大直徑中空電液伺服馬達(dá)
仿真轉(zhuǎn)臺(tái)在導(dǎo)彈、飛機(jī)等飛行器的研制過(guò)程中起著極其重要的作用。大直徑中空電液伺服馬達(dá)是轉(zhuǎn)軸大直徑中空、輸出回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可以避免空心軸電動(dòng)機(jī)作為轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框帶來(lái)的對(duì)被測(cè)件信號(hào)的強(qiáng)電磁干擾，也可以避免液壓馬達(dá)端置式內(nèi)框在被測(cè)件安裝空間上的限制。因此，大直徑中空電液伺服馬達(dá)是大功率、低電磁噪聲三軸轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框的理想執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
1．工作原理
大直徑中空電液伺服馬達(dá)是在雙葉片擺動(dòng)馬達(dá)基礎(chǔ)上研發(fā)的。圖59為大直徑中空電液伺服馬達(dá)工作原理圖。油源輸出的高壓油經(jīng)P口由伺服閥導(dǎo)人馬達(dá)的高壓工作腔A(或B)、馬達(dá)低壓工作腔B(或A)的油液由伺服閥經(jīng)T口回油箱，兩個(gè)工作腔內(nèi)油液壓差作用在馬達(dá)動(dòng)葉片上產(chǎn)生使中空轉(zhuǎn)軸輸出回旋運(yùn)動(dòng)。
軸的大直徑中空，該特征導(dǎo)致的主要設(shè)計(jì)困難如下：①馬達(dá)轉(zhuǎn)軸中空直徑大，但作為轉(zhuǎn)臺(tái)中框和外框的負(fù)載，不允許中空軸的壁很厚以至軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，因此馬達(dá)抗變形設(shè)計(jì)任務(wù)艱巨；②馬達(dá)中空軸直徑大使得馬達(dá)工作腔容積大，系統(tǒng)固有頻率低，閥控中空電液伺服馬達(dá)系統(tǒng)頻寬拓寬困難；③馬達(dá)中空軸直徑大導(dǎo)致馬達(dá)工作容腔外泄漏間隙周向長(zhǎng)大，高可靠性的密封與低摩擦要求之間矛盾突出；④系統(tǒng)低速性能改善困難。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適宜的控制策略是解決上述難點(diǎn)的有效措施。
2．結(jié)構(gòu)
為了克服大直徑中空電液伺服馬達(dá)設(shè)計(jì)面臨的困難，馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上采用軸肩式結(jié)構(gòu)，如圖60所示。馬達(dá)的工作腔由缸體4、固定在缸體上的定葉片3（2片）、中空轉(zhuǎn)軸5、固定在中空轉(zhuǎn)軸上的動(dòng)葉片6（2片）組成。 特殊結(jié)構(gòu)的中空轉(zhuǎn)軸是中空電液伺服馬達(dá)軸肩式結(jié)構(gòu)的重要組成部分，如圖61所示。在中空轉(zhuǎn)軸的外表面中部加工有兩道凸起的軸肩L1和L2，動(dòng)葉片固定在L1和L2之間。軸肩L1、L2在轉(zhuǎn)軸的外表面起到了加強(qiáng)筋的作用，使得轉(zhuǎn)軸在較薄壁厚條件下具有很強(qiáng)的抗徑向變形能力。有限元分析表明對(duì)于中空直徑Ф500mm的轉(zhuǎn)軸，在l4MPa油壓作用下，轉(zhuǎn)軸內(nèi)壁的最大徑向變形僅0.05mm，小于轉(zhuǎn)子與定葉片之間為確保密封效果而預(yù)留的配合間隙尺寸，從而可調(diào)和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與徑向抗變形能力之間的矛盾，確保馬達(dá)在運(yùn)行過(guò)程中不出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。軸肩式結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)馬達(dá)工作容腔的剛度，提高大直徑中空液壓馬達(dá)系統(tǒng)固有頻率，大直徑中空液壓馬達(dá)的液壓固有頻率為
式中：J1為馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；V1為馬達(dá)工作腔與進(jìn)出口連接管道的總?cè)莘e；Dm為馬達(dá)的排量；Ey為等效容積彈性模數(shù)。
轉(zhuǎn)軸軸肩作為馬達(dá)工作容腔的側(cè)壁承受油壓產(chǎn)生的橫向作用力，由于軸肩與轉(zhuǎn)軸一體，馬達(dá)工作腔軸向剛度比端蓋式馬達(dá)要高，有效提高等效容積彈性模數(shù)E，從而提高系統(tǒng)固有頻率。
3．控制策略
對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用，中空電液伺服馬達(dá)的控制算法在滿(mǎn)足馬達(dá)控制性能的前提下，需考慮算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。特別是算法的運(yùn)算時(shí)間要短，能夠在控制器硬件運(yùn)算能力之內(nèi)完成。為此，在控制算法上，采用速度、加速度前饋+PID+差反饋對(duì)馬達(dá)進(jìn)行控制。通過(guò)參數(shù)的合理配置來(lái)改善閥控中空電液伺服馬達(dá)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能。系統(tǒng)控制框圖如圖62所示。
4．試驗(yàn)與應(yīng)用
為測(cè)試中空液壓馬達(dá)在油壓作用下的變形情況，使馬達(dá)轉(zhuǎn)軸停于極限位，改變油源壓力，圖63所示千分表讀數(shù)見(jiàn)下表。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，15MPa時(shí)最大變形總量為0.197mm。
圖64為0 001。/s時(shí)的低速曲線，曲線波動(dòng)在±0.001。之間。圖65為階躍響應(yīng)曲線，實(shí)測(cè)定位精度為±0.003°。
變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)
|
ps/MPa |
0 |
4.0 |
7.5 |
10.0 |
12.4 |
15.0 |
|
千分表 1/μm |
0 |
5 |
20 |
40 |
74 |
115 |
|
千分表 2/μm |
0 |
-20 |
-36 |
-52 |
-62 |
-82 |
中空電液伺服馬達(dá)具有良好的抗變形能力、穩(wěn)定的低速性能和很高的定位精度。該馬達(dá)可作為大型液壓轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
