CN116066538A - 全电双余度应急收放机电作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种全电双余度应急收机电作动器，安全可靠，容错能力好。采用如下技术方案实现：活塞筒组件自由端上设有相向对称主电机，与主电机互为备份的副电机，副电机输出齿轮通过副传动齿轮啮合装配在活塞筒组件中的丝杠套筒筒端齿轮，将伸入活塞头台阶内环孔中的丝杠套筒翻边环约束在终端轴承的端环上，丝杠套筒套合在其运动腔作伸缩运动的丝杠螺母，丝杠螺母套合伸入活塞头的丝杠副沿着外筒底端固联导向轨道，带动活塞筒组件在外筒内台阶约束运动腔中作推拉行程直线运动，形成主电机带动丝杠副啮合丝杠螺母旋转，或副电机带动丝杠套筒啮合丝杠螺母旋转，推动活塞筒组件在EMA外筒运动腔中运动，具有两条相对独立的双余度应急收放传动链。

Description

全电双余度应急收放机电作动器

技术领域

本发明是关于应用于全电机电作动器上的双余度功能应急收结构，更具体地说，本发明是关于全电双余度应急收机电作动器的创新结构。

背景技术

当今飞机作动系统主要采用液压作动系统及一些气动辅助系统。液压作动系统需要一套复杂的中央液压系统并存在漏油问题，因而结构复杂，所需支持设备多，维护困难。单个机电作动器与单个液压作动器相比虽然重量不占优势甚至略重，但考虑到取消了相应的液压管线，总体重量可大大降低。传统的液压作动系统不管作动器工作与否，必须保持一定的液压，这将消耗相应的功率。而机电作动器只在工作时才会消耗功率，因而有更高的效率。最近发展起来的全电传动这个过程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。飞机的起飞和降落是飞机事故的多发阶段，在着陆过程中，机电作动器及连接电缆均裸露在起落架外，飞机着陆时，动能全部由刹车盘吸收，会产生大量的热，容易引起供电线路故障，从而造成电源故障。以机电作动器代替液压作动器是发展全电飞机、多电飞机的一个关键环节。随着飞行器向全电化方向发展以及使用要求的不断提高，液压收放系统的缺点越显突出，产重影响了小型飞行器性能的提高。因此，起落架如何实现全电收放一直是全电飞机发展过程中的技术难题。随着全电化传动系统概念的提出，电动作动器起落架电动作动筒主要由直流伺服电机主驱动装置、气动马达、气动离合器应急驱动装置、锁定机构、活塞筒、活塞筒以及相关连接件等构成机械装置、减速器、同步带、滚珠丝杠构成的传动装置、检测装置(微动开关)等组成。直流电机和气动马达通过气动离合器连接在一起，直流电机作为主动机电力源，而气动马达作为应急动力源；锁定机构与滚珠丝杠螺母副通过螺钉连接，活塞筒与锁定机构通过螺纹连接。作动筒两端各有两个微动开关，用于控制电机速度和到位信号反馈。以机电作动器代替液压作动器是发展全电飞机、多电飞机的一个关键环节。机电作动器(EMA)是飞行控制系统的关键部件,其可靠性高低直接影响飞机的飞行安全。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。通常情况下，机电作动器主要由驱动器、驱动电机、减速箱减速齿轮、滚珠丝杠、滚珠丝杠副传动部件、检测反馈及负载作动器外筒组件、活塞筒组件、自锁定组件、检测反馈位置检测元件及负载等部件构成。它通过控制执行机构的运行来间接或直接地控制目标运动。

现有技术为了提高机电作动系统的任务可靠性，采用余度技术来设计系统。机电作动系统提高可靠性的方法之一是可以采用余度结构。目前国内外研究的机电作动器的余度方案有三种，EMA采用的余度结构主要分为机械式冗余、电气冗余和电气冗余与机械冗余混合的复合式冗余。电气型余度结构是电机系统采用一个转子，多套绕组安装在一个定子上，各绕组间实现转矩磁综合，每套绕组采用一套控制电路，形成多通道控制系统。机械型余度结构是将多个电机通过齿轮传动装置连接，每个电机采用一套控制电路，形成多通道控制系统。双余度机电作动器的方向舵就是通过差动齿轮把两台电动机轴综合，形成机械综合型双余度机电作动系统。由于双余度系统的两通道不可能完全对称及各种因素的影响，如电源的差异、负载变化、环境温度变化等影响，都可能造成电机两套绕组电流不均衡。因此，在双余度机电作动器系统运行时存在着“电流纷争”现象。四余度机电作动系统由数字控制器、四套功率电路、两台双通道无刷直流电动机、两个无刷旋转变压器和差动齿轮形成四控制通道的电力传动系统，差动齿轮将两台无刷直流电机的输出经过机械综合后输出。在余度系统并联运行时，为了解决各通道之间的偏差，要采用均衡技术来对系统进行处理。对于电机为转矩磁耦合式双余度绕组的余度机电作动器，必需进行电流的均衡控制。但通过对系统并联运行的仿真证明，在两套功率变换器电源的电压差变大时，会出现电流的严重不均衡，甚至会出现一套绕组处于电动状态，而另一套绕组处于发电状态的局面，并使电机严重发热，危及系统的安全。在某些安全性、任务可靠性要求高的应用场合，例如应用于飞机起落架收放的机电作动器，要求其必须具备放下起落架的安全余度，目前有两种应用机电作动器收放起落架的方案，包括机电作动器活塞筒伸出放下起落架和活塞筒缩回放下起落架。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。为了解决机电作动器传动部件单点故障问题，现有技术常规多级机电作动器采用传动机构冗余设计方案，该余度设计旨在提高起落架刹车系统的可靠性，但仍然面对丝杠副卡塞等单点故障的问题，为了提高伺服作动系统的可靠性，现有技术提出了非相似余度设计方案。非相似余度作动系统具有两条或两以上在硬件或软件上不完全相同的通道同步工作。如伺服控制器的处理器、控制器软件及电气机械部等都可以采用非相似余度设计。并行工作的余度作动器存在着信号失配的问题，因此需要采用一定的方式进行均衡。常用的方式有机械力综合式、液压力综合式、磁通综合式。机械力综合式作动器存在着力纷争的问题，机电作动器采用力综合方式工作，这样会产生不同步问题。需要采用均衡技术或者解耦控制来缓解或者消除力纷争。液压力综合式将两个作动筒的输出力相加作为输出，不存在力纷争的问题，因此在相似余度作动器中经常采用。但是由于电静液作动系统动态响应比电液伺服作动器慢，如果采用液压力综合式，短时间内作用在作动筒活塞筒上的输出力差很大。而且，集中能源式液压作动系统存在重量大、效率低以及维护成本高等劣势。如果采用多电飞机非相似混合作动器，则由于采用非相似余度配置,混合余度作动系统存在力纷争的问题。由于双余度系统的两通道不可能完全对称，电源的差异、负载变化、环境温度变化等各种因素的影响，都可能造成电机两套绕组电流不均衡。因此，在双余度机电作动器系统运行时存在着“电流纷争”现象。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足之处和针对EMA的高可靠性要求，采用余度技术提供一种结构简单，安全可靠，容错能力好，能够在电力能源供应下，实现全电多余度应急应缩回活塞筒的全电双余度应急收放机电作动器方案。有效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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全电双余度应急收放机电作动器，包括：封装在机电作动器EMA外筒传动箱一侧与主电机1输出轴连接的齿轮传动组件,与所述齿轮传动组件相连的丝杠副3，在EMA外筒4运动腔体中作伸缩直线运动的活塞筒组件8，与套合在丝杠副3外螺旋滚道上的丝杠螺母6，其特征在于：活塞筒组件8自由端上设有相向对称主电机1，与所述主电机1互为备份的全电双余度副电机9，副电机9输出齿轮通过副传动齿轮10啮合装配在活塞筒组件8中的丝杠套筒7筒端齿轮，该筒端齿轮台阶筒通过活塞筒组件8内壁台阶约束的轴承，将伸入活塞头台阶内环孔中的丝杠套筒7翻边环约束在终端轴承的端环上，丝杠套筒7内螺旋滚道套合在其运动腔作伸缩运动的丝杠螺母6，丝杠螺母6套合伸入活塞头的丝杠副3沿着EMA外筒4底端固联导向轨道5，带动活塞筒组件8在EMA外筒4内台阶约束运动腔中作推拉行程直线运动，形成主电机1带动丝杠副3啮合丝杠螺母6旋转，或副电机9带动丝杠套筒7啮合丝杠螺母6旋转，推动活塞筒组件8在EMA外筒(4运动腔中运动，具有两条相对独立的双余度应急收放传动链。

本发明相比于现有技术具有如下增益效果：

本发明采用封装在机电作动器EMA外筒传动箱一侧与主电机1输出轴连接的齿轮传动组件,与所述齿轮传动组件相连的丝杠副3，在EMA外筒4运动腔体中作伸缩直线运动的活塞筒组件8，装配在活塞筒组件8大端活塞头内环台阶孔中的轴承约束的丝杠套筒7，与套合在丝杠副3外螺旋滚道上的丝杠螺母6，结构简单，安全可靠，

本发明在活塞筒组件8自由端上设置相向对称主电机1，与所述主电机1互为备份的全电双余度副电机9，副电机9输出齿轮通过副传动齿轮10啮合丝杠套筒7筒端齿轮，丝杠套筒7套合丝杠螺母6，丝杠螺母6装配在EMA外筒4底端固联的导向轨道5上。在余度工作模式下，由主电机设定参考位置，通过SPI通知副电机，双机共同按相同的参考位置运行；如果得知副电机故障后，主电机制动，副电机不再依赖主电机给定的参考位置，而使用副电机自身的参考位置指令，继续使系统工作。实验结果表明，由于副电机可以比较迅速地接替主电机实现位置伺服，系统能够在故障情况下实现余度控制，具有一定的容错能力，提高了系统的可靠性。

本发明通过在丝杠螺母6内外环设计独立的螺旋滚道，内环与丝杠副3套合，外环与丝杠套筒7套合，使丝杠副3能被主电机1驱动，丝杠套筒7能被副电机9驱动，形成被活塞筒8整合在一起两条相对独立的通道传动链，由两条相对通道形成双机热备份来充分发挥余度特性，保证系统的高可靠性，并且在故障状态下可以进行自动无扰动工作模式切换。具有较高的可靠性。在主电机1和副电机9可选择地同时工作时，能够在实只有电力能源供应下，实现全电多余度应急应缩回，活塞筒伸出或缩回速度是单个电机工作时速度的两倍，当任一电机失效或其对应的传动链卡塞时，另一电机可独立完成缩回活塞筒任务，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收回活塞筒动作，不仅提高了全电机电作动器安全性和任务可靠性，而且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。

附图说明

图1本发明全电双余度应急收放机电作动器活塞筒伸出状态结构示意图。

图中：1主电机，2主传动齿轮，3丝杠副，4外筒，5导向轨道，6丝杠螺母，7丝杠套筒，8活塞筒，9副电机，10副传动齿轮。

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，一种全电双余度应急收放机电作动器，包括：封装在机电作动器EMA外筒传动箱一侧与主电机1输出轴连接的齿轮传动组件,与所述齿轮传动组件相连的丝杠副3，在EMA外筒4运动腔体中作伸缩直线运动的活塞筒组件8，与套合在丝杠副3外螺旋滚道上的丝杠螺母6，其中：活塞筒组件8自由端上设有相向对称主电机1，与所述主电机1互为备份的全电双余度副电机9，副电机9输出齿轮通过副传动齿轮10啮合装配在活塞筒组件8中的丝杠套筒7筒端齿轮，该筒端齿轮台阶筒通过活塞筒组件8内壁台阶约束的轴承，将伸入活塞头台阶内环孔中的丝杠套筒7翻边环约束在终端轴承的端环上，丝杠套筒7内螺旋滚道套合在其运动腔作伸缩运动的丝杠螺母6，丝杠螺母6套合伸入活塞头的丝杠副3沿着EMA外筒4底端固联导向轨道5，带动活塞筒组件8在EMA外筒4内台阶约束运动腔中作推拉行程直线运动，形成主电机1带动丝杠副3啮合丝杠螺母6旋转，或副电机9带动丝杠套筒7啮合丝杠螺母6旋转，推动活塞筒组件8在EMA外筒4运动腔中运动，具有两条相对独立的双余度应急收放传动链。

齿轮传动组件包括：外筒4传动箱一侧通过主电机1输出齿轮进行啮合的主传动齿轮2，与所述主传动齿轮2进行啮合的丝杠副3轴端台阶轴齿轮副。

所述的齿轮传动组件还包括：封装在活塞筒8终端传动箱体中，与主电机1相对应的副电机9输出齿轮，与所述输出齿轮进行啮合的副传动齿轮10，与所述副传动齿轮10进行啮合的活塞筒8筒端台阶轴齿轮。

丝杠副3通过EMA外筒4底部圆柱体中空台阶孔装配的推力角接触球轴承，将丝杠副3台阶轴齿轮副轴向限位在丝杠环槽的两端端面，穿过丝杠螺母6内环导轨槽沿导向轨道5运动，承受丝杠副3的负载。

丝杠副3外螺旋滚道配合丝杠螺母6，将所述丝杠螺母6约束在丝杠套筒7传动腔体内螺旋滚道上。

与所述副传动齿轮10进行啮合的丝杠套筒7，通过筒端齿轮轴向台阶筒约束在活塞筒8上端面与端筒台阶孔中的推力角接触球轴承内圈沟道端面，对丝杠套筒7轴向限位。

丝杠套筒7通过终端翻边环装配的推力角接触球轴承约束在活塞筒8活塞头中内环孔的一侧端面上，承受与之配合的丝杠螺母6的负载。

活塞筒8自由端活塞头套装外筒4，外筒4通过终端内壁台阶约束活塞头台阶环，限制活塞筒8在外筒4运动腔中的轴向运动行程自由度。

装配在活塞筒8传动腔中的丝杠套筒7将活塞筒负载依次传递至丝杠螺母6、丝杠副3，最终传递至外筒4上。

正常工作时，全电双余度主电机1、副电机9可选择地同时工作或任一电机工作，另一电机冷备份，主电机1、副电机9同时工作，主电机1通过主传动齿轮2带动丝杠副3驱动丝杠螺母6及丝杠套筒7作缩回运动，副电机9通过副传动齿轮10带动丝杠套筒7旋转，相对于丝杠螺母6带动被端向套装的推力角接触球轴承活约束的活塞筒8作缩回运动。

在双余度模态下，若主电机1工作，副电机9失效或传动链卡塞，主电机1通过主传动齿轮2带动丝杠副3旋转，驱动丝杠螺母6带动丝杠套筒7及套装的活塞筒8，克服活塞筒8负载作缩回运动。

若主电机1失效或传动链卡塞，副电机9工作，副电机9通过副传动齿轮10带动丝杠套筒7旋转，通过丝杠螺母6带动活塞筒8，克服活塞筒8负载作缩回运动。

本发明尽管结合一些优选的实施方式对本发明进行描述，但本发明并不限于这些实施方式。与此相反，本发明将涵盖所有的替换方式、改型、以及等效方式，只要这些方案被包含在由后附权利要求限定的本发明核心思想与保护范围内。

Claims (10)

1.一种全电双余度应急收放机电作动器，包括：封装在机电作动器(EMA)外筒传动箱一侧与主电机(1)输出轴连接的齿轮传动组件,与所述齿轮传动组件相连的丝杠副(3)，在EMA外筒(4)运动腔体中作伸缩直线运动的活塞筒组件(8)，与套合在丝杠副(3)外螺旋滚道上的丝杠螺母(6)，其特征在于：活塞筒组件(8)自由端上设有相向对称主电机(1)，与所述主电机(1)互为备份的全电双余度副电机(9)，副电机(9)输出齿轮通过副传动齿轮(10)啮合装配在活塞筒组件(8)中的丝杠套筒(7)筒端齿轮，该筒端齿轮台阶筒通过活塞筒组件(8)内壁台阶约束的轴承，将伸入活塞头台阶内环孔中的丝杠套筒(7)翻边环约束在终端轴承的端环上，丝杠套筒(7)内螺旋滚道套合在其运动腔作伸缩运动的丝杠螺母(6)，丝杠螺母(6)套合伸入活塞头的丝杠副(3)沿着EMA外筒(4)底端固联导向轨道(5)，带动活塞筒组件(8)在EMA外筒(4)内台阶约束运动腔中作推拉行程直线运动，形成主电机(1)带动丝杠副(3)啮合丝杠螺母(6)旋转，或副电机(9)带动丝杠套筒(7)啮合丝杠螺母(6)旋转，推动活塞筒组件(8)在EMA外筒(4)运动腔中运动，具有两条相对独立的双余度应急收放传动链。

2.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：齿轮传动组件包括：外筒(4)传动箱一侧通过主电机(1)输出齿轮进行啮合的主传动齿轮(2)，与所述主传动齿轮(2)进行啮合的丝杠副(3)轴端台阶轴齿轮副，所述的齿轮传动组件还包括：封装在活塞筒(8)终端传动箱体中，与主电机(1)相对应的副电机(9)输出齿轮，与所述输出齿轮进行啮合的副传动齿轮(10)，与所述副传动齿轮(10)进行啮合的活塞筒(8)筒端台阶轴齿轮。

3.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：丝杠副(3)通过EMA外筒(4)底部圆柱体中空台阶孔装配的推力角接触球轴承，将丝杠副(3)台阶轴齿轮副轴向限位在丝杠环槽的两端端面，穿过丝杠螺母(6)内环导轨槽沿导向轨道(5)运动，承受丝杠副(3)的负载。

4.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：与所述副传动齿轮(10)进行啮合的丝杠套筒(7)，通过筒端齿轮轴向台阶筒约束在活塞筒(8)上端面与端筒台阶孔中的推力角接触球轴承内圈沟道端面，对丝杠套筒(7)轴向限位。

5.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：丝杠套筒(7)通过终端翻边环装配的推力角接触球轴承约束在活塞筒(8)活塞头中内环孔的一侧端面上，承受与之配合的丝杠螺母(6)的负载。

6.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：活塞筒(8)自由端活塞头套装外筒(4)，外筒(4)通过终端内壁台阶约束活塞头台阶环，限制活塞筒(8)在外筒(4)运动腔中的轴向运动行程自由度。

7.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：装配在活塞筒(8)传动腔中的丝杠套筒(7)将活塞筒负载依次传递至丝杠螺母(6)、丝杠副(3)，最终传递至外筒(4)上。

8.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：正常工作时，全电双余度主电机(1)、副电机(9)可选择地同时工作或任一电机工作，另一电机冷备份，主电机(1)、副电机(9)同时工作，主电机(1)通过主传动齿轮(2)带动丝杠副(3)驱动丝杠螺母(6)及丝杠套筒(7)作缩回运动，副电机(9)通过副传动齿轮(10)带动丝杠套筒(7)旋转，相对于丝杠螺母(6)带动被端向套装的推力角接触球轴承活约束的活塞筒(8)作缩回运动。

9.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：在双余度模态下，若主电机(1)工作，副电机(9)失效或传动链卡塞，主电机(1)通过主传动齿轮(2)带动丝杠副(3)旋转，驱动丝杠螺母(6)带动丝杠套筒(7)及套装的活塞筒(8)，克服活塞筒(8)负载作缩回运动。

10.如权利要求1所述的全电双余度应急收放机电作动器，其特征在于：若主电机(1)失效或传动链卡塞，副电机(9)工作，副电机(9)通过副传动齿轮(10)带动丝杠套筒(7)旋转，通过丝杠螺母(6)带动活塞筒(8)，克服活塞筒(8)负载作缩回运动。

Images