從需求出發(fā)，淺析民機飛控電液伺服作動器設(shè)計

黃健

【摘 要】飛控系統(tǒng)作為飛機最重要的系統(tǒng)之一，對飛機性能和安全性具有至關(guān)重要的意義。布置于各控制面的飛控作動器是實現(xiàn)飛機三軸機動的執(zhí)行主體。本文以電液伺服作動器為例，從需求出發(fā)，介紹了作動器的組成和具體功能的實現(xiàn)方式。

【關(guān)鍵詞】民機；作動系統(tǒng)；電液伺服作動器

0 引言

當前，液壓伺服作動器已普遍應(yīng)用于民機和軍機的飛控系統(tǒng)。主要用于實現(xiàn)副翼、升降舵、方向舵主控制面的位置閉環(huán)控制，和絕大數(shù)民機多功能擾流板的位置控制。一般地，電液伺服作動器由電液伺服閥接受控制指令信號，經(jīng)過液壓放大，輸出流量驅(qū)動作動筒運動，并依靠內(nèi)部的LVDT形成位置閉環(huán)控制。本文從民機飛控作動器的常規(guī)需求定義出發(fā)，簡述各需求的實現(xiàn)方式，淺析作動器的設(shè)計過程。

1 作動器需求定義

本文所討論的需求僅針對于單個作動器的設(shè)備級需求，可將其分為三類：接口定義、功能定義、性能定義。這里的接口定義，僅指作動器的機械接口。作動器基本的機械接口需求包括作動器與控制面和機翼結(jié)構(gòu)間的接頭位置、作動器行程、作動器的尺寸包線等。在民機設(shè)計中，根據(jù)上游總體布置等相關(guān)專業(yè)的設(shè)計輸入開展設(shè)計。在功能定義上，民機作動器需要滿足至少兩種工作模式：主動模式、阻尼模式（或旁通模式）。主動模式需在液壓源、電源、前端系統(tǒng)及作動系統(tǒng)本身正常的情況下，提供各控制面的閉環(huán)電液伺服控制功能。主舵面作動器退出主動工作模式時，一般要求仍能提供一定的阻尼功能和顫振抑制功能。擾流板作動器略有不同，出于安全性考慮，在民機上一般要求擾流板作動器在退出主動模式后能自動恢復(fù)到舵面零位。在性能定義上，作動器需滿足的基本需求有失速載荷需求、限制載荷需求、速率需求、剛度需求和泄漏需求等。除這些基本需求外，從保護作動器的角度，民機作動器還應(yīng)具有過壓保護功能、抗氣穴、回油穩(wěn)壓、進油防逆流等功能。

2 作動器零組件選擇與設(shè)計

電液伺服作動器一般由作動筒和殼體構(gòu)成。殼體包括了各分組件閥，作動筒由筒體和活塞桿構(gòu)成。飛控系統(tǒng)將指令以電流信號輸入給電液伺服閥轉(zhuǎn)化成液壓的流量輸出。各分組件實現(xiàn)液壓回路的控制功能。通過改變作動筒活塞兩側(cè)壓力，驅(qū)動活塞桿做平移運動。作動筒與操縱面相連，將平移運動轉(zhuǎn)化為舵面轉(zhuǎn)動。一般在活塞桿上內(nèi)置線位移傳感器，將位置信號反饋給系統(tǒng)，建立閉環(huán)回路。從以上最基本的閉環(huán)和作動需求可見，構(gòu)成作動器必須的主要部件有：殼體、作動筒缸體、電液伺服閥、活塞和活塞桿組件、活塞位置傳感器。

2.1 主要零部件及尺寸確定

首先考量安裝空間和連接結(jié)構(gòu)等因素，對作動器的形式進行確定，常用的有點對點式和反力連桿式，各有優(yōu)缺點。點對點式作動器形式簡單、尺寸小、重量輕；反力連桿式作動器傳力路徑復(fù)雜、維護復(fù)雜、重量較重，但與結(jié)構(gòu)連接處載荷較小，連接處結(jié)構(gòu)重量較輕。作動器連接形式確定后，依照尺寸包線對殼體和缸體的尺寸進行初步設(shè)計。然后，根據(jù)平面三角關(guān)系將舵面的角度行程需求換算到活塞桿的線行程需求，根據(jù)液壓系統(tǒng)供回油壓力和作動器最大輸出力需求換算得到活塞有效面積，進一步確定活塞桿的尺寸和行程。活塞和活塞桿組件在實現(xiàn)形式上，既有兩側(cè)有效面積對稱的，也有非對稱的。在設(shè)計時根據(jù)實際情況進行選擇。對活塞端頭與活塞桿的連接形式也可開展進一步的設(shè)計，使其在機械調(diào)零時具備足夠的零位行程調(diào)整范圍和調(diào)整精度。

基本的連接形式和平面三角關(guān)系確定后，可對作動器與舵面及機構(gòu)支架的連接接頭進行設(shè)計以滿足使用要求。接頭連接形式一般有單耳和雙叉耳兩種形式，根據(jù)強度應(yīng)力需求和空間限制進行設(shè)計，一般多采用單耳式。然后對連接接頭處的軸承和襯套進行綜合選擇和設(shè)計，既要滿足間隙和潤滑要求，同時還要在實現(xiàn)形式上滿足一定的滾轉(zhuǎn)自由度，以適應(yīng)舵面扭轉(zhuǎn)形帶來的影響。

2.2 分組件閥選擇及確定

民用飛機主舵面作動器一般要求具備主動模式和阻尼（或旁通）模式。模式間的切換一般由電磁閥和模式選擇閥實現(xiàn)。電磁閥用于接收系統(tǒng)電指令，控制模式選擇閥進行模式切換。模式選擇閥一般為二位八通換向閥，以滿足兩種工作模式的需求。

主動模式下，由電液伺服閥（EHSV）提供伺服控制。伺服閥的基本功能為接收系統(tǒng)指令電流信號，將其轉(zhuǎn)化為液壓流量的輸出。電液伺服閥有多種類型，如噴嘴擋板式電液伺服閥、射流管式電液伺服閥等。通常，噴嘴擋板式電液伺服閥由力矩馬達、噴嘴、擋板和第二級閥組成，射流管式電液伺服閥由力矩馬達、射流閥和第二級閥組成。電液伺服閥既是實現(xiàn)作動伺服控制的關(guān)鍵部件，同時也是決定作動器動態(tài)特性的重要部件。在確定伺服閥類型后，根據(jù)作動器的速率需求、頻響特性需求、滯環(huán)門限需求，對力矩馬達的參數(shù)指標、第二級滑閥的類型、開度指標、重疊量參數(shù)等進行綜合設(shè)計和確定。除了動態(tài)特性外，決定主動模式工作性能的另一大指標是泄漏。泄漏分為內(nèi)漏和外漏。內(nèi)漏主要產(chǎn)生于EHSV和活塞處，動態(tài)性能越好，往往伴隨著內(nèi)漏越大，輸出性能降級。因此在進行關(guān)鍵尺寸設(shè)計時，需對兩者進行權(quán)衡設(shè)計。外漏指的是作動器外表面的液壓油泄漏。對于殼體上的工藝孔可采用金屬堵頭過盈配合封膠處理。對于作動筒端蓋一般設(shè)計多級的密封圈密封槽組合形式進行密封。

針對阻尼模式和旁通模式的實現(xiàn)，需設(shè)計特殊的阻尼閥實現(xiàn)相應(yīng)功能。當模式選擇閥切換到阻尼模式時，阻尼油路導(dǎo)通。通常，阻尼閥通過多個節(jié)流孔將伸出腔、縮回腔和回油兩兩導(dǎo)通。根據(jù)阻尼特性的需求，設(shè)計節(jié)流孔的尺寸。為保證整個飛行階段都具備足夠的阻尼能力，在回油路上設(shè)計回油蓄壓器以補充液壓油的泄漏損失。蓄壓器的尺寸和門限壓力根據(jù)系統(tǒng)要求和回路泄漏指標進行綜合設(shè)計。

對于擾流板作動器而言，為保證失效安全，要求斷電斷壓后不會隨氣動力矩上浮，在設(shè)計上通過特殊的上偏抑制閥和EHSV偏置實現(xiàn)該功能。通常將上偏抑制閥布置在縮回腔的回油路上，供油壓力作為閥的控制端輸入。系統(tǒng)壓力正常時，閥口打開，回油導(dǎo)通；系統(tǒng)斷壓時，切換成逆向單向閥，鎖住兩腔油液。擾流板作動器的EHSV第一級都預(yù)設(shè)偏置，在無電信號輸入時，會自動控制油路將供油高壓輸向縮回腔，使作動器回到零位。

以上設(shè)計滿足了作動器的基本功能定義，為提高可用性和可靠性，作動器需滿足一系列安全性相關(guān)需求，相應(yīng)的通用設(shè)計完善方法概述如下：

3 總結(jié)

本文選取了現(xiàn)代民機飛控系統(tǒng)中的電液伺服作動器為例，介紹了接口、功能和性能的基本需求定義。從主要組成部件尺寸確定，到分組件閥選擇和設(shè)計，以此為剖面，呈現(xiàn)了作動器在設(shè)計時針對需求所做的細節(jié)方案確定及優(yōu)化工作。實際民機作動系統(tǒng)設(shè)計要更加復(fù)雜和嚴謹，需求確認和驗證的過程包括了不斷的權(quán)衡和迭代優(yōu)化。本文重點涵蓋了作動器總體構(gòu)型確定、工作模式實現(xiàn)、控制功能實現(xiàn)、保護功能落實等內(nèi)容，旨在對作動器的特性和設(shè)計工作進行初步介紹。

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[責任編輯：田吉捷]