集成一體化舵機(jī)技術(shù)研究綜述

曹洪濤，陳 鋒，陳 佳(. 海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)艦船配套軍代表室，遼寧 沈陽(yáng) 084；. 海軍99工程辦公室，北京 0084；

3. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

集成一體化舵機(jī)技術(shù)研究綜述

曹洪濤1，陳 鋒2，陳 佳3
(1. 海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)艦船配套軍代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110184；2. 海軍991工程辦公室，北京 100841；

3. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

集成一體化舵機(jī)技術(shù)對(duì)提高潛艇的操縱性和隱身性具有重要意義。在介紹集成一體化舵機(jī)的技術(shù)路線(xiàn)及工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述國(guó)內(nèi)外集成一體化舵機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，分析討論采用機(jī)電作動(dòng)器（EMA）和電液作動(dòng)器（EHA）發(fā)展?jié)撏в眉梢惑w化舵機(jī)的各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)實(shí)可行性，并指出有待繼續(xù)重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。

潛艇；集成一體化舵機(jī)；功率電傳作動(dòng)器；機(jī)電作動(dòng)器；電液作動(dòng)器

0 引 言

潛艇隱蔽性好，突襲能力強(qiáng)，是現(xiàn)代海軍的主戰(zhàn)武器裝備和重要威懾力量，戰(zhàn)略地位顯著。操縱性和隱身性是潛艇2個(gè)重要的戰(zhàn)術(shù)性能，直接影響到潛艇的機(jī)動(dòng)能力和綜合作戰(zhàn)能力，因而保證潛艇良好的操縱性和隱身性具有重要意義。

潛艇的機(jī)動(dòng)控制，尤其是水下航行時(shí)的機(jī)動(dòng)控制，主要通過(guò)車(chē)舵配合來(lái)完成，即在給定的螺旋槳轉(zhuǎn)速下，利用升降舵和方向舵來(lái)實(shí)現(xiàn)潛艇空間姿態(tài)的調(diào)整和運(yùn)動(dòng)控制，因此，舵機(jī)是潛艇靈活機(jī)動(dòng)與安全航行的基本保障，是潛艇極為重要的裝置設(shè)備，其性能直接關(guān)系到潛艇的操縱性和安全性[1]。受空間結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)功率的限制，潛艇一般采用往復(fù)式液壓舵機(jī)，這是一套復(fù)雜的機(jī)電液控制系統(tǒng)，包含諸多機(jī)械設(shè)備和液壓元件?，F(xiàn)代潛艇多配置3副舵裝置——首升降舵、尾升降舵和方向舵，且舵機(jī)液壓系統(tǒng)采用集中式獨(dú)立液壓源或中央液壓源供油（見(jiàn)圖1），系統(tǒng)連接管路遍布全艇，使得油源工作及操舵過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和流體沖擊沿管路傳播，輻射并增強(qiáng)。有研究測(cè)試表明，某些潛艇操舵時(shí)產(chǎn)生的輻射噪聲甚至超過(guò)主機(jī)工作時(shí)的輻射噪聲[2]。這不但嚴(yán)重干擾艇員的正常工作和生活，危害艇員的身心健康，而且極大地降低了潛艇的隱身性能，增加了暴露的危險(xiǎn)。同時(shí)，舵機(jī)系統(tǒng)零部件較多，布置分散，故障率較高，維護(hù)困難；高壓油液遠(yuǎn)距離傳輸，能量耗損大，系統(tǒng)工作效率低；油源功率體積大，管路分布廣，占用較大空間。這些都對(duì)潛艇及艇員的正常工作產(chǎn)生極大影響。

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是摒棄傳統(tǒng)液壓舵機(jī)“集中供油，功率液傳”的設(shè)計(jì)思想，研制新型的集成一體化舵機(jī)，以減少或取消液壓管路，抑制機(jī)械振動(dòng)和液壓沖擊的傳播，減少液壓系統(tǒng)的節(jié)流和溢流作用，在降低高頻噪聲的同時(shí)提高能源利用率。這就要求作為集成一體化舵機(jī)核心的作動(dòng)系統(tǒng)必須具有集成、可靠、高效和低噪聲等特點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)保證系統(tǒng)響應(yīng)快，精度高，自適應(yīng)能力強(qiáng)，這也符合一體化作動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)。

1 集成一體化舵機(jī)概述

集成一體化舵機(jī)起初是為了滿(mǎn)足多電/全電飛機(jī)的發(fā)展需求，伴隨著功率電傳PBW（Power-By-Wire）作動(dòng)器的概念提出的[3 – 6]。所謂功率電傳，就是指能源系統(tǒng)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率傳輸只通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)以電能方式完成。因此，功率電傳作動(dòng)器也被稱(chēng)為電力作動(dòng)器EPA（Electrically Powered Actuator）。目前，EPA主要有機(jī)電作動(dòng)器EMA（Electro-Mechanical Actuator）和電液作動(dòng)器EHA（Electro-Hydraulic Actuator）2個(gè)發(fā)展方向[7]。其中，機(jī)電作動(dòng)器EMA工作原理如圖2所示，一般由可伺服控制的調(diào)速電機(jī)、減速器和滾珠絲杠等機(jī)械傳動(dòng)裝置組成，結(jié)構(gòu)形式比較單一，而電液作動(dòng)器EHA則由于工作原理的不同，具有多種結(jié)構(gòu)形式。狹義的EHA專(zhuān)指電動(dòng)靜液作動(dòng)器（Electro-Hydrostatic Actuator）[8 – 9]，其實(shí)質(zhì)為集成化的直驅(qū)式泵控電液伺服系統(tǒng)，包含定排量變轉(zhuǎn)速型和變排量定轉(zhuǎn)速型兩種基本形式，工作原理分別如圖3所示，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中僅有一個(gè)功率單元可調(diào)。而廣義的EHA還涵蓋各類(lèi)集成了電機(jī)、泵以及閥復(fù)合控制的新型一體化伺服作動(dòng)器。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60，70年代，為了驗(yàn)證EPA用于飛機(jī)舵面控制的可靠性，美國(guó)空軍專(zhuān)門(mén)設(shè)立了電力作動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（EPAD，Electrically Powered Actuation Design）項(xiàng)目[10]，由此正式拉開(kāi)了功率電傳作動(dòng)器研究的序幕。EPAD項(xiàng)目由美空軍、海軍和NASA聯(lián)合參與，經(jīng)過(guò)20多年的努力，先后完成了3代EPA的設(shè)計(jì)、制造并成功地在NASA F/A-18B SRA左副翼上進(jìn)行了飛行測(cè)試[11 – 13]。如圖4所示，第1代作動(dòng)器為靈巧作動(dòng)器，由Bendix公司提供，是1種集成了閉環(huán)控制和故障診斷功能的液壓作動(dòng)器，通過(guò)光纖與飛控計(jì)算機(jī)通訊；第2代作動(dòng)器EHA由Lockheed-Martin公司（LMCS）生產(chǎn)，第3代作動(dòng)器EMA由MPC公司研制，兩者均采用外置的功率控制與監(jiān)測(cè)設(shè)備完成閉環(huán)控制和故障診斷。

EPAD項(xiàng)目研究表明，EPA簡(jiǎn)化了舵機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分布，具有更好的可靠性和可維護(hù)性，同時(shí)減輕了飛控系統(tǒng)的總重量，降低了舵機(jī)工作時(shí)的能源耗損，提高了飛機(jī)的生存能力。據(jù)測(cè)試估計(jì)，若所有飛行控制舵面均采用集成一體化舵機(jī)，將使客機(jī)節(jié)省5%～9%的燃油，減少30%～50%的地面設(shè)備；而對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)，起飛重量將減少272～454 kg，同時(shí)，易受輕武器攻擊的機(jī)身面積將減少14%[14 – 15]。因此，EPA的研制得到美國(guó)眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的高度重視和大力支持。至20世紀(jì)90年代末，美國(guó)用于飛控操舵系統(tǒng)的EPA就已經(jīng)接近實(shí)用水平，并相繼在C-130、C-141、F-15和F-16等軍用飛機(jī)上完成了試飛驗(yàn)證，并逐漸裝備到新型戰(zhàn)斗機(jī)以及波音777和空客A-380等民用飛機(jī)上。其中，Moog和Parker公司聯(lián)合生產(chǎn)的EHA（見(jiàn)圖5），更是通過(guò)了聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF（Joint Strike Fighter）項(xiàng)目的驗(yàn)證，并裝備在F-35水平尾翼操縱面、機(jī)翼后緣襟副翼和方向舵上。2006年機(jī)載測(cè)試表明，這種集成一體化舵機(jī)發(fā)生故障的平均間隔時(shí)間不少于5 000 h，具有更好的可靠性、維修性，能夠節(jié)省大量費(fèi)用。

英國(guó)的Lucas航空公司（現(xiàn)為美國(guó)TRW集團(tuán)航空分部）從1989年開(kāi)始就致力于研制能夠滿(mǎn)足大功率需求可用于飛機(jī)關(guān)鍵舵面操控的EPA，并進(jìn)行了相應(yīng)的飛行試驗(yàn)[5]。圖6和圖7所示分別為其研制的雙通道集成EPA和大功率EPA虛擬樣機(jī)。

此外，英國(guó)Sheffield大學(xué)、瑞典Link?ping大學(xué)、德國(guó)Hamburg-Harburg科技大學(xué)以及加拿大、日本、法國(guó)、新加坡等國(guó)都有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行機(jī)載集成一體化舵機(jī)及配套作動(dòng)器的研究和開(kāi)發(fā)，取得了一定成果。

而隨著對(duì)壓電陶瓷、磁致伸縮等智能材料研究的不斷深入，利用智能材料高能量傳輸密度的優(yōu)勢(shì)發(fā)展新型電-機(jī)轉(zhuǎn)換器、電液驅(qū)動(dòng)泵及電靜液混合作動(dòng)器的設(shè)想相繼被提出。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Preject Agency, DARPA）率先制定了集成式混合作動(dòng)器（Compact Hybrid Actuator, CHA）的研發(fā)計(jì)劃[16]，以期研制出新型的電靜液混合作動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在取消傳統(tǒng)分布式液壓管路的情況下繼續(xù)通過(guò)液壓輸出機(jī)械功率的目的，圖8所示為一種CHA的概念模型。美國(guó)空軍更是提出了基于智能材料的液壓伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Smart Material Actuated Servo Hydraulic, SMASH）計(jì)劃[17]，開(kāi)展了集成的固液（Solid-Fluid）舵機(jī)研制，用于X-45A型無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)的舵面控制。在該計(jì)劃的推動(dòng)下，Moog公司為變形翼無(wú)人機(jī)研制出功率超過(guò)100 W的磁致伸縮作動(dòng)器[18]，如圖9所示，其集成的微動(dòng)泵最大無(wú)負(fù)載流量為1.5 L/min，最大輸出壓力達(dá)到11.7 MPa。而Kinetic Ceramics公司研發(fā)的微型壓電泵最大流量則達(dá)到2.4 L/min，最大輸出壓力為17.2 MPa[19]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，雖然目前國(guó)外已經(jīng)有部分智能材料驅(qū)動(dòng)的電靜液混合作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，但總體來(lái)看，此類(lèi)固液集成作動(dòng)器的輸出流量與輸出壓力普遍較小，無(wú)法滿(mǎn)足大功率驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

近年來(lái)，高性能永磁材料、大功率半導(dǎo)體元件、微處理器、伺服電動(dòng)機(jī)和集成設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷發(fā)展，使得研制大功率、高性能、安全可靠的EPA成為可能。隨著海軍對(duì)艦船機(jī)動(dòng)性能、生命周期和生存能力等要求的不斷提升，同時(shí)為了順應(yīng)未來(lái)全電艦船的發(fā)展需求，集成一體化舵機(jī)的研制和應(yīng)用開(kāi)始逐漸向艦船航海領(lǐng)域拓展，并被越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和專(zhuān)家學(xué)者們關(guān)注。

1998年，日本商船大學(xué)對(duì)“汐路丸”號(hào)練習(xí)船舵機(jī)進(jìn)行了集成化改造，作動(dòng)系統(tǒng)使用日本第一電氣株式會(huì)社生產(chǎn)的直驅(qū)式EHA（見(jiàn)圖10）。改造后的舵機(jī)系統(tǒng)不僅工作可靠，便于維護(hù)，且在滿(mǎn)足原有操舵性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，體積重量和耗能均只有原來(lái)的1/10，操舵噪聲下降10 dB，改進(jìn)成果顯著。日本不二越公司生產(chǎn)的一體化電液動(dòng)力源，由于采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，相比標(biāo)準(zhǔn)液壓系統(tǒng)節(jié)能約60%，保壓性能好，且工作在6 MPa時(shí)噪聲僅為55 dB，非常適合對(duì)原有液壓系統(tǒng)進(jìn)行較小技術(shù)改造以實(shí)現(xiàn)整個(gè)作動(dòng)系統(tǒng)集成、節(jié)能和低噪聲的應(yīng)用需求。

2001年，美英兩國(guó)正式啟動(dòng)全電船研究計(jì)劃。作為其中的一個(gè)重要分支，集成一體化操舵系統(tǒng)分別由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校和英國(guó)國(guó)防部未來(lái)事物組負(fù)責(zé)。兩者均將EMA作為集成一體化舵機(jī)的首選方案，并試圖將該方案推廣至所有艦載作動(dòng)系統(tǒng)，以減少作動(dòng)系統(tǒng)占用的體積和重量，提高工作效率和重構(gòu)能力，縮減人員編制，減少運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用[20]。

此外，美國(guó)海軍研究辦公室ONR（Office of Naval Research）也已于2001年提出潛艇操舵用EMA研究計(jì)劃，旨在為潛艇研制具有輻射噪聲小、轉(zhuǎn)矩密度大、剛性好、免/易維護(hù)等特點(diǎn)的集成一體化舵機(jī)[21]。資料[22]顯示，美國(guó)海軍最新型的“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇的船控系統(tǒng)直接使用數(shù)字系統(tǒng)發(fā)送電控指令來(lái)控制潛艇的航向和潛浮機(jī)動(dòng)，而不通過(guò)液壓機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行控制信號(hào)和功率傳遞，應(yīng)該是裝備了功率電傳的集成一體化舵機(jī)。英國(guó)國(guó)防部還設(shè)立了航海工程研究計(jì)劃M(mǎn)EDP以研究適合水面艦和潛艇操舵系統(tǒng)使用的低速、大輸出力EMA。圖11所示為Claverham公司為該計(jì)劃生產(chǎn)的EMA，經(jīng)過(guò)在“公爵”級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇上試裝測(cè)試表明，該作動(dòng)器體積小，簡(jiǎn)單可靠，能有效降低操舵系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的成本投入，相比傳統(tǒng)液壓作動(dòng)系統(tǒng)具有全面優(yōu)勢(shì)，可減少初期購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用5%～20%，并使后期維護(hù)費(fèi)用縮減一半[23]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在功率電傳作動(dòng)器及集成一體化舵機(jī)方面的研究起步較晚，目前多處于方案論證和樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，鮮有實(shí)際應(yīng)用和實(shí)裝試驗(yàn)見(jiàn)諸報(bào)道。而在直驅(qū)式容積控制、節(jié)能與功率匹配以及高性能永磁材料和大功率驅(qū)動(dòng)單元研制等幾個(gè)功率電傳作動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)研究方面，取得了一定的突破。

太原理工大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下對(duì)泵控差動(dòng)缸和節(jié)能控制等進(jìn)行了深入研究，提出了適合大功率場(chǎng)合使用的閉環(huán)控制差動(dòng)缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能量利用率高且具有堪比比例閥控系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能[24, 25]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在直驅(qū)式容積控制技術(shù)方面進(jìn)行了多年研究，搭建了直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)和直驅(qū)式往復(fù)式舵機(jī)的原理樣機(jī)，在理論分析和試驗(yàn)研究方面取得了較大進(jìn)展[26]。為進(jìn)一步提高電液作動(dòng)系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度，浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立了變頻液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，模擬多種負(fù)載進(jìn)行節(jié)能控制研究。

浙江大學(xué)還對(duì)盤(pán)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。東南大學(xué)對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁特性進(jìn)行深入分析，并設(shè)計(jì)制造了外轉(zhuǎn)子低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。西北工業(yè)大學(xué)正大力發(fā)展新型稀土永磁材料無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。西北有色金屬研究院成功研制了具有先進(jìn)水平的MQ釹鐵硼稀土永磁材料，剩磁達(dá)到0.75 T，矯頑力達(dá)到1 050 kA/m，最大磁能積達(dá)到90 kJ/m3，可用于大功率釹鐵硼永磁材料電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)。南京航空航天大學(xué)采用滾珠螺旋副和基于智能功率電路的PWM伺服放大器研制出用于直升機(jī)旋翼操縱的小功率EMA舵機(jī)，具有較好的精度、頻寬、線(xiàn)性度、效率和線(xiàn)位移輸出[14]；此外，還利用超磁致伸縮材料設(shè)計(jì)了一種面向機(jī)載電靜液作動(dòng)器的新型微動(dòng)液壓泵，但其最大無(wú)負(fù)載輸出流量?jī)H有0.18 L/min，最大輸出壓力為0.1 MPa，只適用于小功率EHA舵機(jī)應(yīng)用。

北京航空航天大學(xué)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，一直積極開(kāi)展機(jī)載功率電傳作動(dòng)器的研究，在方案論證和分析、數(shù)值仿真和試驗(yàn)、余度管理和復(fù)合控制以及集成功率單元設(shè)計(jì)、新型固液集成作動(dòng)器研究、EPA原理樣機(jī)試制等方面，取得了一系列具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的研究成果[7]。目前已提出多種EHA設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了原理驗(yàn)證和仿真試驗(yàn)，并試制了內(nèi)涵式電機(jī)泵功率單元，有力地推動(dòng)了EHA的發(fā)展。其試制成功的10 kW高效無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，為大功率EMA的研制奠定了基礎(chǔ)。從2007年開(kāi)始，北京航空航天大學(xué)針對(duì)潛艇舵機(jī)的技術(shù)要求，從直驅(qū)式容積控制和內(nèi)涵式電機(jī)泵兩方面出發(fā)，進(jìn)行了新型集成一體化作動(dòng)器的方案論證、虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和壓力沖擊抑制等相關(guān)研究，取得了一定成果。

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心結(jié)合國(guó)內(nèi)外電動(dòng)傳動(dòng)的技術(shù)現(xiàn)狀及艦船舵機(jī)的技術(shù)要求，借鑒國(guó)外潛艇用EMA的設(shè)計(jì)思想，提出一種將永磁交流伺服力矩電機(jī)和行星滾柱絲杠進(jìn)行集成設(shè)計(jì)的新型船用一體化電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)方案[37]，但該方案目前還處于可行性論證及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，未有樣機(jī)研制成功的消息見(jiàn)諸報(bào)道。

海軍工程大學(xué)從2009年開(kāi)始著手潛艇低噪聲集成一體化舵機(jī)的研究，先后提出一體化數(shù)字液壓作動(dòng)器、EMA、液壓助力式電動(dòng)作動(dòng)器等作動(dòng)系統(tǒng)方案，并按照舵機(jī)的主要性能指標(biāo)試制出相應(yīng)的原理樣機(jī)用于性能評(píng)估和優(yōu)化改進(jìn)。其中，以泵閥聯(lián)控一體化數(shù)字液壓作動(dòng)器為核心的一體化數(shù)字液壓舵機(jī)設(shè)計(jì)方案，由于充分結(jié)合了數(shù)字液壓技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)的元件集成和泵閥協(xié)同控制易于實(shí)現(xiàn)，因而得到了充分的研究和驗(yàn)證，其原理樣機(jī)最先研制成功，如圖12所示。此外還研制了直驅(qū)式一體化電液伺服操舵裝置，通過(guò)取消伺服閥、減少連接管路、進(jìn)行集成閥塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及采用變頻調(diào)速等技術(shù)手段，以期實(shí)現(xiàn)低噪聲操舵，并在實(shí)驗(yàn)室條件下完成了樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

此外，北京理工大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、中航工業(yè)618所、中船重工705所等研究機(jī)構(gòu)也都在開(kāi)展集成一體化舵機(jī)的研究，但多數(shù)處于原理論證階段。總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)需要做的研究工作還很多，尤其是在艦船用大功率低噪聲集成一體化舵機(jī)的研制和應(yīng)用方面，才剛剛起步。

3 總結(jié)與展望

綜合分析國(guó)內(nèi)外集成一體化舵機(jī)研究的發(fā)展和現(xiàn)狀可知，EMA在復(fù)雜性、體積重量和維護(hù)性等方面更具優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)集成一體化舵機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)。但與EHA相比，EMA仍具存在以下不足：

1）EHA具備儲(chǔ)能功能，比功率大，一般為EMA的10 – 30倍，且兼有電機(jī)控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

2）EHA緩沖性能好，易于通過(guò)旁通或溢流實(shí)現(xiàn)作動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和過(guò)載保護(hù)，而EMA要實(shí)現(xiàn)這些功能，所需機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

3）EMA機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)容易卡死且故障率難以預(yù)測(cè)，用于主控舵面操縱，可能引發(fā)災(zāi)難性后果，而EHA構(gòu)建余度控制容易，安全系數(shù)和可靠性更高。

4）大功率EMA的熱效應(yīng)問(wèn)題嚴(yán)重，且目前尚缺乏有效的解決辦法，而EHA由于內(nèi)置油液，可更好地解決系統(tǒng)散熱及潤(rùn)滑問(wèn)題。

5） EMA組成形式相對(duì)固定，結(jié)構(gòu)布局和尺寸不易改變，而EHA各元件可自由布置，結(jié)構(gòu)靈活多變，對(duì)安裝環(huán)境的適應(yīng)性好。

6）EHA繼承了液壓作動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可方便地與傳統(tǒng)舵機(jī)系統(tǒng)對(duì)接，充分利用原有作動(dòng)系統(tǒng)，改動(dòng)量少，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的研究水平和工業(yè)實(shí)際，EHA在集成一體化舵機(jī)的研究中仍具有相對(duì)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，仍是目前優(yōu)先發(fā)展和研究的熱點(diǎn)，是構(gòu)成艦船尤其是潛艇用集成一體化舵機(jī)最有效可行的作動(dòng)方案。此外，開(kāi)展?jié)撏в眉梢惑w化舵機(jī)的研究，還應(yīng)繼續(xù)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)和突破：

1）利用高性能永磁材料及新型智能材料，結(jié)合集成化設(shè)計(jì)制造技術(shù)研制具有高功率密度和輸出效率的小型化大功率驅(qū)動(dòng)單元，以適應(yīng)潛艇舵機(jī)對(duì)空間體積和驅(qū)動(dòng)功率的特殊要求；

2）對(duì)集成一體化舵機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、控制單元及控制策略進(jìn)行研究，提高作動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、控制精度和自適應(yīng)能力，以保證在復(fù)雜舵面負(fù)載（瞬時(shí)沖擊、載荷突變、非線(xiàn)性、不確定性）、極端惡劣環(huán)境（腐蝕、潮濕、溫度、振動(dòng)、電磁干擾）下工作以及各功率控制單元進(jìn)行復(fù)合調(diào)節(jié)時(shí)，集成一體化舵機(jī)能夠快速響應(yīng)，準(zhǔn)確跟蹤，具有良好的操縱性能；

3）集成一體化舵機(jī)操舵過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)以及瞬態(tài)噪聲的抑制問(wèn)題；

4）集成一體化舵機(jī)節(jié)能降耗、功率匹配以及狹小、密集空間體積中系統(tǒng)的散熱和冷卻問(wèn)題；

5）在提高集成一體化舵機(jī)自身余度、容錯(cuò)及重構(gòu)能力的同時(shí)，進(jìn)一步研究潛艇所有舵面控制均采用集成一體化舵機(jī)后整個(gè)操舵系統(tǒng)的余度監(jiān)控及管理問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建新型的機(jī)電綜合管理、協(xié)調(diào)調(diào)度及故障診斷體系，滿(mǎn)足整個(gè)操舵系統(tǒng)對(duì)各控制舵面可靠性、可維護(hù)性及協(xié)調(diào)同步能力的苛刻要求。

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Review of the research on integrated steering gear technology

CAO Hong-tao1, CHEN Feng2, CHEN Jia3
(1. Navy Military Representative Office of Ship Supporting in Shengyang Area, Shenyang 110184, China; 2. Navy 991 Engineering Office, Beijing 100841, China; 3. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Integrated steering gear technology has a great significance to improve the maneuverability and stealth ability of submarine. Based on introduction of the mainstream technical routes and their working principal to construct integrated steering gear, the technonlogy development course and research situation are expounded emphatically. Then the advantages and realistic feasibility of each scheme were analyzed and discussed, to develop subamarine-used integrated steering gear by adopting electro-mechanical actuator (EMA) and electro-hydraulic Actuator (EHA). Finally, the key technologies still needing further foucus and breakthough were also suggested.

submarine；integrated steering gear；electrically powered actuator；electro-mechanical actuator；electro-hydraulic actuator

U664.36

A

1672 – 7649(2017)07 – 0001 – 07

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.001

2017 – 04 – 13

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016CFB614)；海軍工程大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(425517K140)

曹洪濤(1978 – )，男，工程師，研究方向?yàn)榕灤瑑?nèi)燃動(dòng)力機(jī)電管理。