты параметризации и, в Analytical or tabulated data case, параметр Friction and leakage parameterization.

Параметризации потерь

Блок обеспечивает три Simulink^® варианты для выбора. Чтобы изменить вариант активного блока, щелкните правой кнопкой мыши блок и выберите Simscape > Block choices. Доступными вариантами являются:

Analytical or tabulated data - Получение механического и объемного КПД или потерь из аналитических моделей на основе номинальных параметров или табличных данных. Используйте параметр Friction and leakage parameterization, чтобы выбрать точный тип входа.
Input efficiencies - Обеспечьте механический и объемный КПД непосредственно через входные порты физического сигнала.
Input losses - Обеспечьте механические и объемные потери непосредственно через входные порты физического сигнала. Механические потери определяются как крутящий момент внутреннего трения. Объемные потери определяются как уровень внутренних утечек.

Скорость потока жидкости и крутящий момент

Массовый расход жидкости, генерируемый двигателем,

$\dot{m} = {\dot{m}}_{Идеал} + {\dot{m}}_{Утечка},$

где:

$\dot{m}$ - фактический массовый расход жидкости.
${\dot{m}}_{Ideal}$ - идеальный массовый расход жидкости.
${\dot{m}}_{Leak}$ - внутренние утечки mas скорости потока жидкости.

Крутящий момент на моторе,

$τ = τ_{Ideal} - τ_{Friction},$

где:

τ - фактический крутящий момент.
τ _Идеал является идеальным крутящим моментом.
τ _Трение - это крутящий момент трения.

Идеальная скорость потока жидкости и идеальный крутящий момент

Идеальный массовый расход жидкости

${\dot{m}}_{Ideal} = ρ D_{Sat} ω,$

и идеальный крутящий момент мотора

$τ_{Ideal} = D_{Sat} Δ p,$

где:

ρ - среднее значение плотности жидкости при тепловых гидравлических портах A и B.
D _Sat является сглаженным перемещением, вычисленным так, чтобы удалить числовые разрывы между отрицательным и положительным перемещениями.
ω - угловая скорость вала.
Δp - перепад давления между входным и выходным отверстиями.

Перемещение насыщения определяется как:

$D_{Sat} = {\begin{array}{l} \sqrt{D^{2} + D_{Порог}^{2}}, & D \geq 0 \\ - \sqrt{D^{2} + D_{Порог}^{2}}, & D < 0 \end{array} .$

где:

D - перемещение, заданное в порте D физического сигнала.
D _порог является заданным значением параметра Displacement threshold for motor-pump transition блока.

Уровень утечек и крутящий момент трения

Вычисления уровня внутренних утечек и трения зависят от выбранного варианта блока. Если вариант блока Analytical or tabulated dataвычисления зависят также от настройки Leakage and friction parameterization параметра. Существуют пять возможных сочетаний вариантов блока и настроек параметризации.

Случай 1: Вычисление аналитической эффективности

Если активный вариант блока Analytical or tabulated data и параметру Leakage and friction parameterization задано значение Analytical, уровень утечек является

${\dot{m}}_{Leak} = \frac{K_{HP} ρ_{Avg} Δ p}{μ_{Avg}},$

и крутящий момент трения

$τ_{Friction} = (τ_{0} + K_{TP} | Δ p | \frac{| D_{Sat} |}{D_{Nom}} tanh \frac{4 ω}{(5 e - 5) ω_{Nom}}),$

где:

K _HP является коэффициентом Хагена-Пуазейля для ламинарных течений в трубе. Этот коэффициент вычисляется из заданных номинальных параметров.
μ - динамическая вязкость тепловой жидкости, принятая здесь как среднее значение ее значений в тепловых гидравлических портах.
k - крутящий момент трения от коэффициента перепада давления при номинальном перемещении, который определяется из Mechanical efficiency at nominal conditions, _ηm,nom:

$k = \frac{τ_{f r, n o m} - τ_{0}}{Δ p_{n o m}} .$
_τfr,nom - крутящий момент трения в номинальных условиях:

$τ_{f r, n o m} = (1 - η_{m, n o m}) D_{n o m} Δ p_{n o m} .$
D _Nom является заданным значением параметра Nominal Displacement блока.
τ 0 является заданным значением No-load torque параметров блоков.
ω _Nom является заданным значением параметра Nominal shaft angular velocity блока.
Δp _Nom является заданным значением параметра Nominal pressure drop блока. Это перепад давления, при котором задается номинальный объемный КПД.

Коэффициент Хагена-Пуазейля определяется из номинальных параметров жидкости и компонента уравнением

$K_{HP} = \frac{D_{N o m} ω_{Nom} μ_{Nom} (\frac{1}{η_{v,Nom}} - 1)}{Δ p_{Nom}},$

где:

ω _Nom является заданным значением параметра Nominal shaft angular velocity. Это - скорость вращения, при которой задается номинальный объемный КПД.
μ _Nom является заданным значением параметра Nominal Dynamic viscosity блока. Это динамическая вязкость, при которой задан номинальный объемный КПД.
η _{v, Nom} является заданным значением параметра Volumetric efficiency at nominal conditions блока. Это объемный КПД, соответствующий заданным номинальным условиям.

Случай 2: Табличный данный КПД

${\dot{m}}_{Leak} = {\dot{m}}_{Утечка, двигатель} \frac{(1 + α)}{2} + {\dot{m}}_{Течь, насос} \frac{(1 - α)}{2},$

и крутящий момент трения

$τ_{Friction} = τ_{Friction,Motor} \frac{1 + α}{2} + τ_{Friction,Pump} \frac{1 - α}{2},$

где:

α является численным параметром сглаживания для перехода режима мотор-насос.
${\dot{m}}_{Leak,Motor}$ - расход утечек в моторном режиме.
${\dot{m}}_{Leak,Pump}$ - уровень утечек в режиме насоса.
τ _{значении трения Motor} является крутящим моментом трения в режиме motor.
τ _{Triction, Pump} является крутящим моментом трения в режиме насоса.

α параметра сглаживания задается гиперболической функцией

$α = tanh (\frac{4 Δ p}{Δ p_{Threshold}}) \cdot tanh (\frac{4 ω}{ω_{Threshold}}) \cdot \tanh (\frac{4 D}{D_{Threshold}}),$

где:

Δp _порог является заданным значением параметра Pressure drop threshold for motor-pump transition блока.
ω _порог является заданным значением параметра Angular velocity threshold for motor-pump transition блока.
D _порог является заданным значением параметра Angular velocity threshold for motor-pump transition блока.

Расход утечек вычисляется из объемного КПД, величины, которая задается в сведенной в табличной форме в области Δp - ɷ - D через параметр Volumetric efficiency table блока. При работе в моторном режиме (квадрантах 1 и 3 графика Δp - ɷ - D, показанной на карте Режимов работы) расход утечек:

${\dot{m}}_{Leak,Motor} = (1 - η_{v}) \dot{m},$

где η v - объемный КПД, полученный либо путем интерполяции, либо экстраполяции табличных данных. Точно так же при работе в режиме насоса (квадранты 2 и 4 графика Δp - ɷ - D) расход утечек:

${\dot{m}}_{Leak,Pump} = - (1 - η_{v}) {\dot{m}}_{Идеал} .$

Крутящий момент трения аналогично вычисляется из механической эффективности, величины, которая задается в сведенной в табличной форме в области Δp - ɷ - D через параметр Mechanical efficiency table блока. Работая в моторном способе (сектора 1 и 3 Δp - ɷ - D график):

$τ_{Friction,Motor} = (1 - η_{m}) τ_{Ideal},$

где η m - механическая эффективность, получаемый либо интерполяцией, либо экстраполяцией табличных данных. Точно так же при работе в режиме насоса (квадранты 2 и 4 Δp - ɷ - D графика):

$τ_{Friction,Pump} = - (1 - η_{m}) τ .$

Случай 3: Табличные данные потерь

Если активный вариант блока Analytical or tabulated data и параметру Leakage and friction parameterization задано значение Tabulated data — volumetric and mechanical losses, расход утечек (объемный) задается непосредственно в сведённой в табличной форме в области Δp - ɷ - D:

$q_{Leak} = q_{Leak} (Δ p, ω, D_{Sat}) .$

Массовый расход жидкости из-за утечек вычисляется из объемной скорости потока жидкости:

${\dot{m}}_{Leak} = ρ q_{Leak} .$

Крутящий момент трения точно так же задан в сведенной в табличной форме:

$τ_{Friction} = τ_{Friction} (Δ p, ω, D_{Sat}),$

где q _Leak (Δp, ω) и _{τ Triction} (Δp, ω) - объемные и механические потери, полученные путем интерполяции или экстраполяции табличных данных, заданных параметрами Volumetric loss table и Mechanical loss table блоков.

Случай 4: Входы физического сигнала эффективности

Если активный вариант блока Input efficienciesвычисления уровня утечек и трения выполняются так, как описано для табличного данного КПД (случай 2). Объемные и механические интерполяционные таблицы эффективности заменяются входами физического сигнала, которые вы задаете через порты EV и EM.

Эффективности определяются как положительные величины со значением от нуля до единицы. Входные значения за пределами этих границ устанавливаются равными ближайшей границе (ноль для входов меньше нуля, один для входов больше единицы). Другими словами, сигналы эффективности насыщаются в нуле и единице.

Случай 5: Входы физического сигнала потери

Если вариант блока Input lossesвычисления уровня утечек и крутящего момента трения аналогичны описанным для табличных данных потерь (случай 3). Объемные и механические интерполяционные таблицы заменены входами физического сигнала, которые вы задаете через порты LV и LM.

Знаки входов игнорируются. Блок автоматически устанавливает знаки из условий работы, установленных во время симуляции - точнее, из Δp - ɷ квадранта, в котором компонент работает. Другими словами, является ли вход положительным или отрицательным нерелевантным блоку.

Энергетический баланс

Механическая работа, выполняемая двигателем, связана с энергетическим обменом. Управляющее уравнение энергетического баланса:

$ϕ_{A} + ϕ_{B} - P_{m e c h} = 0,$

где:

Φ A и _Φ B являются скоростями потока энергии в портах A и B, соответственно.
P _mech является механической степенью, произведенной из-за крутящего момента, τ и скорости вращения двигателя, ω : $P_{m e c h} = τ ω .$

Гидравлическая степень мотора является функцией различия давления между портами мотора:

$P_{h y d r o} = Δ p \frac{\dot{m}}{ρ}$

Предположения

Сжимаемость жидкости незначительна.
Нагрузки на валу мотора от инерции, трения и упругих сил незначительны.

Порты

Вход

расширить все

`D` - Рабочий объем, `cm^3/rev`
физический сигнал

Входной порт физического сигнала для объема жидкости, перемещаемой за модуль вращения. Сглаживающая функция облегчает переход между положительным и отрицательным входными значениями.

`EV` - Объемный КПД, безразмерный
физический сигнал

Входной порт физического сигнала для объемного КПД. Входной сигнал имеет верхнюю границу в Maximum volumetric efficiency значения параметров и нижнюю границу в Minimum volumetric efficiency значения параметров.

Зависимости

Этот порт доступен только, когда для варианта блока задано значение Input efficiencies.

`EM` - Механическая эффективность, безразмерный
физический сигнал

Входной порт физического сигнала для коэффициента механического КПД. Входной сигнал имеет верхнюю границу в Maximum mechanical efficiency значения параметров и нижнюю границу в Minimum mechanical efficiency значения параметров.

Зависимости

Этот порт доступен только, когда для варианта блока задано значение Input efficiencies.

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

Входной порт физического сигнала объемных потерь, определяющий уровень внутренних утечек между входными отверстиями мотора.

Зависимости

Этот порт доступен только, когда для варианта блока задано значение Input losses.

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

Входной порт физического сигнала для механических потерь, заданный как крутящий момент трения на вращающемся валу мотора.

Зависимости

Этот порт доступен только, когда для варианта блока задано значение Input losses.

Сохранение

расширить все

`A` - Входное отверстие мотора
тепловая жидкость

Порт терможидкости, представляющий вход мотора.

`B` - Выходное отверстие мотора
тепловая жидкость

Порт терможидкости, представляющий выходное отверстие мотора.

`C` - Корпус мотора
механический вращательный

Механический вращательный порт, представляющий корпус мотора.

`R` - Вал Мотора
механический вращательный

Механический вращательный порт, представляющий вращение вала мотора.

Параметры

расширить все

Открытые параметры блоков зависят от варианта активного блока. Смотрите Варианты блока и параметры потерь.

Вариант 1: Analytical or tabulated data

`Leakage and friction parameterization` - Параметризация для вычисления расхода утечек и крутящего момента трения
`Analytical` (по умолчанию) | `Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies` | `Tabulated data — volumetric and mechanical losses`

Параметризация используется для вычисления скорости потока жидкости и потерь крутящего момента из-за внутренних утечек и трения. The Analytical параметризация основана на номинальных параметрах, обычно доступных из таблиц данных компонентов. Остальные, табличные, опции полагаются на интерполяционные таблицы, чтобы сопоставить перепад давления, скорость вращения и перемещение с кПД или потерями компонента ..

`Nominal displacement` - Перемещение, при котором можно задать объемный КПД
`30 cm^3/rev` (по умолчанию) | скаляр с модулями измерения объем/угол

Перемещение жидкости, при котором известен объемный КПД компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных условий работы в таблицах данных производителя. Блок использует этот параметр, чтобы вычислить, с помощью простых линейных функций, уровень утечек и крутящий момент трения.