CN115978159A - 全过程工作双余度机电作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种全过程工作双余度机电作动器，安全可靠，本发明通过下述技术方案实现：主、副电机上装配有制动器，且互为备份，主电机通过主传动齿轮啮合主丝杠筒，配合主丝杠螺母套合被轴承止动的副丝杠筒，副丝杠筒啮合被约束在活塞筒环槽中的副丝杠螺母，形成被副丝杠螺母隔离的两个运动腔，带动活塞筒在外筒运动腔作伸缩运动；副电机通过副传动齿轮带动齿轮传动轴旋转，主丝杠螺母配合副丝杠筒，利用齿轮传动轴轴端圆柱体外花键，带动主丝杠螺母在副丝杠螺母隔离的左腔作伸缩运动，进而构成带动活塞筒在外筒运动腔中相对独立的两条传动链作伸缩运动，主丝杠筒能被主电机驱动，副丝杠筒能被副电机驱动的全过程工作双余度急收放机电作动器。

Description

全过程工作双余度机电作动器

技术领域

本发明涉及电力作动器技术领域，更具体地说，是关于应用于全电机电作动器上的双余度工作结构。

背景技术

现有技术中，电力作动器主要有两种形式：机电作动器(EMA)和电动静液压作动器(EHA)。机电作动器EMA作为一种直线运动执行元件，是用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。机电作动器将电动机、外筒组件、减速箱减速器、滚珠丝杠副、活塞筒组件等传动部件、检测装置和控制器集成化、小型化，克服了传统液压系统固有的一些缺点，使得该新型集成一体化作动系统体积小、质量轻、效率高。尤其是采用永磁无刷直流电机作为EMA的动力源，易于实现伺服作动系统的数字化、集成化，使作动系统的通用性、维修性大幅提高。目前，大型飞机的收放作动机构主要是采用液压作动器提供作动力，液压作动器EHA在动力源失效的情况下能够利用旁通阀(或排气阀)释压后，起落架靠自身重力和辅助气动力自由放下并上锁的构型实现应急放下。带有自锁装置的机电作动器，机械锁的形式常用的为钢球锁，它由钢球、锁槽、锥形活塞和弹簧等组成。在限定位置停止运动时能防止外力作用而发生窜动，通常由作动筒内的机械锁锁住。自锁是在伺服作动器上增加指定位置的自锁功能，同时还要保证作动器具有很高的可靠性。当接受来自发动机电子控制器的控制指令，控制液压油通断将作动器锁定在行程中的某个特定位置。在工作过程中，需要在断油等特殊条件下，锁定在除伸、缩极限位置以外的位置，而传统作动器只能将活塞锁在两端位置。液压作动筒在起落架应急放时通过卸载液压压力而使活塞筒可从外筒内自由伸出，而电作动筒活塞筒在应急放时，只能带动丝杠旋转而使活塞伸出，这种方式在自重或风载驱动的情况下对能量消耗比较大，不能使起落架顺利在放下位置锁死，甚至会在应急放的过程中卡死。因此无法满足飞机上高可靠性的要求。

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。在某些安全性、任务可靠性要求高的应用场合，例如应用于飞机前缘襟翼、升降翼动作的机电作动器，要求其必须具备双余度正常工作的能力。为得到高的可靠性，目前国外研制的应用于舵机的EMA大多数采用了双余度，而大功率舵机的机电作动器常采用四余度。机械型四余度结构系统的特点是单台电机体积可以很小，电机设计为低转动惯量，而使快速性改善，电机故障和热故障隔离容易，但机械型四余度机电作动系统的缺点是机械结构太复杂，需要三组差动齿轮装置传动，增加了体积与重量，降低了效率，并且大量的齿轮耦合会导致系统的控制死区增大，控制性能下降。目前常用的机电作动器多余度通常设计为备份一个的电机，当主电机失效时备用电机工作而实现应急放下活塞筒，但不能解决丝杠副卡塞的单点故障，任务可靠性低，因而实用性较差。

发明内容

本发明的任务是提供一种结构简单，安全可靠，能够实现只有电力能源供应下，互为备份工作，可提高全电机电作动器安全性和任务可靠性，在作动器某一电机失效或传动链卡塞的工况下，另一电机和传动部件能够完成全行程伸出、缩回活塞筒工作循环动作，实现全电双余度正常工作，方便解决常规双余度机电作动器不能解决丝杠副卡塞的单点故障的技术方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全过程工作双余度机电作动器，包括：平行外筒3轴向两边，通过两相交错传动齿轮轮系啮合主丝杠筒4的传动齿轮副，作为主动力源的主电机1及作为应急动力源的副电机13，与副传动齿轮14进行啮合的齿轮传动轴15，套合在齿轮传动轴15外花键齿上一起转动的副丝杠筒8，以及在外筒3中作伸缩运动的活塞筒11，其特征在于：带有输出齿轮的主电机1的制动电机轴上装配有主制动器9，副电机13的制动电机轴上装配有副制动器12，主电机1与副电机13互为备份，主电机1通过主传动齿轮2啮合主丝杠筒4，主丝杠筒4配合主丝杠螺母6，套合被轴承容纳腔轴承止动的副丝杠筒8，副丝杠筒8啮合被约束在活塞筒11环槽中的副丝杠螺母10，形成被副丝杠螺母10隔离的两个运动腔，带动活塞筒11在外筒3运动腔作伸缩运动；副电机13通过副传动齿轮14带动齿轮传动轴15和副丝杠筒8一起旋转，副丝杠螺母10配合副丝杠筒8，利用齿轮传动轴15轴端圆柱体外花键，沿着副丝杠筒8周向花键导槽，带动副丝杠螺母10作伸缩运动，进而构成带动活塞筒11在外筒3运动腔中相对独立的两条传动链作伸缩运动，主丝杠筒4能被主电机1驱动，副丝杠筒8能被副电机11驱动的全过程工作双余度急收放机电作动器。

本发明相比于现有技术具有如下增益效果：

本发明针对平行/主动式双余度系统的结构型式，采用平行外筒3轴向两边，通过两相交错传动齿轮轮系啮合主丝杠筒4的传动齿轮副，作为主动力源的主电机1及作为应急动力源的副电机13，与副传动齿轮14进行啮合的齿轮传动轴15，及套装在齿轮传动轴15外花键齿上被所述齿轮传动轴15驱动一起转动的副丝杠筒8，套装在副丝杠筒8外螺旋滚道上的副丝杠螺母10，以及在外筒3中作伸缩运动的活塞筒11，构简单，安全可靠。理论分析及实验证明,平行交错传动齿轮轮系啮合主丝杠筒4的传动齿轮副，能消除双余度电机间转矩纷争现象,满足多电以及全电飞机电力作动系统的要求。

本发明通过在主丝杠螺母6上轴向装配可承受负载并能被驱动自由转动的副丝杠筒8，使主丝杠筒4能被主电机1驱动，副丝杠筒8能被副电机13驱动，形成两条相对独立的传动链，并被活塞筒10整合在一起。正常工作时，主电机1工作，副电机13备份，当主电机1失效或其所处传动链卡塞时，副电机13可独立完成全行程伸出、缩回活塞筒任务，能够实现只有电力能源供应下，备份工作余度。从而解决了常规机电作动器无法解决丝杠副卡塞单点故障问题。实验证明。将两台电气双余度结构的无刷直流电机的输出再用副丝杠筒8通过活塞筒11中空内壁镶嵌的副丝杠螺母10，并被活塞筒10整合在一起，形成同向将活塞筒负载依次传递至副丝杠筒8、主丝杠螺母6、主丝杠筒4、推力角接触球轴承5，最终传递至外筒3上，构成两条相对独立传动链，构成双余度机电作动系统。这样可以在保留电气型余度结构的线形好，效率高，又能解决原系统隔离高温和短路故障困难，而相对于机械型余度系统，也具有体积小、结构简单的优点。由于双余度急放控制机构综合了两种余度结构的特点，可使该系统综合性能达到最佳。该方案的优点：当某一通道发生故障时，只需用相应的制动器锁住相应的故障通道即可，隔离故障方便。不需要采用离合器，有利于提高整机的可靠性。

附图说明

图1是全过程工作双余度机电作动器活塞筒缩回状态的剖视图。

图2是图1传动轴与副丝杠花键啮合示意图。

图中：1主电机，2主传动齿轮，3外筒，4主丝杠筒，5推力角接触球轴承，6主丝杠螺母，7双向推力角接触球轴承，8副丝杠，9主制动器，10副螺母，11活塞筒，12副制动器，13副电机，14副传动齿轮，15齿轮传动轴。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中，一种全过程工作双余度机电作动器，包括：平行外筒3轴向两边，通过两相交错传动齿轮轮系啮合主丝杠筒4的传动齿轮副，作为主动力源的主电机1及作为应急动力源的副电机13，与副传动齿轮14进行啮合的齿轮传动轴15，套合在齿轮传动轴15外花键齿上一起转动的副丝杠筒8，以及在外筒3中作伸缩运动的活塞筒11。带有输出齿轮的主电机1的制动电机轴上装配有主制动器9，副电机13的制动电机轴上装配有副制动器12，主电机1与副电机13互为备份，主电机1通过主传动齿轮2啮合主丝杠筒4，主丝杠筒4配合主丝杠螺母6，套合被轴承容纳腔轴承止动的副丝杠筒8，副丝杠筒8啮合被约束在活塞筒11环槽中的副丝杠螺母10，形成被副丝杠螺母10隔离的两个运动腔，带动活塞筒11在外筒3运动腔作伸缩运动；副电机13通过副传动齿轮14带动齿轮传动轴15和副丝杠筒8一起旋转，副丝杠螺母10配合副丝杠筒8，利用齿轮传动轴15轴端圆柱体外花键，沿着副丝杠筒8周向花键导槽，带动副丝杠螺母10作伸缩运动，进而构成带动活塞筒11在外筒3运动腔中相对独立的两条传动链作伸缩运动，主丝杠筒4能被主电机1驱动，副丝杠筒8能被副电机11驱动的全过程工作双余度急收放机电作动器。

主丝杠筒4端台阶轴缩颈筒通过外筒3轴承容纳腔约束轴承座所装配的推力角接触球轴承5套合主丝杠螺母6，承受主丝杠筒4的负载，并通过同轴装配在主丝杠螺母6中空台阶孔中的双向推力角接触球轴承7背端交联副丝杠筒8，承受副丝杠筒8的负载。

齿轮传动轴15通过主丝杠筒4中空管道，将端头花键配合在副丝杠筒8中空内壁花键导槽中，副丝杠筒8通过活塞筒11中空内壁镶嵌的副丝杠螺母10，被活塞筒10整合在一起，形成同向将活塞筒负载依次传递至副丝杠筒8、主丝杠螺母6、主丝杠筒4、推力角接触球轴承5，最终传递至外筒3上。

正常工作时，主制动器9放开制动，主电机1工作，副电机13不工作，副制动器12制动，主丝杠筒4驱动主丝杠螺母6及副丝杠筒8运动，副丝杠筒8驱动副丝杠螺母10及套装的活塞筒11伸出、缩回。

正常工作时，主电机1工作，副电机13备份，当主电机1失效或其所处传动链卡塞时，副电机13可独立完成全行程伸出、缩回活塞筒任务，

若运动过程中主电机失效或传动链卡塞，则主制动器9对主电机1断电，主制动器9抱死主电机轴，副电机13工作，副制动器12控制副制动器12放开制动，副电机13通过副传动齿轮14带动齿轮传动轴15旋转，由齿轮传动轴15驱动与之花键啮合的副丝杠筒8同步转动，驱动副丝杠螺母10及套装的活塞筒11克服负载伸出、缩回。

机电作动伺服系统由飞控计算机、减速及旋转变直线机构、双余度永磁无刷电机及控制与驱动电路构成，飞控计算机向系统发出位置指令P1，P1与位移传感器LVDT的反馈信号P＇比较得到位置误差E，经过控制方式和策略的选择，控制双余度永磁无刷电机处于正向/反向电动、反接制动、发电制动、能耗制动和涡流制动中的一种运行状态，按照系统需求实现电能到机械能的转换，输出可控的速度和电磁转矩。双余度永磁无刷电机输出功率馈入两相交错传动齿轮轮系，将机械传动旋转变直线后输出可控的力和速度。正常情况下各通道同时工作，等额分担负载：当某通道出现故障时此通道被切除，其负载由另一通道承担。

正常情况下主备双通道工作模式由两通道承担全部负载，当通道之间反馈信号不一致时，以主通道的反馈信号为主：当主通道出现故障时此通道从系统中切除，由从通道承担主通道的负载。

正常情况下主备单通道工作模式由某一通道承担全部负载，另一个通道处于热备份状态，当工作通道出现故障时切除此通道，由热备份承担故障通道工作。

主制动器9/副制动器12由外部信息采集单元、双余度单元、双余度DSP模块及其输出单元等组成，其中，双余度单元的CPU选用16位定点单片DSP控制器，两个单片DSP控制器共享一个外部接口，通过CAN总线及I/O口进行控制信息交换及数据通信，通道控制逻辑使同一时刻只能有一个通道打开，保证系统工作的稳定性。其中一个片DSP控制器是控制逻辑的主控制机，在正常工作的情况下由它控制着相应通道的通断及当前主控CPU。双余度DSP模块，由双DSP核及通道控制逻辑两部分组成，其中DSP1为主CPU，DSP2为辅CPU，当其中一个CPU被认为有故障时，通道控制逻辑将主动或是被动地切换到系统认为没有故障的CPU，或决定由其中的一个CPU强制工作。所谓的主动切换是指当主DSP通个自检发现自身有故障，包括其对应的通道故障，而其程序能正常工作的情况下，由其程序产生的通过控制I/O口的逻辑电平而产生的通道切换。被动切换是指非DSP自检的因素产生，而是由于通道控制逻辑本身硬件故障引起的通道意外切换。主DSP通过控制输入端口的逻辑状态来使能相应的通道，只有当两个控制端同时有效时选通主通道，此时主DSP工作，其他任何状态都将打开辅通道，同时主DSP不断检测“CTL_BACK”状态回读信号的状态，否则将产生被动切换。这样就可以有效避免由于主控DSP I/O口失效而产生不能切换的后果。在双机交互的切换中，起主要作用的是通道的切换，当前只有一个通道打开时，通道的切换由主DSP程序主动控制切换，双机交互及故障判断切换子程序、控制应用功能子程序等。有效地解决了双机共同工作的权限问题。

尽管以上已经示出和描述了本发明的实施例，对本发明实施例进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明；同时，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种全过程工作双余度机电作动器，包括：平行外筒(3)轴向两边，通过两相交错传动齿轮轮系啮合主丝杠筒(4)的传动齿轮副，作为主动力源的主电机(1)及作为应急动力源的副电机(13)，与副传动齿轮(14)进行啮合的齿轮传动轴(15)，套合在齿轮传动轴(15)外花键齿上一起转动的副丝杠筒(8)，以及在外筒(3)中作伸缩运动的活塞筒(11)，其特征在于：带有输出齿轮的主电机(1)的制动电机轴上装配有主制动器(9)，副电机(13)的制动电机轴上装配有副制动器(12)，主电机(1)与副电机(13)互为备份，主电机(1)通过主传动齿轮(2)啮合主丝杠筒(4)，主丝杠筒(4)配合主丝杠螺母(6)，套合被轴承容纳腔轴承止动的副丝杠筒(8)，副丝杠筒(8)啮合被约束在活塞筒(11)环槽中的副丝杠螺母(10)，形成被副丝杠螺母(10)隔离的两个运动腔，带动活塞筒(11)在外筒(3)运动腔作伸缩运动；副电机(13)通过副传动齿轮(14)带动齿轮传动轴(15)和副丝杠筒(8)一起旋转，副丝杠螺母(10)配合副丝杠筒(8)，利用齿轮传动轴(15)轴端圆柱体外花键，沿着副丝杠筒(8)周向花键导槽，带动副丝杠螺母(10)作伸缩运动，进而构成带动活塞筒(11)在外筒(3)运动腔中相对独立的两条传动链作伸缩运动，主丝杠筒(4)能被主电机(1)驱动，副丝杠筒(8)能被副电机(11)驱动的全过程工作双余度急收放机电作动器。

2.如权利要求1所述的全过程工作双余度机电作动器，其特征在于：主丝杠筒(4)端台阶轴缩颈筒通过外筒(3)轴承容纳腔约束轴承座所装配的推力角接触球轴承(5)套合主丝杠螺母(6)，承受主丝杠筒(4)的负载，并通过同轴装配在主丝杠螺母(6)中空台阶孔中的双向推力角接触球轴承(7)背端交联副丝杠筒(8)，承受副丝杠筒(8)的负载。

3.如权利要求1所述的全过程工作双余度机电作动器，其特征在于：齿轮传动轴(15)通过主丝杠筒(4)中空管道，将端头花键配合在副丝杠筒(8)中空内壁花键导槽中，副丝杠筒(8)通过活塞筒(11)中空内壁镶嵌的副丝杠螺母(10)，被活塞筒(10)整合在一起，形成同向将活塞筒负载依次传递至副丝杠筒(8)、主丝杠螺母(6)、主丝杠筒(4)、推力角接触球轴承(5)，最终传递至外筒(3)上。

4.如权利要求1所述的全过程工作双余度机电作动器，其特征在于：正常工作时，主制动器(9)放开制动，主电机(1)工作，副电机(13)不工作，副制动器(12)制动，主丝杠筒(4)驱动主丝杠螺母(6)及副丝杠筒(8)运动，副丝杠筒(8)驱动副丝杠螺母(10)及套装的活塞筒(11)伸出、缩回。

5.如权利要求1所述的全过程工作双余度机电作动器，其特征在于：正常工作时，主电机(1)工作，副电机(13)备份，当主电机(1)失效或其所处传动链卡塞时，副电机(13)独立完成全行程伸出、缩回活塞筒任务。

6.如权利要求3所述的全过程工作双余度机电作动器，其特征在于：若运动过程中主电机失效或传动链卡塞，则主制动器(9)对主电机(1)断电，主制动器(9)抱死主电机轴，副电机(13)工作，副制动器(12)控制副制动器(12)放开制动，副电机(13)通过副传动齿轮(14)带动齿轮传动轴(15)旋转，由齿轮传动轴(15)驱动与之花键啮合的副丝杠筒(8)同步转动，驱动副丝杠螺母(10)及套装的活塞筒(11)克服负载伸出、缩回。

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