Simulation of heat transfer characteristics and temperature distribution for key components of EHA of electric transmission actuating system

Power-by-wire, such as electro-hydrostatic actuator (EHA) and electro-mechanical actuator (EMA), has been widely used in aerospace field. Among them, the axial piston pump and driving motor are the key components of EHA: the axial piston pump has compact structure, high output pressure and small pulsation, but its heat-fluid-solid coupling problem has a high demand on the oil film bearing characteristics; at the same time, the heat of the generator at high speed will seriously affect the life of EHA. Once these key components fail, they will have irreparable consequences. The study of power loss, heat dissipation and temperature distribution of these key components is a multi-disciplinary cross-coupling problem involving fluid, mechanics, machinery, computers, materials and other technologies. In this paper, the aeronautical EHA is taken as the research object, and the multi-field coupling mathematical model of the key friction pair of the axial piston pump is established. The law of energy loss is studied, and the mechanism of heat dissipation and temperature rise is revealed. At the same time, the hydraulics, structure and circuit are comprehensively considered to accurately establish the EHA thermal network model, which is used to analyze the temperature rise law of its key nodes. Finally, the accuracy of the calculation results is analyzed based on the simulation software. The main work is as follows: Firstly, the friction characteristic equation of oil film of axial piston pump is established, which is dimensionless and discretized. The friction characteristic equation of oil film is solved numerically by Newton iteration method and over-relaxation iteration algorithm. Aiming at the negative pressure problem in the transition zone, the hydraulic oil is treated as compressible fluid, and the mathematical model of this region is revised. Finally, the temperature distribution, pressure distribution, power loss and other characteristics of the oil film is accurately analyzed. Secondly, on the premise of accurately analyzing the power loss of each part of EHA, the thermal network model of EHA system is built for motor, axial piston pump, hydraulic cylinder and other parts. The influence of oil flow in the plunger pump on the heat transfer of the system is considered. Through numerical solution, the temperature rise at the key position was studied. The cooling effect of different cooling methods on EHA is analyzed. In addition, considering the fast action time and the constant change of dynamic parameters of EHA, the transient change of temperature in key positions of EHA is analyzed. Next, backstepping control law of the EHA system is designed and its effectiveness is verified on Matlab. Finally, the main works, conclusions, and shortcomings of the paper are summarized, and the further research works in the future are presented.

L’approccio Power-by-wire, adottato ad esempio nell’attuatore elettro-idrostatico (EHA) e nell'attuatore elettromeccanico (EMA), è stato ampiamente utilizzato nel campo aerospaziale. La pompa a pistoni assiali e il motore di guida sono i componenti chiave dell'EHA: la pompa a pistoni assiali ha una struttura compatta, un'elevata pressione di uscita e piccole pulsazioni, ma il problema di accoppiamento fluido-calore richiede elevate caratteristiche del cuscinetto a film d'olio; allo stesso tempo, il calore del generatore ad alta velocità influenzerà seriamente la vita di un EHA. Una volta che questi componenti chiave falliscono, le conseguenze saranno irreparabili. Lo studio della perdite, della dissipazione del calore e della distribuzione della temperatura di questi componenti chiave è un problema multidisciplinare e incrociato, che coinvolge fluido, meccanica, macchinari, computer, materiali e altre tecnologie. In questo documento, l’oggetto di ricerca è l'EHA aeronautico e viene stabilito il modello matematico di accoppiamento multi-campo di un elemento chiave che è la “friction pair” (cioè la coppia di elementi fra i quali si sviluppa l’attrito) della pompa a pistoni assiali. Viene studiata la legge della perdita di energia e viene rivelato il meccanismo di dissipazione del calore e aumento della temperatura. Allo stesso tempo, l'idraulica, la struttura e il circuito sono considerati in modo completo per stabilire con precisione il modello della rete termica di un EHA, che viene utilizzato per analizzare la legge di aumento della temperatura dei suoi nodi chiave. Infine, l'accuratezza dei risultati del calcolo viene analizzata in base ad un software di simulazione. Lo schema del lavoro è il seguente. Innanzitutto viene stabilita l'equazione caratteristica di attrito del film d'olio della pompa a pistoni assiali, che è adimensionale e discretizzata. L'equazione caratteristica di attrito del film d'olio è risolta numericamente dal metodo di iterazione di Newton e dall'algoritmo di iterazione di sovra-rilassamento. Mirando al problema della pressione negativa nella zona di transizione, l'olio idraulico viene trattato come fluido comprimibile e il modello matematico di questa regione viene rivisto. Infine, la distribuzione della temperatura, la distribuzione della pressione, la perdita di potenza e altre caratteristiche del film d'olio vengono accuratamente analizzate. In secondo luogo, basandosi sulla premessa di aver analizzato con precisione le perdite di ogni parte dell’EHA, il modello di rete termica del sistema EHA è costruito per motore, pompa a pistone assiale, cilindro idraulico e altre parti. Viene considerata l'influenza del flusso di olio nella pompa dello stantuffo sul trasferimento di calore del sistema. Attraverso la soluzione numerica, è stato studiato l'aumento di temperatura nella posizione chiave. Viene analizzato l'effetto di raffreddamento di diversi metodi di raffreddamento sull’EHA. Inoltre, considerando il rapido tempo di azione e il costante cambiamento dei parametri dinamici dell'EHA, viene analizzato il cambiamento transitorio della temperatura nelle posizioni chiave dell'EHA. Successivamente, viene progettata una legge di controllo a ritroso del sistema EHA e la sua efficacia viene verificata su Matlab. Infine, si riassumono il contenuto principale, le conclusioni e le carenze del lavoro, e si presenta l'ulteriore lavoro di ricerca futuro.