CN111038684B - 一种异构型内嵌式双余度舵机 - Google Patents

一种异构型内嵌式双余度舵机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异构型内嵌式双余度舵机，属于伺服控制和作动技术领域；具体包括机电静压作动器EHA与机电作动器EMA两部分；所述EMA整体内嵌于EHA中空的活塞内；通过内嵌式结构将EHA与EMA两种不同原理作动器结合，实现了EHA和EMA二者互为备份，避免因同一失效原理导致***整体失效，大幅度地降低***故障率，本发明EHA活塞内做密封处理，EMA中滚珠丝杠浸于润滑油中充分润滑，有效提高飞机控制***的可靠性。

Description

一种异构型内嵌式双余度舵机
技术领域
本发明属于伺服控制和作动技术领域，具体为一种异构型内嵌式双余度舵机。
背景技术
由于飞机所处的自然环境中常伴随高温、高湿和烟雾，从而加快了飞机零部件老化和失效，增大了飞机故障的概率。而飞机的控制***一旦发生故障，使得飞行员失去对飞机的控制便会造成重大损失和人员伤亡。因次，提高飞机控制***的可靠性具有重要意义。
飞机在起飞，飞行，降落的过程中需要通过不断调节飞机舵面来实现飞机姿态的调节。而飞机通过飞控计算机控制舵机进而控制舵面，可见舵机是飞机控制***中重要的组成部分。
目前舵机中常见的作动***类型包括液压作动***和机械作动***，其中机电静压作动器(Electro-Hydrostatic Actuators ,EHA)和机电作动器(Electro-MechanicalActuators，EMA)这两种作动器应用较为广泛。EHA通过电机驱动泵，再由液压作动器推动负载实现对舵面的控制。EMA通过电机驱动机械结构，利用滚珠丝杠等传动方式由旋转运动转变为直线运动，进而控制舵面。但在实际应用中，EMA中的滚珠丝杠存在卡滞现象进而导致EMA无法正常工作；而EHA存在油液泄露，油液污染等问题也会导致EHA无法正常工作。
针对飞机所处自然环境的特殊性和舵机中作动器发生故障的问题，可通过余度备份提高舵机的工作可靠性。舵机的双余度设计分为舵机执行机构双余度设计和舵机控制器双余度设计。目前，许多专利针对舵机控制器双余度设计提出了解决方案，如专利CN101799689A针对舵机控制器中功率驱动单元进行双余度设计；专利CN106321770A针对舵机电机进行双余度设计。但是，此类双余度备份是通过采用相同原理进行冗余设计，其失效模式也相同，而单一的失效模式易造成***整体失效。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，提供一种异构型内嵌式双余度舵机，通过构成双余度备份降低故障概率，以提高舵机工作的可靠性。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种异构型内嵌式双余度舵机，包括机电静压作动器EHA与机电作动器EMA两部分；所述EMA整体内嵌于EHA中空的活塞内。
所述EMA包括第一电机、后端盖、推杆、丝杠、法兰型接头；所述的丝杠与第一电机通过联轴器连接；第一电机通过螺栓固定于后端盖的支架上；丝杠两端由深沟球轴承支撑，并与丝杠螺母以螺纹副配合；推杆一端与法兰型接头连接，另一端与丝杠螺母固定连接。
所述EHA包括中空的第一活塞、中空的第二活塞、前端盖以及EHA位移传感器；所述第一活塞与第二活塞相连接形成完整活塞，第二活塞内部设有装配深沟球轴承的位置；前端盖与第二活塞相连接。
所述的丝杠、丝杠螺母、推杆、深沟球轴承内嵌于所述第二活塞内，所述第一电机内嵌在第一活塞内，所述的深沟球轴承通过丝杠轴肩分别与前端盖、后端盖完成轴向定位，形成对对丝杠的轴向固定；推杆穿过前端盖与其连接；EHA位移传感器通过连杆与前端盖连接。
进一步的，前端盖和第二活塞连接处设置有第一密封圈，后端盖内设置有第二密封圈。
更进一步的，前端盖、后端盖以及密封圈对第二活塞内部进行密封，所述内部充满润滑油，用以使EMA中的丝杠与丝杠螺母充分润滑。
更进一步的，所述第一电机末端连接有电机编码器。
所述的后端盖、密封圈、联轴器、电机编码器内嵌于第一活塞内部。
进一步的，推杆由法兰盘与四根圆柱杆组成，法兰盘通过螺栓与丝杠螺母固定，圆柱杆穿过前端盖并和法兰型接头通过螺纹连接。
进一步的，后端盖通过螺栓固定在第二活塞末端。
进一步的，所述EHA还包括外壳和缸筒，外壳与缸筒通过螺栓连接，外壳顶部留有第一电机接线口。
更进一步的，所述外壳外部通过螺栓连接有垫板，所述垫板上固定设置有第二电机、双向变量泵；所述缸筒通过螺栓固定有阀块，阀块一侧与缸筒内腔相连通。
更进一步的，所述阀块上插装有用于维持作动器安全运行的阀组，所述阀组包括第一单向阀、第二单向阀、第一溢流阀、蓄能器、第二溢流阀，蓄能器用于补充油压。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
1、本发明提出一种异构型内嵌式双余度舵机，该舵机包括EHA与EMA两部分，其中EHA活塞中空，EMA内嵌于EHA活塞内部。通过内嵌式结构将EHA与EMA两种不同原理作动器结合，实现了EHA和EMA二者互为备份，避免因同一失效原理导致***整体失效，大幅度地降低***故障率。
2、本发明通过内嵌式结构将EHA与EMA两种不同原理作动器结合，在同等行程的要求下，相比EHA作动器或EMA作动器，本发明所提出的舵机轴向尺寸更小，体积更小。
3、本发明EHA活塞内做密封处理，EMA中滚珠丝杠浸于润滑油中充分润滑，可提高EMA工作可靠性。
附图说明
图1是本发明所述异构型内嵌式双余度舵机缩回工况内部结构示意图。
图2是本发明所述异构型内嵌式双余度舵机伸出工况内部结构示意图。
图3是本发明所述EMA结构示意图。
图4是本发明所述EHA结构示意图。
图5是本发明所述异构型内嵌式双余度舵机外观示意图。
图6是本发明所述EHA液压回路图。
其中，1为EMA，2为EHA，3为电机编码器，4为第一电机，5为联轴器，6为第二密封圈，7为后端盖，8为丝杠螺母，9为推杆，10为丝杠，11为深沟球轴承，12为法兰型接头，13为外壳，14为第一活塞，15为第三密封圈，16为第二活塞，17为缸筒，18为前端盖，19为第一密封圈，20为垫板，21为第二电机，22为双向定量泵，23为第一单向阀，24为第二单向阀，25为第一溢流阀，26为蓄能器，27为第二溢流阀，28为阀块，29为连杆，30为EHA位移传感器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
如图1——图2，是一种异构型内嵌式双余度舵机的缩回和伸出时的状态，该舵机包括EHA 2与EMA 1两个部分，其中EHA 2活塞中空，EMA 1内嵌于EHA 2活塞内部。
如图3所示，EMA1包括：电机编码器3、第一电机4、联轴器5、第二密封圈6、后端盖7、丝杠螺母8、推杆9、丝杠10、深沟球轴承11、法兰型接头12。其中，电机编码器3固定于第一电机4末端；第一电机4通过螺栓固定于后端盖7的支架上；丝杠10与第一电机4通过联轴器5连接；第二密封圈6固定于后端盖7中；丝杠10两端由深沟球轴承11支撑，并与丝杠螺母8以螺纹副配合。
如图4所示，EHA2包括：外壳13、第一活塞14、第三密封圈15、第二活塞16、缸筒17、前端盖18、第一密封圈19。其中，外壳13与缸筒17通过螺栓连接，外壳13顶部留有第一电机接线口；第一活塞14与第二活塞16螺纹连接，二者组成完整活塞，第一活塞14右侧留有第一电机接线口；第二活塞16右侧内部留有深沟球轴承11装配位置；前端盖18与第二活塞16通过螺栓连接；第一密封圈19位于前端盖18和第二活塞16之间。
深沟球轴承11通过丝杠10轴肩分别与前端盖18、后端盖7完成轴向定位；推杆9结构由法兰盘与四根对称圆柱杆组成，其法兰盘通过螺栓与丝杠螺母8固连，圆柱杆穿过前端盖18；法兰型接头12与推杆9螺纹连接。
如图5所示，EHA2外部包括：垫板20、第二电机21、双向变量泵22、第一单向阀23、第二单向阀24、第一溢流阀25、蓄能器26、第二溢流阀27、阀块28、连杆29、EHA位移传感器30。其中，垫板20通过螺栓与外壳13连接；垫板上固定有第二电机21、双向变量泵22；阀块28通过螺栓固定在缸筒17上，阀块28一侧通过管道与缸筒17的a腔连通，缸筒17的b腔直接与阀块28连通；阀块28上插装阀通过螺纹连接，包括第一单向阀23、第二单向阀24、第一溢流阀25、蓄能器26、第二溢流阀27；EHA位移传感器30通过螺栓固定在缸筒17上，EHA位移传感器30的拉杆通过连杆29与前端盖18连接。
如图6所示，液压回路包括由第二电机21、双向变量泵22、第一单向阀23、第二单向阀24、第一溢流阀25、蓄能器26、第二溢流阀27组成的阀组，其中蓄能器26用于补充油压，阀组用于维持作动器安全运行。
如图1所示，舵机由EMA1与EHA2组成，EMA1内嵌于EHA2活塞内部。其中，丝杠10、丝杠螺母8、推杆9、深沟球轴承11内嵌于第二活塞16内部；后端盖7、密封圈6、联轴器5、电机4、电机编码器3内嵌于第一活塞14内部。后端盖7通过螺栓固定于第二活塞16末端；后端盖7、前端盖18分别与丝杠10轴肩对深沟球轴承11完成轴向固定，同时完成对丝杠10的轴向固定。舵机中第二活塞16、丝杠螺母8的位置均为舵机缩回工况。
如图2所示，舵机中的第二活塞16、丝杠螺母8的位置为舵机伸出工况。
结合本发明双余度备份的特点，可将该舵机分为三种工作方式，下面详细描述工作过程。
（1）EHA2单独运行，EMA1作为余度备份。第二电机21正转带动双向变量泵22工作，蓄能器26补充油压，油液经阀块28上第一单向阀23、第一溢流阀25进入液压缸b腔，推动第二活塞16伸出；第二电机21反转带动双向变量泵22工作，蓄能器26补充油压，油液经阀块28上第二单向阀24、第二溢流阀27进入液压缸a腔，推动第二活塞16缩回。在第二活塞16伸出、缩回过程中EHA位移传感器30反馈活塞位置，构成闭环***。当EHA2中活塞出现卡滞，通过EHA位移传感器30反馈至控制器立即启动EMA1中第一电机4。
（2）EMA1单独运行，EHA2作为余度备份。第一电机4正转通过联轴器5带动丝杠10旋转，又通过丝杠螺母8将丝杠10的旋转运动转为丝杠螺母8的直线运动，丝杠螺母8带动推杆9伸出前端盖18；第一电机4反转则丝杠螺母8、推杆9缩回。在丝杠螺母8和推杆9伸出、缩回过程中，由电机编码器3可计算推杆9的位置反馈至控制器构成闭环***。当EMA1中丝杠螺母8出现卡滞，通过电机编码器3反馈至控制器立即启动EHA2中第二电机21。
（3）EHA2与EMA1同时运行。在伸出工况时，第二电机21带动双向变量泵22工作，蓄能器26补充油压，油液经阀块28上第一单向阀23、第一溢流阀25进入液压缸b腔，推动第二活塞16伸出；同时，第一电机4正转通过联轴器5带动丝杠10旋转，又通过丝杠螺母8将丝杠10的旋转运动转为丝杠螺母8的直线运动，丝杠螺母8带动推杆9和法兰型接头12伸出前端盖18。在缩回工况时，第二电机21反转带动双向变量泵22工作，蓄能器26补充油压，油液经阀块28上第二单向阀24、第二溢流阀27进入液压缸a腔，推动第二活塞16缩回；同时，第一电机4反转丝杠螺母8、推杆9缩回。在伸出和缩回过程中EHA位移传感器30与电机编码器3同时工作构成位置闭环。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，包括机电静压作动器EHA（2）与机电作动器EMA（1）两部分；所述EMA（1）整体内嵌于EHA（2）中空的活塞内；
所述EMA（1）包括第一电机（4）、后端盖（7）、推杆（9）、丝杠（10）、法兰型接头（12）；所述的丝杠（10）与第一电机（4）通过联轴器（5）连接；第一电机（4）通过螺栓固定于后端盖（7）的支架上；丝杠（10）两端由深沟球轴承（11）支撑，并与丝杠螺母（8）以螺纹副配合；推杆（9）一端与法兰型接头（12）连接，另一端与丝杠螺母（8）固定连接；
所述EHA（2）包括中空的第一活塞（14）、中空的第二活塞（16）、前端盖（18）以及EHA位移传感器（30）；所述第一活塞（14）与第二活塞（16）相连接形成完整活塞，第二活塞（16）内部设有装配深沟球轴承（11）的位置；前端盖（18）与第二活塞（16）相连接；
所述的丝杠（10）、丝杠螺母（8）、推杆（9）、深沟球轴承（11）内嵌于所述第二活塞（16）内，所述第一电机（4）内嵌在第一活塞（14）内，所述的深沟球轴承（11）通过丝杠（10）轴肩分别与前端盖（18）、后端盖（7）完成轴向定位，形成对丝杠（10）的轴向固定；推杆（9）穿过前端盖（18）与其连接；EHA位移传感器（30）通过连杆（29）与前端盖（18）连接。
2.根据权利要求1所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，前端盖（18）和第二活塞（16）连接处设置有第一密封圈（19），后端盖（7）内设置有第二密封圈（6）。
3.根据权利要求2所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，前端盖（18）、后端盖（7）以及密封圈（9）对第二活塞（16）内部进行密封，所述内部充满润滑油，用以使EMA（1）中的丝杠（10）与丝杠螺母（8）充分润滑。
4.根据权利要求2所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，所述第一电机（4）末端连接有电机编码器（3）。
5.根据权利要求4所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，所述的后端盖（7）、密封圈（6）、联轴器（5）、电机编码器（3）内嵌于第一活塞（14）内部。
6.根据权利要求1所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，推杆（9）由法兰盘与四根圆柱杆组成，法兰盘通过螺栓与丝杠螺母（8）固定，圆柱杆穿过前端盖（18）并和法兰型接头（12）通过螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，后端盖（7）通过螺栓固定在第二活塞（16）末端。
8.根据权利要求1所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，所述EHA（2）还包括外壳（13）和缸筒（17），外壳（13）与缸筒（17）通过螺栓连接，外壳（13）顶部留有第一电机接线口。
9.根据权利要求8所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，所述外壳（13）外部通过螺栓连接有垫板（20），所述垫板（20）上固定设置有第二电机（21）、双向变量泵（22）；所述缸筒（17）通过螺栓固定有阀块（28），阀块（28）一侧与缸筒（17）内腔相连通。
10.根据权利要求9所述的一种异构型内嵌式双余度舵机，其特征在于，所述阀块（28）上插装有用于维持作动器安全运行的阀组，所述阀组包括第一单向阀（23）、第二单向阀（24）、第一溢流阀（25）、蓄能器（26）、第二溢流阀（27），蓄能器（26）用于补充油压。
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