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文章轉載于中國制造的博客
電靜液作動器

專家簡介

焦宗夏：北京航空航天大學，教授、博士生導師，現任北京航空航天大學寧波研究院院長。國家杰出青年科學基金獲得者，長江學者特聘教授，何梁何利獎獲得者，國家973計劃項目首席科學家，入選新世紀百千萬人才工程國家級人選?！帮w行器流體動力控制與操縱”長江學者創(chuàng)新團隊帶頭人，“飛行器控制一體化技術”國防科技重點實驗室主任。主持承擔了多項國家973、863、國家自然科學基金、航空基金、國家大型工程與國家國際合作專項等重大項目。發(fā)表論文200余篇，其中SCI收錄70余篇，EI論文100余篇，授權發(fā)明專利50余項；獲國家技術發(fā)明二等獎1項，國家科技進步二等獎2項，省部級科技獎勵多項。

徐兵：浙江大學，教授，博士生導師，現任流體動力與機電系統國家重點實驗室副主任，機械電子工程系主任。國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才，教育部“長江學者”特聘教授，浙江省151人才重點層次，創(chuàng)新人才推進計劃中青年科技創(chuàng)新領軍人才，教育部新世紀優(yōu)秀人才，中國機械工程學會青年科技成就獎和浙江省青年科技獎獲得者。主持承擔了973、863、國家科技支撐計劃及國家自然科學基金等國家和省部級縱向課題二十余項，發(fā)表SCI論文50余篇，EI論文80余篇，授權國家發(fā)明專利40余項。榮獲國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步一等獎4項及二等獎1項。

何永勇：清華大學，副研究員，博士生導師，現任清華大學天津高端裝備研究院常務副院長。2005年入選教育部第二批“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”。先后主持和參加“九五”攀登計劃項目、國家自然科學基金“九五”重大項目、國家自然科學基金青年基金、國家“973”項目、國家863項目和企業(yè)合作項目多項；發(fā)表論文150余篇，其中SCI收錄60余篇，EI收錄90余篇，論文被引用1000余次；獲授權專利40余項；獲浙江省科技進步一等獎一項、教育部高等學校自然科學一等獎一項、教育部高等學?？萍歼M步二等獎一項、廣東省科技進步二等獎一項。
飛鳥通過控制羽毛實現飛行，而人類則為飛機賦予了飛行控制功能，通過飛控舵面的偏轉和高速流過的氣體作用產生氣動力矩，實現升降、轉向等姿態(tài)變化。起到了類似于飛機肌肉的作用。由于飛機的速度遠大于飛鳥，達到亞音速乃至超音速的水平，因此執(zhí)行機構驅動舵面偏轉就猶如在臺風中快速精準地控制一扇門一樣，需要非常強大的推力和控制精度?？梢韵胂?，飛機必須練就強健的肌肉才能精準、有效地實現各種姿態(tài)變化。考慮到航空業(yè)對重量的苛刻要求，體積小、力氣大的液壓伺服成為強健肌肉的首選，這也是過去半個多世紀以來飛機一直采用的技術。

一直沿用的集中式液壓伺服系統采用發(fā)動機驅動液壓泵產生高壓流體，通過管路傳輸到各舵面的液壓伺服作動器來實現舵面偏轉控制。但這種系統帶來了遍布機身的高壓管路，而且重量大，安裝和維護困難，可靠性也很低。隨著大型客機對經濟性、安全性、環(huán)保性和舒適性要求的不斷提升，多電/全電成為此類飛機的主要發(fā)展方向，在這種多電/全電飛機中，發(fā)動機只產生電力，通過電纜將能量傳輸到各使用端，能夠有效減輕重量，提高維護性和安全性。而這一轉變也催生出了對電驅動作動器這種新型“肌肉”的需求。

電靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）就是一種非常優(yōu)秀的電驅動作動器解決方案。電靜液作動器的基本工作過程看起來并不繁瑣：伺服電機驅動雙向液壓泵旋轉，產生高壓油經過液壓閥后流入作動筒，活塞桿在壓差的作用下克服負載，推動飛機舵面偏轉；通過傳感器反饋作動器的位移，控制電機的轉速和方向，就能實現舵面偏轉的動態(tài)控制。電靜液作動器雖然原理簡單，但要形成滿足航空業(yè)需求的產品卻面臨巨大的挑戰(zhàn)，國內外已經開展了近40年的研究，直到近幾年國外才開始在最先進的飛機上應用這項技術。國家973計劃項目“大型飛機電液動力控制與作動系統新體系基礎研究”的研究團隊也將電靜液作動器作為一項重要的內容進行攻關，針對多方面的挑戰(zhàn)進行探索，取得了多項突破性的進展。

鑒于航空業(yè)對減重的極端要求，必須使用盡可能小的電機、泵和作動器，這就迫使電靜液作動器向高速、高壓方向發(fā)展，通過高壓來減小液壓缸的尺寸，通過高轉速來減小電機和泵的尺寸。目前國際上采用的電靜液作動器中，電機和泵的最高轉速達到2萬轉/分，最高壓力達到35兆帕。

高速高壓化給電靜液作動器的泵帶來兩大挑戰(zhàn)。第一項挑戰(zhàn)是泵內摩擦副的磨損和壽命較短。柱塞泵中存在滑靴和斜盤、柱塞和缸體以及缸體和配流盤3對摩擦副。其特點都是間隙極小、載荷大、速度高，這3對摩擦副作為柱塞泵的設計核心，其性能直接影響到柱塞泵的效率、可靠性與壽命。在高速高壓工況下，摩擦副界面的PV值（即壓力和速度的乘積）極大，同時微觀壓力變形和熱變形問題嚴重，極易造成磨損、泄漏，甚至泵失效，很難滿足飛行控制長壽命、低故障的要求。

為了解決這一難題，研究團隊針對摩擦副界面的微觀形貌優(yōu)化，提出異性缸孔、織構化滑靴和配流盤等創(chuàng)新方法。其中，異性缸孔與柱塞之間會形成楔形油膜，產生動壓效應，為柱塞提供額外的支撐力，表面織構的微小凹坑不僅可以產生動壓效應，而且具有“藏污納垢”和微米尺度的“潤滑冷卻”作用，有效地改善了摩擦副的密封性能，降低了摩擦磨損。

第二項挑戰(zhàn)是高速柱塞泵的旋轉組件在狹小的殼體內高速攪拌油液，這個過程可謂“翻江倒?！?，會消耗大量能量，進而降低柱塞泵的效率；同時，高速攪拌產生的紊態(tài)流場不斷地“侵擾”高速旋轉組件，對旋轉組件產生非周期性激振力，容易誘發(fā)旋轉組件的失穩(wěn)。為此，研究團隊提出在旋轉組件表面涂覆納米疏油涂層，以降低旋轉組件與紊亂油液的“親密”程度，降低旋轉組件在油液中的摩擦損失。此外，研究團隊還給旋轉組件“穿”上整流罩，將紊態(tài)外流場“拒之門外”，既降低了攪拌損失，又抑制了流場的外激振作用。研究團隊通過這兩項措施，有效提高了電靜液作動器泵的壽命和效率。

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除了液壓泵外，電靜液作動器的另一個重要部件——電機也面臨著一個難題：“發(fā)燒”。在飛行中，電靜液作動器往往需要克服巨大的氣動負載，穩(wěn)穩(wěn)地頂住舵面，這就要求給電機施加大電流，產生持續(xù)的大扭矩，驅動泵產生高壓油頂住液壓缸。電流通過繞組會產生大量的熱，而電靜液作動器的小體積和輕重量帶來的一項后果是散熱能力較弱，所以電靜液作動器電機經常因此而“發(fā)高燒”，極大地限制了電靜液作動器的應用，目前大飛機只敢把它作為備份使用。

解決這一難題的一個方法是采用變量泵，就像汽車變擋一樣，在低速大扭矩的情況下，減小泵的排量，即減小傳動比，從而減小電機電流，緩解發(fā)熱，這種技術稱為負載敏感。這項技術也存在短板，即剛度較低會造成動態(tài)特性不佳，不能滿足快速調節(jié)舵面的要求。為了解決這一問題，研究團隊創(chuàng)新性地提出了主動負載敏感電靜液作動器，發(fā)明了新型壓力控制閥，它可以主動控制負載敏感壓力，實現自主控制泵是否為變量泵，從而在希望快速響應的時候保持大傳動比，而在希望對抗低速大負載時采用小傳動比，減小發(fā)熱。

通過以上幾方面的努力，研究團隊解決了旋轉電靜液作動器面臨的幾項巨大挑戰(zhàn)，開發(fā)了高性能的電靜液作動器。測試結果表明，該作動器的動態(tài)特性達到了7赫茲，而且長時間帶載工作時發(fā)熱很低，可以滿足飛機作動器控制的需求。

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電靜液作動器的挑戰(zhàn)還遠不止于此，其中泵的摩擦副工況及其惡劣，不可避免地會出現啟?；蛘叻崔D等過程，進而造成摩擦界面粗糙峰直接接觸并發(fā)生磨損問題，降低電靜液作動器的運行性能及服役壽命。針對電靜液作動器是閉式系統這一特點，研究團隊創(chuàng)新地采用了在液壓油中加入添加劑的思路。研究團隊通過不同材料的實驗，選定了石墨烯。石墨烯是一種新興的二維層狀材料，具有優(yōu)異的力學特性、化學穩(wěn)定性和自潤滑性能。研究團隊在研發(fā)過程中，根據石墨烯的微觀結構調控提出一系列石墨烯納米潤滑添加劑的制備工藝，并將其添加到電靜液作動器的液壓油中。測試表明，在電靜液作動器運行過程中，石墨烯能夠良好地分散在液壓油中，并能夠與液壓油一同進入摩擦界面，通過物理和化學吸附作用穩(wěn)定地吸附在摩擦界面上，形成吸附保護膜，提升界面潤滑性能。另外，石墨烯獨特的二維層狀結構，在滑動過程中能夠產生層間滑移作用，進一步提升摩擦界面的潤滑減磨性能。最終，研究團隊成功地自主研發(fā)出具有高效潤滑特性的石墨烯納米潤滑添加劑，可以有效提升電靜液作動器的可靠性和長壽命服役性能，具有重要的應用價值。

另外，目前國際上的電靜液作動器大多是采用前面介紹的高速旋轉電機驅動液壓泵的方式，這種結構的本質是利用柱塞泵中的多個柱塞，通過改變旋轉方向并改變不同柱塞之間的相位先后關系，實現作動器的往復運動控制。其缺點是在動態(tài)過程中需要控制整個電機和柱塞泵的往復，也就是需要克服整個電機和泵的慣性，這從機理上限制了電靜液作動器動態(tài)特性的提高。能否另辟蹊徑，化整為零，只調整其中一部分柱塞來實現不同柱塞之間的相位關系，進而實現往復運動呢？研究團隊提出了一種基于新原理的模塊化直線驅動電靜液作動器，給出了肯定的答案。該電靜液作動器采用新型高頻諧振直線電機驅動柱塞往復運動，通過多個模塊之間的拓撲實現配流，可以采用調幅、調相等復合控制方式實現高效、高頻的作動控制，大幅提高了動態(tài)特性。除了響應頻寬高外，該系統相較于傳統電靜液作動器還有著摩擦副簡單、效率高、模塊化等優(yōu)點。目前樣機的頻寬高達15赫茲，是國內外電靜液作動理論與技術方面的重要突破。

綜合來看，研究團隊針對電靜液作動器的難題提出了多個創(chuàng)新的思路和方法，既有原理的創(chuàng)新，又有扎實的具體技術細節(jié)突破，解決了限制電靜液作動器應用的多個難題，獲得多項國家發(fā)明專利授權，對于提升多電飛機的作動性能具有極大的促進作用。下一步，這些成果將轉化為更為豐富的養(yǎng)分，形成更加強健的肌肉，助力我國下一代大型飛機實現騰飛。