基于EHA的魚雷舵機伺服系統的設計與研究

徐寶林1， 王俊杰， 陳英龍

(1.江門職業技術學院 機電技術系， 廣東 江門 529090； 2.大連海事大學 機械工程， 遼寧 大連 116000)

引言

魚雷是現代海軍作戰所配備的先進性武器，能在水面或水下隱蔽，在航行過程中具有距離遠、航速快的特性，同時在戰術上用以打擊水中的戰艦目標，有破壞性大、命中效果好的優勢，是一種能夠自動控制、自主前進的重要航行設備[1]。如圖1所示，魚雷入水后有兩種運動模式：其一在下潛的非控制階段，舵角通常為0或預先設定值，魚雷伺服系統基本不工作；其二是魚雷導引追蹤時，根據目標運動和魚雷運動兩種信息由舵機系統調整舵面角度。

圖1 魚雷運動模式

目前魚雷通常是通過調整舵機舵面來實現運動方向改變的，舵面由系統中的液壓缸直接控制，采用電液伺服閥[2]實現。如圖2所示：以傳統的正開口噴嘴擋板閥為例，假設沒有電氣信號輸入，力矩馬達的銜鐵通常在平衡位置，擋板兩側所受液壓油的作用力相等，此時油液自泵源進入，經流進油口，進而通過過濾器在閥芯處分4路油液流出。倘若有信號輸入，則魚雷系統中的馬達銜鐵帶動反饋桿偏轉， 使擋板發生移動(向左移動)，左側油路壓力升高，閥芯向右移動。這樣閥芯的左側接通，使油液高壓部分與液壓缸的進油路相連，閥芯的右側閥孔打開，此時油液與液壓缸的回油腔相連，最終通過電液伺服閥實現活塞運動，使魚雷舵機舵面偏轉。

1.導磁體 2.永久磁鐵 3.控制線圈 4. 銜鐵 5.彈簧管 6.擋板 7.噴嘴 8.溢流腔 9.反饋桿 10.閥芯 11.閥套12.回油節流孔 13.固定節流孔 14.油濾 15.作動筒殼體16.活塞桿 17.活塞 18.鐵芯 19.線圈 20.位移傳感器圖2 傳統魚雷舵機系統結構圖

經典電液伺服系統的驅動力較大、頻率響應速度很快，但其同樣存在問題：

(1) 采用發動機提供泵源動力，發動機轉速不穩會造成液壓系統供油壓力脈動；

(2) 電液伺服驅動系統工作效率較低(約為30%～40%)，造成供油功率上升；

(3) 系統中液壓元件較多，結構回路布置復雜，集中供油導致可靠性下降。

相比于傳統的魚雷電液伺服閥控制，采用電動靜液作動器(Electro Hydrostatic Actuator，EHA)為基礎的魚雷舵機伺服系統，可以大幅度的解決大型柴油機噪聲大、流量脈動大、能量效率低等問題，同時舵機控制系統的質量、體積均減小。EHA是把伺服電機、液壓泵、小型油箱、液壓缸、液壓集成閥組、壓力測量檢測元件和控制器統一整合后集成化，使該微型集成于一體化的執行機構具有質量輕、結構體積靈巧、效率高等的突出優點，克服了以往液壓系統中存在的固有缺陷,具有較強的實際性能，也驗證了其理論性的意義[3]。

除此之外，EHA在國內的航空航天領域也存在廣泛應用與研究，在火箭、飛機和汽車上都有所涉及。日本某電氣株式會社所研究EHA技術最具代表，在船用車用舵機、工業鍛壓機、液壓成型機等裝置均有應用,即把伺服電機、中間聯軸器、液壓泵在軸向上依次串接，并將液壓缸置于徑向的另一側，保證整個構型結構緊湊，體積窄小。美國NASA在 F-18 SRA飛機上裝備EHA，并就其性能評估，測試結果中飛機的EHA的操作感良好，并與傳統裝置相抗衡[4]。

齊海濤[5]將電動靜液作動器應用于提高飛機性能，按照EHA系統組成和工作原理對重要飛行控制的部分改進，加強作動系統的推進性能，同時用AMESim仿真軟件對所研究的飛行系統進行分析,所設計的飛機系統指標均達到要求；趙進寶[6]將EHA另辟蹊徑，應用于火箭舵機，探究轉速、排量等參數復合調節對電動靜液作動器的影響，證明了EHA中轉速和排量復合調節優于普通的定排量控制，對后續EHA的設計與創新有重要指導意義；于鳳輝[7]將直驅式容積控制電液伺服系統運用在列車上，運用ADAMS軟件進行列車受力分析，并用 AMESim展開液壓和力學聯合仿真，在理論上完成擺式列車傾擺系統的研究。

本研究提出了一種基于電動靜液作動器的魚雷舵機系統，采用交流伺服電機通過聯軸器驅動微型液壓泵，控制微型定量泵的旋轉速度,改變進入整個魚雷舵機的流量,最終實現舵面作動器的精確運動，能夠有效地減小系統脈動，并提高系統效率至70%以上；同時采用AMESim進行仿真，建立魚雷舵機的模型，計算相關元件參數并進行選型，在考慮舵機末端的水動力負載的前提下，保證了魚雷舵機系統的快速響應。

1 魚雷舵機液壓伺服系統

1.1 液壓系統工作原理

1) 結合魚雷舵機的運動模式，考慮給定的技術條件和參數指標，其液壓原理圖如圖3所示。

1.交流伺服電機 2.微型定量泵 3、4.單向過濾器 5.增壓油箱 6、7.單向閥 8、9.安全閥 10.對稱缸11、12.壓力傳感器 13.位移傳感器 14.轉速傳感器圖3 EHA魚雷舵機系統的液壓原理圖

EHA魚雷舵機是閉式的新型液壓系統。系統主要由伺服控制器、交流伺服電機、微型定量泵、增壓油箱、雙作用對稱缸、單向過濾器、集成閥塊以及壓力、位移、轉速測量裝置等組成。與傳統液壓系統相比,該系統是通過改變交流伺服電機的旋轉速度,通過聯軸器推動微型定量泵運轉, 改變進入整個魚雷舵機的流量，最終控制魚雷作動筒活塞的位移運動，實現舵面的角度調節。本研究所設計的EHA魚雷舵機液壓系統特點如下：

(1) 為了提高魚雷EHA的頻率響應，本系統舍棄了傳統電動靜液作動器中的液控單向閥元件，采用普通單向閥自動給回路補油；

(2) 為了保證魚雷系統平穩的吸油能力，將增壓油箱經由2個單向閥并聯，這樣舵機低壓腔調定壓力會一直高于大氣壓力,防止油液發生氣穴現象，影響工作壽命。同時由于魚雷舵機系統的運行時間短、效率較高，因溢流損失所造成的液壓油發熱影響較小，所需增壓油箱較??；

(3) 為了保證安全，將2個溢流閥并聯于液壓系統中，假設某一側的系統壓力發生過載，可以打開回路使液壓缸2腔溝通，起安全閥的作用。

2) 魚雷舵機系統是魚雷的一個輔助系統，在整個系統中所占據空間要盡可能小。本研究所要求的系統整體外形尺寸為200 mm×90 mm×50 mm，質量不大于3 kg。根據《GJB 6436-2008魚雷液壓舵機通用》，供油壓力為5.1 MPa時，舵桿在運動行程內拉力、推力均應大于2500 N，作動缸在承受外載荷的前提下運動全行程(24 mm)所需時間不大于0.25 s。魚雷舵機EHA系統控制電路的固有頻率在6 Hz以上，且對應該頻率的輸出與輸入量相比，幅值應衰減-3 dB，相位應滯后90°。

如圖4所示，定量泵和伺服電機一定是串聯布局的，兩者以聯軸器相連，而集成閥塊和增壓油箱不一定要串聯，可以跟定量泵并排，以此滿足長度尺寸要求。為了減小魚雷舵機系統的體積，在滿足負載力輸出前提下，應提高系統壓力，選用微量泵和小功率伺服電機。

1.伺服電機 2.聯軸器 3.增壓油箱 4. 定量泵 5.集成閥塊 6.作動筒 7.EHA殼體圖4 魚雷舵機系統的整體示意圖

1.2 主要元件選型[8]

1) 電機的計算與選擇

EHA工作效率受油液黏度、系統流量、工作壓力等多個因素的影響，其總效率大約為70%～85%。根據拉力、推力特性均應不小于2500 N(250 kg)，運動全行程平均速度0.1m/s，則伺服電機功率為：

(1)

式中，P—— 電機的功率，W

F—— 舵機末端推拉力，N

v—— 液壓缸運動平均速度，m/s

η總—— EHA的總效率，取75%

選用電機限定功率為340 W,質量約1.3 kg,外形尺寸約110 mm×52 mm×52 mm，其他參數如表1所示。

表1 伺服電機主要參數

2) 液壓泵的計算與選擇

根據所選定的電機型號，此時液壓泵通過聯軸器與電機輸出軸連接，故輸入功率為340 W，額定轉矩1.08 N·m，液壓泵的規格計算為：

(2)

式中，Vg—— 液壓泵的排量，mL/r

p—— 系統壓力，MPa

ηv—— 液壓泵的容積效率，取90%

根據液壓泵所需排量，查閱液壓手冊選用HYC-MP1F微型液壓泵，質量約0.45 kg, 外形尺寸約93 mm×40 mm×40 mm，其相關技術參數如表2所示。

表2 液壓泵主要參數

根據上述選型確定系統壓力：

3) 液壓缸的計算與選擇

液壓缸的參數選擇主要與負載和控制性能有關，目前作動筒直接驅動負載,故可直接確定液壓缸的有效面積Ap為：

(3)

式中，F—— 作動器輸出力，N

Ap—— 液壓缸的有效面積，m2

pL—— 液壓缸工作壓力，取系統額定壓力6.5 MPa

現確定液壓缸活塞直徑及活塞桿直徑,由于：

(4)

式中,D—— 液壓缸缸筒內徑，m

d—— 活塞桿外徑，m

由式(4)得：D≈0.0228 m，按GB/T 2348—2018液壓缸缸內徑和活塞桿直徑系列的要求，并留出一定的安全裕量，選擇液壓缸缸筒內徑D為25 mm，活塞桿外徑d為10 mm，此時的液壓缸有效面積Ap為412.3 mm2。

出于標準化考慮，按照GB/T 2349—1980選擇液壓缸行程為25 mm。

2 系統仿真分析

2.1 液壓系統建模

在目前所有液壓仿真軟件中，AMESim因其模塊化優勢被廣泛采用，尤其是液壓系統的設計[9]。本研究以魚雷舵機性能參數為基礎，如圖5所示，在AMESim仿真軟件中建立魚雷舵機伺服系統模型。

圖5 魚雷舵機伺服系統的建模

2.2 水動力負載模型

轉舵機構由魚雷舵機EHA中的液壓缸推動，進而由液壓缸帶動舵葉轉動。舵面在發生角度調整時，并非受到一個恒定的外負載力，也會在水中受到粘滯力。通常當舵葉轉到一定角度時，作用在舵面上的鉸鏈力矩[10]可用ML表示為：

ML=Kδ·δ

(5)

式中，Kδ—— 舵面鉸鏈力矩系數

δ—— 舵面轉動角度

由式(5)可知，舵面鉸鏈力矩系數和舵面轉動角度分別為力矩計算的兩個輸入值，其中舵面鉸鏈力矩系數與舵葉處的水流速度相關，以常數值K帶入；轉動角度也可通過位移傳感器反饋，且角度改變值與力矩大小為一一對應關系。最終在負載模型中功能函數f(x,y)以恒定水流速度的輸入x和舵面轉動角度的反饋數值y表達。

2.3 系統參數設置

據于鳳輝[7]等研究，液壓泵的排量和轉動慣量對EHA系統快速性影響較大。伺服電機的動態特性受電磁、機械兩部分的影響，而主要影響為機械部分的轉子轉動慣量，故將液壓泵、電機的影響統一計算到模型的轉動慣量J中，即：

J總=J電機+J泵+J其他

(6)

式中，J電機—— 伺服電機的轉動慣量，參照選型取1.16×10-5kg·m2

J泵—— 微型定量泵的轉動慣量，參照選型取0.8×10-5kg·m2

J其他—— 缸和舵葉對轉動慣量的影響，設缸和舵葉的重量為1 kg，則:

如表3所示，魚雷舵機系統的參數設置如下。

表3 參數設置

2.4 系統仿真結果及分析

設仿真時間設置為1.0 s，以0.001 s為一個采樣值，在時間域運行仿真。在0.1 s處給定一個階躍輸入信號值0.024 m，魚雷舵機作動筒末端位移曲線如圖6所示，作動筒末端速度曲線如圖7所示，魚雷舵機作動筒頻率響應曲線，如圖8所示。

(1) 結合圖6、圖7可知，在模擬計算的工況下，在0.1 s輸入信號作用下魚雷舵機作動筒末端開始克服負載力動作，迅速運動到行程終點。液壓缸最大速度為1.6 m/s，當運動到液壓缸行程末端時，速度降為0。EHA運動速度滿足仿真需求，符合系統設計要求;

圖6 魚雷舵機作動筒末端位移曲線

圖7 魚雷舵機作動筒末端速度曲線

(3) 運用AMESim繪制閉環系統伯德圖，將control值設定為位移輸入信號,而活塞桿的末端位移設置為observer值, 如圖8所示，點擊仿真得出頻率響應結果。

從幅頻特性曲線中可以看出，在帶載條件下，幅值衰減-3 dB時幅頻特性為16 Hz，相位滯后90°時相頻特性為41 Hz，均滿足大于6 Hz的要求，保證了魚雷舵機系統的快速響應，符合系統設計要求。

圖8 魚雷舵機作動筒頻率響應曲線

在水動力負載模型中，施加不同鉸鏈力矩系數K值，設置仿真時間為0.5 s，每0.001 s做一次采樣，仿真結果如下所示。

從圖9、10看出，當舵葉處的水流速度發生變化時，鉸鏈力矩系數以不同常數值K帶入，魚雷舵機作動筒末端位移、速度也隨之變化。但通過合理的PID校正環節，其對舵機系統的穩態精度影響基本一致。

圖9 不同負載下魚雷舵機末端位移曲線

圖10 不同負載下魚雷舵機末端速度曲線

3 結論

(1) 對魚雷舵機的兩種工作模式進行研究分析，基于EHA設計了液壓伺服系統，并將魚雷系統中重要組成元件進行計算與選型；

(2) EHA通過調節交流伺服電機的旋轉速度,通過聯軸器推動微型定量泵運轉, 改變進入整個魚雷舵機的流量，最終控制液壓缸活塞的位移或速度運動，實現魚雷舵面的角度調節,系統結構簡單、效率高；

(3) 采用AMESim進行仿真，當作動缸末端位移量在0.021 m趨于平穩時，此時EHA舵機系統受力均大于2500 N，調整時間為0.2 s，且幅頻特性為16 Hz，相頻特性為41 Hz，均滿足大于6 Hz的要求，保證了魚雷舵機系統的快速響應，對魚雷舵機的研發有重大理論指導意義。