Variable speed digital electro-hydraulic actuator for aircraft application

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Dimitri Oliveira e
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247695
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2023.
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spelling Variable speed digital electro-hydraulic actuator for aircraft applicationEngenharia mecânicaHidráulicaBombas hidráulicasAtuadores de aeronavesAtuadores hidráulicosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2023.O desenvolvimento de equipamentos, produtos e sistemas mais eficientes é um dos principais focos de pesquisa na atualidade. Em muitos casos, o estudo para obter sistemas mais eficientes está relacionado à redução do consumo de combustível e à redução da emissão de poluentes, como ocorre nos meios de transporte utilizados atualmente, sejam eles terrestres, aquáticos ou aéreos. A hidráulica é uma tecnologia extensivamente utilizada em setores industriais, de máquinas pesadas e sistemas de atuação para controle de superfícies de aeronaves. Esta tecnologia destaca-­se pela sua elevada densidade de potência, robustez, confiabilidade e dinâmica. Porém, é também conhecida por sua baixa eficiência energética devido, principalmente, ao uso de controle dissipativo e por vazamentos internos de componentes. Uma das formas de melhorar a eficiência energética de um sistema é através da redução do desperdício de energia. Nessa vertente, a hidráulica digital vem sendo estudada ao longo dos últimos anos no intuito de reduzir a utilização do controle dissipativo, amplamente utilizado em sistemas hidráulicos controlados por servo válvulas ou válvulas proporcionais. Esta tese de doutorado propõe uma nova topologia de atuador hidráulico digital denominado de Variable Speed Digital Electro-­Hydraulic Actuator ? VSDEHA, com ênfase na aplicação para superfícies de controle de aeronaves e foi realizada em colaboração com a Universidade de Linköping e a Saab AB. A solução proposta utiliza uma bomba hidráulica digital acoplada a um motor elétrico de velocidade variável para suprir um cilindro simétrico, de acordo com a demanda de vazão. Através do emprego do conceito de hidráulica digital, o controle de posição do cilindro é realizado utilizando válvulas on/off de assento, no intuito de reduzir a dissipação de energia do sistema e evitar o vazamento interno. Um método para o projeto de uma bomba hidráulica digital de velocidade variável é proposto. A aplicação do método gera informações úteis para a seleção de motores elétricos, como torque e velocidade, além da combinação de bombas sugerida para atender cada ponto de operação do atuador. A utilização da rotação variável possibilitou um controle suave e contínuo do cilindro, apresentando boa resposta ao controle de posição. Uma das vantagens dessa topologia é o reduzido número de válvulas, em relação a outras topologias de atuadores hidráulicos digitais. A implementação do sistema hidráulico foi feita utilizando os softwares MatLab/Simulink® e Hopsan. Um modelo de motor elétrico foi utilizado para avaliar o consumo energético da solução. Lógica Fuzzy foi utilizada para criar um identificador de esforços e direção de movimento, utilizado na estratégia de controle do atuador. Experimentos foram realizados em uma bancada construída para prova de conceito. A avaliação energética realizada apresentou uma eficiência de até 58% na conversão da energia hidráulica para saída de energia útil no cilindro. Foram realizadas simulações para comparar o VSDEHA como outros atuadores. Em comparação com um atuador eletro­-hidrostático (EHA), foi possível atingir o dobro da eficiência na conversão de energia hidráulica. Em comparação com um atuador servo hidráulico (SHA), em uma simulação de voo, o VSDEHA precisou de cerca de 22 vezes menos energia para a execução do mesmo trabalho. Finalmente, foi concluído que o VSDEHA apresenta um grande potencial para o desenvolvimento de atuadores hidráulicos mais eficientes e com boa controlabilidade, podendo ser aplicado também em outras áreas como indústria e máquinas móveis, com a vantagem de utilizar componentes mais baratos, simples e robustos, reduzindo custo de implementação e manutenção.Abstract: The development of more efficient equipment, products, and systems is one of the main focuses of research today. In most cases, the study to obtain more efficient systems is related to reducing fuel consumption and reducing the emission of pollutants, as it occurs in the currently used means of transport, whether land, water, or air. Fluid power is a technology extensively used in industrial sectors, heavy machinery, and actuation systems for controlling aircraft surfaces. This technology stands out for its high power density, robustness, reliability, and dynamics. However, it is also known for its relative low energy efficiency, mainly due to the use of dissipative control and internal leakage in components. One of the ways to improve the energy efficiency of a system is to reduce energy waste. In this sense, digital hydraulics has been studied in recent years in order to reduce the use of dissipative control, widely used in hydraulic systems controlled by servo valves or proportional valves. This doctoral thesis proposes a new digital hydraulic actuator topology called Variable Speed Digital Electro­-Hydraulic Actuator ? VSDEHA, with emphasis on application to aircraft control surfaces and was carried out in collaboration with the Linköping University and Saab AB. The proposed solution uses a digital hydraulic pump coupled to a variable-­speed electric motor to supply a symmetrical cylinder, according to the flow demand. Through the use of the concept of digital hydraulics, the cylinder position control is carried out using the seat on/off valves, in order to avoid throttling control and internal leakage. A method for designing a variable-­speed digital hydraulic pump is proposed. The application of the method generates useful information for the selection of electric motors, such as torque and speed, in addition to the suggested combination of pumping units to meet each actuator operating point. The use of the variable rotational frequency enables a smoother and more continuous control of the cylinder, presenting a good response to the position control. One of the advantages of this topology is the reduced number of valves, compared to other topologies of digital hydraulic actuators. The hydraulic system was implemented using MatLab/Simulink® and Hopsan software. An electric motor model was used to evaluate the energy consumption of the solution. Fuzzy logic was used to create an identifier of efforts and movement direction, used in the actuator control strategy. Experimental tests were performed on a test bench built for proof of concept. The energy evaluation carried out showed an efficiency of up to 58% in the conversion of hydraulic energy to useful energy output in the cylinder. Simulations were performed to compare the VSDEHA with other actuators. Compared to an electro hydrostatic actuator (EHA), it was possible to achieve twice the efficiency in converting hydraulic energy. Compared to a servo hydraulic actuator (SHA) in a flight simulation, the VSDEHA needed about 22 times less energy to perform the same work. Finally, it was concluded that VSDEHA has great potential for the development of more efficient hydraulic actuators with good controllability, and can also be applied in other areas such as industry and mobile machinery, with the advantage of using cheaper, simpler, and more robust components, reducing implementation and maintenance costs.De Negri, Victor JulianoWaltrich, GierriUniversidade Federal de Santa CatarinaSilva, Dimitri Oliveira e2023-06-28T18:27:32Z2023-06-28T18:27:32Z2023info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis212 p.| il., gráfs.application/pdf381779https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247695engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-07-03T16:44:39Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/247695Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732023-07-03T16:44:39Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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