Parametrització d'una bomba d'engranatges externs i validació en condicions reals
Authors:   , Torrent Gelmà Miquel 
Published: December 2023

(English) Pumps of positive volumetric displacement (PDVP) drive a volume of fluid from suction to discharge for each revolution of its shaft, called derived capacity, and therefore, in an ideal constant capacity pump the flow rate is proportional to the rotation speed and independent of the working pressure. This characteristic makes them very suitable to be used in oleo-hydraulic energy transmission systems (STEO). In a non-ideal pump, the flow losses due to leaks and the torque losses due to friction must be considered, evaluated through ISO experimental tests. With these results can be made a parameterization of pump behaviour in a permanent regime (average flow and average torque depending on the operating conditions) as well as its pulsating behaviour (flow ripple superimposed on the average flow as an intrinsic consequence of the pumping mechanism). The first part of the Thesis has been dedicated to this experimental parameterization. There are no precedents for any verification if this parameterization carried out with laboratory data and the consequent modelling is sufficient to predict the behaviour of these hydrostatic units in real working conditions. This validation has been the main objective of the second part of the Thesis.

As part of the BRITE "ECOPUMP" project, multiple external gear pumps (EGP) have been tested, and a reference pump of this type has been chosen to carry out the study. It is first of all to get to know in depth the operation of this type of pump, in order to have the necessary criterion to interpret the subsequent results. Next, all the experimental tests were carried out to perform the parameterization and modelling of its behaviour. Finally, experimental field tests have been carried out in real work cycles that allow the measured data to be compared with the results of the model under the same operating conditions.

However, the EGP have a simple construction, the mechanism for compensating the axial clearance between the floating bushing plates and the gears is the key to their behaviour. Therefore, to interpret the discrepancies between the measured data in the field tests and the results of the simulation, it is essential to study the dynamics of these plates. A tool is needed that allows simultaneous monitoring this movement together with the behaviour of the pump, and therefore, a model of the plate dynamics that can be integrated into the pump model. The Bond Graph technique is very suitable for this purpose. A tool has been created that allows simulate in real time long work cycles with a conventional computer, without using complex CFD software. Emphasize the use of the analogy of analytical solutions of hydrodynamic bearings with lubrication in the studied domain. The dimensional analysis has led us to use expressions that, to be valid, must be adjusted with experimental results that relate the movement of the plates to the operating conditions of the pump.
It is demonstrated how the parameterized model is fully valid to know the behaviour of the pump as long as the operating conditions do not suffer sudden changes. Otherwise, the dynamics to reach the axial clearance balance of the compensation mechanism explains peculiar behaviours which could not have been analysed without the developed tools. The main results of this research have been presented in various papers of Torrent et al., having established an unprecedented methodology applicable to any other type of BDVP.

(Català) Les bombes de desplaçament volumètric positiu (BDVP) transporten un volum determinat de fluid des de l'aspiració fins la impulsió per cada volta del seu eix, anomenat desplaçament volumètric, i per tant, en una bomba ideal de desplaçament constant el cabal és proporcional a la velocitat de gir i independent de la pressió de treball . Aquesta característica les fa molt adequades per a ésser utilitzades en sistemes de transmissió d'energia oleohidràulica (STEO). En una bomba no ideal s'han de considerar les pèrdues de cabal per fuites i les pèrdues de parell per fricció, avaluades mitjançant assaigs experimentals ISO, els quals permeten la parametrització tant del seu comportament en règim permanent (cabal mig entregat i parell mig absorbit en funció de les condicions operatives) com del seu comportament polsant (cabal arrissat superposat al cabal mig com a conseqüència intrínseca del mecanisme de bombeig). A aquesta parametrització experimental s'ha dedicat la primera part de la Tesi. No existeixen precedents de cap verificació sobre si aquesta parametrització duta a terme en el laboratori i la conseqüent modelització són suficients per a preveure el comportament d'aquestes unitats hidrostàtiques en condicions reals de treball. Aquesta validació ha estat l'objectiu principal de la segona part de la Tesi.
En el marc del projecte BRITE “ECOPUMP”, s'han assajat múltiples bombes d'engranatges externs (BE), havent-se escollit una bomba de referència d'aquest tipus per a realitzar l'estudi. Es tracta en primer lloc de conèixer amb profunditat el funcionament d'aquest tipus de bombes, a fi i efecte de disposar del criteri necessari per a interpretar els posteriors resultats. A continuació s'han realitzat totes les proves experimentals per a realitzar la parametrització i modelitzar el seu comportament. Finalment, s'han dut a terme les proves experimentals de camp en cicles reals de treball que permeten comparar les prestacions mesurades amb els resultats del model sota les mateixes condicions operatives.
Ara bé, les BE tenen una construcció força senzilla, sent clau en el seu comportament el mecanisme de compensació del joc axial entre les plaques laterals flotants i els engranatges. Per tant, alhora d'interpretar les possibles desavinences entre el comportament mesurat en les proves de camp i les del model, és fonamental estudiar la dinàmica d'aquestes plaques. Cal una eina que permeti monitoritzar simultàniament el seu moviment junt amb el comportament de la bomba, i per tant, un model de la dinàmica de la placa que pugui ser integrat en el de la bomba, sent la utilització de la tècnica del Bond Graph molt adient per aquest objectiu. S'ha creat una eina que permet simular pràcticament amb temps reals llargs cicles de treball amb un ordinador convencional, sense utilitzar complexos software CFD. Destacar la utilització de l'analogia de solucions analítiques de coixinets hidrodinàmics amb la lubricació en el domini estudiat. L'anàlisi dimensional ens ha dut a utilitzar expressions que per ser valides calen ser ajustades amb resultats experimentals que relacionin el moviment de les placa amb les condicions operatives de la bomba.
Es demostra com el model parametritzat és totalment vàlid per conèixer el comportament de la bomba mentre les condicions operatives no sofreixin canvis sobtats. Si no és així, la dinàmica per assolir l'equilibri del sistema de compensació de joc axial justifica comportaments peculiars els quals no haguessin pogut ser analitzats sense les eines creades. El principals resultats d'aquesta investigació han estat presentats en les diverses publicacions de Torrent et al., havent-se establert una metodologia inèdita aplicable a qualsevol altre tipus de BDVP.