Fixed-Displacement Motor

Устройство преобразования гидравлической энергии в механическую

Библиотека:
Simscape / Жидкости / Гидравлика (Изотермическая) / Насосы и Двигатели

Описание

Блок Fixed-Displacement Motor представляет устройство, которое извлекает мощность гидравлической сети (изотермическая жидкость) и поставляет ее вращением в механическую сеть. Перемещение мотора фиксируется в постоянном значении, которое вы задаете через параметр Displacement.

Порты A и B представляют отверстия входа и выхода мотора, соответственно. Порт S представляет приводной вал. Во время нормального функционирования скорость вращения в порте S положительна, если перепад давления от порта A до порта B положителен также. Этот режим работы упомянут здесь как прямое движение.

Режимы работы

В общей сложности четыре режима работы возможны. Рабочий режим зависит от перепада давления от порта A до порта B (Δp) и на скорости вращения в порте S (ω). Карта Режимов работы сопоставляет режимы с октантами графика Δp-ω-D. Режимы помечены 1–4:

Режим 1: прямое движение — положительный перепад давления генерирует положительную угловую скорость вала.
Режим 2: реверсивный насос — отрицательная угловая скорость вала генерирует отрицательный перепад давления (показанный на рисунке как положительный перепад давления).
Режим 3: реверсивный мотор — отрицательный перепад давления генерирует отрицательную угловую скорость вала.
Режим 4: прямой насос — положительная угловая скорость вала генерирует положительный перепад давления (показанный на рисунке как отрицательный перепад давления).

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

Варианты блока и параметризации потерь

Модель электродвигателя вычисляет потери мощности из-за утечки и трения. Утечка является внутренней и находится между отверстиями входа и выхода мотора только. Блок вычисляет уровень утечек и момент трения с помощью выбора пяти вариантов параметризации потерь. Вы выбираете для использования в блоке варианты параметризации и в Analytical or tabulated data случай, параметр Friction and leakage parameterization.

Параметризация потерь

Блок обеспечивает три Simulink^® варианты, чтобы выбрать из. Чтобы изменить активный вариант блока, щелкните правой кнопкой по блоку и выберите Simscape> Block choices. Доступные варианты:

Analytical or tabulated data — Получите механический и объемный КПД или потери от аналитических моделей на основе номинальных параметров или от табличных данных. Используйте параметр Friction and leakage parameterization, чтобы выбрать точный входной тип.
Input efficiencies — Обеспечьте механический и объемный КПД непосредственно через входные порты физического сигнала.
Input losses — Задайте механические и объемные потери непосредственно через входные порты физического сигнала. Механическая потеря задана как внутренний момент трения. Объемная потеря задана как уровень внутренних утечек.

Скорость потока жидкости и крутящий момент

Объемный расход, требуемый для приведение в действие мотора

$q = q_{Ideal} + q_{Leak},$

где:

q является объемным расходом.
_Идеал q является идеальным объемным расходом.
_Утечка q является расходом внутренних объемных утечек.

Крутящий момент на моторе

$τ = τ_{Ideal} - τ_{Friction},$

где:

τ является крутящим моментом привода.
_Идеал τ является идеальным крутящим моментом.
_Трение τ является моментом трения.

Идеальная скорость потока жидкости и идеальный крутящий момент

Идеальный объемный расход

$q_{Ideal} = D ω,$

и идеальный крутящий момент мотора

$τ_{Ideal} = D Δ p,$

где:

D является заданным значением параметров блоков Displacement.
ω является мгновенной угловой скоростью вращения вала.
Δp является мгновенным перепадом давления между входным и выходным отверстиями.

Уровень утечек и момент трения

Расчет внутренних утечек и момента трения кручения зависит от выбранного варианта блока. Если вариантом блока является Analytical or tabulated data, вычисления зависят также от установки параметра Leakage and friction parameterization. Существует пять возможных сочетаний вариантов блока и настроек параметризации.

Случай 1: аналитическое вычисление КПД

Если активным вариантом блока является Analytical or tabulated data и параметр Leakage and friction parameterization устанавливается на Analytical, уровень утечек

$q_{Leak} = K_{HP} Δ p,$

и момент трения

$τ_{Friction} = (τ_{0} + K _{TP} | Δ p |) \tanh (\frac{4 ω}{ω_{Threshold}}),$

где:

K _HP является коэффициентом Хагена-Пуазейля для ламинарных течений в трубе. Этот коэффициент вычисляется из заданных номинальных параметров.
_TP K является заданным значением параметров блоков Friction torque vs pressure drop coefficient.
τ ₀ является заданным значением параметров блоков No-load torque.
_Порог ω является пороговой угловой скоростью для перехода режима мотор-насос. Пороговая угловая скорость является внутренним параметром из набора заданных значений параметров блоков Nominal shaft angular velocity.

Коэффициент Хагена-Пуазейля определяется из номинальных параметров компонента жидкости уравнением

$K_{HP} = \frac{ν_{Nom}}{ρ v} \frac{ρ_{Nom} ω_{Nom} D_{Max}}{Δ p_{Nom}} (\frac{1}{η_{v,Nom}} - 1),$

где:

_Имя ν является заданным значением параметров блоков Nominal kinematic viscosity. Это - кинематическая вязкость, при которой задан номинальный объемный КПД.
_Имя ρ является заданным значением параметров блоков Nominal fluid density. Это - плотность, в которой задан номинальный объемный КПД.
_Имя ω является заданным значением параметров блоков Nominal shaft angular velocity. Это - скорость вращения, при которой задан номинальный объемный КПД.
ρ является фактической плотностью жидкости в присоединенной гидравлической системе (изотермическая жидкость). Эта плотность может отличаться от заданного значения параметров блоков Nominal fluid density.
v является кинематической вязкостью жидкости, сопоставленной с гидросистемой.
_Имя Δp является заданным значением параметров блоков Nominal pressure drop. Это - перепад давления, при котором задан номинальный объемный КПД.
η _{v, Имя} является заданным значением параметров блоков Volumetric efficiency at nominal conditions. Это - объемный КПД, соответствующий заданным номинальным условиям.

Случай 2: табличные данные КПД

Если активным вариантом блока является Analytical or tabulated data и параметр Leakage and friction parameterization устанавливается на Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies, уровень утечек

$q_{Leak} = q_{Leak,Motor} \frac{(1 + α)}{2} + q_{Leak,Pump} \frac{(1 - α)}{2},$

и момент трения

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

где:

α является числовым параметром сглаживания для перехода режима мотор-насос.
_Утечка q_{, Двигатель} является расходом утечек в моторном режиме.
_Утечка q_{, Насос} является уровнем утечек в режиме насоса.
_Трение τ_{, Двигатель} является моментом трения в моторном режиме.
_Трение τ_{, Насос} является моментом трения в режиме насоса.

Параметр сглаживания α задан гиперболической функцией

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

где:

_Порог Δp является заданным значением параметров блоков Pressure drop threshold for motor-pump transition.
_Порог ω является заданным значением параметров блоков Angular velocity threshold for motor-pump transition.

Расход утечек вычисляется из табличных данных КПД уравнением

$q_{Leak,Motor} = (1 - η_{v}) q,$

в моторном режиме и посредством уравнения

$q_{Leak,Pump} = - (1 - η_{v}) q_{Ideal} .$

в режиме насоса, где:

η _v является объемным КПД, полученным посредством интерполяции или экстраполяции данных о параметре Volumetric efficiency table, e_v(dp,w).

Точно так же момент трения вычисляется от табличных данных КПД до уравнения

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

в моторном режиме и посредством уравнения

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

в режиме насоса, где:

η _m является механическим КПД, полученным посредством интерполяции или экстраполяции данных о параметре Mechanical efficiency table, e_m(dp,w).

Случай 3: табличные данные потерь

$q_{Leak} = q_{Leak} (Δ p, ω) .$

и уравнение момента трения

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

где _Утечка q (Δp, ω) и _Трение τ (Δp, ω) является объемными и механическими потерями, полученными посредством интерполяции или экстраполяции Volumetric loss table, q_loss(dp,w) и данных о параметре Mechanical loss table, torque_loss (dp,w).

Случай 4: входные параметры физического сигнала КПД

Если активным вариантом блока является Input efficiencies, расчет расхода утечки и момента трения кручения как описано для табличных данных КПД (случай 2). Объемные и механические интерполяционные таблицы КПД заменяются входными параметрами физического сигнала, которые вы задаете через порты EV и EM.

Случай 5: входные параметры физического сигнала потерь

Если вариантом блока является Input losses, расчет расхода утечки и момента трения кручения как описано для табличных данных потерь (случай 3). Объемные и механические интерполяционные таблицы потерь заменяются входными параметрами физического сигнала, которые вы задаете через порты LV и LM.

Характеристическая кривая визуализации

Если вариант блока установлен в Analytical or tabulated data, можно построить набор кривых производительности, эффективности и потерь от данных моделирования и параметров компонента. Используйте контекстно-зависимое меню блока, чтобы построить характеристические кривые. Щелкните правой кнопкой по блоку, чтобы открыть меню и выбрать Fluids> Plot characteristic. Тестовая обвязка открывается инструкциями относительно того, как сгенерировать кривые. Смотрите.

Предположения

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

Порты

Входной параметр

развернуть все

`EV` — Объемный КПД, безразмерный
физический сигнал

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

Зависимости

Этот порт осушен только, когда вариант блока установлен в Input efficiencies.

`EM` — Механический КПД, безразмерный
физический сигнал

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

Зависимости

Этот порт осушен только, когда вариант блока установлен в Input efficiencies.

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

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

Зависимости

Этот порт осушен только, когда вариант блока установлен в Input losses.

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

Входной порт физического сигнала за механическую потерю, заданную как момент трения на вращающемся вале двигателя.

Зависимости

Этот порт осушен только, когда вариант блока установлен в Input losses.

Сохранение

развернуть все

`A` — Входное отверстие мотора
гидравлический (изотермический)

Гидравлический порт (изотермическая жидкость), представляющий входное отверстие мотора.

`B` — Выходное отверстие мотора
гидравлический (изотермический)

Гидравлический порт (изотермическая жидкость), представляющий выходное отверстие мотора.

`S` — Вал двигателя
вращательное механическое устройство

Порт вращательного механического устройства, представляющий вал двигателя.

Параметры

развернуть все

Отсоединенные параметры блоков зависят от активного варианта блока. Смотрите Варианты Блока и Параметризацию Потерь.

Вариант 1: Analytical or tabulated data

`Displacement` Объем жидкости, перемещаемый заединичный угол поворота вала
`30 cm^3/rev` (значение по умолчанию) | скаляр с модулями объема/угла

Объем жидкости, перемещаемый заединичный угол поворота вала. Перемещение фиксируется на этом значении во время симуляции. Заданное значение должно быть больше нуля.

`Leakage and friction parameterization` — Параметризация, используемая для вычисления расхода утечек и крутящего момента трения
`Analytical` (значение по умолчанию)

Параметризация использовалась для расчета потерь скорости потока и крутящего момента из-за внутренних утечек и трения. Analytical параметризация использует номинальные параметры, общедоступные из таблиц данных компонента. Недостающие табличные опции используют интерполяционные таблицы, чтобы сопоставить перепад давления и скорость вращения к КПД или потерям компонента. Табличные опции включают:

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

Зависимости

Этот параметр включен, когда вариант блока установлен в Analytical or tabulated data.

`Nominal shaft angular velocity` — Угловая скорость вала, для которой можно задать номинальный объемный КПД
`188 rad/s` (значение по умолчанию) | скаляр с модулями угла/времени

Скорость вращения вращающегося вала, в котором известен номинальный 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, уровня утечек и момента трения.

Зависимости

Этот параметр включен, когда вариант блока установлен в Analytical or tabulated data и параметр Leakage and friction parameterization устанавливается на Analytical.

`Nominal pressure drop` — Перепад давления, при котором можно задать номинальный объемный КПД
`100e5 Pa` (значение по умолчанию) | скаляр с единицами давления

Перепад давления между входным и выходным отверстиями, при котором известен номинальный объемный КПД компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных условий работы в таблицах данных производителя. Блок использует этот параметр, чтобы вычислить, с помощью простой линейной функции, расход внутренних утечек.

Зависимости

`Nominal kinematic viscosity` — Кинематическая вязкость, при которой можно задать номинальный объемный КПД
`18 cSt` (значение по умолчанию) | скаляр с модулями области/времени

Кинематическая вязкость гидравлической жидкости, при которой известен номинальный объемный КПД компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных условий работы в таблицах данных производителя. Блок использует этот параметр, чтобы вычислить, с помощью простой линейной функции, расход внутренних утечек.

Зависимости

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

Плотность гидравлической жидкости, при которой известен номинальный объемный КПД компонента. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных условий работы в таблицах данных производителя. Блок использует этот параметр, чтобы вычислить, с помощью простой линейной функции, расход внутренних утечек.

Зависимости

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

Объемный КПД, заданный как отношение фактического объемного расхода к идеальному, при заданных номинальных условиях. Номинальные параметры обычно публикуются для стандартных условий работы в таблицах данных производителя. Блок использует этот параметр, чтобы вычислить, с помощью простой линейной функции, расход внутренних утечек.

Зависимости

`No-load torque` — Минимальный крутящий момент, требуемый вызвать вращение вала
`0.05 N*m` (значение по умолчанию) | скаляр с модулями крутящего момента

Крутящий момент, требуемый для преодоления трения и начала вращения механического вала. Этот крутящий момент является независимым от компонента нагрузки общего момента трения кручения.

Зависимости

`Friction torque vs. pressure drop coefficient` — Коэффициент пропорциональности между моментом трения и перепадом давления
`0.6e-6 N*m/Pa` (значение по умолчанию) | скаляр с модулями крутящего момента/давления

Коэффициент пропорциональности трения кручения на валу и перепада давления на входе и выходе мотора.

Зависимости

Этот параметр включен, когда вариант блока установлен в Analytical or tabulated data и параметр Leakage and friction parameterization устанавливается на Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies.

`Check if lower side pressure violating minimum valid condition` — Режим предупреждения моделирования при минимальном допустимом давлении
`None` (значение по умолчанию) | `Warning`

Режим предупреждения моделирования при недопустимых давлениях в портах компонента. Выберите Warning чтобы уведомить, когда давление падает ниже минимально заданного значения. Предупреждение может быть полезным в моделях, где давление может упасть ниже давления насыщенного пара гидравлической жидкости, провоцируя начало кавитации.

`Minimum valid pressure` — Давление, требуемое инициировать предупреждение симуляции
0 (значение по умолчанию) | скаляр с единицами давления

Нижняя граница области допустимых значений давления. Предупреждение будет выдано, если давление упадет ниже заданного значения.

Зависимости

Этот параметр включен, когда параметр Check if lower side pressure violating minimum valid condition устанавливается на Warning.

`Pressure drop vector for efficiencies, dp` — Перепады давления, при которых можно задать объемное и механический КПД
M- вектор элемента с единицами давления (значение по умолчанию)

M- вектор элемента из перепадов давления, при которых можно задать табличные данные КПД. Размер вектора, M, должен быть больше или равным двум. Векторные элементы должны быть расположенными неравными интервалами. Однако они должны монотонно увеличиться в значении слева направо.

Зависимости

`Shaft angular velocity vector for efficiencies, w` — Скорости вращения, при которых можно задать объемное и механический КПД
N- вектор элемента с модулями скорости вращения (значение по умолчанию)

N- вектор элемента из угловых скоростей вала, для которых можно задать табличные данные КПД. Размер вектора, N, должен быть больше или равным двум. Векторные элементы должны быть расположенными неравными интервалами. Однако они должны монотонно увеличиться в значении слева направо.

Зависимости

`Volumetric efficiency table, e_v(dp,w)` — Объемные КПД при заданных перепадах давления и скоростях вращения
безразмерный M-by-N матрица

M-by-N матрица с объемными КПД при заданных перепадах давления жидкости и угловых скоростях вала. КПД должны лежать в области значений 0-1. M и N являются размерами заданных векторов интерполяционной таблицы:

M является количеством векторных элементов в параметре Pressure drop vector for efficiencies, dp.
N является количеством векторных элементов в параметре Shaft angular velocity vector for efficiencies, w.

Зависимости

`Mechanical efficiency table, e_m(dp,w)` — Механический КПД при заданных перепадах давления и скоростях вращения
безразмерный M-by-N матрица

M-by-N матрица с механическим КПД, соответствующим заданным перепадам давления жидкости и угловым скоростям вала. КПД должны лежать в области значений 0-1. M и N являются размерами заданных векторов интерполяционной таблицы:

M является количеством векторных элементов в параметре Pressure drop vector for efficiencies, dp.
N является количеством векторных элементов в параметре Shaft angular velocity vector for efficiencies, w.

Зависимости

`Pressure drop threshold for motor-pump transition` — Перепад давления, при котором можно инициировать плавный переход между режимами мотора и насоса
`1e5 Pa` (значение по умолчанию) | скаляр с единицами давления

Перепад давления между входным и выходным отверстиями, ниже которого начинает переходить между моторным и насосным режимами компонент. Гиперболическое Tanh функционируйте преобразовывает уровень утечек и момент трения, таким образом, что переход непрерывен и сглажен.

Зависимости

Этот параметр включен, когда вариант блока установлен в Input efficiencies или когда вариант блока установлен в Analytical or tabulated data и параметр Leakage and friction parameterization устанавливается на Tabulated data — volumetric and mechanical efficiencies.

`Angular velocity threshold for pump—motor transition` — Угловая скорость вала, для которой можно инициировать плавный переход между режимами мотора и насоса
`10 rad/s` (значение по умолчанию) | скаляр с модулями угла/времени

Угловая скорость вала, ниже которой начинает переходить между моторным и насосным режимами компонент. Гиперболическое Tanh функционируйте преобразовывает уровень утечек и момент трения, таким образом, что переход непрерывен и сглажен.

Зависимости

`Check if operating beyond the quadrants of supplied tabulated data` — Режим предупреждения моделирования для условий работы вне области значений табличных данных
`None` (значение по умолчанию) | `Warning`

Режим предупреждения моделирования для условий работы вне области значений табличных данных. Выберите Warning чтобы уведомить, когда давление жидкости или угловая скорость вала выходят за пределы заданных табличных данных. Предупреждение не заставляет симуляцию останавливаться.

Зависимости

`Pressure drop vector for losses, dp` — Перепады давления, при которых можно задать объемные и механические потери
M- вектор элемента с единицами давления (значение по умолчанию)

M- вектор элемента из перепадов давления, при которых можно задать табличные данные потерь. Размер вектора, M, должен быть больше или равным двум. Векторные элементы должны быть расположенными неравными интервалами. Однако они должны монотонно увеличиться в значении слева направо.

Зависимости

`Shaft angular velocity vector for losses, w` — Скорости вращения, при которых можно задать объемные и механические потери
N- вектор элемента с модулями угла/времени (значение по умолчанию)

N- вектор элемента из угловых скоростей вала, для которых можно задать данные потерь компонента. Размер вектора, N, должен быть больше или равным двум. Векторные элементы должны быть расположенными неравными интервалами. Однако они должны монотонно увеличиться в значении слева направо.

Зависимости

`Volumetric loss table, q_loss(dp,w)` — Расход внутренних утечек при заданных перепадах давления и скоростях вращения
M-by-N матрица с модулями объема/времени

M-by-N матрица объемных потерь при заданных перепадах давления жидкости и угловых скоростях вала. Объемные потери заданы здесь как расход внутренних объемных утечек между портом А и портом B. M и N являются размерами заданных векторов интерполяционной таблицы:

M является количеством векторных элементов в параметре Pressure drop vector for losses, dp.
N является количеством векторных элементов в параметре Shaft angular velocity vector for losses, w.

Зависимости

`Mechanical loss table, torque_loss(dp,w)` — Моменты трения при заданных перепадах давления и скоростях вращения
M-by-N матрица с модулями крутящего момента

M-by-N матрица с механическими потерями при заданных перепадах давления жидкости и угловых скоростях вала. Механические потери заданы здесь как момент трения из-за изоляций и внутренних компонентов. M и N являются размерами заданных векторов интерполяционной таблицы:

M является количеством векторных элементов в параметре Pressure drop vector for losses, dp.
N является количеством векторных элементов в параметре Shaft angular velocity vector for losses, w.

Зависимости

Вариант 2: Input efficiencies