Tribodynamic Modeling of Digital Fluid Power Motors

I forbindelse med design af hydrauliske systemer er optimering af effektivitet og pålidelighed blevet en vigtig målsætning. Interessen for at bruge hydraulisk transmission i vind og bølge energi applikationer frembringer krav til effektivitet og pålidelighed for at kunne konkurrere med andre transmissionssystemer. I hydrauliske motorer og pumper er et væsentligt problem at tabsmekanismer ikke skaleres sammen med aftagende effektoverførsel. Eksisterende hydrauliske fortrængningsenheder har virkningsgrader op til 95%, men den faktiske virkningsgrad er væsentlig lavere ved drift situationer, som omfatter varieret fortrængning. Opfindelsen af digitalfortrængningsteknologien
har i den forbindelse skabt et gennembrud vedrørende dette problem. Den grundlæggende idé ved digitalfortrængning er at deaktiverer individuelle fortrængningskamre ved brug af elektrisk styrede ventiler. Denne deaktivering udføres ved at holde ventilen som forbinder kammeret med lavtryksmanifolden åben, hvorved udgangseffekten fra dette fortrængningskammer er lig nul, hvorfor design af friktions- og tætningsflader bliver meget vigtigt. Analyse af sådanne overflader hedder tribologi, hvilket er læren om friktion, smøring og slid. Derfor er nyttige tribologiske design metoder og værktøjer vigtigt for udviklingen af digitalfortrængningsenheder.

Det arbejde præsenteres i denne afhandling er en del af et forskningsprogram med fokus på udvikling af digitalfortrængnings MW-motorer til hydraulisktransmission i vindmøller. Som en del af denne udvikling, er design, analyse og optimering af tribologiske fladers effektivitet og pålidelighed afgørende. Denne afhandling omhandler derfor udviklingen af et egnet værktøj og metode til at nå optimal design af friktions- og tætningsflader. Det primære fokus er lagt på udviklingen of tribodynamisk modellering, dog behandles også en topologisk udvælgelse og en præsentation of et initierende motor design.

Et grundlæggende spørgsmål vedrørende tribodynamisk system modellering er den beregningsmæssige indsats. Ambitionen om at løse de partielle differentialligninger, der beskriver fysikken af tribodynamik er tæt forbundet med omhyggelig brug af effektiv algoritme kodning. Det overordnede formål med tribodynamisk modellering er at løse den vanskelige opgave, som udgøres af at søge det optimale design. En tilgang til optimal konstruktion af digitalfortrængningsenheder foreslås i denne afhandling. I det første trin af designprocessen foretages en topologisk udvælgelse på grundlag af erfaringer og tekniske skøn. Den grundlæggende idé er derefter at anvende en model, som er praktisk for en bred design analyse og derefter forfine design området, hvorefter mere nøjagtige modeller kan udnyttes før prototype forberedelse. Denne tilgang er en anerkendelse af at avancerede state of the art modeller er upraktisk til bred design analyse, på grund af høje simulation varigheder.

I denne afhandling præsenteres en topologi udvælgelse og et initierende design af en hydraulisk digitalfortrængningsenhed. Det primære fokus er den tribodynamiske modellering af dette design, med det formål at udføre simuleringer, som er praktiske til bred design analyse. Indtil nu er kun meget begrænset optimering blevet udført med eksisterende tribodynamiske modeller, hvilket skyldes upraktiske simulation varigheder. State of the art afslører, at for meget avancerede modeller bliver brugen begrænset til numeriske eksperimenter, snarere end beregning af objektfunktioner i optimeringsalgoritmer. Derfor er ambitionen inden for udvikling af en tribodynamik model at kunne udføre simuleringer med tilstrækkelig nøjagtighed i en tilstrækkelig lav varighed. De tre vigtigste fokusområder for en sådan udvikling er effektiv kodning, høj processorhastighed og analytiske tilnærmelser. Det primære fokusområde i denne afhandling er udviklingen af analytiske tilnærmelser for at opnå hurtigere modelleringsværktøjer. Der er i denne sammenhæng udviklet tre vigtige bidrag. Den første er en multibody tribodynamik modellerings metode, hvor smørefilmens
vægspændingsvektor er analytisk koblet med en Newton-Euler multibody dynamik tilgang. Den anden er en piezoviskøs kortleje løsning, der gælder for olie baseret hydrauliske smørefilm, hvor en række nødvendige betingelser for at retfærdiggøre brugen af denne løsning er udarbejdet. Den tredje er en asymptotisk tilnærmelse af laminar smørefilm termiske felt ved lav reduceret Peclet og Brinkman nummer. Desuden er en dynamisk analyse af tribodynamik i det initierende design af fortrængningsmotoren udført, hvilket giver indblik i den udfordring det er at udføre mere avancerede tribodynamiske simulationer, og samtidig praktisk kunne udføre en bred design analyse og design optimering.