CN104595289B - 一种双余度电动静液作动器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的采用基于单出杆液压对称原理的新型液压缸的双余度电动静液作动器(EHA)，主要由两套完全相同的EHA本体和一个新型的串联液压缸组成。EHA本体包括DSP控制器、功率驱动单元、直流无刷电机、双向伺服泵、单向阀、蓄能器、阻尼旁通阀、安全阀、电流传感器、转速传感器和压力传感器；串联液压缸包括A、B、C、D四个腔室，其中A腔室的作用面积与D腔室相同，B腔室的作用面积与C腔室相同，B、C两个腔室和A、D两个腔室分别与上通道EHA本体和下通道EHA本体的进出油口相连。所设计的双余度EHA可以减小现有双余度EHA的体积和重量，且对现有EHA改动最小；所设计的新型液压缸结构简单、加工方便、易于实现，具有广阔的应用前景。

Description

一种双余度电动静液作动器

技术领域

本发明涉及一种双余度电动静液作动器，属于电液伺服控制和作动技术领域。

背景技术

作动系统是飞机的一个重要环节。现代飞机上的作动系统有液压、电力、气压和机械作动系统等四种。当前机载液压作动系统是在飞行控制领域应用最广的一个方式，目前的飞行器大多数采用液压作为动力，并由飞控计算机进行电传的综合控制，以操纵飞机控制舵面，实现飞行姿态和轨迹的控制。机载作动系统的性能优劣将直接影响飞机的整体性能。

为了满足未来飞机向高机动性、超高速及大功率方向发展，飞机液压系统正朝着高压化、大功率、变压力、智能化、集成化、多余度方向发展。但是，采用液压作动系统，由于飞机全身布满液压管路，增加了飞控系统的总重量，使飞机的受攻击面积增大，导致飞机战伤生存率不高；高压化和大功率则使传统飞机液压系统的效率问题日益突出，进而引发了诸如散热、使飞机燃油总效率降低等问题。

因此，随着新材料、电机技术、控制学和先进制造技术等的发展，用以取代目前所依赖的功率液压传动的功率电传技术就应运而生了。所谓功率电传是指由飞机第二能源系统至作动系统各执行机构之间的功率传输采用电导线以电能量传输的方式完成。以多电飞机为发展方向的未来飞行器的机载作动系统将主要采用功率电传作动器，如电动静液作动器(EHA,Electro-Hydrostatic Actuator)和机电作动器(EMA，Electro-MechanicalActuator)等。

采用功率电传作动系统后，由于没有了遍布机身的液压管路，且一体化作动器易形成容错能力，使飞机具有了以下优点：

1)维修性好。易于检测，具有很强的机内自检能力；同时，定期维护工作也有所减轻。2)可靠性高。电力作动方式易形成容错能力；取消了原液压作动系统中高故障率的伺服阀。3)生存力强。在机身和机翼中没有高压的液压管道，不存在液压油可燃等问题，因而它在战斗受损后的生存力强，也更安全。4)减轻起飞重量。采用电力作动方式将大大节省燃油，减少管路布置，减轻飞机的冷却负担。5)大量节省费用。降低了飞机的生产费用、发展费用和寿命期维护费用等。

典型的EHA主要由伺服电动机、液压泵和作动筒组成，如图1所示，通过电动机驱动液压泵，提供系统流量，直接驱动作动筒，通过调节电动机转速和(或)泵的排量来改变流量，达到对作动器输出位移或速度进行伺服控制的目的，泵的输出压力由负载决定，较阀控系统而言，不存在压力损失，属于容积控制系统，系统效率较高。

当EHA用于驱动飞机主飞控舵面时，往往需要其能够提供至少两个余度。在一套系统发生故障时，另一套系统能够替代其投入运行，以保证飞行安全。现有的双余度EHA系统一般采用串联双出杆对称液压缸，如图2所示，每套EHA系统分别与其中对称的两个液压缸两腔直接相连。由于这种双出杆液压缸的活塞杆双向伸出，导致其占用空间较大，这对于飞机来讲是不可取的。针对该问题，现有专利“一种双余度电液伺服执行器(CN 102226453B)”公开了一种采用非对称单出杆液压缸与对称双出杆液压缸串联的双余度电液伺服执行器，分别针对单出杆液压缸和双出杆液压缸设计了不同的液压回路。上述方案虽然解决了串联双出杆液压缸占用空间大的问题，但结构相对比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的双余度电动静液作动器，通过对串联液压缸的结构改进，既节省空间，又结构简单，同时又对现有EHA改动最小。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的双余度电动静液作动器，主要包括两套完全相同的EHA本体和一个新型的串联液压缸；

所述的EHA本体，包括DSP控制器、功率驱动单元、直流无刷伺服电机、双向伺服泵、单向阀、蓄能器、阻尼旁通阀、安全阀、电流传感器、转速传感器和压力传感器；

所述的串联液压缸，包括A、B、C、D四个腔室，其中A腔室的作用面积与D腔室相同，B腔室的作用面积与C腔室相同，B和C两个腔室分别与上通道EHA本体的进出油口相连，A和D两个腔室分别与下通道EHA本体的进出油口相连。

两套完全相同的EHA本体构成了作动器功率源的相似双余度，可采用任一种现有EHA的原理，如变转速变排量(VMVP)型、变转速定排量(VMFP)型、定转速变排量(FMVP)型，下文以变转速定排量(VMFP)型EHA本体为例进行说明。如图3所示，每套EHA本体的DSP控制器分别接收上级飞控计算机控制指令，通过控制算法计算出输出信号传递给功率驱动单元。功率驱动单元依照输入信号给直流无刷伺服电机输出相应电功率，调节电机的转速和转向。伺服电机进而带动双向伺服泵旋转，以调节系统内流量，油液直接进入对应的液压缸容腔，最终实现了对液压缸输出位置和速度的调节。由于EHA属于闭式液压系统，系统内油液需保持平衡，所以要设置单向阀和蓄能器，用于控制系统的泄油和补油，避免系统出现气穴。阻尼旁通阀用于隔离本通道液压缸与EHA本体的连接，以保证该通道EHA本体能顺利与作动系统脱离，进入随动状态。安全阀用于过压保护，可避免异常状态下系统压力过高造成的危害。各类传感器用于系统的实时控制和状态监测。

双余度作动器有多种工作状态。正常工作时，两个通道可工作在“主动/主动”或“主动/随动”状态。“主动/主动”指两个通道都一直连续进行主动调节。如图3所示，液压缸活塞杆需要伸出时，上通道EHA本体输出油液到液压缸的C腔，下通道EHA本体输出油液到液压缸A腔。活塞杆需要缩回时，上通道EHA本体输出油液到液压缸的B腔，下通道EHA本体输出油液到液压缸D腔。两个通道输出值的具体大小由上级余度控制计算机给出，由于液压缸两个通道的作用面积不同，两个EHA本体接收到的指令也是不同的。当工作在“主动/随动”状态时，某一个通道工作在主动控制下，另外的通道系统正常上电，但不输出，液压回路处于旁通状态，油液是在主动通道的带动下进行流动。相对于“主动/主动”状态，输出功率约减小一倍，但两通道的均衡控制简化很多。当某一通道异常不能正常工作时，余度作动器工作在降级状态，异常通道处于旁通状态，不再输出。正常通道工作在主动控制方式下，驱动负载，并带动异常通道动作。

两个EHA本体在余度控制器和本通道控制器下，单独或同时以液压能的方式输出功率给液压缸，液压缸负责将输入的液压能转化为机械能直接驱动负载。本作动器采用图4所示的液压缸，有四个工作油腔，可双余度实现由液压能到机械能的转化。液压缸采用了新型的单出杆液压对称原理，相对于之前的双余度串联液压缸，有诸多优势。液压缸缸筒分为左右2段容腔，中间靠固定隔板隔开，每段容腔内都有能自由滑动的活塞，两个活塞的直径和行程相等。任一活塞受到压力驱动时，都可通过活塞杆向外传递直线作用力。缸筒内部轴线上有一导杆，活塞杆是中空的，套在导杆上滑动，二者之间有密封装置，防止油液进入中空活塞杆内。中空活塞杆的可变容腔与外界大气连通，避免出现闭死空间。在结构尺寸上，导杆直径与活塞杆伸出部分直径相等，这样可保证液压缸A腔和D腔作用面积相等。依据结构和强度要求，两个活塞之间的活塞杆直径大于导杆直径，也保证了B腔和C腔的作用面积相等，但作用面积小于A腔和D腔。这样两套EHA本体的油口分别与液压缸A、D和B、C油口相连，就实现了液压的对称性，满足EHA的一般设计要求。通过引入导杆结构，实现了液压缸保持对称性的同时，只有一侧出杆。两个EHA本体的输出功率，经液压缸综合为一致的输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：所设计的双余度EHA采用基于单出杆液压对称原理的新型液压缸，可以减小现有双余度EHA的体积和重量，且对现有EHA改动最小；所设计的新型液压缸结构简单、加工方便，易于实现。

附图说明

图1是典型EHA的原理图；

图2是现有双余度EHA的原理图；

图3是本发明的总体原理图；

图4是本发明的串联液压缸结构原理图；

图中，1.上通道EHA本体，2.下通道EHA本体，3.串联液压缸，4.DSP控制器，5.功率驱动单元，6.直流无刷伺服电机，7.双向伺服泵，8.单向阀，9.蓄能器，10.阻尼旁通阀，11.安全阀，12.电流传感器，13.转速传感器，14.压力传感器，15.位移传感器，16.尾部支座，17.尾部铰接头，18.导杆，19.缸筒，20.固定隔板，21.活塞杆，22.活塞，23.头部铰接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种双余度电动静液作动器，上通道EHA本体1的进出油口分别与串联液压缸3的B腔和C腔相连，下通道EHA本体2的进出油口分别与串联液压缸3的A腔和D腔相连，通过共同作用实现对串联液压缸3的输出位置和速度进行调节的目的；每套EHA本体1或2的DSP控制器4分别接收上级飞控计算机的控制指令，通过控制算法计算出输出信号传递给功率驱动单元5；功率驱动单元5依照输入信号给直流无刷伺服电机6输出相应电功率，调节伺服电机6的转速和转向；伺服电机6进而带动双向伺服泵7旋转，以调节系统内流量；油液直接进入对应的串联液压缸3的容腔，最终实现了对液压缸3输出位置和速度的调节。由于EHA属于闭式液压系统，系统内油液需保持平衡，通过设置单向阀8和蓄能器9来控制系统的泄油和补油，避免系统出现气穴；阻尼旁通阀10用于隔离本通道液压缸3与EHA本体1或2的连接，以保证该通道EHA本体1或2能顺利与液压缸3脱离，使液压缸3能够进入随动状态；安全阀11用于过压保护，避免异常状态下系统压力过高造成的危害；电流传感器12用于反馈伺服电机6的工作电流，供DSP控制器4进行实时控制和状态监测；转速传感器13用于反馈伺服电机6的工作转速，供DSP控制器4进行实时控制和状态监测；压力传感器14用于反馈串联液压缸3相应容腔内的工作压力，供DSP控制器4进行实时控制和状态监测；位移传感器15用于反馈串联液压缸3的工作位移，供DSP控制器4进行实时控制和状态监测。

串联液压缸3通过尾部支座16和尾部铰接头17固定在飞机上，通过头部铰接头23与飞控舵面连接；串联液压缸3的缸筒19通过位于中间的固定隔板20分隔为左右2段容腔，每段容腔内都有能自由滑动的活塞22，两个活塞22的直径和行程相等；任一活塞22受到压力驱动时，都可通过活塞杆21向外传递直线作用力；缸筒19内部轴线上有一导杆18，活塞杆21是中空的，套在导杆18上滑动，二者之间有密封装置，防止油液进入中空活塞杆21内；中空活塞杆21的可变容腔与外界大气连通，避免出现闭死空间；导杆18的直径与活塞杆21的伸出部分直径相等，这样可保证串联液压缸3的A腔和D腔作用面积相等；两个活塞22之间的活塞杆21的直径大于导杆18的直径，也保证了B腔和C腔的作用面积相等，但其作用面积小于A腔和D腔；两套EHA本体1和2的油口分别与串联液压缸3的B、C和A、D油口相连，实现了液压的对称性，满足EHA的一般设计要求；通过引入导杆18，实现了串联液压缸3保持对称性的同时，只有一侧出杆；两套EHA本体1和2的输出功率，经串联液压缸3综合为一致的输出。

Claims (3)

1.双余度电动静液作动器，其特征在于：包括上通道EHA本体、下通道EHA本体、串联液压缸、DSP控制器、功率驱动单元、直流无刷伺服电机、双向伺服泵、单向阀、蓄能器、阻尼旁通阀、安全阀、电流传感器、转速传感器、压力传感器、位移传感器；

上通道EHA本体的进出油口分别与串联液压缸的B腔和C腔相连；

下通道EHA本体的进出油口分别与串联液压缸的A腔和D腔相连；

每套EHA本体的DSP控制器分别接收上级飞控计算机的控制指令，通过控制算法计算出输出信号传递给功率驱动单元；

功率驱动单元依照输入信号给直流无刷伺服电机输出相应电功率，调节伺服电机的转速和转向；

伺服电机带动双向伺服泵旋转，以调节系统内流量；

单向阀和蓄能器用来控制系统的泄油和补油，避免系统出现气穴；

阻尼旁通阀用于隔离本通道液压缸与EHA本体的连接，以保证该通道EHA本体能顺利与液压缸脱离；

安全阀用于过压保护，避免异常状态下系统压力过高造成的危害；

电流传感器用于反馈伺服电机的工作电流，供DSP控制器进行实时控制和状态监测；

转速传感器用于反馈伺服电机的工作转速，供DSP控制器进行实时控制和状态监测；

压力传感器用于反馈串联液压缸相应容腔内的工作压力，供DSP控制器进行实时控制和状态监测；

位移传感器用于反馈串联液压缸的工作位移，供DSP控制器进行实时控制和状态监测。

2.如权利要求1所述的双余度电动静液作动器，其特征在于：所述的串联液压缸包括尾部支座、尾部铰接头、导杆、缸筒、固定隔板、活塞杆、活塞、头部铰接头；

串联液压缸通过尾部支座和尾部铰接头固定在飞机上，通过头部铰接头与飞控舵面连接；

串联液压缸的缸筒通过位于中间的固定隔板分隔为左右2段容腔，每段容腔内都有能自由滑动的活塞，两个活塞的直径和行程相等；

任一活塞受到压力驱动时，都可通过活塞杆向外传递直线作用力；

缸筒内部轴线上有一导杆，活塞杆是中空的，套在导杆上滑动，二者之间有密封装置；

中空活塞杆的可变容腔与外界大气连通，避免出现闭死空间；

导杆的直径与活塞杆的伸出部分直径相等；

两个活塞之间的活塞杆的直径大于导杆的直径，以保证B腔和C腔的作用面积相等，但其作用面积小于A腔和D腔。

3.如权利要求2所述的双余度电动静液作动器，其特征在于：所述的活塞杆的中空部分的长度应保证导杆在其中运动时不与活塞杆发生碰撞。