大直徑中空電液伺服馬達
仿真轉臺在導彈、飛機等飛行器的研制過程中起著極其重要的作用。大直徑中空電液伺服馬達是轉軸大直徑中空、輸出回轉運動、液壓驅動的執行機構，它可以避免空心軸電動機作為轉臺內框帶來的對被測件信號的強電磁干擾，也可以避免液壓馬達端置式內框在被測件安裝空間上的限制。因此，大直徑中空電液伺服馬達是大功率、低電磁噪聲三軸轉臺內框的理想執行機構。
1．工作原理
大直徑中空電液伺服馬達是在雙葉片擺動馬達基礎上研發的。圖59為大直徑中空電液伺服馬達工作原理圖。油源輸出的高壓油經P口由伺服閥導人馬達的高壓工作腔A(或B)、馬達低壓工作腔B(或A)的油液由伺服閥經T口回油箱，兩個工作腔內油液壓差作用在馬達動葉片上產生使中空轉軸輸出回旋運動。
軸的大直徑中空，該特征導致的主要設計困難如下：①馬達轉軸中空直徑大，但作為轉臺中框和外框的負載，不允許中空軸的壁很厚以至軸轉動慣量過大，因此馬達抗變形設計任務艱巨；②馬達中空軸直徑大使得馬達工作腔容積大，系統固有頻率低，閥控中空電液伺服馬達系統頻寬拓寬困難；③馬達中空軸直徑大導致馬達工作容腔外泄漏間隙周向長大，高可靠性的密封與低摩擦要求之間矛盾突出；④系統低速性能改善困難。合理的結構設計和適宜的控制策略是解決上述難點的有效措施。
2．結構
為了克服大直徑中空電液伺服馬達設計面臨的困難，馬達在結構上采用軸肩式結構，如圖60所示。馬達的工作腔由缸體4、固定在缸體上的定葉片3（2片）、中空轉軸5、固定在中空轉軸上的動葉片6（2片）組成。 特殊結構的中空轉軸是中空電液伺服馬達軸肩式結構的重要組成部分，如圖61所示。在中空轉軸的外表面中部加工有兩道凸起的軸肩L1和L2，動葉片固定在L1和L2之間。軸肩L1、L2在轉軸的外表面起到了加強筋的作用，使得轉軸在較薄壁厚條件下具有很強的抗徑向變形能力。有限元分析表明對于中空直徑Ф500mm的轉軸，在l4MPa油壓作用下，轉軸內壁的最大徑向變形僅0.05mm，小于轉子與定葉片之間為確保密封效果而預留的配合間隙尺寸，從而可調和轉軸轉動慣量與徑向抗變形能力之間的矛盾，確保馬達在運行過程中不出現卡死現象。軸肩式結構可以增強馬達工作容腔的剛度，提高大直徑中空液壓馬達系統固有頻率，大直徑中空液壓馬達的液壓固有頻率為
式中：J1為馬達軸上的轉動慣量；V1為馬達工作腔與進出口連接管道的總容積；Dm為馬達的排量；Ey為等效容積彈性模數。
轉軸軸肩作為馬達工作容腔的側壁承受油壓產生的橫向作用力，由于軸肩與轉軸一體，馬達工作腔軸向剛度比端蓋式馬達要高，有效提高等效容積彈性模數E，從而提高系統固有頻率。
3．控制策略
對于轉臺應用，中空電液伺服馬達的控制算法在滿足馬達控制性能的前提下，需考慮算法簡單，實現方便。特別是算法的運算時間要短，能夠在控制器硬件運算能力之內完成。為此，在控制算法上，采用速度、加速度前饋+PID+差反饋對馬達進行控制。通過參數的合理配置來改善閥控中空電液伺服馬達系統運動性能。系統控制框圖如圖62所示。
4．試驗與應用
為測試中空液壓馬達在油壓作用下的變形情況，使馬達轉軸停于極限位，改變油源壓力，圖63所示千分表讀數見下表。由測試數據可知，15MPa時最大變形總量為0.197mm。
圖64為0 001。/s時的低速曲線，曲線波動在±0.001。之間。圖65為階躍響應曲線，實測定位精度為±0.003°。
變形試驗數據
|
ps/MPa |
0 |
4.0 |
7.5 |
10.0 |
12.4 |
15.0 |
|
千分表 1/μm |
0 |
5 |
20 |
40 |
74 |
115 |
|
千分表 2/μm |
0 |
-20 |
-36 |
-52 |
-62 |
-82 |
中空電液伺服馬達具有良好的抗變形能力、穩定的低速性能和很高的定位精度。該馬達可作為大型液壓轉臺內框，具有很高的應用價值。
