活塞式滚珠螺旋摆动液压马达设计及控制研究.doc

第1章 绪 论 1.1课题研究的目的及意义 摆动液压马达是一种输出轴作摆动往复运动的液压执行元件。它的优点是能使负载直接获得往复摆动运动，无需任何变速机构。因此，已被广泛应用于各个领域，如舰雷达天线稳定平台的驱动、声纳基体的摆动、鱼雷发射架的开启、液压机械手、装载机上铲斗的回转、机床上回转台的转动等等，以及矿山和石油机械上都得到广泛应用。论文涉及的活塞式滚珠螺旋摆动液压马达作为旋转作动器，主要应用于针对飞行器姿态仿真转台、航空飞行器的升降翼、前、后襟翼或尾翼，轮船或舰艇方向舵驱动。即要求马达具有良好的超低速、高频响、宽调速、高精度、大扭矩的性能。随着现代科学技术的迅猛发展，以及近几年来我国对航空、航天工业的大力投入并随之而来的现代军事技术的不断发展，我国在航空、航天及相关科技领域都取得了巨大的进步，对探索工具及飞行器的精确度、可控性提出了愈加严格的要求。某航空飞行器要求在机翼的有限空间位置上分别并排布置内、中、外三个作动器驱动襟翼做旋摆运动，如图1.1所示。 图1.1襟翼作动器布置简图 由于负载分布及空间尺寸不同，使得三个作动器性能参数各不相同，故各作动器子系统的动态性能也不相同，且位移分争影响系统的同步精度，力分争影响系统刚度及输出响应。若采用现有的作动器作为将使整个功率驱动装置超重，严重影响飞行器的飞行性能，这是绝对不允许的。为此，本课题设计一种适应于该飞行器要求的新型活塞式滚珠螺旋摆动液压马达作为驱动飞行器的旋摆作动器，并分析研究利用3个规格的摆动液压马达子系统构成的多执行机构液压同步伺服控制系统。这既能满足我国国防和交通等工业的需要，也对提高我国大负载液压旋转作动器的技术水平、增强我国的国防和科技实力具有重要的现实意义。 1.2伺服摆动液压马达的综述 能实现旋摆运动的作动器类型很多，主要有叶片摆动液压马达、齿条齿轮式摆动液压马达、螺旋活塞式摆动液压马达、曲柄连杆式摆动液压马达以及来复式摆动液压马达等。 （a）单叶片式 （b）双叶片式 （c）多叶片式 图1.2叶片式摆动液压马达原理图 图1.3双叶片摆动液压马达结构示意图 叶片式摆动液压马达的摆动输出是靠动叶片和定叶片两油腔之间的压力差，推动动叶片转动而输出扭矩的。一般有单叶片和双叶片以及多叶片的结构形式，图1.2所示为叶片转子剖面基本结构形式图[1]，图1.3为一种双叶片摆动液压马达结构示意图。单叶片摆动液压马达一般可输出280°的转角，结构紧凑，轴向尺寸小。在相同尺寸下，多叶片摆动液压马达的输出扭矩是单叶片摆动液压马达的多倍，输出轴不受不平衡径向力作用且机械效率高，不过这种马达的转角小，内泄漏较大，容积效率低。输出扭矩与有效叶片面积和有效液压成正比。叶片式摆动液压马达主要存在泄露问题，要求采用更好的密封方法。 齿轮齿条式摆动液压马达是由于活塞的往复运动经齿条-齿轮机构变换为回转运动输出，齿轮轴就是输出轴。有单缸单作用、单缸双作用以及双缸式齿轮齿条摆动液压马达等类型，如图1.4所示[1]。活塞式双作用齿条齿轮式摆动液压马达行程短，转角小，但输出扭矩较大；双缸式齿条齿轮摆动液压马达输出扭矩较小，但转角较大。 （a）单缸单作用式 （b）单缸双作用式 （c）双缸式 图1.4 齿条齿轮式摆动液压马达原理图 曲柄连杆式摆动液压马达有单作用开式和双作用闭式两种摆动液压马达，如图1.5所示[1]。单作用开式马达的液压缸缸筒能够摆动，活塞杆与曲柄相连。活塞腔通入压力油时，活塞杆推动曲柄运动，带动输出轴旋转，输出扭矩。结构简单，制造容易，曲柄越长，输出力矩越大。但回程需要借助外力，应用受到限制；双作用闭式马达的连杆装于液压缸内部，一端与活塞相连，另一端与曲柄相连。曲柄与输出轴固定。当任一活塞腔输入压力油式，连杆移动使曲柄带动输出轴转动。与单作用开式比较，往复摆动均靠压力油作用，易于控制，转角容易调节，但行程较短，转角较小。 （a）单作用开式 （b）双作用闭式 图1.5 曲柄连杆式摆动液压马达 活塞-链式摆动液压马达由链将大小活塞连接在一起，链轮装在输出轴上并与链条啮合，当通入压力油时，因大活塞推力大，就沿压力作用方向直线移动，通过链条、链轮的传动，使输出轴旋转，如图1.6所示[1]。这种马达可以同时带动相隔一定距离的负载同向等速旋转，作用在轴上的载荷小，工作可靠。但链条容易磨损，高速时传动不平稳。 图1.6活塞链式摆动液压马达 图1.7滚轮螺旋式摆动液压马达 图1.7为滚轮螺旋式摆动液压马达[2]，其活塞