航空電動(dòng)靜液作動(dòng)器技術(shù)淺談

韓瑞

【摘 要】隨著飛機(jī)的舵面控制系統(tǒng)的要求進(jìn)一步提高，功率電傳作動(dòng)技術(shù)是多電飛機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用將取消飛機(jī)上原有的分散液壓源和氣壓源，而采用電動(dòng)靜液作動(dòng)器作為傳動(dòng)部件。本文闡述了航空電動(dòng)靜液作動(dòng)器的技術(shù)發(fā)展概況，介紹了航空電動(dòng)靜液作動(dòng)器的系統(tǒng)組成，分析比較了EHA在三種不同原理及特點(diǎn)，總結(jié)了EHA在飛機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)靜液作動(dòng)器;EHA;功率電傳

中國(guó)分類號(hào)：V19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0034-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.015

Discussion of Electro-Hydrostatic Actuator Technology

HAN Rui

（Shanghai SAIFEI Aviation EWIS Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai ?201203，China）

【Abstract】With the further improvement of the requirements of the aircraft's control system，power transmission technology is one of the key technologies for multi-electric aircraft.The application of power transmission system will eliminate the original distributed hydraulic source and air pressure source on the aircraft，Electro-Hydrostatic Actuator will be used as the transmission component. This paper describes the technical development of Electro-Hydrostatic Actuator， introduces the system of Electro-Hydrostatic Actuator，and analyzes the characteristics of three different working principles，summarizes the advantages of EHA in aircraft applications.

【Key words】Electro-Hydrostatic Actuator;EHA;Power by Wire

0 引言

航空電動(dòng)靜液作動(dòng)器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）作為未來(lái)飛機(jī)的主導(dǎo)機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有著非常重要的意義。電動(dòng)靜液作動(dòng)器可以使飛機(jī)的生存能力得到提高，同時(shí)可提升飛機(jī)可靠性，良好的維修性同時(shí)帶來(lái)了維護(hù)費(fèi)用的下降。因此釆用電靜液作動(dòng)器不僅可以大幅提高飛機(jī)的性能，還可以節(jié)省制造費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。隨著技術(shù)發(fā)展和成熟，對(duì)于工業(yè)及民用領(lǐng)域如汽車、工程機(jī)械、機(jī)器人等，電動(dòng)靜液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器也具有廣泛地應(yīng)用前景。

1 航空EHA技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)80年代，美國(guó)空軍、海軍和NASA認(rèn)可了全電/多電飛機(jī)的概念，其中電作動(dòng)器是全電/多電飛機(jī)必不可少的組成部分，所以隨著全電/多電飛機(jī)的研究也快速發(fā)展起來(lái)。

EHA是最早被研究開(kāi)發(fā)的一種電作動(dòng)器，另外一種電作動(dòng)器——機(jī)電作動(dòng)器（Electro-Mechanical Actuator，EMA）也在快速發(fā)展之中。美國(guó)空軍、NASA、霍尼韋爾分別資助Ai Research、Johnson空間中心等進(jìn)行了電作動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)研究，洛克希德公司在C141和C130運(yùn)輸機(jī)上對(duì)電作動(dòng)器進(jìn)行了飛行測(cè)試，包括多種功率級(jí)別和原理架構(gòu)的EHA和EMA。

到了20世紀(jì)90年代，美國(guó)在積累了多種電作動(dòng)器研究經(jīng)驗(yàn)之后，重點(diǎn)在F-18上測(cè)試了定排量變轉(zhuǎn)速EHA和雙電機(jī)-減速器-滾珠絲杠式EMA，取得了良好的效果。歐洲也開(kāi)展了電作動(dòng)器研發(fā)項(xiàng)目，將EHA裝在A321副翼上進(jìn)行了飛行測(cè)試。到了21世紀(jì)初，歐美最新服役的飛機(jī)都不同程度正式應(yīng)用了電作動(dòng)技術(shù)，美國(guó)F35戰(zhàn)斗機(jī)主飛控舵面全部采用EHA作動(dòng)，B787民機(jī)在次飛控舵面應(yīng)用了EMA。歐洲的A400M和A380在主飛控舵面都采用了EHA作為備份舵機(jī)。

目前，航空EHA已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)主飛控舵面，相對(duì)常規(guī)液壓作動(dòng)有優(yōu)勢(shì)明顯，在航空領(lǐng)域必將成為主導(dǎo)技術(shù)之一。空客公司提出將致力于與飛機(jī)同壽的EHA研發(fā)，使其能作為主飛控的主作動(dòng)器，而不僅只作為備份。

2 電動(dòng)靜液作動(dòng)器工作原理

ISO組織在2005年公布了第1版航空EHA需求規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（ISO 22072），2011年修訂了第2版，給出了EHA典型架構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)中指出，EHA為雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向液壓泵的形式，并且電機(jī)、泵、電子模塊可以組裝成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集成電靜液模塊。

集成電動(dòng)靜液作動(dòng)系統(tǒng)由EHA控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液壓泵、增壓油箱及集成閥塊、作動(dòng)筒等組成，系統(tǒng)接受飛機(jī)控制器的控制指令，并反饋電流信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、液位信號(hào)、負(fù)載壓力信號(hào)、位移信號(hào)等關(guān)鍵傳感器信息至控制器，電動(dòng)機(jī)按照EHA控制器和伺服驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)正反向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)液壓缸正反向運(yùn)動(dòng)。EHA電機(jī)由飛機(jī)提供270VDC直流電源，電機(jī)的調(diào)速范圍為500-10000r/min，電機(jī)尖峰功率10-15KW。為保證電動(dòng)靜液作動(dòng)器的安全性與可靠性，EHA采用雙冗余架構(gòu)，即作動(dòng)器上集成兩組電機(jī)及液壓泵。

目前電靜液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器有三種典型工作原理：

（1）定轉(zhuǎn)速變排量工作：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為變量泵提供恒定轉(zhuǎn)速，由伺服閥和變量油缸組成的變量機(jī)構(gòu)來(lái)改變液壓泵的斜盤傾角，實(shí)現(xiàn)排量調(diào)節(jié)，最終使系統(tǒng)流量滿足負(fù)載的要求。采用這種方式，即使在空載或小負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)依然保持很高的轉(zhuǎn)速，造成大量能量浪費(fèi)，效率不高，此外變排量機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，會(huì)帶來(lái)額外的可靠性隱患。

（2）變轉(zhuǎn)速定排量工作：定量泵的斜盤傾角是固定的，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制系統(tǒng)流量以改變作動(dòng)筒速度。這種原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于定量泵的排量固定，電機(jī)轉(zhuǎn)速成為唯一可控參數(shù)來(lái)滿足驅(qū)動(dòng)負(fù)載的需要，大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)的性能要求很高，很難實(shí)現(xiàn)效率、動(dòng)態(tài)特性和功重比等性能的同時(shí)最優(yōu)。

（3）變轉(zhuǎn)速變排量工作：同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量，這種雙變量調(diào)節(jié)方式控制靈活度最高，有望獲得全局性能最優(yōu)，一方面可提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，另一方面使電動(dòng)機(jī)功率與系統(tǒng)需求匹配，提高系統(tǒng)能效。但其代價(jià)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和重量上升，可靠性下降。

3 電動(dòng)靜液作動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

電動(dòng)靜液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器作為一種作動(dòng)方式，可以有效地對(duì)飛機(jī)航面進(jìn)行控制，并且對(duì)于多電甚至全電飛機(jī)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。針對(duì)無(wú)人飛機(jī)的特點(diǎn)，電靜液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器由于不需要龐大的液壓輔助系統(tǒng)，更適合于小尺寸無(wú)人飛機(jī)的靈巧布局及控制需求。此外，與多電飛機(jī)用的另一種機(jī)電作動(dòng)器（EMA）相比，EHA還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）電動(dòng)靜液作動(dòng)器功率密度大，是機(jī)電作動(dòng)器的10-30倍。

（2）電動(dòng)靜液作動(dòng)器的電機(jī)和泵可以做成一體，泵的泄露油液可直接對(duì)電機(jī)潤(rùn)滑、冷卻，與EMA相比，可以更好地解決系統(tǒng)發(fā)熱問(wèn)題。

（3）電動(dòng)靜液作動(dòng)器對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)改動(dòng)量小，在有限空間內(nèi)可以隨控布局，而EMA的電機(jī)、減速器和絲杠位置相對(duì)固定不能隨意改變。

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EHA）由于集成度高、功重比大、可靠性高、效率高、安裝維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)集中油源閥控液壓作動(dòng)系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于多電飛機(jī)功率電傳系統(tǒng)中。變轉(zhuǎn)速變排量的工作模式相對(duì)于定轉(zhuǎn)速變排量、變轉(zhuǎn)速定排量的工作模式具有很大的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)態(tài)特性與功率匹配方面有較好的調(diào)節(jié)性能，目前EHA已越來(lái)越趨向于采用變轉(zhuǎn)速變排量原理結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、減小重量及提高可靠性方面必將成為下一步提高EHA性能的研究重點(diǎn)。

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