内置摆缸式液压舵机的研究

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 11、导向套 12、活塞 13、动筒 l4、缸底 15组成。动筒 14与导向套 12固定连接在- 起 ，动筒 l4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 11与活塞 13固定连接在-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(KY-09FD)收稿 日期：2012-06-14作者简介：官兵(1968-)，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 15的结构与导向套 l2-致。活塞杆 11的端部有处于同-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11与花键套 2固定连接在-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-内置摆缸 2～花键套 3-止推法兰 4-滚动螺旋套5-舵叶或风叶或浆叶 1l-活塞杆 12-导向套13-活塞 14-动筒 15-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 14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27液压 气动 与密封/20l3年 第 02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 l4右半部直滚道部分和钢球、花键套 2等组成，动筒 14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 l4作轴向移动；滚珠螺旋副：由动筒l4的左半部的螺旋副、动筒 l4、滚动螺旋套 4、钢球等组成。当动筒 l4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。

表 1 舵机的特点比较醺脚 LⅡ - 。。I.1l 上 墨 绷 fl L- - 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 动筒受到的轴向力(N)；d--活塞杆直径(mm)；D--动筒内径(mm)；p--工作压力(MPa)。

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·tany，输出的扭矩为：MF· IJ o·tany·r/式中 -r 螺旋副升角，-般y60。～70。；D 厂- 螺旋副中径(mm)；7--传动效率，取：7/0.95-0.98。

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：AD：譬×f 1 D，- D /Hvdraulics Pneumatics& Seals/No.02.2013式中 D，--动筒外径 (动筒外表面螺旋槽底过圆心的最朽离)(mm)； 动筒材料弹性模量(MPa)；- - 动筒材料泊松比.钢材 v0.3。

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-发生在接触面的中心。则有：p- 3p (1) p L J上3p(半鲁 I， 3p(鲁等 lI 2(p。 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(MPa)：- 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：- 1 鲁 (2) · · Jr21：-1： - R (3) - jr2 -1PE： 2cos co生sT(4) - - r/式中 P1l 2 ：49： --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)-”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p3201N，(两弹性体材料相 同 的情 况 )E lE 22.110 MPa，/z 20.3，D060mm，y65。，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 -4.0lmm，r242.82mm，钢球直径 ds与最大接触应力p-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校钢球直径吨/mm --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 r2不变，取 ds8mm，r242.82ram，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 -1时，即冗-4.01mm处有极小值。

fl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 r2 ，钢球直径d 和滚道型面半径 R不变，取 d 8mm，r2l-4.01mm，主曲率半径 r2与最大接触应力p-关系曲线如图9。由曲线可看出，当r2 较小时 (/'2 <42mm)，p～随主曲率半径 r2 增加而急剧减小；当r： 超过42mm时，p-随主曲率半径 r2 增加缓慢室l藿鲻鲻主曲率半径r22/mm - 图 9 关 系曲线 3 dI苣 R趟蔼颦 嚼液压 气动 与密封/2013年 第 02期飞机起落架舱f-Jn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 710072)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-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AMESim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；AMESim中图分类号 ：TH137 文献标识码：A 文章编号 ：1008-0813(2013)02-0030-03Design and Analysis of Aircraft Landing Gear Door Load Control SystemLOU He，WANG Ji-sen(Northwestern Polytechnic University，Xian 7 10072，China)Abstract：This paper design a set of load control system of a certain type of aircraft landing gear door aerodynamic ground simulation test。

To efectively reduce the additional force generated by the movement interference of the landing gear door， this paper design afeedforward disturbance compensator，simulate the model in AMESim，analyzed the results。

Key words： load control； additional force： feedf0rward compensator； AMESimO 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-种类收稿 日期 ：2012-07-17作者简介：娄(1986-)，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-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30 - - - - -十 - - - - - - - - - - - - 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。