來雨辰，段嘉興，鄧君毅

（1.山東大學機械工程學院，濟南 250002；2.西安電子科技大學物理與光電工程學院，西安 710126；3.蘭州萬里航空機電有限責任公司，蘭州 730070）

0 引言

電動靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）是當前飛機普遍使用的一種功率電傳作動器，是典型電動與液壓融合的機電液控一體化復雜產品，EHA以重量輕、體積小、反應迅速、運動靈活、可靠性高等優(yōu)點備受科學家和學者們的青睞[1]。隨著EHA應用的越來越廣泛，它自身存在的發(fā)熱和散熱問題被專家們所關注，本文針對該問題，對EHA主要熱源電機及柱塞泵進行了熱力學仿真與分析。

在EHA工作過程中，存在能量的傳遞和轉換，功率損失不可避免，而功率損失往往會以熱量的形式表現(xiàn)出來。在EHA中，不存在大型的液壓油箱，液壓系統(tǒng)結構簡單，液壓油循環(huán)回路短，散熱面積小，導致發(fā)熱后傳遞到液壓油中的熱量很難通過液壓油和液壓管路散發(fā)出去。又因為EHA的體積小，散熱面積小，使得EHA產生的熱量通過EHA的外殼只能散發(fā)出去一部分，剩余的部分會存留在EHA非常小的密閉空腔內，可能造成EHA整體和液壓油溫度上升，失去原有功能，嚴重時會危害飛行安全[2-4]。由于EHA存在發(fā)熱散熱問題，在設計過程中，油液溫度高的問題必須要加以考慮，因此EHA熱力學分析十分重要。

本文分析EHA熱能傳遞與轉換過程，分析其傳熱與散熱機理，使用CATIA軟件對EHA電機和柱塞泵傳動機構進行三維模型建立，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析，得出熱分布圖[5]，以反映EHA中主要熱源電機的熱特性，從溫度控制層面為作動器設計和元器件選型提供參考，為EHA的設計與適航認證提供依據(jù)。

1 電動靜液作動器工作原理

EHA以容積調速的方式來完成對作動筒的控制。EHA通過電子控制器和驅動電路控制永磁無刷直流電機旋轉，電機的主軸和柱塞泵的主軸通過調速機構連在一起，柱塞泵的傳動軸轉動時，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作，液壓油進入液壓管路后在作動筒部位將液壓能轉換為機械能，以容積調速的方式完成對功率輸出裝置的位置控制。為完成作動筒的伸出和收縮運動，要求柱塞泵雙向都可以旋轉，此功能要靠電機的正反轉來完成。電機采用PWM調速方式來調節(jié)主軸轉速，柱塞泵一般采用傳動軸旋轉1周排量一定的定量泵，這樣使得可以通過功率驅動電路來控制電機的主軸轉速，繼而控制液壓管路中液壓油的輸送速度，最后完成對作動桿運動速度的控制[6]。

EHA結構分為機械、電子電路和液壓元件3部分。機械部分包括無刷直流電機、作動筒等；電子電路部分包括數(shù)字控制器、功率驅動電路等；液壓元件部分包括雙向定量柱塞泵、單向閥、過濾器、安全閥、儲能罐、液壓管路和液壓油等。EHA結構原理如圖1所示。

EHA使用高壓直流電機（+270 V）提供動力，然后由柱塞泵向作動機構提供液壓能，最后作動筒將柱塞泵提供的液壓能轉換為機械能，實現(xiàn)飛機舵面轉向等一系列操作的控制。EHA電機控制具有實時性、保護性、穩(wěn)定性等特點，當EHA作動桿完成一定動作后，EHA中的位置、壓力、速度等反饋元件會將信息傳遞給數(shù)字控制器，并由它來發(fā)出指令控制功率驅動電路，實現(xiàn)對電機的精準控制。

2 傳動機構的熱力學建模與仿真分析

2.1 某型EHA的建模假定與仿真參數(shù)

在對傳動機構進行熱分析之前，要對電機傳動機構進行一定的簡化處理，以減少計算量。對電機傳動機構做出適當忽略和假設[7]，主要內容如下：（1）忽略電機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）忽略電機主軸上對傳熱和生熱影響不大的位置傳感器和速度傳感器；（3）忽略建模復雜的電機定子線圈，用定子鐵芯的熱生成代替線圈的通電生熱；（4）忽略電機和柱塞泵內部的大量圓角和倒角，只保留外殼對散熱影響較大的圓角；（5）對電機的各個零件的尺寸計算采用經驗公式估算的方法。

將使用CATIA已經建立好的傳動機構模型直接導入到ANSYS Workbench中進行熱力學分析，電機主要部件的材料及熱傳導率如表1所示[8]。柱塞泵主要零件材料及熱傳導率如表2所示。

表1 電機主要零件材料及熱傳導率

在對傳動機構進行熱分析時，由于柱塞泵和電機都屬于密封結構，其內部空氣不流動，內部零件的散熱方式大多為自然對流，此外內部零件與空氣接觸面積不大，所以忽略內部零件的對流散熱，只考慮電機和柱塞泵外殼的對流散熱，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)傳動機構生熱分析，分別計算EHA傳動機構主要熱源的生熱功率。參數(shù)使用某型飛機EHA的各項數(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率

表3 某型EHA的參數(shù)

根據(jù)表3提供的參數(shù)，在電機轉速3 000 r/min的工況下對電機和柱塞泵的主要熱源的生熱功率進行計算，計算結果如表4所示[9]。

表4 電機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)結果代入，對EHA的傳動機構進行熱分析，圖2所示為熱分析流程圖。

圖2 熱分析流程

電機、柱塞泵和聯(lián)軸器的材料設定完畢后，使用智能網格劃分得到被研究傳動機構的有限元分析模型，模型剖面如圖3所示。

圖3 傳動機構有限元分析模型

在劃分網格時，較大零件的網格大小設置為4 mm，較小零件和關鍵的網格大小設置為2 mm，最后得到1 293 981個節(jié)點和611 878個單元，生成的總體熱分布圖如圖4所示。

圖4 EHA溫度分布圖

將輸出模型的電機外殼和柱塞泵外殼隱藏后，溫度場分布圖如圖5所示。

圖5 EHA傳動機構內部溫度分布

由圖4和圖5可見，該電機傳動機構的溫度最高點發(fā)生電機定子區(qū)域，最高溫度為159.4℃；溫度最低點發(fā)生在柱塞泵的部分外殼上，最低溫度為47.6℃。

電機內溫度最高的區(qū)域是定子部分，其溫度場如圖6所示。

圖6 電機定子溫度場分布

由電機定子溫度場分布圖可見，電機定子上溫度最高的部分是靠近氣隙的區(qū)域，達到159.4℃，溫度從此向電機外殼遞減。這是由于在EHA工作過程中，電機線圈的生熱率比較高，而且電機內部處于一個密閉空間內，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外殼接觸，電機外殼有良好的對流散熱條件，所以出現(xiàn)這種徑向遞減的溫度分布。

柱塞泵內溫度最高的區(qū)域是柱塞部分，其溫度場分布如圖7所示。

圖7 柱塞溫度場分布

由柱塞的溫度場分布圖可見，柱塞上溫度最高的區(qū)域是柱塞與缸體摩擦的部分，達到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程中，柱塞與缸體之間的摩擦生熱和缸體內部油液攪動生熱全部反映到柱塞中，導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間變化的，可以用來分析溫度場隨時間變化的情況。假設EHA運行了2 500 s，初始溫度設為20℃，對其進行瞬態(tài)熱分析，仿真不同時間點的EHA溫度場，仿真結果如圖8所示。

圖8 EHA溫度場隨時間變化圖

由圖可見，EHA傳動機構內溫度最高的區(qū)域一直是電機定子部分，其次是與定子相連的機構和柱塞部分，這是因為電機定子在工作過程中，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)域結構復雜散熱困難。

3 結束語

以電動靜液作動器柱塞泵和電機傳動機構為主要研究對象，使用CATIA建立傳動機構的三維模型，并且將傳動機構的三維模型導入ANSYS Workbench中，進行傳動機構的熱力學仿真與分析，得到傳動機構的溫度分布云圖，并對電機和柱塞泵內的溫度較高區(qū)域做出重點分析。瞬態(tài)熱分析與穩(wěn)態(tài)熱分析表明：EHA傳動機構內溫度最高的區(qū)域一直是電機定子部分，其次是與定子相連的機構和柱塞部分。本文結果可為EHA的選型、設計與適航認證提供依據(jù)。