CN114348804A - 双余度电驱软管卷盘传动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双余度电驱软管卷盘传动系统，属于作业、运输领域。该系统包括卷盘，软管缠绕在卷盘外，卷盘内设置有电驱动系统，卷盘的一侧端设置有刹车机构，另一侧端对应设置有防脱机构；电驱动系统包括两套电机、两套离合器与一套减速器；电机与离合器由外向内对称布置在减速器的两侧；电机通过电机固定座固定于支架上，卷盘的两端头通过支撑轴承对应套在两电机固定座上；电机的输出轴通过离合器与减速器的输入轴相连；卷盘内壁具有内齿圈，减速器通过自身的外齿圈与内齿圈啮合输出。该系统采用全电驱动的形式，实现了空中加油过程中软管张力的动态调整与快速响应，机械系统的双余度设计同时提高了系统工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于作业、运输领域，具体涉及一种双余度电驱软管卷盘传动系统。
背景技术
软管-椎管式空中加油是目前世界上应用最广泛的加油方式，装于加油机上的加油设备将软管-锥管放出，利用飞行中产生的高速气流作用在软管末端的锥管上，所产生的拖曳载荷将软管从加油设备中拖出，加油完成后再利用卷盘驱动系统将软管收回。软管卷盘驱动系统是空中加油技术的核心，主要涉及卷盘、软管、动力源以及传动机构等。
目前，软管卷盘的驱动方式主要有：恒力弹簧机构驱动、液力变矩技术驱动、高压液压油驱动以及液力-电力耦合驱动的方式。恒力弹簧机构是利用钟表弹簧弹力特性进行驱动的大型储能装置，可在一定行程内提供相对恒定的驱动力矩。液力变矩驱动技术利用恒速电机带动液力变矩器工作，通过调节变矩器内的充油量，实现系统响应载荷的调整。高压液压油驱动利用伺服阀控制柱塞泵/马达构建一套典型的液压伺服系统，加油响应过程中，阀控马达系统进行压力闭环，从而控制响应力。液力-电力耦合驱动采用两套动力源实现了系统的双余度控制，在其中一套动力源失效的情况下还能够保持系统的正常工作，也是目前最先进的软管卷盘驱动系统。
对于现有的软管卷盘驱动技术，存在着驱动行程和驱动力矩小、液力机构结构复杂、维护难度大、系统稳定性差以及能量利用效率低等问题。由于空中环境的特殊性，加油机和受油机的姿态时刻处于动态变化中，松弛的软管在空气动力下容易出现抖动、拍打，拉力过大又容易引起软管脱落。现有的软管卷盘驱动技术并不具备根据加油机与受油机之间的距离进行软管长度动态调节的能力，现有驱动方式也不具备快速响应能力，单余度的驱动系统在零部件故障情况下会丧失空中加油能力，直接影响了空中加油的任务成功率和飞行的安全性。
因此，开发一种具备快速响应能力、软管拉力动态调节能力的双余度驱动系统是本领域技术人员需要解决的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具备快速响应能力以及软管拉力动态调节能力的双余度电驱软管卷盘传动系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双余度电驱软管卷盘传动系统，包括卷盘，软管缠绕在卷盘外，软管入口设置在支架上；卷盘内设置有电驱动系统，卷盘的一侧端设置有刹车机构，另一侧端对应设置有防脱机构，软管通过导向机构伸出并与锥套相连。
电驱动系统包括两套电机、两套离合器与一套减速器；电机与离合器由外向内对称布置在减速器的两侧；电机通过电机固定座固定于支架上，卷盘的两端头通过支撑轴承对应套在两电机固定座上；电机的输出轴通过离合器与减速器的输入轴相连；卷盘内壁具有内齿圈，减速器通过自身的外齿圈与内齿圈啮合输出。
进一步，导向机构包括往复丝杠、导向杆与导向座；往复丝杠和导向杆通过导向机构支架支撑在卷盘的旁侧，往复丝杠的轴线平行于卷盘轴线；导向座套在往复丝杠和导向杆上，往复丝杠的左侧安装有位置编码器，右侧设置有同步带轮，该同步带轮通过传动带与设置在卷盘一端的带轮连接。
通过对应的传动比，卷盘带动滚珠丝杠做旋转运动，套在滚珠丝杠上的导向座将旋转运动转换成自身的直线往复运动。
进一步，导向座上具有软管穿过口，软管穿过口的旁侧和下侧对应设有纵向滚柱与横向滚柱，软管穿过导向座的软管穿过口并在横向滚柱与纵向滚柱的作用下滚动收放。
进一步，往复丝杠和导向杆的端头侧设有限位片。
进一步，刹车机构包括电磁制动器，电磁制动器上安装有制动小齿轮，该制动小齿轮与安装在卷盘上的制动大齿轮相啮合。
进一步，防脱机构包括锁止齿轮与锁止机构，锁止齿轮固定于卷盘上，锁止机构中的电动作动器和执行臂分别可转动安装在固定底座上，电动作动器通过其上的作动臂与执行臂上的滑槽滑动连接；执行臂与锁止齿轮上的齿槽相啮合。
进一步，软管的伸出端设置有缓冲弹簧。
进一步，卷盘通过支架固定于工作台上，导向机构通过导向机构支架固定于工作台上。
本发明的有益效果在于：
电驱动系统布置在卷盘内部，所占空间大大减小的情况下能够实现大扭矩输出；驱动系统采用全电驱动的形式，在软管的拖拽过程中能提供更高的回绕速度，故障检测更加方便，维护难度大幅降低；全电驱动同时实现了驱动系统的全数字控制，依托于驱动电机的转速传感器和扭矩传感器，在软管的张力控制及动态调整下具有更高的响应速度与自动调整能力。
采用全电驱动的形式，实现了空中加油过程中软管张力的动态调整与快速响应，机械系统的双余度设计同时提高了系统工作的可靠性与安全性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为电驱动系统的结构示意图；
图3为图2的剖面图；
图4为导向机构的结构示意图；
图5为刹车机构的结构示意图；
图6为防脱机构的结构示意图。
附图标记：
支架1、软管入口2、位置编码器3、工作台4、导向机构5、软管6、传动带7、缓冲弹簧8、机构支架9、卷盘10、锁止齿轮11、锁止机构12、电机固定座13、支撑轴承14、电机15、减速器固定支架16、减速器17、离合器18、刹车机构19、制动大齿轮20；
导向机构5中：往复丝杠51、导向杆52、导向座53、横向滚柱54、纵向滚柱55、限位片56；
卷盘10中：内齿圈101；
锁止机构12中：固定底座121、执行臂122、电动作动器123、销轴125、作动臂126；
电动作动器123中：伺服电机1231、联轴器1232、滚珠丝杠1233、滚珠螺母1234；
电机15中：输出轴151；
减速器17中：外齿圈171、行星轮172、行星架173、太阳轮174、输入轴175；
刹车机构19中：制动小齿轮191、电磁制动器192。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图6，为一种空中加油系统的软管卷盘装置，即双余度电驱软管卷盘传动系统。主要针对软管的收放和响应。设置支架1，支架上设置软管入口2，电机15通过电机固定座13固定于支架1上，电机15选用变频交流伺服电机，能提供实时扭矩和转速信息。电机15的输出端接有离合器18，用于控制电机15的接入。离合器18与减速器17的(高速)输入轴175连接，输入轴175上设置有太阳轮174，太阳轮174通过行星架173与行星轮172相啮合，行星轮172将动力通过外齿圈171输出，该减速器17的(输出)外齿圈171与卷盘10的内齿圈101啮合，实现了动力从电机15到卷盘10的传递。其中，减速器17通过减速器固定支架16与电机15保持同轴支撑。(变频交流伺服)电机15能够通过传感器实时检测软管6的张力，并通过电驱系统进行快速响应，使软管6避免过度松弛，也能避免张力过大使受油机意外脱开。
本方案中，卷盘10通过支撑轴承14固定于电机固定座13上。卷盘10外缠绕软管6，在收放过程中，软管6通过导向机构5进行导向。具体的，往复丝杠51通过传动带7与卷盘10相连，通过设置合适的传动比，卷盘10带动滚珠丝杠51做旋转运动，套在滚珠丝杠51上的导向座53将旋转运动转换成自身的直线往复运动。导向座53通过往复丝杠51驱动，通过导向杆52保持稳定移动。在软管6的收放过程中，保证软管6的有序缠绕。导向座53上对应设置有横向滚柱54和纵向滚柱55，用以减小软管通过导向机构5时的摩擦力，避免损伤软管。往复丝杠51的两端设置限位片56，往复丝杠51的一端设置位置编码器3，通过往复丝杠的旋转信息提供软管的伸出长度，同时将信息传递给刹车机构19中的电磁制动器192，该电磁制动器192通过控制制动小齿轮191，进行及时制动。这整个机构均通过导向机构支架9固定。软管6的出油端设置缓冲弹簧8，防止软管收回过快对导向机构5造成损伤。
卷盘10的一侧设置刹车机构19，当软管6释放到预定位置时，通过刹车机构19进行快速制动。本方案中，刹车机构19包括电磁制动器192，用于控制制动小齿轮191和制动大齿轮20。在软管6释放到预定位置时，控制器控制电磁制动器192工作，电磁制动器192吸合摩擦片，产生摩擦扭矩以锁定制动小齿轮191，通过止定状态的制动小齿轮191锁定制动大齿轮20，最终使卷盘10停止转动，防止过度释放以及冲击力矩对软管6及卷盘10造成损伤。卷盘10停止工作后，电磁制动器192停止工作，由电机产生相反的力矩控制软管在释放位置的平衡。完成受油机加油工作后，驱动系统收回软管，刹车机构19在软管即将完全收回时启动工作，消除卷盘10及驱动系统的惯性力矩，使卷盘10及时降速并停止转动，最后由电机15慢速驱动软管收回到位，并启动防脱机构实现卷盘的固定。
防脱机构设置在卷盘10的另一侧，在软管6回收完成后，防脱机构中的执行臂122与锁止齿轮11啮合，防止卷盘10在未工作的情况下绕轴转动。具体的，与锁止齿轮11相配合的锁止机构12包括两个固定底座121，以及铰接于两个固定底座121上的执行臂122和电动作动器123。电动作动器123为直线式滚珠丝杠副，由伺服电机1231进行驱动，通过联轴器1232与滚珠丝杠1233相连，传递轴向力矩，滚珠丝杠1233的旋转运动通过滚珠螺母1234转变为直线运动，实现作动臂126的伸缩。作动臂126通过端头处的销轴125与执行臂122上的滑槽连接。在非加油状态时，伺服电机1231驱动作动臂126伸出，使执行臂122与锁止齿轮11啮合，实现卷盘10的固定，防止自旋转。在处于加油状态时，伺服电机1231驱动作动臂126收缩，使执行臂122与锁止齿轮11脱离，使卷盘10处于非约束状态。
本方案中，由电机15、离合器18和减速器17构成的动力系统在卷盘10内呈对称布置，构成双余度机械传动系统。在系统工作工程中，两部电机同时工作，为卷盘提供稳定快速的动力供给。由于采用全电驱动模式，该系统实现了全数字化控制。其中，电机15选用变频交流伺服电机，内置扭矩传感器和编码器，能够实时反馈电机的输出扭矩和转速，可以实现对卷盘的恒速、恒转矩输出。减速器17采用3K型减速器，结构紧凑、传动比大、传动效率高。减速器采用齿圈输出，外齿圈与位于卷盘10内部中间位置的内齿圈啮合，实现动力传递。软管在释放过程中并不会全部释放，将会留下约两米的余量，为了实现软管的动态响应，在加油过程中动力系统会给软管施加一个相对恒定的回绕力矩，使软管具备一定的张力，该力矩与作用在软管及锥套上的空气载荷有关。该张力能保证软管在受油前的释放位置保持相对稳定。此外，在受油过程中，椎管与受油机结合，该过程中松弛的软管会在气动作用下出现抖动、拍打，张力过大则会导致软管脱离受油机。电机15以恒转速工况将软管6释放后，软管6的张力通过卷盘10以扭矩的方式传递给电机，依托于电机的扭矩传感器，电机由恒转速控制调整为恒转矩控制，将软管的张力控制在某一设定区间，在空中复杂工况的作用下，由加受油机的相对位置以及软管的动态变化所产生的软管张力变化直接反馈给动力系统，通过电机的实时调整使软管张力保持相对恒定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种双余度电驱软管卷盘传动系统，包括卷盘(10)，软管(6)缠绕在卷盘(10)外，软管入口(2)设置在支架(1)上；卷盘(10)内设置有电驱动系统，卷盘(10)的一侧端设置有刹车机构(19)，另一侧端对应设置有防脱机构，软管(6)通过导向机构(5)伸出并与锥套相连；其特征在于：
电驱动系统包括两套电机(15)、两套离合器(18)与一套减速器(17)；电机(15)与离合器(18)由外向内对称布置在减速器(17)的两侧；电机(15)通过电机固定座(13)固定于支架(1)上，卷盘(10)的两端头通过支撑轴承(14)对应套在两电机固定座(13)上；电机(15)的输出轴(151)通过离合器(18)与减速器(17)的输入轴(175)相连；卷盘(10)内壁具有内齿圈(101)，减速器(17)通过自身的外齿圈(171)与内齿圈(101)啮合输出。
2.根据权利要求1所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：导向机构(5)包括往复丝杠(51)、导向杆(52)与导向座(53)；往复丝杠(51)和导向杆(52)通过导向机构支架(9)支撑在卷盘(10)的旁侧，往复丝杠(51)的轴线平行于卷盘(10)轴线；导向座(53)套在往复丝杠(51)和导向杆(52)上，往复丝杠(51)的左侧安装有位置编码器(3)，右侧设置有同步带轮，该同步带轮通过传动带(7)与设置在卷盘(10)一端的带轮连接。
3.根据权利要求2所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：导向座(53)上具有软管穿过口，软管穿过口的旁侧和下侧对应设有纵向滚柱(55)与横向滚柱(54)，软管(6)穿过导向座(53)的软管穿过口并在横向滚柱(54)与纵向滚柱(55)的作用下滚动收放。
4.根据权利要求2所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：往复丝杠(51)和导向杆(52)的端头侧设有限位片(56)。
5.根据权利要求1所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：刹车机构(19)包括电磁制动器(192)，电磁制动器(192)上安装有制动小齿轮(191)，该制动小齿轮(191)与安装在卷盘(10)上的制动大齿轮(20)相啮合。
6.根据权利要求1所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：防脱机构包括锁止齿轮(11)与锁止机构(12)，锁止齿轮(11)固定于卷盘(10)上，锁止机构(12)中的电动作动器(123)和执行臂(122)分别可转动安装在固定底座(121)上，电动作动器(123)通过其上的作动臂(126)与执行臂(122)上的滑槽滑动连接；执行臂(122)与锁止齿轮(11)上的齿槽相啮合。
7.根据权利要求1所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：软管(6)的伸出端设置有缓冲弹簧(8)。
8.根据权利要求1所述的双余度电驱软管卷盘传动系统，其特征在于：卷盘(10)通过支架(1)固定于工作台(4)上，导向机构(5)通过导向机构支架(9)固定于工作台(4)上。
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