大直徑中空電液伺服馬達
仿真轉(zhuǎn)臺在導彈、飛機等飛行器的研制過程中起著極其重要的作用。大直徑中空電液伺服馬達是轉(zhuǎn)軸大直徑中空、輸出回轉(zhuǎn)運動、液壓驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)，它可以避免空心軸電動機作為轉(zhuǎn)臺內(nèi)框帶來的對被測件信號的強電磁干擾，也可以避免液壓馬達端置式內(nèi)框在被測件安裝空間上的限制。因此，大直徑中空電液伺服馬達是大功率、低電磁噪聲三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的理想執(zhí)行機構(gòu)。
1．工作原理
大直徑中空電液伺服馬達是在雙葉片擺動馬達基礎(chǔ)上研發(fā)的。圖59為大直徑中空電液伺服馬達工作原理圖。油源輸出的高壓油經(jīng)P口由伺服閥導人馬達的高壓工作腔A(或B)、馬達低壓工作腔B(或A)的油液由伺服閥經(jīng)T口回油箱，兩個工作腔內(nèi)油液壓差作用在馬達動葉片上產(chǎn)生使中空轉(zhuǎn)軸輸出回旋運動。
軸的大直徑中空，該特征導致的主要設(shè)計困難如下：①馬達轉(zhuǎn)軸中空直徑大，但作為轉(zhuǎn)臺中框和外框的負載，不允許中空軸的壁很厚以至軸轉(zhuǎn)動慣量過大，因此馬達抗變形設(shè)計任務艱巨；②馬達中空軸直徑大使得馬達工作腔容積大，系統(tǒng)固有頻率低，閥控中空電液伺服馬達系統(tǒng)頻寬拓寬困難；③馬達中空軸直徑大導致馬達工作容腔外泄漏間隙周向長大，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)計和適宜的控制策略是解決上述難點的有效措施。
2．結(jié)構(gòu)
為了克服大直徑中空電液伺服馬達設(shè)計面臨的困難，馬達在結(jié)構(gòu)上采用軸肩式結(jié)構(gòu)，如圖60所示。馬達的工作腔由缸體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筋的作用，使得轉(zhuǎn)軸在較薄壁厚條件下具有很強的抗徑向變形能力。有限元分析表明對于中空直徑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留的配合間隙尺寸，從而可調(diào)和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動慣量與徑向抗變形能力之間的矛盾，確保馬達在運行過程中不出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。軸肩式結(jié)構(gòu)可以增強馬達工作容腔的剛度，提高大直徑中空液壓馬達系統(tǒng)固有頻率，大直徑中空液壓馬達的液壓固有頻率為
式中：J1為馬達軸上的轉(zhuǎn)動慣量；V1為馬達工作腔與進出口連接管道的總?cè)莘e；Dm為馬達的排量；Ey為等效容積彈性模數(shù)。
轉(zhuǎn)軸軸肩作為馬達工作容腔的側(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，馬達工作腔軸向剛度比端蓋式馬達要高，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
對于轉(zhuǎn)臺應用，中空電液伺服馬達的控制算法在滿足馬達控制性能的前提下，需考慮算法簡單，實現(xiàn)方便。特別是算法的運算時間要短，能夠在控制器硬件運算能力之內(nèi)完成。為此，在控制算法上，采用速度、加速度前饋+PID+差反饋對馬達進行控制。通過參數(shù)的合理配置來改善閥控中空電液伺服馬達系統(tǒng)運動性能。系統(tǒng)控制框圖如圖62所示。
4．試驗與應用
為測試中空液壓馬達在油壓作用下的變形情況，使馬達轉(zhuǎn)軸停于極限位，改變油源壓力，圖63所示千分表讀數(shù)見下表。由測試數(shù)據(jù)可知，15MPa時最大變形總量為0.197mm。
圖64為0 001。/s時的低速曲線，曲線波動在±0.001。之間。圖65為階躍響應曲線，實測定位精度為±0.003°。
變形試驗數(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。該馬達可作為大型液壓轉(zhuǎn)臺內(nèi)框，具有很高的應用價值。
