内置摆缸式液压舵机的研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 0 2 ．2 0 1 3 内置摆缸式液压舵机的研究 官 兵 ， 刀禹铭 ， 陈文胜 1 ． 海装驻重庆局 ， 重庆4 0 2 2 6 3 ； 2 ． 中船重工重庆液压机电有限公司 ， 重庆4 0 2 1 6 0 摘要 该文论 述了一种 内置摆缸式液压舵机的结构 、 原理和特点。该舵机是通 过滚珠副机构将 内置摆缸的往复直线运动转换成浆 叶 的旋转运动的机械 ， 并针对舵机的负载能力和高副机构进行 了详尽 的分析 。 关键词 内置摆缸 ； 滚珠副 ； 液压舵机 ； 高副机构 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识 码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 2 7 0 4 A Bu i l t i n S wi n g Cy l i n d e r Ty pe Hy d r a u li c S t e e r i n g Ge a r G O N G B i n D A O Y u - m i n f, C HE N We n - s h e n 1 ． M． R ． B ． i n C h o n g q i n g u n d e r N． E ． D ． ， C h o n g q i n g 4 0 2 2 6 3 ， C h i n a ； 2 ． C S I C C h o n g q i n g H y d r a u l i c Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c a l C o ． ， L t d ． ， C h o n g q i n g 4 0 2 1 6 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e d i s c u s s e s t h e s t r u c t u r e a n d p ri n c i p l e a n d c h a r a c t e ris t i c s o f a b u i l t i n o s c i l l a t i n g c y l i n d e r t y p e h y d r a u l i c s t e e r i n g g e a r ． b u i l d i n s wi n g c y l i n d e r r e c i p r o c a t i n g l i n e a r mo t i o n t h r o u g h t h e b a l l s c r e w p a i r i s c o n v e n e d i n t o t h e r o t a r y me c h a n i c a l mo t i o n o f p rop e l l e r , a n d i n t h e l i g h t o f t h e l o a d c a p a c i t y a n d h i g h p a i r me c h a n i s m u n d e a o o k d e t a i l e d a n a l y s i s ． Ke y wo r d s t h e b u i l t i n o s c i l l a t i n g c y l i n d e r ； t h e b a l l s c r e w； h y d r a u l i c s t e e ri n g g e a r ； h i g h e r p a i r me c h a n i s m O 引言 液压舵机有拨叉式舵机、摆缸式舵机 、转叶式舵 机、 圆弧形柱塞转动式舵机等几种主要类型。我们研究 开发的内置摆缸式液压舵机结构紧凑 、 体积小 ， 能够最 大程度的减少空间 占用率 ，输 出恒定扭矩 ，传动效率 高 ， 可用于船舶转舵机构 ， 也可应用于风 电叶片变桨机 构和飞机机翼转动机构 。 1 结构 、 原理和特点 舵机传动结构如图 1 所示 ， 从右至左 ， 由内置摆缸 1 、 花键套 2 、 止推法兰 3 、 滚动螺旋套 4等组成 。其 中， 内置摆缸 1主要 由 活塞杆 1 1 、 导 向套 1 2 、 活塞 1 3 、 动 筒 l 4 、 缸底 1 5组成 。动筒 1 4与导向套 1 2固定连接在 一 起 ， 动筒 l 4的外表面与花键套 2和滚动螺旋套 4的 内表面通过钢球连接组成滚珠螺旋 副和滚珠花键副 ， 内置摆缸 1的动力可 以通过滚珠螺旋副传递到滚动螺 旋套 4上 ； 活塞杆 1 1与活塞 1 3固定连接在一起 。 活塞 杆可 以是单活塞杆也可以是双活塞杆 ．如果是双活塞 基 金项目 国防科技 工业军转 民技术 开发项 目资助 K Y 一 0 9 F D 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 1 4 作者 简介 官兵 1 9 6 8 一 ， 男 ， 辽宁 大连人 ， 高级工程师 ， 学士 ， 从事液压 驱 动 机构及 系统的研 究工作 。 杆 ， 则缸底 1 5的结构与导向套 l 2一致 。活塞杆 1 1的 端部有处于同一部位的两个油 口，外部液压系统提供 的液压油可以通过这两个油 口进入 内置摆缸 ，活塞杆 1 1与花键套 2固定连接在一起 ，花键套 2通过螺钉固 定在止推法兰 3上 ，滚动螺旋套 4可 以通过滚珠止推 副绕止推法兰 3旋转。 a 单 活塞杆结构 b 双活塞杆结构 l 一 内置摆缸2 ～ 花键套3 一 止推法 兰4 一 滚动螺旋套 5 一 舵叶或风叶或浆 叶1 l 一 活塞杆1 2 一 导 向套 1 3 一 活塞 1 4 一 动筒 1 5 一 缸底 图 1 活塞杆结构 舵机通过花键套 2的法兰盘 固定在设备上。当内 置摆缸 1的动筒 1 4作轴向直线往复移动时 ， 通过滚珠 螺旋副将动力传递至滚动螺旋套 4 ，滚动螺旋套 4旋 转 ， 从而带动浆 叶 5旋转 ， 以达到风电叶片变桨或船舶 2 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0l 3年 第 0 2期 转向或飞机机翼转动的 目的。 该舵机采用 内置式液压缸提供动力 ，通过机械传 动装置将直线运动转换为旋转运动 。其 中的接触副全 部采用滚动形式 ， 包括三大部分 滚珠花键副 、 滚珠螺 旋副、 滚珠止推副。滚珠花键副 由动筒 l 4右半部直滚 道部分和钢球 、 花键套 2等组成 ， 动筒 1 4通过直滚道 内的钢球和花键套 2连接 ， 花键套 2固定在船体上。此 结构只允许动筒 l 4作轴 向移动 ； 滚珠螺旋副 由动筒 l 4的左半部 的螺旋副 、 动筒 l 4 、 滚动螺旋套 4 、 钢球等 组成。当动筒 l 4在活塞杆 l l 驱动下作轴向移动时， 螺 旋副通过钢球带动滚动螺旋套 4 ， 从而实现与之连接的 舵叶的摆动； 滚珠止推副 滚珠止推由止推法兰 3 、 滚动 螺旋套 4的凸缘 、 钢球等组成 ， 此结构可保证滚动螺旋 套 4和花键套 2的相对运动 ，又可抵消舵机运行时的 轴向干扰力。 该舵机与其他舵机的特点 比较如表 1 所示。 表 1 舵 机 的 特 点 比较 醺 脚 L Ⅱ 一。 。 I ． 1 l 上 墨 绷 f l l L一一 图 2内置摆缸式液压舵机 图 4转叶式舵机 图 5 圆弧形柱塞转动式舵机 2 负载能力分析 如图 6所示 ， 在 内置摆缸 中， 高压液压油推动动筒 作轴向运动时 ， 产生的力为 优点 缺点 式中 舵机名 称、 ＼ 。 、 ’ 孚p 或 p 卜动筒受到的轴向力 N ； d 活塞杆直径 m m ； D 动筒 内径 mm ； p 工作压力 MP a 。 图 6动筒 作 轴 向运 动受 力 分 析 图 滚动螺旋套的圆周力为 F t a n y ， 输出的扭矩为 MF IJ o t a n y r ／ 式中 r螺旋副升角 ， 一般 y 6 0 。 ～ 7 0 。 ； D 厂一 螺旋副中径 mm ； 7 7 传动效率 ， 取 7 ／ 0 ． 9 5 - 0 ． 9 8 。 在工作压力下 ， 动筒受到液压力 的作用 ， 会发生弹 性变形 ． 变形量应不超过密封圈的允许范围， 同时为了 保证钢球沿着滚动螺旋套和动筒之间的螺旋槽 良好滚 动 ． 动筒的变形量也应不超过它们之间形成的间隙。否 则 ， 泄漏将加大 ， 传动效率将会降低 ， 甚至出现卡死现 象 ， 因此 ． 动筒的径向变形量可按下式进行计算 A D 譬 f 1 ＼ D ， 一 D ／ Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 01 3 式 中D， 动筒外径 动筒外表 面螺旋槽底过 圆心 的最小距离 mm ； 卜动筒材料弹性模量 MP a ； 动筒材料泊松 比． 钢材 v 0 ． 3 。 3 弹性 接触滚 道的分析 在对滚动螺旋机构进行有 限元分析后 ，机构的薄 弱环节应是 点接触 的高副机构。大载荷作用下 ， 滚珠 花键 副、 滚珠螺旋副 、 滚珠止推 副的钢球和滚道可能会 出现压溃或是过大变形而失效 ， 因此 ， 根据赫兹理 论 ， 假设在材料未发生变形前的任 意两曲面体接触方式为 点接触 ， 在外力作用下发生弹性接触变形 ， 使接触区呈 椭圆接触 ， 其长半轴为 a ， 短半轴为 b ， 在接触 区域的各 点应力按半椭球规律分布 ， 最大接触应力 p 一发生在接 触面的中心 。 则有 p一 3 p 1 p 一 L J 上 3p 半 鲁 I ， 『 3p 鲁 等 l I 2 p 。 2 2 l l 2 。 。 。 p I 式中p 过两弹性体接触点的法 向压力 N ； 。 、E。 、 E 分别为两 弹性 体材料的泊松 比和弹性模量 MP a 一 由主曲率值确定的几何系数 。 。 在弹性接触理论公式 中。钢球与滚道接触的 4个 主曲率半径分别为 一 1 鲁 2 J r 2 1 一 1 一R 3 1 一 j ’ r 2 一 1 P E 2 c o s c o 生 s T 4 2 2 一 一 _ r ／ 式 中P 1 l 2 4 9 两 弹性体 的 4个 主曲率 1 ／ mm ； d 钢球直径 mm ； R 滚道型面半径 mm 『 ‘ ‘ 一 ” 号表示型面为凹 面] ； D 螺旋副中径 ram ； 由主曲率值确定的几何系数 由法截面的 垂直面中过接触点的法线与滚道中心线的夹角来确定 。 假设 钢球所受外力为 p 3 2 0 1 N， 两弹性体材料 相 同 的情 况 E l E 2 2 ． 1 1 0 MP a ， ／ z 2 0 ． 3 ， D 0 6 0 m m， y 6 5 。 ， 根据 1 、 2 、 3 和 4 式可得 1 改变钢球直径 d ， 滚道 曲率半径不变 ， 主 曲率 半径为 r 一 4 ． 0 l mm， r 2 2 4 2 ． 8 2 mm， 钢球直径 d s 与最大 接触应力 p 一 的关系曲线如图 7所示。由曲线可看出， 最大接触应力随钢球直径的增加而减小。 钢球直径吨／ m m 一 图 7关 系 曲线 1 2 改变主曲率半径 r 滚道型面半径 ， 钢球直径 d 和主曲率半径 r 2 2 不变 ，取 d s 8 mm， r 2 2 4 2 ． 8 2 ra m， 滚 道型面半径 R和最大接触应力P 的关系曲线如图 8 。 由曲线可看出 ，最大接触应力随滚道型面半径变化较 小 ， 在 一1 时 ， 即 冗 一 4 ． 0 1 mm处有极小值 。 f l 霜 辎 鲻 4 壤遭 型 面半径 mm - 图 8关系曲线 2 3 改变主曲率半径 r 2 ， 钢球直径 d 和滚道型面半 径 R不变 ， 取 d 8 m m， r 2 l - 4 ． 0 1 mm， 主曲率半径 r 2 2 与 最大接触应力 p 一 关系曲线如图 9 。由曲线可看 出， 当 r 2 较小时 ／ 2 4 2 m m ， p ～随主曲率半径 r 2 增加而急 剧减小 ； 当 r 超过 4 2 m m时 ， p 一随主曲率半径 r 2 增加 缓慢 } 室 l 藿 鲻 鲻 主曲率半径r 2 2 ／ mm 一 图 9关 系 曲线 3 d I苣 R趟蔼颦 嚼 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 2期 飞机起落架舱f - J n 载控制系统设计与分析 娄 贺， 王纪森 西北工业大学 自动化学院， 陕西 西安7 1 0 0 7 2 摘要 该文为某型飞机起落架舱门气动力地 面模拟实验设计 了一套加载控制系统 ， 针对被加载对象运动干扰产生 的多余力 ， 设计 了 前馈干扰补偿器 ， 有效地减小了多余力 ， 在 A ME S i m 中对舱门加载控制系统模型进行 了仿真 ， 并对结果进行 了分析。 关键词 加载 ； 多余力 ； 前馈补偿器 ； A M E S i m 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 3 0 0 3 De s i g n a n d An a l y s i s o f Ai r c r a f t La nd i ng Ge a r D o o r Lo a d Co n t r o l S y s t e m LOU He， WANG J i s e n N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s i g n a s e t o f l o a d c o n t r o l s y s t e m o f a c e r t a i n t y p e o f a i r c r a f t l a n d i n g g e a r d o o r a e r o d y n a mi c g r o u n d s i mu l a t i o n t e s t ． T o e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e a d d i t i o n a l f o r c e g e n e r a t e d b y t h e mo v e me n t i n t e r f e r e n c e o f t h e l a n d i n g g e a r d o o r ， t h i s p a p e r d e s i g n a f e e d f o r w a r d d i s t u r b a n c e c o mp e n s a t o r , s i mu l a t e t h e mo d e l i n AMES i m， a n a l y z e d t h e r e s u l t s ． Ke y wo r d s l o a d c o n t r o l ； a d d i t i o n al f o r c e f e e d f 0 r w a r d c o mp e n s a t o r ； AMES i m O 引言 飞机在起飞或着陆阶段 。通常要收上或放下起落 架， 在此过程 中起落架舱 门会受到气动载荷的作用。为 了在试验室条件下验证飞机起落架舱 门收放机构 的性 能，就需要通过试验装置模拟起落架和舱门的气动载 荷情况。在试验 中应用电液伺服加载系统产生一种类 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 1 7 作者简介 娄 1 9 8 6 一 ， 男 ， 河南项城人 ， 硕 士研究 生， 主要研究方 向为电 液 自动控制 系统 。 似真实气流的载荷 ， 施加于起落架舱门， 使起落架舱门 收放 系统在与起飞着陆 中受力相 同的载荷状态下工 作 ， 以便于在飞机试飞前就能提前发现存在的问题 ， 这 样就缩短了研制周期 ， 节约了研制成本 。本文即是对国 内某型飞机起落架舱门设计的加载控制系统。 1 舱 门加载基本原理 舱 门加载系统的工作原理如图 l所示 ．图中左侧 为气动力加载系统， 右侧为舱门收放系统。在气动力模 拟加载过程中， 舱 门收放液压缸接受飞控计算机指令 ， 从上述最大接触应力与钢球、滚道参数的关系曲 线可以看出。设计时可以参考 曲线对钢球直径和滚道 参数进行合理的选择 ， 确保系统高副机构的接触强度。 4结 论 1 论述了一种新型内置摆缸液压舵机 ， 与其他舵 机 比较 ， 具有结构紧凑 、 传动链短 、 传递转矩大 、 传动平 稳 、 功率密度大 、 效率高， 可 以有效减小 占用空间 ， 且能 够输出恒定的扭矩 ， 不产生回舵现象。 2 对该舵机的原理 、 内置摆缸的负载能力进行了 分析 ，并对舵机的薄弱环节滚动副的接触应力进 行 了理论研究 ， 为传动机构的设计提供了方法。 3 该舵机已获得了多项中国国家专利 。在结构上 尚有很大潜力 ， 若滚珠螺旋副承载力不够 ， 可 以增加滚 珠螺旋副数量或增加钢球数量 ；可以在内置摆缸中设 3 0 - - - - 一 十- - - - - - - - 一 - - - 置位移传感器或在滚动螺旋套 内设置角度传感器 ， 实 现精确位置控制 。 参 考 文 献 【 l 】 A ． H_ 戈劳维奇 主编． 叶邦全， 译． 船舶设 备【 M】 ． 北京 国 防工业 出版 社 ． 1 9 7 6 ． [ 2 】 雷天觉． 液压工程手册[ M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 0 ． 【 3 ] 杜维正． 船用液压舵机的应用及发展【 J 】 ． 武汉造船． 1 9 9 0 ， 1 ． [ 4 ] 何存兴 ． 液压传 动与气压 传动[ M 】 ． 武汉 华 中科技大 学 出版 社 ． 2 0 01 ． 【 5 】 王福根． 船舶 轴舵系装 置【 M 】 ． 哈尔滨 哈尔滨工程 大学 出版 社 ． 2 0 0 3 ． 【 6 ] 梁锡 昌， 潘继生． 纯滚动减速器 中国 ， 2 0 0 7 1 0 0 7 8 5 9 6 [ P ] ． 2 0 0 7 一 l 1 - 0 7 ． 【 7 】 陈文胜 ， 等． 内置摆 缸式 液压 舵 机 中国 ， 2 0 1 1 2 0 2 5 7 1 0 5 [ P ] ． 2 0l 2 -03 -1 4