CN116006645A - 非相似双余度机电作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种非相似双余度机电作动器，安全可靠，传动效率较高。本发明通过下述技术方案实现：筒壁中部制有三阶内凸环的余度解锁衬套通过内壁凸环将锁块约束在环套的锁块滑槽和丝杠螺母缩颈环槽中，三阶内凸环两端的左、右复位弹簧被环套翻边台阶环轴向约束，形成耦合相连的余度解锁衬套，左位上锁衬套镶嵌在活塞头的内环槽中，将相向对称的左、右位上锁衬套内腔环槽约束的双余度锁定弹簧环密封在余度解锁衬套的外圆上，同时约束在作动器缸筒上位钢球锁槽中的上位钢球通过活塞头尾部设计的上位钢球导向孔耦合在左位上锁衬套的外圆上，通过下位钢球导向孔的下位钢球约束在右位上锁衬套筒肩凹弧环上，从而构成非相似双余度机电作动器。

Description

非相似双余度机电作动器

技术领域

本发明涉及传动控制领域。是关于应用于机电作动器上的双余度工作结构，更具体地说，本发明是关于可提高机电作动器任务可靠性，在作动器失电或传动部件卡塞的工况下，实现多介质开锁、上锁和伸出、缩回活塞筒的创新结构。

背景技术

现阶段，功率电传作动系统与传统的飞控作动系统，包括目前的电传飞控作动系统不同之处在于：不需依赖机身复杂的液压管路，将高压油液送到飞机各舵面作动系统的飞机液压系统；而是将电能直接传送至舵面作动系统，控制舵面偏转。功率电传作动器的目的是要得到具有工程实用价值的机载电传作动系统方案，而机载电传作动系统对作动器的可靠性要求很高。由于机电作动器的动态响应速度慢、负载刚度低并存在难以解决的静差，另外，大功率的机械传动机构体积庞大、重量较重，造成整个电传系统的转动惯量太大，使机电作动器在大功率机载传动系统的实现较为困难。而且其液压伺服系统占系统重量比较大，不利于系统集成，并且降低了可靠性。机电作动器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°动运动的能量转换装置，也是进行机动动作的传动机构的运动控制装置。目前常见的机电作动器的基本构成如下：减速箱、传动部件、滚珠丝杠副、缸筒组件、活塞筒组件、自锁定组件等。带有自锁装置的机电作动器，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。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。当作动器不运动时，电机驱动单向定量泵，溢流阀使系统处于恒压状态，多余流量通过溢流阀泄流，全部转化为热量，如果散热条件不好，作动器的温度上升很快，因此该方案的电静液作动器不能长时间工作(一般为几分钟～几十分钟)，不能满足飞机长时间工作的需要。如何提高系统的可靠性；如何增大系统的功率密度。在提高可靠性上，主要应用的是余度技术，即对系统采用冗余设计实现。提高系统的功率密度的主要方法是应用高功率密度电机实现传动。根据可靠性分析可以知道：单余度功率电传作动器的失效率是10^-4的量级，因此，如果只采用单套系统，不能满足机载电传作动系统的可靠性要求。在单通道故障工作模式下，必须对故障通道进行有效隔离，由于滚珠丝杆螺旋副不能反向自锁，必须对故障通道电机进行制动处理，以防故障通道丝杆在受负载力的情况下的反向运动而影响正常通道的工作进而影响整个作动器的有效输出。齿轮直接啮合余度方式的安全性以及力纷争问题严重影响系统工作的可靠性，差动轮系方式相对齿轮啮合方式优势明显，但是就加工精度以及传动特性的要求而言，工程上很难达到要求，可行性不高。

目前构成机电作动系统余度的两种方式分别是：采用高可靠性容错电机构成余度和采用多台电机通过机械运动合成装置构成余度。高可靠性容错电机通过各种形式的绕组备份来实现高可靠性，然而采用非相似余度的高可靠性电机都存在一个缺点：在一次故障发生的情况下，如果相似的故障条件再次出现，剩余绕组同样会发生故障。所谓非相似余度功率电传作动系统是指采用不同工作原理、不同结构元件来完成同一任务的两种作动器构成余度作动系统。主-备式余度作动器最重要的问题是当故障发生后，能迅速检测出故障并及时接通备用作动器。因故障检测时间和门限与故障瞬态是直接相关的，故障检测时间过长或门限太大，会使故障瞬态过大，可能对飞机造成危害；如果故障检测时间太短或门限太小，会使作动器产生误切除。

目前，作为传动机构的机电作动器，其功能为通电后根据指令驱动旋转。从机电作动器的电机到飞行器舵轴是减速增矩的过程。因此，需要在机电作动器不通电时，在其电机轴上安装相应的锁定装置，以在减速增矩后，提供所需锁定力矩。由于现代飞行器的起落架通常是可收放的，一般利用液压进行起落架正常收放，当飞行器液压、电气等系统发生故障导致起落架无法正常放下时，飞行器必须具有人工应急放下起落架的措施，其工作性能直接影响到飞机的安全性。但以往有不少飞行器起落架应急放不到位，导致飞行器迫降的事例，可见起落架应急放系统对于保证飞行安全是极为重要的。在某些安全性要求较高的应用场合，例如应用于飞机起落架收放的机电作动器，要求其必须具备一定的安全余度。常规余度方案采用电机、气动马达主备驱动形式，属于非相似余度设计，其非相似余度的配置方式，各通道间的力纷争现象更加严重，而且从理论上无法消除，只能采取有效的方法对其加以限制。由于力纷争问题的存在，当一个电机通道出现故障时，必须将其隔离，否则故障通道的强耦合作用仍旧会影响舵机系统本身的安全。这些方法安全性不好。仅适用于拥有相同技术的余度作动系统。常用的机电作动器多余度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或收回活塞筒，仍需依赖电力实现应急收放，但与电机、气动马达主备驱动形式一样，不能解决丝杠副卡塞的单点故障，任务可靠性低，因而实用性受限制。

发明内容

本发明是提供一种结构简单，安全可靠，传动效率较高，能够实现不依赖于电力的解锁、上锁及伸出、缩回活塞筒的方案。以实现有效解决常规双余度机电作动器仍需依赖电力实现应急收放但不能解决丝杠副卡塞的单点故障，实现不同工作介质的多余度工作，满足作动器全行程往复运动的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非相似双余度机电作动器，包括：输出端齿轮从作动器缸筒1轴向一侧伸入传动腔体与传动齿轮26进行啮合的伺服电机25，通过所述传动齿轮26啮合丝杠16端向齿轮，在作动器缸筒1作伸缩运动的中空活塞筒13及面向缸筒底端的中空活塞头，以及丝杠螺母19套合的丝杠16，其特征在于：作动器缸筒1上设有径向连通底部腔体的非相似能源入口2和径向连通前端运动腔体的非相似余度入口15，相邻非相似能源入口2内壁上制有锁止上位钢球4的上位钢球锁槽3，活塞筒13缩回活塞头将上位钢球4落锁在上位钢球导向孔5中，同时把下位钢球12落锁在下位钢球导向孔11中，活塞头内壁台阶孔设有控制上位钢球4、下位钢球12滚动锁定、解锁的非相似双余度自动锁组件，高压介质从作动器缸筒1后方非相似能源入口2进入活塞头推进让出作动器缸筒1底端腔体形成高压腔，推动自动锁组件向右运动，带动上位钢球4、下位钢球12滚动，实现活塞筒13机械锁开锁，下位钢球12跟随活塞头滚动至作动器缸筒1内壁极限位置上的下位钢球锁槽14，自动锁组件将下位钢球12推入下位钢球锁槽14，实现活塞筒13伸出锁定，缩回过程类似，高压介质从作动器缸筒1末端上的非相似余度入口15进入作动器缸筒1前腔体，推动活塞头回缩，下位钢球12脱离下位钢球锁槽14，带动自动锁组件向左运动，将上位钢球4落锁在上位钢球锁槽3中，实现活塞筒13缩回锁定。

本发明相比于现有技术具有如下增益效果：

本发明基于非相似双余度控制策略，滚珠丝杠及螺母由伺服电机驱动，并通过滚珠丝杠来直接传递位移，通过在丝杠螺母19外环面套装在环套17内环面，环套17中部与丝杠螺母19中部缩颈环槽相对位置设置锁块滑槽9，并且环套17的中部设有被所述缩颈环槽、锁块滑槽9约束的锁块7及锁块7耦合相连的余度解锁衬套22，余度解锁衬套22被左复位弹簧24和右复位弹簧18轴向约束在环套17台阶槽中部，使得丝杠螺母19与环套17锁定在一起，形成余度切换锁定机构，忽略换相过程对伺服电机控制的影响，组成非相似双余度作动系统的各通道都进行主动的位置控制，结构简单，传动效率较高。

本发明从机械设计的简单可靠性、高传动精度、可实现性的原则出发，通过切换为非相似能源工作时，丝杠螺母19与环套17的余度切换锁定机构既能被驱动活塞筒伸出的高压介质解锁，又能被驱动活塞筒缩回的高压介质解锁，不仅能有效隔离丝杠副卡塞带来的故障，而且在卡塞故障发生后，还能完成正常的全行程收放及上锁、开锁工作，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的问题，可避免因作动器内的机械锁无法打开或活塞筒无法伸缩而造成设备严重的灾难性事故，提高了收放或开闭机构的安全性。内置锁方案采用钢珠锁形式，能实现作动筒到位锁定、收放解锁及可靠锁紧功能，也可采用其它机械锁，提高系统可靠性。结果表明，非相似双余度作动系统的动态性能比单通道工作时有所提高，在一个通道发生故障时，仍然能够正常工作。使机电作动器具备了双余度工作的能力，有效解决作动器失电或传动部件卡塞的工况，无法完成伸出、缩回活塞筒全行程往复工作的难题。

本发明采用不同工作原理、不同结构元件来完成同一任务的两种作动构型构成双余度作动系统，该双余度作动系统采用主备式工作，其主通道采用动态响应速度较高的电作动构型，备用通道采用的是结构较简单可靠性较高的高压作动构型。当作动系统发生共模故障时，产品仍能继续工作，提高了系统可靠性。此方案技术结构简单，从可靠性分析中也可双以看出余度作动器能满足电传控制系统的可靠性要求。因此，该方案基本能够满足机载电传作动系统的需求。

本发明能够适用于对可靠性要求很高的传动控制领域。

附图说明

图1是本发明非相似双余度机电作动器活塞筒缩回状态结构的纵向剖面示意图。

图中：1作动器缸筒，2非相似能源入口，3上位钢球锁槽，4上位钢球，5上位钢球导向孔，6左侧锁槽，7锁块，8内壁凸环，9锁块滑槽，10下环槽，11下位钢球导向孔，12下位钢球，13活塞筒，14下位钢球锁槽，15非相似余度入口，16丝杠，17环套，18右复位弹簧，19丝杠螺母，20右位上锁衬套，21双余度锁定弹簧，22余度解锁衬套，23左位上锁衬套，24左复位弹簧，25伺服电机，26传动齿轮。

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。在以下描述的优选实施例中，一种非相似双余度机电作动器，包括：输出端齿轮从作动器缸筒1轴向一侧伸入传动腔体与传动齿轮26进行啮合的伺服电机25，通过所述传动齿轮26啮合丝杠16端向齿轮，在作动器缸筒1作伸缩运动的中空活塞筒13及面向缸筒底端的中空活塞头，以及丝杠螺母19套合的丝杠16，其中：作动器缸筒1上设有径向连通底部腔体的非相似能源入口2和径向连通前端运动腔体的非相似余度入口15，相邻非相似能源入口2内壁上制有锁止上位钢球4的上位钢球锁槽3，活塞筒13缩回活塞头将上位钢球4落锁在上位钢球导向孔5中，同时把下位钢球12落锁在下位钢球导向孔11中，活塞头内壁台阶孔设有控制上位钢球4、下位钢球12滚动锁定、解锁的非相似双余度自动锁组件，高压介质从作动器缸筒1后方非相似能源入口2进入活塞头推进让出作动器缸筒1底端腔体形成高压腔，推动自动锁组件向右运动，带动上位钢球4、下位钢球12滚动，实现活塞筒13机械锁开锁，下位钢球12跟随活塞头滚动至作动器缸筒1内壁极限位置上的下位钢球锁槽14，自动锁组件将下位钢球12推入下位钢球锁槽14，实现活塞筒13伸出锁定，缩回过程类似，高压介质从作动器缸筒1末端上的非相似余度入口15进入作动器缸筒1前腔体，推动活塞头回缩，下位钢球12脱离下位钢球锁槽14，带动自动锁组件向左运动，将上位钢球4落锁在上位钢球锁槽3中，实现活塞筒13缩回锁定。

自动锁组件包括：紧贴在活塞头台阶孔内壁，控制上位钢球4、下位钢球12滚动锁定、解锁的左位上锁衬套23、右位上锁衬套20，左位上锁衬套23、右位上锁衬套20相向对称套合的余度解锁衬套22，约束在余度解锁衬套22外环面与上述左、右位上锁衬套对合环腔中的双余度锁定弹簧21，被余度解锁衬套22三阶内凸两边对称台阶孔约束的左复位弹簧24和右复位弹簧18，以及余度解锁衬套22通过其三阶内凸环8，将周向分布的锁块7约束在环套17、丝杠螺母19环面上的锁块滑槽9。

上位钢球4开锁后，环套17端面抵触活塞头端孔底端，推动活塞筒13伸出作动器缸筒1筒口，伸出至极限位置时，下位钢球12跟随活塞头滚动至作动器缸筒1内壁下位钢球锁槽14，右位上锁衬套20外环面卡入下位钢球12下端，实现下位钢球12机械锁锁定。

且缩回过程类似，在活塞筒13缩回时，高压介质从作动器缸筒1末端上的非相似余度入口15进入作动器缸筒1前腔体和中空活塞头，余度解锁衬套22被通过环缝进入的高压介质推动向左运动，压缩左复位弹簧24，推动余度解锁衬套22向左运动，直至余度解锁衬套22压缩至环套17左翻边台阶环的内侧端面，内壁凸环8锁块7将挤入下环槽10，脱离余度解锁衬套22，同时高压介质推动右位上锁衬套20，下位钢球12跟随活塞头滚动进入下位钢球导向孔11，上位钢球4跟随活塞头滚动至作动器缸筒1内壁极限位置上的上位钢球锁槽3，将上位钢球4推入上位钢球锁槽3，实现活塞筒13缩回锁定。

电作动器以电能驱动时，伺服电机25输出端齿轮通过传动齿轮26驱动丝杠16端向齿轮转动，套装在丝杠16螺旋滚道的丝杠螺母19带动环套17左翻边台阶环推动左位上锁衬套23一起克服双余度锁定弹簧21的弹力运动，上位钢球4沿上位钢球导向孔5滚动脱出，实现上位钢球4机械锁开锁。

非相似双余度机电作动器以不同于电能的非相似能源：液压或气压驱动时，高压介质从作动器缸筒1后方非相似能源入口2进入活塞头推进让出作动器缸筒1的底部高压腔，余度解锁衬套22被高压介质推动，压缩右复位弹簧18，推动余度解锁衬套22内壁凸环8向右运动，直至余度解锁衬套22压缩至环套17右翻边台阶环的内侧端面，锁块7从锁块滑槽8向外径向脱出，脱离内壁凸环8环面，滑入余度解锁衬套22左侧锁槽6，环套17脱离丝杠螺母19，同时高压介质推动左位上锁衬套23，上位钢球4滚动脱离上位钢球锁槽3从上位钢球4内环脱出，实现上位钢球4机械锁开锁。

在不付出创造性劳动的前提下，本发明还可以根据上述实施例获得其他的技术方案，以及在本发明保护的范围内做出的等同变化均应落入本发明的保护范围内，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种非相似双余度机电作动器，包括：输出端齿轮从作动器缸筒(1)轴向一侧伸入传动腔体与传动齿轮(26)进行啮合的伺服电机(25)，通过所述传动齿轮(26)啮合丝杠(16)端向齿轮，在作动器缸筒(1)作伸缩运动的中空活塞筒(13)及面向缸筒底端的中空活塞头，以及丝杠螺母(19)套合的丝杠(16)，其特征在于：作动器缸筒(1)上设有径向连通底部腔体的非相似能源入口(2)和径向连通前端运动腔体的非相似余度入口(15)，相邻非相似能源入口(2)内壁上制有锁止上位钢球(4)的上位钢球锁槽(3)，活塞筒(13)缩回活塞头将上位钢球(4)落锁在上位钢球导向孔(5)中，同时把下位钢球(12)落锁在下位钢球导向孔(11)中，活塞头内壁台阶孔设有控制上位钢球(4)、下位钢球(12)滚动锁定、解锁的非相似双余度自动锁组件，高压介质从作动器缸筒(1)后方非相似能源入口(2)进入活塞头推进让出作动器缸筒(1)底端腔体形成高压腔，推动自动锁组件向右运动，带动上位钢球(4)、下位钢球(12)滚动，实现活塞筒(13)机械锁开锁，下位钢球(12)跟随活塞头滚动至作动器缸筒(1)内壁极限位置上的下位钢球锁槽(14)，自动锁组件将下位钢球(12)推入下位钢球锁槽(14)，实现活塞筒(13)伸出锁定，缩回过程类似，高压介质从作动器缸筒(1)末端上的非相似余度入口(15)进入作动器缸筒(1)前腔体，推动活塞头回缩，下位钢球(12)脱离下位钢球锁槽(14)，带动自动锁组件向左运动，将上位钢球(4)落锁在上位钢球锁槽(3)中，实现活塞筒(13)缩回锁定。

2.如权利要求1所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：自动锁组件包括：紧贴在活塞头台阶孔内壁，控制上位钢球(4)、下位钢球(12)滚动锁定、解锁的左位上锁衬套(23)、右位上锁衬套(20)，左位上锁衬套(23)、右位上锁衬套(20)相向对称套合的余度解锁衬套(22)，约束在余度解锁衬套(22)外环面与上述左、右位上锁衬套对合环腔中的双余度锁定弹簧(21)，被余度解锁衬套(22)三阶内凸两边对称台阶孔约束的左复位弹簧(24)和右复位弹簧(18)，以及余度解锁衬套(22)通过其三阶内凸环(8)，将周向分布的锁块(7)约束在环套(17)的锁块滑槽(9)、丝杠螺母(19)环面上的缩颈槽。

3.如权利要求1或2所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：在活塞筒(13)缩回时，高压介质从作动器缸筒(1)末端上的非相似余度入口(15)进入作动器缸筒(1)前腔体和中空活塞头，余度解锁衬套(22)被通过环缝进入的高压介质推动向左运动，压缩左复位弹簧(24)，推动余度解锁衬套(22)向左运动，直至余度解锁衬套(22)压缩至环套(17)左翻边台阶环的内侧端面，内壁凸环(8)锁块(7)将挤入下环槽(10)，脱离余度解锁衬套(22)，同时高压介质推动右位上锁衬套(20)，下位钢球(12)跟随活塞头滚动进入下位钢球导向孔(11)，上位钢球(4)跟随活塞头滚动至作动器缸筒(1)内壁极限位置上的上位钢球锁槽(3)，将上位钢球(4)推入上位钢球锁槽(3)，实现活塞筒(13)缩回锁定。

4.如权利要求1所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：电作动器以电能驱动时，伺服电机(25)输出端齿轮通过传动齿轮(26)驱动丝杠(16)端向齿轮转动，套装在丝杠(16)螺旋滚道的丝杠螺母(19)带动环套(17)左翻边台阶环推动左位上锁衬套(23)一起克服双余度锁定弹簧(21)的弹力运动，上位钢球(4)沿上位钢球导向孔(5)滚动脱出，实现上位钢球(4)机械锁开锁。

5.如权利要求1或2所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：上位钢球(4)开锁后，环套(17)端面抵触活塞头端孔底端，推动活塞筒(13)伸出作动器缸筒(1)筒口，伸出至极限位置时，下位钢球(12)跟随活塞头滚动至作动器缸筒(1)内壁下位钢球锁槽(14)，右位上锁衬套(20)外环面卡入下位钢球(12)下端，实现下位钢球(12)机械锁锁定。

6.如权利要求1或2所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：活塞筒(13)缩回时，高压介质从作动器缸筒(1)末端上的非相似余度入口(15)进入作动器缸筒(1)前腔体和中空活塞头，余度解锁衬套(22)被高压介质推动向左运动，压缩左复位弹簧(24)，推动余度解锁衬套(22)内壁凸环(8)向左运动，直至余度解锁衬套(22)压缩至环套(17)左翻边台阶环的内侧端面，锁块(7)脱离余度解锁衬套(22)内壁凸环(8)挤入下环槽(10)，同时高压介质推动右位上锁衬套(20)从下位钢球(12)内环脱出，下位钢球(12)跟随活塞头滚动进入下位钢球导向孔(11)，下位钢球(12)脱离下位钢球锁槽(14)，实现下位钢球(12)机械锁开锁。

7.如权利要求4所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：非相似双余度机电作动器以不同于电能的非相似能源：液压或气压驱动时，高压介质从作动器缸筒(1)后方非相似能源入口(2)进入活塞头推进让出作动器缸筒(1)的底部高压腔，余度解锁衬套(22)被高压介质推动，压缩右复位弹簧(18)，推动余度解锁衬套(22)的内壁凸环(8)向右运动，直至余度解锁衬套(22)压缩至环套(17)右翻边台阶环的内侧端面，锁块7从锁块滑槽(9)向外径向脱出，脱离内壁凸环(8)环面，滑入余度解锁衬套(22)左侧锁槽(6)，环套(17)脱离丝杠螺母(19)，同时高压介质推动左位上锁衬套(23)从上位钢球(4)内环脱出，上位钢球(4)滚动脱离上位钢球锁槽(3)，实现上位钢球(4)机械锁开锁。

8.如权利要求6所述的非相似双余度机电作动器，其特征在于：开锁后高压介质推动活塞筒(13)缩回，锁块(7)沿余度解锁衬套(22)的内壁凸环(8)滑动，缩回至极限位置时，滑入下环槽(10)，环套(17)与丝杠螺母(19)脱离，双余度锁定弹簧(21)弹力推动左位上锁衬套(23)，上位钢球(4)沿上位钢球导向孔(5)滚动，将上位钢球(4)锁入上位钢球锁槽(3)，实现上位钢球(4)机械锁锁定。

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