從需求出發，淺析民機飛控電液伺服作動器設計

黃健

【摘 要】飛控系統作為飛機最重要的系統之一，對飛機性能和安全性具有至關重要的意義。布置于各控制面的飛控作動器是實現飛機三軸機動的執行主體。本文以電液伺服作動器為例，從需求出發，介紹了作動器的組成和具體功能的實現方式。

【關鍵詞】民機；作動系統；電液伺服作動器

0 引言

當前，液壓伺服作動器已普遍應用于民機和軍機的飛控系統。主要用于實現副翼、升降舵、方向舵主控制面的位置閉環控制，和絕大數民機多功能擾流板的位置控制。一般地，電液伺服作動器由電液伺服閥接受控制指令信號，經過液壓放大，輸出流量驅動作動筒運動，并依靠內部的LVDT形成位置閉環控制。本文從民機飛控作動器的常規需求定義出發，簡述各需求的實現方式，淺析作動器的設計過程。

1 作動器需求定義

本文所討論的需求僅針對于單個作動器的設備級需求，可將其分為三類：接口定義、功能定義、性能定義。這里的接口定義，僅指作動器的機械接口。作動器基本的機械接口需求包括作動器與控制面和機翼結構間的接頭位置、作動器行程、作動器的尺寸包線等。在民機設計中，根據上游總體布置等相關專業的設計輸入開展設計。在功能定義上，民機作動器需要滿足至少兩種工作模式：主動模式、阻尼模式（或旁通模式）。主動模式需在液壓源、電源、前端系統及作動系統本身正常的情況下，提供各控制面的閉環電液伺服控制功能。主舵面作動器退出主動工作模式時，一般要求仍能提供一定的阻尼功能和顫振抑制功能。擾流板作動器略有不同，出于安全性考慮，在民機上一般要求擾流板作動器在退出主動模式后能自動恢復到舵面零位。在性能定義上，作動器需滿足的基本需求有失速載荷需求、限制載荷需求、速率需求、剛度需求和泄漏需求等。除這些基本需求外，從保護作動器的角度，民機作動器還應具有過壓保護功能、抗氣穴、回油穩壓、進油防逆流等功能。

2 作動器零組件選擇與設計

電液伺服作動器一般由作動筒和殼體構成。殼體包括了各分組件閥，作動筒由筒體和活塞桿構成。飛控系統將指令以電流信號輸入給電液伺服閥轉化成液壓的流量輸出。各分組件實現液壓回路的控制功能。通過改變作動筒活塞兩側壓力，驅動活塞桿做平移運動。作動筒與操縱面相連，將平移運動轉化為舵面轉動。一般在活塞桿上內置線位移傳感器，將位置信號反饋給系統，建立閉環回路。從以上最基本的閉環和作動需求可見，構成作動器必須的主要部件有：殼體、作動筒缸體、電液伺服閥、活塞和活塞桿組件、活塞位置傳感器。

2.1 主要零部件及尺寸確定

首先考量安裝空間和連接結構等因素，對作動器的形式進行確定，常用的有點對點式和反力連桿式，各有優缺點。點對點式作動器形式簡單、尺寸小、重量輕；反力連桿式作動器傳力路徑復雜、維護復雜、重量較重，但與結構連接處載荷較小，連接處結構重量較輕。作動器連接形式確定后，依照尺寸包線對殼體和缸體的尺寸進行初步設計。然后，根據平面三角關系將舵面的角度行程需求換算到活塞桿的線行程需求，根據液壓系統供回油壓力和作動器最大輸出力需求換算得到活塞有效面積，進一步確定活塞桿的尺寸和行程?；钊突钊麠U組件在實現形式上，既有兩側有效面積對稱的，也有非對稱的。在設計時根據實際情況進行選擇。對活塞端頭與活塞桿的連接形式也可開展進一步的設計，使其在機械調零時具備足夠的零位行程調整范圍和調整精度。

基本的連接形式和平面三角關系確定后，可對作動器與舵面及機構支架的連接接頭進行設計以滿足使用要求。接頭連接形式一般有單耳和雙叉耳兩種形式，根據強度應力需求和空間限制進行設計，一般多采用單耳式。然后對連接接頭處的軸承和襯套進行綜合選擇和設計，既要滿足間隙和潤滑要求，同時還要在實現形式上滿足一定的滾轉自由度，以適應舵面扭轉形帶來的影響。

2.2 分組件閥選擇及確定

民用飛機主舵面作動器一般要求具備主動模式和阻尼（或旁通）模式。模式間的切換一般由電磁閥和模式選擇閥實現。電磁閥用于接收系統電指令，控制模式選擇閥進行模式切換。模式選擇閥一般為二位八通換向閥，以滿足兩種工作模式的需求。

主動模式下，由電液伺服閥（EHSV）提供伺服控制。伺服閥的基本功能為接收系統指令電流信號，將其轉化為液壓流量的輸出。電液伺服閥有多種類型，如噴嘴擋板式電液伺服閥、射流管式電液伺服閥等。通常，噴嘴擋板式電液伺服閥由力矩馬達、噴嘴、擋板和第二級閥組成，射流管式電液伺服閥由力矩馬達、射流閥和第二級閥組成。電液伺服閥既是實現作動伺服控制的關鍵部件，同時也是決定作動器動態特性的重要部件。在確定伺服閥類型后，根據作動器的速率需求、頻響特性需求、滯環門限需求，對力矩馬達的參數指標、第二級滑閥的類型、開度指標、重疊量參數等進行綜合設計和確定。除了動態特性外，決定主動模式工作性能的另一大指標是泄漏。泄漏分為內漏和外漏。內漏主要產生于EHSV和活塞處，動態性能越好，往往伴隨著內漏越大，輸出性能降級。因此在進行關鍵尺寸設計時，需對兩者進行權衡設計。外漏指的是作動器外表面的液壓油泄漏。對于殼體上的工藝孔可采用金屬堵頭過盈配合封膠處理。對于作動筒端蓋一般設計多級的密封圈密封槽組合形式進行密封。

針對阻尼模式和旁通模式的實現，需設計特殊的阻尼閥實現相應功能。當模式選擇閥切換到阻尼模式時，阻尼油路導通。通常，阻尼閥通過多個節流孔將伸出腔、縮回腔和回油兩兩導通。根據阻尼特性的需求，設計節流孔的尺寸。為保證整個飛行階段都具備足夠的阻尼能力，在回油路上設計回油蓄壓器以補充液壓油的泄漏損失。蓄壓器的尺寸和門限壓力根據系統要求和回路泄漏指標進行綜合設計。

對于擾流板作動器而言，為保證失效安全，要求斷電斷壓后不會隨氣動力矩上浮，在設計上通過特殊的上偏抑制閥和EHSV偏置實現該功能。通常將上偏抑制閥布置在縮回腔的回油路上，供油壓力作為閥的控制端輸入。系統壓力正常時，閥口打開，回油導通；系統斷壓時，切換成逆向單向閥，鎖住兩腔油液。擾流板作動器的EHSV第一級都預設偏置，在無電信號輸入時，會自動控制油路將供油高壓輸向縮回腔，使作動器回到零位。

以上設計滿足了作動器的基本功能定義，為提高可用性和可靠性，作動器需滿足一系列安全性相關需求，相應的通用設計完善方法概述如下：

3 總結

本文選取了現代民機飛控系統中的電液伺服作動器為例，介紹了接口、功能和性能的基本需求定義。從主要組成部件尺寸確定，到分組件閥選擇和設計，以此為剖面，呈現了作動器在設計時針對需求所做的細節方案確定及優化工作。實際民機作動系統設計要更加復雜和嚴謹，需求確認和驗證的過程包括了不斷的權衡和迭代優化。本文重點涵蓋了作動器總體構型確定、工作模式實現、控制功能實現、保護功能落實等內容，旨在對作動器的特性和設計工作進行初步介紹。

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[責任編輯：田吉捷]