飛機(jī)電動(dòng)靜液作動(dòng)器熱力學(xué)建模與分析

來(lái)雨辰，段嘉興，鄧君毅

（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)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(wàn)里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，蘭州 730070）

0 引言

電動(dòng)靜液作動(dòng)器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）是當(dāng)前飛機(jī)普遍使用的一種功率電傳作動(dòng)器，是典型電動(dòng)與液壓融合的機(jī)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(yùn)動(dòng)靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)備受科學(xué)家和學(xué)者們的青睞[1]。隨著EHA應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，它自身存在的發(fā)熱和散熱問(wèn)題被專家們所關(guān)注，本文針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)EHA主要熱源電機(jī)及柱塞泵進(jìn)行了熱力學(xué)仿真與分析。

在EHA工作過(guò)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(huì)以熱量的形式表現(xiàn)出來(lái)。在EHA中，不存在大型的液壓油箱，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)液壓油和液壓管路散發(fā)出去。又因?yàn)镋HA的體積小，散熱面積小，使得EHA產(chǎn)生的熱量通過(guò)EHA的外殼只能散發(fā)出去一部分，剩余的部分會(huì)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(shí)會(huì)危害飛行安全[2-4]。由于EHA存在發(fā)熱散熱問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，油液溫度高的問(wèn)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(guò)程，分析其傳熱與散熱機(jī)理，使用CATIA軟件對(duì)EHA電機(jī)和柱塞泵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維模型建立，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)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(jī)的熱特性，從溫度控制層面為作動(dòng)器設(shè)計(jì)和元器件選型提供參考，為EHA的設(shè)計(jì)與適航認(rèn)證提供依據(jù)。

1 電動(dòng)靜液作動(dòng)器工作原理

EHA以容積調(diào)速的方式來(lái)完成對(duì)作動(dòng)筒的控制。EHA通過(guò)電子控制器和驅(qū)動(dòng)電路控制永磁無(wú)刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的主軸和柱塞泵的主軸通過(guò)調(diào)速機(jī)構(gòu)連在一起，柱塞泵的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)作，液壓油進(jìn)入液壓管路后在作動(dòng)筒部位將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以容積調(diào)速的方式完成對(duì)功率輸出裝置的位置控制。為完成作動(dòng)筒的伸出和收縮運(yùn)動(dòng)，要求柱塞泵雙向都可以旋轉(zhuǎn)，此功能要靠電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)完成。電機(jī)采用PWM調(diào)速方式來(lái)調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，柱塞泵一般采用傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)1周排量一定的定量泵，這樣使得可以通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制電機(jī)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(duì)作動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)速度的控制[6]。

EHA結(jié)構(gòu)分為機(jī)械、電子電路和液壓元件3部分。機(jī)械部分包括無(wú)刷直流電機(jī)、作動(dòng)筒等；電子電路部分包括數(shù)字控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路等；液壓元件部分包括雙向定量柱塞泵、單向閥、過(guò)濾器、安全閥、儲(chǔ)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(jī)（+270 V）提供動(dòng)力，然后由柱塞泵向作動(dòng)機(jī)構(gòu)提供液壓能，最后作動(dòng)筒將柱塞泵提供的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)舵面轉(zhuǎn)向等一系列操作的控制。EHA電機(jī)控制具有實(shí)時(shí)性、保護(hù)性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，當(dāng)EHA作動(dòng)桿完成一定動(dòng)作后，EHA中的位置、壓力、速度等反饋元件會(huì)將信息傳遞給數(shù)字控制器，并由它來(lái)發(fā)出指令控制功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

2 傳動(dòng)機(jī)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(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱分析之前，要對(duì)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，以減少計(jì)算量。對(duì)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)主軸上對(duì)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(jī)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(jī)和柱塞泵內(nèi)部的大量圓角和倒角，只保留外殼對(duì)散熱影響較大的圓角；（5）對(duì)電機(jī)的各個(gè)零件的尺寸計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式估算的方法。

將使用CATIA已經(jīng)建立好的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行熱力學(xué)分析，電機(jī)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(jī)主要零件材料及熱傳導(dǎo)率

在對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱分析時(shí)，由于柱塞泵和電機(jī)都屬于密封結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空氣不流動(dòng)，內(nèi)部零件的散熱方式大多為自然對(duì)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(duì)流散熱，只考慮電機(jī)和柱塞泵外殼的對(duì)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(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)生熱分析，分別計(jì)算EHA傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要熱源的生熱功率。參數(shù)使用某型飛機(jī)EHA的各項(xiàng)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(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min的工況下對(duì)電機(jī)和柱塞泵的主要熱源的生熱功率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示[9]。

表4 電機(jī)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(duì)EHA的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱分析，圖2所示為熱分析流程圖。

圖2 熱分析流程

電機(jī)、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(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元分析模型，模型剖面如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元分析模型

在劃分網(wǎng)格時(shí)，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(gè)節(jié)點(diǎn)和611 878個(gè)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(jī)外殼和柱塞泵外殼隱藏后，溫度場(chǎng)分布圖如圖5所示。

圖5 EHA傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部溫度分布

由圖4和圖5可見(jiàn)，該電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫度最高點(diǎn)發(fā)生電機(jī)定子區(qū)域，最高溫度為159.4℃；溫度最低點(diǎn)發(fā)生在柱塞泵的部分外殼上，最低溫度為47.6℃。

電機(jī)內(nèi)溫度最高的區(qū)域是定子部分，其溫度場(chǎng)如圖6所示。

圖6 電機(jī)定子溫度場(chǎng)分布

由電機(jī)定子溫度場(chǎng)分布圖可見(jiàn)，電機(jī)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(jī)外殼遞減。這是由于在EHA工作過(guò)程中，電機(jī)線圈的生熱率比較高，而且電機(jī)內(nèi)部處于一個(gè)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(jī)外殼接觸，電機(jī)外殼有良好的對(duì)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(chǎng)分布如圖7所示。

圖7 柱塞溫度場(chǎng)分布

由柱塞的溫度場(chǎng)分布圖可見(jiàn)，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(guò)程中，柱塞與缸體之間的摩擦生熱和缸體內(nèi)部油液攪動(dòng)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(shí)間變化的，可以用來(lái)分析溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的情況。假設(shè)EHA運(yùn)行了2 500 s，初始溫度設(shè)為20℃，對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，仿真不同時(shí)間點(diǎn)的EHA溫度場(chǎng)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 EHA溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化圖

由圖可見(jiàn)，EHA傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)溫度最高的區(qū)域一直是電機(jī)定子部分，其次是與定子相連的機(jī)構(gòu)和柱塞部分，這是因?yàn)殡姍C(jī)定子在工作過(guò)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(yǔ)

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