飛機電動靜液作動器熱力學(xué)建模與分析

來雨辰，段嘉興，鄧君毅

（1.山東大學(xué)機械工程學(xué)院，濟南 250002；2.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，西安 710126；3.蘭州萬里航空機電有限責(zé)任公司，蘭州 730070）

0 引言

電動靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）是當(dāng)前飛機普遍使用的一種功率電傳作動器，是典型電動與液壓融合的機電液控一體化復(fù)雜產(chǎn)品，EHA以重量輕、體積小、反應(yīng)迅速、運動靈活、可靠性高等優(yōu)點備受科學(xué)家和學(xué)者們的青睞[1]。隨著EHA應(yīng)用的越來越廣泛，它自身存在的發(fā)熱和散熱問題被專家們所關(guān)注，本文針對該問題，對EHA主要熱源電機及柱塞泵進行了熱力學(xué)仿真與分析。

在EHA工作過程中，存在能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，功率損失不可避免，而功率損失往往會以熱量的形式表現(xiàn)出來。在EHA中，不存在大型的液壓油箱，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，液壓油循環(huán)回路短，散熱面積小，導(dǎo)致發(fā)熱后傳遞到液壓油中的熱量很難通過液壓油和液壓管路散發(fā)出去。又因為EHA的體積小，散熱面積小，使得EHA產(chǎn)生的熱量通過EHA的外殼只能散發(fā)出去一部分，剩余的部分會存留在EHA非常小的密閉空腔內(nèi)，可能造成EHA整體和液壓油溫度上升，失去原有功能，嚴(yán)重時會危害飛行安全[2-4]。由于EHA存在發(fā)熱散熱問題，在設(shè)計過程中，油液溫度高的問題必須要加以考慮，因此EHA熱力學(xué)分析十分重要。

本文分析EHA熱能傳遞與轉(zhuǎn)換過程，分析其傳熱與散熱機理，使用CATIA軟件對EHA電機和柱塞泵傳動機構(gòu)進行三維模型建立，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析，得出熱分布圖[5]，以反映EHA中主要熱源電機的熱特性，從溫度控制層面為作動器設(shè)計和元器件選型提供參考，為EHA的設(shè)計與適航認(rèn)證提供依據(jù)。

1 電動靜液作動器工作原理

EHA以容積調(diào)速的方式來完成對作動筒的控制。EHA通過電子控制器和驅(qū)動電路控制永磁無刷直流電機旋轉(zhuǎn)，電機的主軸和柱塞泵的主軸通過調(diào)速機構(gòu)連在一起，柱塞泵的傳動軸轉(zhuǎn)動時，泵中的柱塞在彈簧的作用下伸出和縮入，完成柱塞泵的吸油和出油動作，液壓油進入液壓管路后在作動筒部位將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，以容積調(diào)速的方式完成對功率輸出裝置的位置控制。為完成作動筒的伸出和收縮運動，要求柱塞泵雙向都可以旋轉(zhuǎn)，此功能要靠電機的正反轉(zhuǎn)來完成。電機采用PWM調(diào)速方式來調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，柱塞泵一般采用傳動軸旋轉(zhuǎn)1周排量一定的定量泵，這樣使得可以通過功率驅(qū)動電路來控制電機的主軸轉(zhuǎn)速，繼而控制液壓管路中液壓油的輸送速度，最后完成對作動桿運動速度的控制[6]。

EHA結(jié)構(gòu)分為機械、電子電路和液壓元件3部分。機械部分包括無刷直流電機、作動筒等；電子電路部分包括數(shù)字控制器、功率驅(qū)動電路等；液壓元件部分包括雙向定量柱塞泵、單向閥、過濾器、安全閥、儲能罐、液壓管路和液壓油等。EHA結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

EHA使用高壓直流電機（+270 V）提供動力，然后由柱塞泵向作動機構(gòu)提供液壓能，最后作動筒將柱塞泵提供的液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)飛機舵面轉(zhuǎn)向等一系列操作的控制。EHA電機控制具有實時性、保護性、穩(wěn)定性等特點，當(dāng)EHA作動桿完成一定動作后，EHA中的位置、壓力、速度等反饋元件會將信息傳遞給數(shù)字控制器，并由它來發(fā)出指令控制功率驅(qū)動電路，實現(xiàn)對電機的精準(zhǔn)控制。

2 傳動機構(gòu)的熱力學(xué)建模與仿真分析

2.1 某型EHA的建模假定與仿真參數(shù)

在對傳動機構(gòu)進行熱分析之前，要對電機傳動機構(gòu)進行一定的簡化處理，以減少計算量。對電機傳動機構(gòu)做出適當(dāng)忽略和假設(shè)[7]，主要內(nèi)容如下：（1）忽略電機和柱塞泵上存在的大量螺紋、螺母和墊片等密封緊固裝置；（2）忽略電機主軸上對傳熱和生熱影響不大的位置傳感器和速度傳感器；（3）忽略建模復(fù)雜的電機定子線圈，用定子鐵芯的熱生成代替線圈的通電生熱；（4）忽略電機和柱塞泵內(nèi)部的大量圓角和倒角，只保留外殼對散熱影響較大的圓角；（5）對電機的各個零件的尺寸計算采用經(jīng)驗公式估算的方法。

將使用CATIA已經(jīng)建立好的傳動機構(gòu)模型直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行熱力學(xué)分析，電機主要部件的材料及熱傳導(dǎo)率如表1所示[8]。柱塞泵主要零件材料及熱傳導(dǎo)率如表2所示。

表1 電機主要零件材料及熱傳導(dǎo)率

在對傳動機構(gòu)進行熱分析時，由于柱塞泵和電機都屬于密封結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空氣不流動，內(nèi)部零件的散熱方式大多為自然對流，此外內(nèi)部零件與空氣接觸面積不大，所以忽略內(nèi)部零件的對流散熱，只考慮電機和柱塞泵外殼的對流散熱，在某型EHA的工作條件中，空氣流速為5 m/s，環(huán)境溫度為20℃，電機的鋁合金外殼的熱輻射系數(shù)為0.2，柱塞泵的鑄鐵外殼的熱輻射系數(shù)為0.55。

根據(jù)傳動機構(gòu)生熱分析，分別計算EHA傳動機構(gòu)主要熱源的生熱功率。參數(shù)使用某型飛機EHA的各項數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 柱塞泵主要零件材料及熱傳導(dǎo)率

表3 某型EHA的參數(shù)

根據(jù)表3提供的參數(shù)，在電機轉(zhuǎn)速3 000 r/min的工況下對電機和柱塞泵的主要熱源的生熱功率進行計算，計算結(jié)果如表4所示[9]。

表4 電機和柱塞泵主要熱源生熱功率

2.2 基于ANSYS軟件的穩(wěn)態(tài)熱仿真分析

使用ANSYS Workbench中的熱分析模塊，將2.1節(jié)結(jié)果代入，對EHA的傳動機構(gòu)進行熱分析，圖2所示為熱分析流程圖。

圖2 熱分析流程

電機、柱塞泵和聯(lián)軸器的材料設(shè)定完畢后，使用智能網(wǎng)格劃分得到被研究傳動機構(gòu)的有限元分析模型，模型剖面如圖3所示。

圖3 傳動機構(gòu)有限元分析模型

在劃分網(wǎng)格時，較大零件的網(wǎng)格大小設(shè)置為4 mm，較小零件和關(guān)鍵的網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm，最后得到1 293 981個節(jié)點和611 878個單元，生成的總體熱分布圖如圖4所示。

圖4 EHA溫度分布圖

將輸出模型的電機外殼和柱塞泵外殼隱藏后，溫度場分布圖如圖5所示。

圖5 EHA傳動機構(gòu)內(nèi)部溫度分布

由圖4和圖5可見，該電機傳動機構(gòu)的溫度最高點發(fā)生電機定子區(qū)域，最高溫度為159.4℃；溫度最低點發(fā)生在柱塞泵的部分外殼上，最低溫度為47.6℃。

電機內(nèi)溫度最高的區(qū)域是定子部分，其溫度場如圖6所示。

圖6 電機定子溫度場分布

由電機定子溫度場分布圖可見，電機定子上溫度最高的部分是靠近氣隙的區(qū)域，達(dá)到159.4℃，溫度從此向電機外殼遞減。這是由于在EHA工作過程中，電機線圈的生熱率比較高，而且電機內(nèi)部處于一個密閉空間內(nèi)，定子區(qū)域形成了生熱多并且散熱困難的情況。又由于定子的外圈與電機外殼接觸，電機外殼有良好的對流散熱條件，所以出現(xiàn)這種徑向遞減的溫度分布。

柱塞泵內(nèi)溫度最高的區(qū)域是柱塞部分，其溫度場分布如圖7所示。

圖7 柱塞溫度場分布

由柱塞的溫度場分布圖可見，柱塞上溫度最高的區(qū)域是柱塞與缸體摩擦的部分，達(dá)到131.7℃，溫度最低的部分是柱塞的頭部。這是由于在柱塞泵工作過程中，柱塞與缸體之間的摩擦生熱和缸體內(nèi)部油液攪動生熱全部反映到柱塞中，導(dǎo)致柱塞主體部分溫度較高，而柱塞的頭部大部分暴露于空氣中，有一定的散熱能力，所以溫度較低。

2.3 基于ANSYS軟件的瞬態(tài)熱仿真分析

在ANSYS中，瞬態(tài)熱分析與穩(wěn)態(tài)熱分析不同，瞬態(tài)熱分析的載荷是隨時間變化的，可以用來分析溫度場隨時間變化的情況。假設(shè)EHA運行了2 500 s，初始溫度設(shè)為20℃，對其進行瞬態(tài)熱分析，仿真不同時間點的EHA溫度場，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 EHA溫度場隨時間變化圖

由圖可見，EHA傳動機構(gòu)內(nèi)溫度最高的區(qū)域一直是電機定子部分，其次是與定子相連的機構(gòu)和柱塞部分，這是因為電機定子在工作過程中，不僅存在線圈生熱的銅損耗，還存在定子鐵芯部分的鐵損耗，而且定子區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜散熱困難。

3 結(jié)束語

以電動靜液作動器柱塞泵和電機傳動機構(gòu)為主要研究對象，使用CATIA建立傳動機構(gòu)的三維模型，并且將傳動機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，進行傳動機構(gòu)的熱力學(xué)仿真與分析，得到傳動機構(gòu)的溫度分布云圖，并對電機和柱塞泵內(nèi)的溫度較高區(qū)域做出重點分析。瞬態(tài)熱分析與穩(wěn)態(tài)熱分析表明：EHA傳動機構(gòu)內(nèi)溫度最高的區(qū)域一直是電機定子部分，其次是與定子相連的機構(gòu)和柱塞部分。本文結(jié)果可為EHA的選型、設(shè)計與適航認(rèn)證提供依據(jù)。