基于EHA的魚雷舵機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計與研究

徐寶林1， 王俊杰， 陳英龍

(1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系， 廣東 江門 529090； 2.大連海事大學(xué) 機(jī)械工程， 遼寧 大連 116000)

引言

魚雷是現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)所配備的先進(jìn)性武器，能在水面或水下隱蔽，在航行過程中具有距離遠(yuǎn)、航速快的特性，同時在戰(zhàn)術(shù)上用以打擊水中的戰(zhàn)艦?zāi)繕?biāo)，有破壞性大、命中效果好的優(yōu)勢，是一種能夠自動控制、自主前進(jìn)的重要航行設(shè)備[1]。如圖1所示，魚雷入水后有兩種運(yùn)動模式：其一在下潛的非控制階段，舵角通常為0或預(yù)先設(shè)定值，魚雷伺服系統(tǒng)基本不工作；其二是魚雷導(dǎo)引追蹤時，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動和魚雷運(yùn)動兩種信息由舵機(jī)系統(tǒng)調(diào)整舵面角度。

圖1 魚雷運(yùn)動模式

目前魚雷通常是通過調(diào)整舵機(jī)舵面來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動方向改變的，舵面由系統(tǒng)中的液壓缸直接控制，采用電液伺服閥[2]實(shí)現(xiàn)。如圖2所示：以傳統(tǒng)的正開口噴嘴擋板閥為例，假設(shè)沒有電氣信號輸入，力矩馬達(dá)的銜鐵通常在平衡位置，擋板兩側(cè)所受液壓油的作用力相等，此時油液自泵源進(jìn)入，經(jīng)流進(jìn)油口，進(jìn)而通過過濾器在閥芯處分4路油液流出。倘若有信號輸入，則魚雷系統(tǒng)中的馬達(dá)銜鐵帶動反饋桿偏轉(zhuǎn)， 使擋板發(fā)生移動(向左移動)，左側(cè)油路壓力升高，閥芯向右移動。這樣閥芯的左側(cè)接通，使油液高壓部分與液壓缸的進(jìn)油路相連，閥芯的右側(cè)閥孔打開，此時油液與液壓缸的回油腔相連，最終通過電液伺服閥實(shí)現(xiàn)活塞運(yùn)動，使魚雷舵機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)。

1.導(dǎo)磁體 2.永久磁鐵 3.控制線圈 4. 銜鐵 5.彈簧管 6.擋板 7.噴嘴 8.溢流腔 9.反饋桿 10.閥芯 11.閥套12.回油節(jié)流孔 13.固定節(jié)流孔 14.油濾 15.作動筒殼體16.活塞桿 17.活塞 18.鐵芯 19.線圈 20.位移傳感器圖2 傳統(tǒng)魚雷舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)典電液伺服系統(tǒng)的驅(qū)動力較大、頻率響應(yīng)速度很快，但其同樣存在問題：

(1) 采用發(fā)動機(jī)提供泵源動力，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)會造成液壓系統(tǒng)供油壓力脈動；

(2) 電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作效率較低(約為30%～40%)，造成供油功率上升；

(3) 系統(tǒng)中液壓元件較多，結(jié)構(gòu)回路布置復(fù)雜，集中供油導(dǎo)致可靠性下降。

相比于傳統(tǒng)的魚雷電液伺服閥控制，采用電動靜液作動器(Electro Hydrostatic Actuator，EHA)為基礎(chǔ)的魚雷舵機(jī)伺服系統(tǒng)，可以大幅度的解決大型柴油機(jī)噪聲大、流量脈動大、能量效率低等問題，同時舵機(jī)控制系統(tǒng)的質(zhì)量、體積均減小。EHA是把伺服電機(jī)、液壓泵、小型油箱、液壓缸、液壓集成閥組、壓力測量檢測元件和控制器統(tǒng)一整合后集成化，使該微型集成于一體化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)體積靈巧、效率高等的突出優(yōu)點(diǎn)，克服了以往液壓系統(tǒng)中存在的固有缺陷,具有較強(qiáng)的實(shí)際性能，也驗(yàn)證了其理論性的意義[3]。

除此之外，EHA在國內(nèi)的航空航天領(lǐng)域也存在廣泛應(yīng)用與研究，在火箭、飛機(jī)和汽車上都有所涉及。日本某電氣株式會社所研究EHA技術(shù)最具代表，在船用車用舵機(jī)、工業(yè)鍛壓機(jī)、液壓成型機(jī)等裝置均有應(yīng)用,即把伺服電機(jī)、中間聯(lián)軸器、液壓泵在軸向上依次串接，并將液壓缸置于徑向的另一側(cè)，保證整個構(gòu)型結(jié)構(gòu)緊湊，體積窄小。美國NASA在 F-18 SRA飛機(jī)上裝備EHA，并就其性能評估，測試結(jié)果中飛機(jī)的EHA的操作感良好，并與傳統(tǒng)裝置相抗衡[4]。

齊海濤[5]將電動靜液作動器應(yīng)用于提高飛機(jī)性能，按照EHA系統(tǒng)組成和工作原理對重要飛行控制的部分改進(jìn)，加強(qiáng)作動系統(tǒng)的推進(jìn)性能，同時用AMESim仿真軟件對所研究的飛行系統(tǒng)進(jìn)行分析,所設(shè)計的飛機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)均達(dá)到要求；趙進(jìn)寶[6]將EHA另辟蹊徑，應(yīng)用于火箭舵機(jī)，探究轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù)復(fù)合調(diào)節(jié)對電動靜液作動器的影響，證明了EHA中轉(zhuǎn)速和排量復(fù)合調(diào)節(jié)優(yōu)于普通的定排量控制，對后續(xù)EHA的設(shè)計與創(chuàng)新有重要指導(dǎo)意義；于鳳輝[7]將直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)運(yùn)用在列車上，運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行列車受力分析，并用 AMESim展開液壓和力學(xué)聯(lián)合仿真，在理論上完成擺式列車傾擺系統(tǒng)的研究。

本研究提出了一種基于電動靜液作動器的魚雷舵機(jī)系統(tǒng)，采用交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動微型液壓泵，控制微型定量泵的旋轉(zhuǎn)速度,改變進(jìn)入整個魚雷舵機(jī)的流量,最終實(shí)現(xiàn)舵面作動器的精確運(yùn)動，能夠有效地減小系統(tǒng)脈動，并提高系統(tǒng)效率至70%以上；同時采用AMESim進(jìn)行仿真，建立魚雷舵機(jī)的模型，計算相關(guān)元件參數(shù)并進(jìn)行選型，在考慮舵機(jī)末端的水動力負(fù)載的前提下，保證了魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的快速響應(yīng)。

1 魚雷舵機(jī)液壓伺服系統(tǒng)

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

1) 結(jié)合魚雷舵機(jī)的運(yùn)動模式，考慮給定的技術(shù)條件和參數(shù)指標(biāo)，其液壓原理圖如圖3所示。

1.交流伺服電機(jī) 2.微型定量泵 3、4.單向過濾器 5.增壓油箱 6、7.單向閥 8、9.安全閥 10.對稱缸11、12.壓力傳感器 13.位移傳感器 14.轉(zhuǎn)速傳感器圖3 EHA魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的液壓原理圖

EHA魚雷舵機(jī)是閉式的新型液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由伺服控制器、交流伺服電機(jī)、微型定量泵、增壓油箱、雙作用對稱缸、單向過濾器、集成閥塊以及壓力、位移、轉(zhuǎn)速測量裝置等組成。與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)是通過改變交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,通過聯(lián)軸器推動微型定量泵運(yùn)轉(zhuǎn), 改變進(jìn)入整個魚雷舵機(jī)的流量，最終控制魚雷作動筒活塞的位移運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)舵面的角度調(diào)節(jié)。本研究所設(shè)計的EHA魚雷舵機(jī)液壓系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

(1) 為了提高魚雷EHA的頻率響應(yīng)，本系統(tǒng)舍棄了傳統(tǒng)電動靜液作動器中的液控單向閥元件，采用普通單向閥自動給回路補(bǔ)油；

(2) 為了保證魚雷系統(tǒng)平穩(wěn)的吸油能力，將增壓油箱經(jīng)由2個單向閥并聯(lián)，這樣舵機(jī)低壓腔調(diào)定壓力會一直高于大氣壓力,防止油液發(fā)生氣穴現(xiàn)象，影響工作壽命。同時由于魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行時間短、效率較高，因溢流損失所造成的液壓油發(fā)熱影響較小，所需增壓油箱較?。?/p>

(3) 為了保證安全，將2個溢流閥并聯(lián)于液壓系統(tǒng)中，假設(shè)某一側(cè)的系統(tǒng)壓力發(fā)生過載，可以打開回路使液壓缸2腔溝通，起安全閥的作用。

2) 魚雷舵機(jī)系統(tǒng)是魚雷的一個輔助系統(tǒng)，在整個系統(tǒng)中所占據(jù)空間要盡可能小。本研究所要求的系統(tǒng)整體外形尺寸為200 mm×90 mm×50 mm，質(zhì)量不大于3 kg。根據(jù)《GJB 6436-2008魚雷液壓舵機(jī)通用》，供油壓力為5.1 MPa時，舵桿在運(yùn)動行程內(nèi)拉力、推力均應(yīng)大于2500 N，作動缸在承受外載荷的前提下運(yùn)動全行程(24 mm)所需時間不大于0.25 s。魚雷舵機(jī)EHA系統(tǒng)控制電路的固有頻率在6 Hz以上，且對應(yīng)該頻率的輸出與輸入量相比，幅值應(yīng)衰減-3 dB，相位應(yīng)滯后90°。

如圖4所示，定量泵和伺服電機(jī)一定是串聯(lián)布局的，兩者以聯(lián)軸器相連，而集成閥塊和增壓油箱不一定要串聯(lián)，可以跟定量泵并排，以此滿足長度尺寸要求。為了減小魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的體積，在滿足負(fù)載力輸出前提下，應(yīng)提高系統(tǒng)壓力，選用微量泵和小功率伺服電機(jī)。

1.伺服電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.增壓油箱 4. 定量泵 5.集成閥塊 6.作動筒 7.EHA殼體圖4 魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的整體示意圖

1.2 主要元件選型[8]

1) 電機(jī)的計算與選擇

EHA工作效率受油液黏度、系統(tǒng)流量、工作壓力等多個因素的影響，其總效率大約為70%～85%。根據(jù)拉力、推力特性均應(yīng)不小于2500 N(250 kg)，運(yùn)動全行程平均速度0.1m/s，則伺服電機(jī)功率為：

(1)

式中，P—— 電機(jī)的功率，W

F—— 舵機(jī)末端推拉力，N

v—— 液壓缸運(yùn)動平均速度，m/s

η總—— EHA的總效率，取75%

選用電機(jī)限定功率為340 W,質(zhì)量約1.3 kg,外形尺寸約110 mm×52 mm×52 mm，其他參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)主要參數(shù)

2) 液壓泵的計算與選擇

根據(jù)所選定的電機(jī)型號，此時液壓泵通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸連接，故輸入功率為340 W，額定轉(zhuǎn)矩1.08 N·m，液壓泵的規(guī)格計算為：

(2)

式中，Vg—— 液壓泵的排量，mL/r

p—— 系統(tǒng)壓力，MPa

ηv—— 液壓泵的容積效率，取90%

根據(jù)液壓泵所需排量，查閱液壓手冊選用HYC-MP1F微型液壓泵，質(zhì)量約0.45 kg, 外形尺寸約93 mm×40 mm×40 mm，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 液壓泵主要參數(shù)

根據(jù)上述選型確定系統(tǒng)壓力：

3) 液壓缸的計算與選擇

液壓缸的參數(shù)選擇主要與負(fù)載和控制性能有關(guān)，目前作動筒直接驅(qū)動負(fù)載,故可直接確定液壓缸的有效面積Ap為：

(3)

式中，F(xiàn)—— 作動器輸出力，N

Ap—— 液壓缸的有效面積，m2

pL—— 液壓缸工作壓力，取系統(tǒng)額定壓力6.5 MPa

現(xiàn)確定液壓缸活塞直徑及活塞桿直徑,由于：

(4)

式中,D—— 液壓缸缸筒內(nèi)徑，m

d—— 活塞桿外徑，m

由式(4)得：D≈0.0228 m，按GB/T 2348—2018液壓缸缸內(nèi)徑和活塞桿直徑系列的要求，并留出一定的安全裕量，選擇液壓缸缸筒內(nèi)徑D為25 mm，活塞桿外徑d為10 mm，此時的液壓缸有效面積Ap為412.3 mm2。

出于標(biāo)準(zhǔn)化考慮，按照GB/T 2349—1980選擇液壓缸行程為25 mm。

2 系統(tǒng)仿真分析

2.1 液壓系統(tǒng)建模

在目前所有液壓仿真軟件中，AMESim因其模塊化優(yōu)勢被廣泛采用，尤其是液壓系統(tǒng)的設(shè)計[9]。本研究以魚雷舵機(jī)性能參數(shù)為基礎(chǔ)，如圖5所示，在AMESim仿真軟件中建立魚雷舵機(jī)伺服系統(tǒng)模型。

圖5 魚雷舵機(jī)伺服系統(tǒng)的建模

2.2 水動力負(fù)載模型

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)由魚雷舵機(jī)EHA中的液壓缸推動，進(jìn)而由液壓缸帶動舵葉轉(zhuǎn)動。舵面在發(fā)生角度調(diào)整時，并非受到一個恒定的外負(fù)載力，也會在水中受到粘滯力。通常當(dāng)舵葉轉(zhuǎn)到一定角度時，作用在舵面上的鉸鏈力矩[10]可用ML表示為：

ML=Kδ·δ

(5)

式中，Kδ—— 舵面鉸鏈力矩系數(shù)

δ—— 舵面轉(zhuǎn)動角度

由式(5)可知，舵面鉸鏈力矩系數(shù)和舵面轉(zhuǎn)動角度分別為力矩計算的兩個輸入值，其中舵面鉸鏈力矩系數(shù)與舵葉處的水流速度相關(guān)，以常數(shù)值K帶入；轉(zhuǎn)動角度也可通過位移傳感器反饋，且角度改變值與力矩大小為一一對應(yīng)關(guān)系。最終在負(fù)載模型中功能函數(shù)f(x,y)以恒定水流速度的輸入x和舵面轉(zhuǎn)動角度的反饋數(shù)值y表達(dá)。

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

據(jù)于鳳輝[7]等研究，液壓泵的排量和轉(zhuǎn)動慣量對EHA系統(tǒng)快速性影響較大。伺服電機(jī)的動態(tài)特性受電磁、機(jī)械兩部分的影響，而主要影響為機(jī)械部分的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，故將液壓泵、電機(jī)的影響統(tǒng)一計算到模型的轉(zhuǎn)動慣量J中，即：

J總=J電機(jī)+J泵+J其他

(6)

式中，J電機(jī)—— 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，參照選型取1.16×10-5kg·m2

J泵—— 微型定量泵的轉(zhuǎn)動慣量，參照選型取0.8×10-5kg·m2

J其他—— 缸和舵葉對轉(zhuǎn)動慣量的影響，設(shè)缸和舵葉的重量為1 kg，則:

如表3所示，魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下。

表3 參數(shù)設(shè)置

2.4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

設(shè)仿真時間設(shè)置為1.0 s，以0.001 s為一個采樣值，在時間域運(yùn)行仿真。在0.1 s處給定一個階躍輸入信號值0.024 m，魚雷舵機(jī)作動筒末端位移曲線如圖6所示，作動筒末端速度曲線如圖7所示，魚雷舵機(jī)作動筒頻率響應(yīng)曲線，如圖8所示。

(1) 結(jié)合圖6、圖7可知，在模擬計算的工況下，在0.1 s輸入信號作用下魚雷舵機(jī)作動筒末端開始克服負(fù)載力動作，迅速運(yùn)動到行程終點(diǎn)。液壓缸最大速度為1.6 m/s，當(dāng)運(yùn)動到液壓缸行程末端時，速度降為0。EHA運(yùn)動速度滿足仿真需求，符合系統(tǒng)設(shè)計要求;

圖6 魚雷舵機(jī)作動筒末端位移曲線

圖7 魚雷舵機(jī)作動筒末端速度曲線

(3) 運(yùn)用AMESim繪制閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖，將control值設(shè)定為位移輸入信號,而活塞桿的末端位移設(shè)置為observer值, 如圖8所示，點(diǎn)擊仿真得出頻率響應(yīng)結(jié)果。

從幅頻特性曲線中可以看出，在帶載條件下，幅值衰減-3 dB時幅頻特性為16 Hz，相位滯后90°時相頻特性為41 Hz，均滿足大于6 Hz的要求，保證了魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖8 魚雷舵機(jī)作動筒頻率響應(yīng)曲線

在水動力負(fù)載模型中，施加不同鉸鏈力矩系數(shù)K值，設(shè)置仿真時間為0.5 s，每0.001 s做一次采樣，仿真結(jié)果如下所示。

從圖9、10看出，當(dāng)舵葉處的水流速度發(fā)生變化時，鉸鏈力矩系數(shù)以不同常數(shù)值K帶入，魚雷舵機(jī)作動筒末端位移、速度也隨之變化。但通過合理的PID校正環(huán)節(jié)，其對舵機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度影響基本一致。

圖9 不同負(fù)載下魚雷舵機(jī)末端位移曲線

圖10 不同負(fù)載下魚雷舵機(jī)末端速度曲線

3 結(jié)論

(1) 對魚雷舵機(jī)的兩種工作模式進(jìn)行研究分析，基于EHA設(shè)計了液壓伺服系統(tǒng)，并將魚雷系統(tǒng)中重要組成元件進(jìn)行計算與選型；

(2) EHA通過調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,通過聯(lián)軸器推動微型定量泵運(yùn)轉(zhuǎn), 改變進(jìn)入整個魚雷舵機(jī)的流量，最終控制液壓缸活塞的位移或速度運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)魚雷舵面的角度調(diào)節(jié),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高；

(3) 采用AMESim進(jìn)行仿真，當(dāng)作動缸末端位移量在0.021 m趨于平穩(wěn)時，此時EHA舵機(jī)系統(tǒng)受力均大于2500 N，調(diào)整時間為0.2 s，且幅頻特性為16 Hz，相頻特性為41 Hz，均滿足大于6 Hz的要求，保證了魚雷舵機(jī)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，對魚雷舵機(jī)的研發(fā)有重大理論指導(dǎo)意義。