CN102036877A - 用于监测旋转-直线型电子机械传动器的输出的方法 - Google Patents

用于监测旋转-直线型电子机械传动器的输出的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于监测旋转-直线型电子机械传动器的输出，以检测所述传动器逐渐咬住的方法，其中所述方法包括：测量激励传动器感应绕组(4)的电流强度，该强度代表马达转矩，以及测量传动器杆(6)承受的轴向应力；计算传动器杆承受的轴向应力/马达转矩的比率，该比率代表传动器的总输出及其当前状态；以及基于传动器的当前状态，并且可选择地基于传动器的先前存储状态和/或基于外部参数，对传动器当前的状况进行评估。

Description

用于监测旋转-直线型电子机械传动器的输出的方法
本发明总体上涉及旋转-直线型电子机械传动器领域，并且更准确地涉及下述领域，即，监测旋转-直线型电子机械传动器，以检测所述传动器的逐渐咬住，从而提供能够确定其继续运行或更换的信息内容。
附图中的单一图提供了本发明所涉及的旋转-直线型电子机械传动器实例的总体构造的非常示意性的图示。作为简要提示，这种传动器包括：
-壳体1；
-旋转电动马达装置M，包括至少一个场绕组；以及
-至少一个螺母2，可转动地支撑在所述壳体1的轴承3内，并且与所述马达装置M成一体旋转。
在较具体示出的实例中，其对应于直接驱动型旋转-直线传动器：
-旋转电动马达装置M为电磁型，其包括：电绕组或场绕组4，所述电绕组或场绕组4布置成环状，并且特别是被支撑在至少一个槽5中，所述槽5设置在壳体1内或设置在与壳体1成一体的机座内，以上组件构成定子，并且所述电绕组或场绕组4能够产生旋转场，该旋转场驱动转子旋转，所述转子共轴地布置于绕组4的环状物内侧；以及
-至少一个螺母2共轴地布置在构成上述转子的绕组4的环状物内侧，该螺母2能够装配有磁铁，通常是装配永久磁铁，从而通过旋转场在轴承3中被驱动旋转。
此外，传动器包括：
-至少一个传动器杆6，其与螺母2基本上共轴布置，所述螺母2和所述传动器杆6通过轴向螺旋啮合装置旋转连接；为此，如图中所示出的，螺母2以管状元件的一般形式呈现，在其内表面的至少部分长度上设有至少一个螺旋螺纹7，同时传动器杆6具有处于螺母2内侧的一端，如图所示，其可以是扩大部8，该扩大部8在外侧上设有螺旋螺纹9；
-装置17，用于在旋转中相对于壳体1锁住传动器杆6，从而螺母2的旋转导致传动器杆6的线性位移，所述在旋转中用于锁住的装置可以简单地由与螺母2基本上共轴布置且轴向延伸的键10构成，所述键10具有非圆形的截面(例如，多边形，特别是四方形)，并且具有以固定方式嵌入到壳体1中的一端11和自由滑动地啮合在传动器杆6中的轴向孔13中的另一端12；
-设置在壳体1上的装置，用于将所述壳体1紧固到固定的或可移置的部件；例如，壳体1的一(或多)部分装配有孔眼13，能够接收连接元件，如特别是壳体1的端部14，其与传动器杆6的突出部分相对设置，并且可以是例如U形钩的形式；
-设置在传动器杆6上的装置，用于将所述传动器杆6的自由端部15紧固到分别是可移置的或固定的部件，简单的解决方案是对传动器杆6的所述端部15装配能够接收连接部件的孔眼16。
当然，以上描述仅作为给出一种构想的示例。可以理解，存在或者能够构设众多的旋转-直线型传动器的实施方案。特别是，通过下述设置可从前述提供的结构中推导出双传动器，即，在绕组4的环状物中，设置两个螺母2，所述两个螺母2端对端布置且具有相应的反向齿节螺纹，或者设置具有两个连续的反向齿节螺纹的单个螺母，所述螺母与两个相对设置的传动器杆啮合。此外，必须从广义上来理解术语“螺纹”，如其能被表示为标准的梯形螺杆以及球螺杆或滚珠螺杆。
现在，旋转-直线型电子机械传动器特别地(但不限于)用于所谓“全电气化”现代飞行器上的设备中。“全电气化”飞行器的设计包括：去除届时耗尽的液压系统及控制装置，并且用电子机械解决方案来替换它们，所述电子机械解决方案包含电子机械传动器，特别是，旋转-直线型电子机械传动器。此处使用的旋转-直线型电子机械传动器能用于，例如，驱动飞行器的全动式水平尾翼(翼片，飞行控制表面等)。
当然，由此发挥实际作用的电子机械解决方案必须提供至少等同于先前的液压解决方案的可靠程度。可靠性分析突出表现在以下故障：
-机械连接断开，
-表面污损；
-表面咬住。
上述的前两种故障不是旋转-直线型电子机械传动器独有的特性，在其它的解决方案(例如，先前的液压解决方案)中也会发生。因此，对于这些问题的解决方案是已知的，在旋转-直线型电子机械传动器的情形下可重复使用这些解决方案。
相比之下，所述第三种故障(表面咬住)是旋转-直线型电子机械传动器的特性，必须要要防止这种传动器的咬住，或者至少能被通知咬住的发生。
本发明基于以下情形，即，咬住不会突然出现，并且其导致传动器的阻塞性能逐渐减弱和由此导致性能下降。因此本发明基于检测咬住的提前警告信号。
相反，如果万一传动器突然咬住，则意味着本发明内容中提出的装置在提供出现突然咬住的任何提前警告方面没有效果。
本文中，本发明的目的是提出一种适当的装置，仅用于防止旋转-直线型电子机械传动器的逐渐咬住。此外，应该理解为，本发明的目的仅在于提出装置，该装置能够提供旋转-直线型电子机械传动器的状态信息，而并不涉及确定保留或更换所述传动器的可取性的后续步骤，这些后续步骤留给使用者处理。
为这些目的，本发明提出一种方法，用于监测旋转-直线型电子机械传动器的输出，目的是检测所述传动器的逐渐咬住，所述传动器包括：
-壳体；
-旋转马达装置；
-至少一个螺母，其可转动地支撑在所述壳体的轴承内，并且与所述马达装置成一体旋转；
-至少一个传动器杆，其与螺母共轴地布置，所述螺母与所述传动器杆通过轴向螺旋啮合装置转动地连接；
-装置，用于在旋转中相对于壳体锁住传动器杆，从而使螺母的旋转导致传动器杆的线性位移；
-设置在壳体上的装置，用于将壳体紧固到固定的或可移置的部件；以及
-设置在传动器杆上的装置，用于将传动器杆的自由端紧固到分别是可移置地或固定的部件，
该方法的特征在于下述步骤：
a)-测量激励场绕组的电流强度，所述强度代表马达转矩，以及
-测量应力，所述应力代表传动器杆所承受的轴向应力，
b)通过上述测量，计算[传动器杆承受的轴向应力/马达转矩]比率，该比率代表传动器的总输出并且代表传动器的当前状态，
c)然后，基于传动器的当前状态，并且可选择地基于传动器的先前存储状态和/或基于外部参数，对传动器的当前健康状态进行评估。
本发明提出的装置提供了允许对传动器的健康状态进行精确监测的优点，且为此监测从首次表示发生咬住开始逐渐咬住的进展情况。
本发明提出的装置还提供了具有较大使用灵活性的附加优点；特别是，在检测中，根据需求，用以实现传动器健康诊断的各种步骤能够自动地被执行或被触发；所述各种步骤也能够自动连续地(传动器各自处于连续监测)或循环地(例如，如飞行器装置的所有传动器或者在一组传动器中的所有传动器以循环方式依次被检测)执行。
本发明提供的解决方案具有另一个优点，即，由此所获信息的使用完全取决于传动器使用者，从而各使用者对于在传动器上测得的相同健康状态能够自由地作出不同处理。
通过附加测量和计算所获取的冗余信息能够提高对传动器状态的认识。
通过阅读以下本发明使用方法的某些优选方法的详细说明，能够更好地理解本发明，这些优选方法仅作为非限制性实例给出。
根据本发明的方法，步骤a)包括：
-测量激励场绕组或绕组4的电流强度，所述强度代表马达转矩，该信息已经在别处被使用，特别是在传动器的控制定律中，从而无需安装特定检测设备或执行特定检测就能获取该信息；以及
-测量应力，该应力代表传动器杆6承受的轴向应力，可以在壳体1连接到固定的或可移置的部件的连接处(特别是在连接孔眼13处)，或者在传动器杆6的自由端15连接到分别是可移置的或固定的部件的连接处(特别是在连接孔眼16处)执行该测量；为此，可以例如使用应变仪(用示意图表示为18)，其轴向地介于壳体1和壳体1所固定的可移置的或固定的部件之间(例如，在孔眼13的边缘和啮合在该孔眼中的连接部件之间)，目的是测量壳体1承受的轴向应力，该轴向应力代表传动器杆6承受的轴向应力，或者以同样的方式，使用应变仪，使其轴向地介于传动器杆6和其所固定的分别是可移置的或固定的部件之间(例如，在孔眼16的边缘和啮合在该孔眼中的连接部件之间)，目的是直接测量传动器杆6承受的轴向应力；也可以以优选方式采用通常在市场上可买到的(例如，由FGP Sensors公司出售的)标定中空连接轴(未示出)(或标定U形钩)来代替传统地设置在壳体上的U形钩，所述中空连接轴传送一电信号，该电信号代表该中空轴承受的轴向应力，由此代表传动器杆6承受的轴向应力；安装这种传感器是为了安全需求，通过将极限应力阈值设定到小于传动器杆能承受的最大应力的值和预先确定有关所选择的安全等级(例如，在飞行领域中大约20到30)来避免传动器杆承受超负荷应力：由此已经得到传动器杆6承受的轴向应力的信息，而不需要额外的设备。
咬住的出现导致激励场绕组的电流强度增加，和/或对于给定的电流强度，传动器杆上的应力减小。
为了利用该特性，在步骤b)中，通过上述测量计算下述比率：
η1＝[传动器杆6承受的轴向应力/马达转矩]
其结果代表传动器的总输出，并且通过参照传动器在健康状态下预先确定的电流强度/马达转矩的比值对来表示传动器的当前状态。
最后，对传动器的当前健康状态进行评估，所述评估是基于上述所确定的传动器的当前状态，以及可选地基于例如存储的传动器的先前状态的其它附加信息，这些附加信息可以选择性地用作上述参考值(不管这些是单个测量，还是先前测量的平均值)，和/或基于外部参数(例如，在这种应用中的飞行器的温度、速度等等)。
刚才已经讨论过的步骤可以优选地通过能够提供附加信息的附加步骤进行补充，尽管认为附加信息是冗余的，但目的在于，提高所给出的传动器健康状态诊断的安全性。
由此，可优选地提供如下步骤：
-在上述步骤a)中，还测量转矩，其代表在旋转中用于锁住的装置17和传动器杆6之间的抗旋转转矩；为此，可以插入应变仪(用示意图表示为19)，使其横向地介于嵌入壳体1中的传动器杆6的端部11和为此设置在壳体1上的嵌入凹部之间，该应变仪例如能够容易地被粘结到传动器杆6的所述端部11的外部侧表面；并且
-在上述步骤b)中，还计算下述比率：
η2＝[抗旋转转矩/马达转矩]
其代表轴承3的状态，所述轴承3用于将旋转螺母2可转动地安装到壳体1。
而且，或单独地或与比率η2的测定相结合地，优选地提供如下步骤：
-在上述步骤a)中，还测量代表在旋转中用于锁住的装置17和传动器杆6之间的抗旋转转矩的转矩，如基于以上阐述的情形；以及
-在上述步骤b)中，还计算下述比率：
η3＝[抗旋转转矩/杆6承受的轴向应力]
其代表分别与所述螺母2和所述杆6相配合的轴向螺旋啮合装置7，9的状态。
已知上述附加比率η2和/或η3，可以加强安全性能，并且也可以设置故障或断开定位元件，其被证实具有便于维修和/或加快维修进程的重要性。
本发明方法中执行的各种测量将产生相应的电信号，在电信号形成后且特别是数字化之后，能够以任何适当的方式在现场或远程处理该电信号，以提供健康状态的所需信息。
刚才已经论述的本发明方法的执行可产生众多变型，这些变型反应在传动器布置中的众多变型中。
由此，上面已着重考虑的旋转-直线型电子机械传动器是直接驱动型，包括：至少一个电场绕组4，其被固定容纳在壳体1中并能够产生旋转场；螺母2(或多个螺母)，其与场绕组4共轴布置在场绕组4内侧且装配有磁铁，通常是永久磁铁，永久磁铁通过旋转场被驱动旋转，并且通过该方式螺母2自身被驱动旋转。本发明方法似乎应当更广泛地覆盖这种传动器类型。然而，在带有传输插入装置，特别是减速齿轮的间接驱动型旋转-直线型电子机械传动器的情形下，本发明方法可找到等同有益的应用。
优选地还在于，用于将螺母2可转动地安装在壳体1上的轴承3是耐磨轴承，或球轴承或滚珠轴承。
连接螺母1和传动器杆6的轴向螺旋啮合装置7，9能分别通过在螺母1和传动器杆6的饰面上加工的普通螺纹7和9构成。但是，可以证明，通过连接螺母1和耐磨螺杆形成的传动器杆6的轴向螺旋啮合装置7、9，对于减小摩擦特别有益。

Claims (11)

1.一种用于监测旋转-直线型电子机械传动器的输出，以检测所述传动器逐渐咬住的方法，所述传动器包括：
-壳体(1)；
-旋转电动马达装置(M)，包括至少一个场绕组(4)；
-至少一个螺母(2)，可转动地支撑在所述壳体(1)的轴承(3)中，并且与所述马达装置(M)成一体旋转；
-至少一个传动器杆(6)，与螺母(2)共轴布置，所述螺母(2)与所述传动器杆(6)通过轴向螺旋啮合装置(7，9)旋转连接；
-装置(17)，用于在旋转中相对于壳体(1)锁住传动器杆(6)，从而螺母(2)的旋转导致传动器杆(6)的线性位移；
-设置在壳体(1)上的装置(13)，用于将壳体(1)紧固到固定的或可移置的部件；以及
-设置在传动器杆(6)上的装置(16)，用于将传动器杆(6)的自由端(15)紧固到分别是可移置的或固定的部件；
该方法的特征在于下述步骤：
a)-测量激励场绕组(4)的电流强度，所述强度代表马达转矩，以及
-测量应力，所述应力代表传动器杆(6)承受的轴向应力；
b)-通过上述测量，计算传动器杆承受的轴向应力除以马达转矩的比率，该比率代表传动器的总输出并且代表传动器的当前状态；
c)-基于传动器的当前状态，并且可选择地基于传动器的先前存储状态和/或基于外部参数，对传动器的当前健康状态进行评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中还测量一转矩，所述转矩代表在旋转中用于锁住的装置(17)和传动器杆(6)之间的抗旋转转矩，以及在步骤b)中还计算抗旋转转矩除以马达转矩的比率，该比率代表用于将螺母(2)可转动地安装在壳体(1)上的轴承(3)的状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中还测量一转矩，所述转矩代表在旋转中用于锁住的装置(17)和传动器杆(6)之间的抗旋转转矩，以及在步骤b)中还计算抗旋转转矩除以传动器杆承受的轴向应力的比率，该比率代表分别与所述螺母(2)和所述传动器杆(6)相配合的轴向螺旋啮合装置(7，9)的状态。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，旋转-直线型电子机械传动器是直接驱动型，其包括：至少一个电场绕组(4)，所述电场绕组被固定地容纳在壳体(1)中并能够产生旋转场，以及至少一个螺母(2)，所述螺母与场绕组(4)共轴布置并装配有磁铁。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，为了测量抗旋转转矩，至少一个应变仪(19)横向地介于用于在旋转中锁住的装置(17)和传动器杆(6)之间。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，设置在壳体(1)和/或传动器杆(6)上的紧固装置是U形钩型，并且至少一个应变仪(18)轴向地介于所述U形钩和被紧固到分别是固定的或可移置的部件之间，目的是测量所述U形钩承受的轴向应力，并且该应力代表传动器杆(6)承受的轴向应力。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，为了测量代表传动器杆(6)承受的轴向应力的应力，设置在壳体(1)或传动器杆(6)上的紧固装置是中空轴。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其特征在于，用于将螺母(2)可转动地安装在壳体(1)上的轴承(3)是耐磨轴承。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其特征在于，连接螺母(1)和传动器杆(6)的轴向螺旋啮合装置(7，9)包括耐磨螺杆。
10.根据权利要求4至9中的任一项所述的方法，其特征在于，螺母(2)为单个并共轴布置在场绕组(4)内侧，以及传动器杆(6)为单个并共轴布置在螺母(2)内侧。
11.根据权利要求4至10中的任一项所述的方法，其特征在于，用于在旋转中相对于壳体(1)锁住传动器杆(6)的装置(17)包括键(10)，所述键(10)以固定方式锚定在壳体(1)中并且滑动自由地啮合在传动器杆(6)内的轴向孔(13)内。
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