CN112985868A - 一种机电作动器故障模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可模拟机电作动器故障发生过程实验装置，包括：机电作动器、直线位移传感器安装支架、加速度传感器、直线轴承、铁芯、螺线管、套筒、压缩弹簧、磁铁、负载板、直线导轨、连接杆、力传感器、液压加载器、直线位移传感器；其中铁芯、螺线管、套筒、压缩弹簧、磁铁组成该实验台的机电作动器转换模块；所述机电作动器有两个，一个为正常状态的机电作动器，另一个为故障状态的机电作动器，该实验台工作时可以由正常状态的机电作动器转换为故障状态的机电作动器，实现故障状态的模拟。本公开实验台具有机电作动器故障模拟的功能，结构简单，操作方便，可通过更换故障状态的机电作动器模拟机电作动器的多种不同的故障发生过程。

Description

一种机电作动器故障模拟实验装置

技术领域

本发明属于机电作动器故障模拟领域，特别涉及一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置。

背景技术

机电作动器因其尺寸小、精度高、响应速度快、便于维护等优点越来越多的应用在航空、航天飞行器中。作为航空、航天飞行器操纵装置中的重要组件，机电作动器的可靠性直接决定了航空、航天飞行器的可靠性。然而，机电作动器的故障状态呈现随机性，无法在飞行器工作状态下模拟或者实测。因此，机电作动器的故障状态只能在地面实验台上进行模拟。

现有技术中，针对机电作动器的实验台大多注重于机电作动器的性能测试，如中国专利201210076505.7提出的笼式直线机电作动器性能试验台和中国专利201410228329.3提出的多功能直线机电作动器性能试验台都是关于机电作动器性能测试的实验台，无法在机电作动器运行时实现由正常状态到故障状态的转化，无法快速地模拟机电作动器故障发生过程，中国专利201610943197.1提出的一种双通道机电作动系统实验设备有两个不同类型的机电作动器，用来研究力纷争问题，同样无法模拟机电作动器故障发生过程，文献“Combining Model-Based and Feature-Driven Diagnosis Approaches–ACase Study on Electromechanical Actuators”介绍了一种机电作动器耦合系统，该系统可以实现机电作动器的转换，但是该系统无法调节负载，且系统中的电磁离合器无法可靠地承受轴向力。针对上述现有技术的不足，本专利提出了一种可以实现机电作动器故障模拟的实验台，且可以实现负载的无级调节，且专利中所提到的机电作动器转换模块可以可靠地承受轴向力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有机电作动器实验台无法在运行过程中快速实现由正常状态到故障状态的转化的缺陷，本发明设计一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，本实验装置可以实现负载的无级调节，且专利中所提到的机电作动器转换模块可以可靠地承受轴向力。此实验装置可以在运行过程中实现机电作动器的故障模拟过程，而且此过程是可控的，同时也可以改变机电作动器的负载，模拟不同工作负载下的故障转化过程。

本发明的技术方案是：一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，包括支撑台、第一机电作动器、第二机电作动器、作动器转换模块、直线导轨、负载板、连接杆、力传感器和液压加载器；其中第一机电作动器和第二机电作动器中一个为非故障作动器，一个为故障作动器，且两个作动器输出端分别连接一作动器转换模块；第一机电作动器和第二机电作动器的轴线相互平行；

所述作动器转换模块包括铁芯、螺线管、套筒、压缩弹簧和磁铁，且五者同轴布置；

所述铁芯一端与机电作动器的推杆固连，另一端套有螺线管，铁芯和螺线管位于套筒中，且套筒与铁芯固连；磁铁一端与负载板一侧固连，另一端套有压缩弹簧，压缩弹簧另一端通过套筒顶住；压缩弹簧初始状态为原长状态；

所述负载板位于直线导轨上，负载板另一侧固连连接杆一端，连接杆另一端连接液压加载器，液压加载器通过连接杆对负载板施加载荷；

所述连接杆中部装有力传感器，用于测量施加的载荷力；

所述第一机电作动器和第二机电作动器上均安装传感器，用于测量机电作动器试验中的指标参数。

本发明进一步的技术方案是：实验时，同时开启第一机电作动器和第二机电作动器，液压加载器通电将负载传递到负载板；对非故障作动器的螺线管进行通电，使铁芯与磁铁相吸，从而带动作动器推杆与负载板贴合，非故障作动器处于工作状态，非故障作动器的推杆、转换模块和负载板连接为一个整体，可以一起沿着机电作动器的输出方向运动；当对非故障作动器的螺线管断电，故障作动器的螺线管通电，此时故障作动器处于工作状态，并模拟了机电作动器的故障发生过程。

本发明进一步的技术方案是：所述传感器包括直线位移传感器和加速度传感器；所述加速度传感器安装在两个机电作动器的推杆上，用于故障模拟实验时加速度数据的采集；直线位移传感器安装在两个机电作动器的外壳上，用于实时监测机电作动器推杆的位置。

本发明进一步的技术方案是：所述直线导轨、液压加载器、两个作动器德一端均固连在支撑台上。

本发明进一步的技术方案是：还包括直线轴承，所述直线轴承固定在支撑台上，第一机电作动器和第二机电作动器的推杆穿过直线轴承。

本发明进一步的技术方案是：所述负载板分别与两个磁铁通过螺钉连接，且连接时安装有平垫圈和弹簧垫圈进行防松。

本发明进一步的技术方案是：还包括加强筋，所述加强筋位于连接杆与负载板连接的一侧。

本发明进一步的技术方案是：所述故障作动器可进行更换，模拟作动器多种不同的故障发生过程。

发明效果

本发明的技术效果在于：

(1)本发明所述的实验装置结构紧凑，零部件少，操作方便，实验台的机电作动器有两个，一个为无故障的第一机电作动器，另一个为有故障的第二机电作动器，实验台运行时可以通过机电作动器转换模块由无故障的第一机电作动器快速地转换为有故障的第二机电作动器，实现机电作动器故障发生过程的模拟。

(2)在正常和故障作动器进行切换时后，对故障作动器的振动加速度数据进行监测，从而得出该种故障类型下的作动器的数据；更换其他故障类型的作动器后，采用同样方法对作动器的振动加速度数据进行监测，最终得到不同故障种类下的机电作动器的振动加速度数据，为为机电作动器的故障诊断实验提供可靠的数据。

(3)通过液压加载器可以改变机电作动器的负载，从而可以模拟不同负载下机电作动器的故障发生过程。

附图说明

图1为一种机电作动器故障模拟实验台的总体结构图；

图2为一种机电作动器故障模拟实验台的俯视图；

图3为直线位移传感器安装支架结构图；

图4为负载板结构图；

图5为机电作动器转换模块非贴合状态图；

图6为机电作动器转换模块贴合状态图

附图标记说明：1.支撑台；2.第一机电作动器；3.直线位移传感器安装支架；4.第二机电作动器；5.加速度传感器；6.直线轴承；7.铁芯；8.螺线管；9.套筒；10.压缩弹簧；11.磁铁；12.负载板；13.直线导轨；14.连接杆；15.力传感器；16.液压加载器；17.直线位移传感器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1—图6，一种机电作动器故障模拟实验台，包括支撑台、第一机电作动器、直线位移传感器安装支架、第二机电作动器、加速度传感器、直线轴承、机电作动器转换模块、负载板、直线导轨、连接杆、力传感器、液压加载器、直线位移传感器；该实验台特征在于：该实验台的机电作动器是一种将旋转运动转化为直线运动的电动执行机构，且无自锁功能，机电作动器有两个，一个为无故障的第一机电作动器，另一个为有故障的第二机电作动器，可以通过更换第二机电作动器来模拟多种不同的故障发生过程，该实验台的直线位移传感器安装支架、加速度传感器、直线轴承、机电作动器转换模块、直线导轨、直线位移传感器各有两个，完全相同，且相对于支撑台对称安装；

所述支撑台用于支撑整个实验台零部件，加工有螺纹孔，通过螺钉连接固定第一机电作动器、第二机电作动器、直线轴承、直线导轨和液压加载器；

所述第一机电作动器、第二机电作动器和直线轴承通过螺钉与支撑台固定，第一机电作动器和第二机电作动器的推杆穿过直线轴承；

所述加速度传感器，分别安装在第一机电作动器和第二机电作动器的推杆上，用于故障模拟实验时加速度数据的采集；

所述直线位移传感器安装支架分别安装在第一机电作动器和第二机电作动器的外壳上，直线位移传感器安装支架侧面有一个孔，用于安装直线位移传感器；

所述直线位移传感器一端穿过直线位移传感器安装支架，并在两端用两个螺母固定位置，另一端与负载板通过螺纹连接，直线位移传感器用于实时监测机电作动器推杆的位置；

所述机电作动器转换模块由铁芯、螺线管、套筒、压缩弹簧、磁铁组成，铁芯一端与机电作动器的推杆通过螺钉连接，固定在一起，另一端缠绕有螺线管，套筒安装在缠绕有螺线管一端的铁芯外侧，套筒与铁芯通过螺钉连接，固定在一起，压缩弹簧安装在磁铁上；

所述负载板分别与两个磁铁通过螺钉连接，且连接时安装有平垫圈和弹簧垫圈进行防松；

所述直线导轨与负载板相配合，当铁芯与磁铁贴合时，被测机电作动器的推杆带动负载板沿机电作动器的输出方向运动；

所述连接杆将负载板与液压加载器连接在一起，连接杆和液压加载器之间装有力传感器，连接杆一端通过螺栓螺母与负载板固定，连接时安装平垫圈和弹簧垫圈进行防松，且连接杆与负载板连接侧有加强筋保证其强度，连接杆另一端与力传感器的一端通过螺纹连接，力传感器的另一端与液压加载器通过螺纹连接，力传感器可以实时监测液压加载器所施加的载荷。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照图1、图2，本实施例一种机电作动器故障模拟实验台，由支撑台1、第一机电作动器2、直线位移传感器安装支架3、第二机电作动器4、加速度传感器5、直线轴承6、铁芯7、螺线管8、套筒9、压缩弹簧10、磁铁11、负载板12、直线导轨13、连接杆14、力传感器15、液压加载器16、直线位移传感器17组成；其中铁芯7、螺线管8、套筒9、压缩弹簧10、磁铁11共同组成该实验台的机电作动器转换模块，可以实现实验台工作时机电作动器的转换；该实验台的机电作动器有两个，一个为无故障的第一机电作动器2，另一个为有故障的第二机电作动器4，可以通过更换第二机电作动器4来模拟多种不同的故障发生过程，该实验台的直线位移传感器安装支架3、加速度传感器5、直线轴承6、铁芯7、螺线管8、套筒9、压缩弹簧10、磁铁11、直线导轨13、直线位移传感器17各有两个，完全相同，且相对支撑台1对称安装，以便消除其他因素对实验的影响；

支撑台1用于支撑整个实验台零部件，加工有螺纹孔，通过螺钉连接固定第一机电作动器2、第二机电作动器4、直线轴承6、直线导轨13和液压加载器16；

第一机电作动器2、第二机电作动器4和直线轴承6通过螺钉与支撑台1固定，实验台工作时只有单个机电作动器运行，第一机电作动器2和第二机电作动器4的推杆穿过直线轴承6，直线轴承6对机电作动器的推杆起到支撑的作用，可以使机电作动器的推杆沿机电作动器输出方向运动；

加速度传感器5分别安装在第一机电作动器2和第二机电作动器4的推杆上，用于故障模拟实验时加速度数据的采集，可以根据实验需求改变加速度传感器5的位置或在其他位置增设加速度传感器；

直线位移传感器安装支架3分别安装在第一机电作动器2和第二机电作动器4的外壳上，用于安装直线位移传感器17；

直线位移传感器17一端穿过直线位移传感器安装支架3，并在两端用两个螺母固定位置，另一端与负载板12通过螺纹连接，直线位移传感器17用于实时监测机电作动器推杆的位置；

铁芯7、螺线管8、套筒9、压缩弹簧10、磁铁11共同组成该实验台的机电作动器转换模块，铁芯7一端与机电作动器的推杆通过螺钉连接，固定在一起，另一端缠绕有螺线管8，当给螺线管8通电时，产生磁场，磁铁11起到加强磁场的作用，套筒9安装在缠绕有螺线管8一端的铁芯7外侧，起到保护螺线管8的作用，套筒9与铁芯7通过螺钉连接，固定在一起，铁芯7、螺线管8和套筒9分别与被测机电作动器的推杆连接成为一个整体，可跟随被测机电作动器的推杆一起沿着机电作动器的输出方向运动，压缩弹簧10安装在磁铁11上，磁铁11与铁芯7同轴心，且套筒9的孔径略大于磁铁11的直径，使得磁铁11可以穿过套筒9的孔与铁芯7贴合在一起，一起沿机电作动器的输出方向运动；

负载板12分别与两个磁铁11通过螺钉连接，为了保证可靠性，连接时安装平垫圈和弹簧垫圈进行防松，磁铁11相对负载板12对称连接，对称连接可以保证两个机电作动器分别单独工作时所受的载荷相同，连接完成后当铁芯7与磁铁11贴合时，可以实现轴向载荷的添加；

直线导轨13与负载板12相配合，当铁芯7与磁铁11贴合时，被测机电作动器的推杆带动负载板12沿机电作动器的输出方向运动；

连接杆14将负载板12与液压加载器16连接在一起，连接杆14和液压加载器16之间装有力传感器15，连接杆14一端通过螺栓螺母与负载板12固定，用于传递负载，由于此处受力较大，所以螺栓螺母连接时安装平垫圈和弹簧垫圈进行防松，且连接杆14与负载板12连接侧有加强筋保证其强度，连接杆14另一端与力传感器15的一端通过螺纹连接，力传感器15的另一端与液压加载器16通过螺纹连接，力传感器15可以实时监测液压加载器16所施加的载荷，使用液压加载便于控制，且可以实现无级加载。

参照图3，所述直线位移传感器安装支架3内部轮廓与机电作动器外壳外部轮廓一致，顶部有两个伸出端，且加工有同轴心的两个孔，两个伸出端之间有一定间隙，此零件的侧面有传感器安装孔，安装时此零件内端面与机电作动器外壳配合，直线位移传感器17穿过此零件的传感器安装孔，直线位移传感器17两端各有一个螺母对其进行固定，安装时此零件的顶部伸出端有螺栓穿过，然后用螺母进行锁紧，螺母锁紧时两个伸出端之间间隙减小，使得直线位移传感器安装支架3可以可靠地固定在机电作动器的外壳上。

参照图4，所述负载板12底部加工有与直线导轨13相配合的导轨槽，正中间加工有螺纹孔，可通过螺栓螺母与连接杆14连接，两侧加工有圆槽，圆槽内加工有螺纹孔，可通过螺钉与磁铁11连接，负载板12两侧最外端加工有螺纹孔，可以与直线位移传感器17通过螺纹连接。

参照图5、图6，所述铁芯7、螺线管8、套筒9、压缩弹簧10、磁铁11共同组成该实验台的机电作动器转换模块，其中该模块的铁芯7与机电作动器的推杆通过螺钉连接固定在一起，铁芯7缠绕有螺线管8，当给螺线管8通电时，螺线管8内会产生磁场，铁芯7起到加强磁场的作用，套筒9通过螺钉与铁芯7连接固定在一起，套筒9包裹螺线管8，起到保护螺线管8的作用，机电作动器的推杆、铁芯7、螺线管8和套筒9连接为一个整体，可以一起运动，该模块的磁铁11与负载板12通过螺钉连接固定在一起，磁铁11上安装有压缩弹簧10，压缩弹簧10、磁铁11和负载板12连接为一个整体，可以一起运动，其中套筒9的孔径略大于磁铁11的直径，且二者同轴心，当螺线管8通电时，磁铁11可以穿过套筒9与铁芯7贴合在一起。当螺线管8未通电时，机电作动器转换模块处于图5的状态，压缩弹簧10处于原始状态，在压缩弹簧10的阻力下，铁芯7与磁铁11未贴合在一起，此时相应的机电作动器处于未工作状态；当螺线管8通电时，机电作动器转换模块处于图6的状态，此时螺线管8内产生磁场，铁芯7可以增强磁场，由于机电作动器没有自锁功能，所以铁芯7带动相应的机电作动器，克服压缩弹簧10的阻力，与磁铁11贴合在一起，此时相应的机电作动器处于工作状态，机电作动器的推杆、机电作动器转换模块和负载板12连接为一个整体，可以一起沿着机电作动器的输出方向运动。

本实施例中，实验台工作时，第一机电作动器2和第二机电作动器4一起开始运动，在两个螺线管8均未通电时，两个压缩弹簧10均未被压缩，即两个机电作动器转换模块均处于未贴合状态，一起运动可保证两个机电作动器的推杆始终伸出相同的长度，以便该实验台可以随时实现机电作动器的切换，随时实现机电作动器故障状态的模拟，然后液压加载器16通电，此时首先给螺线管8通电，由于克服压缩弹簧10的力小于液压加载器16输出的力，且机电作动器无自锁功能，所以第一机电作动器2的推杆伸出，与液压加载器16相连的负载板12不动，实现与第一机电作动器2相对应的机电作动器转换模块的贴合状态，此时安装在第一机电作动器2外壳上的加速度传感器5负责收集第一机电作动器2的振动数据，第一机电作动器2的推杆穿过直线轴承6，带动相对应的机电作动器转换模块和负载板12沿直线导轨13输出直线运动，直线位移传感器17可以实时监测第一机电作动器2的推杆的位置，液压加载器16通过力传感器15和连接杆14将负载添加到负载板12，力传感器15可以测出所施加的载荷大小，当第一机电作动器2相对应的机电作动器转换模块处于贴合状态时，与第二机电作动器4相对应的机电作动器转换模块处于非贴合状态，此时给第一机电作动器2相对应的螺线管8断电，相对应的压缩弹簧10复原，由于两个机电作动器同时运动，而且两个螺线管8此时均处于未通电状态，所以两个压缩弹簧10均未被压缩，即两个机电作动器转换模块均处于未贴合状态，所以推杆的输出长度相同，推杆的输出长度相同可以保证两个机电作动器随时切换工作状态，此时给与第二机电作动器4相对应的螺线管8通电，与第一机电作动器2相对应的铁芯7与磁铁11在压缩弹簧10的作用下分离，与第二机电作动器4相对应的机电作动器转换模块可以在极短的时间内由非贴合状态变为贴合状态，同时安装在第二机电作动器4外壳上的加速度传感器5负责收集第二机电作动器4的振动数据，此时便实现了机电作动器从正常状态到故障状态的转换，实现了机电作动器故障过程的模拟。

Claims (8)

1.一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，包括支撑台(1)、第一机电作动器(2)、第二机电作动器(4)、作动器转换模块、直线导轨(13)、负载板(12)、连接杆(14)、力传感器(15)和液压加载器(16)；其中第一机电作动器(2)和第二机电作动器(4)中一个为非故障作动器，一个为故障作动器，且两个作动器输出端分别连接一作动器转换模块；第一机电作动器(2)和第二机电作动器(4)的轴线相互平行；

所述作动器转换模块包括铁芯(7)、螺线管(8)、套筒(9)、压缩弹簧(10)和磁铁(11)，且五者同轴布置；

所述铁芯(7)一端与机电作动器的推杆固连，另一端套有螺线管(8)，铁芯(7)和螺线管(8)位于套筒(9)中，且套筒(9)与铁芯(7)固连；磁铁(11)一端与负载板(12)一侧固连，另一端套有压缩弹簧(10)，压缩弹簧(10)另一端通过套筒(9)顶住；压缩弹簧(10)初始状态为原长状态；

所述负载板(12)位于直线导轨(13)上，负载板(12)另一侧固连连接杆(14)一端，连接杆(14)另一端连接液压加载器(16)，液压加载器(16)通过连接杆(14)对负载板(12)施加载荷；

所述连接杆(14)中部装有力传感器，用于测量施加的载荷力；

所述第一机电作动器(2)和第二机电作动器(4)上均安装传感器，用于测量机电作动器试验中的指标参数。

2.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，实验时，同时开启第一机电作动器(2)和第二机电作动器(4)，液压加载器(16)通电将负载传递到负载板；对非故障作动器的螺线管进行通电，使铁芯与磁铁相吸，从而带动作动器推杆与负载板贴合，非故障作动器处于工作状态，非故障作动器的推杆、转换模块和负载板连接为一个整体，可以一起沿着机电作动器的输出方向运动；当对非故障作动器的螺线管断电，故障作动器的螺线管通电，此时故障作动器处于工作状态，并模拟了机电作动器的故障发生过程。

3.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，所述传感器包括直线位移传感器和加速度传感器；所述加速度传感器安装在两个机电作动器的推杆上，用于故障模拟实验时加速度数据的采集；直线位移传感器安装在两个机电作动器的外壳上，用于实时监测机电作动器推杆的位置。

4.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，所述直线导轨(13)、液压加载器(16)、两个作动器德一端均固连在支撑台(1)上。

5.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，还包括直线轴承(6)，所述直线轴承(6)固定在支撑台(1)上，第一机电作动器(2)和第二机电作动器(4)的推杆穿过直线轴承(6)。

6.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，所述负载板(12)分别与两个磁铁通过螺钉连接，且连接时安装有平垫圈和弹簧垫圈进行防松。

7.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，还包括加强筋，所述加强筋位于连接杆(14)与负载板(12)连接的一侧。

8.如权利要求1所述的一种模拟机电作动器故障发生过程的实验装置，其特征在于，所述故障作动器可进行更换，模拟作动器多种不同的故障发生过程。

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