双自锁容错防卡滞多级机电作动器的制作方法

本发明是属于机电伺服，尤其是涉及关于应用于机电作动器上的双端锁定、长行程收放，非相似能源应急机械设备安全应急解锁、伸出及锁定结构，更具体地说，本发明是关于在规定行程下大幅减小带锁定功能机电作动器结构长度的创新结构。

背景技术：

1、机电作动器作为机电伺服系统的核心部件，是一种是用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。主要作用是接收控制指令后，将电能转化为机械能，克服外界的负载力矩，达到预定的速度和位置。常见的机电作动器的基本构成如下：电机、减速箱、传动部件、滚珠丝杠副、外筒组件、活塞筒组件、自锁定组件等。承载部件大都选择滚珠丝杠副或行星滚柱丝杠副，行星滚柱丝杠副螺纹牙多点接触工作原理，承载力相对更大、传动精度更高，是目前被优选的部件。带有自锁装置的机电作动器，机械锁的形式常用的为钢球锁，它一般由钢球、锁槽、锥形活塞和弹簧等组成,通常被作动筒内的机械锁锁住,在限定位置停止运动时能防止外力作用而发生窜动，但在高可靠性、高安全性场合中，传动部件存在卡死、卡滞、卡塞现象，应用受到很大限制，在飞行控制领域很难达到更高的可靠性要求。在某些安装空间受限或工作行程要求较长的应用场合，例如飞机起落架收放、舱门收放等，常用的单级机电作动器因整体死结构长度较长，电机输出响应速度和精度较差，系统相对复杂。采用的减速机构配合滚珠丝杠或滚柱丝杠，将电机的旋转运动转化为作动机构的直线运动，这种结构在作动筒高速运动，特别是高速往复作动的情况下，对电机性能要求很高，系统成本造价大，且滚珠丝杠或滚柱丝杠在动载荷作用下容易发生影响系统传动精度的疲劳点蚀，可靠性较差，而无法满足有限的安装空间要求。此外，现有的机电作动器采用单电机控制，作动筒运动范围固定，单电机控制系统冗余度差。虽然可以通过多级机电作动器实现大工作行程收放，但常规的多级机电作动器仍采用制动器抱死电机轴的方式实现机械锁定，可靠性差，较机械锁承载能力低，因而实用性较差。为了解决机电作动器传动部件单点故障问题，现有技术常规多级机电作动器采用传动机构冗余设计方案，仍然面对丝杠副卡塞等单点故障的问题，若不能保证多级机电作动器在应急状态下仍能隔离故障，实现应急作动，则会极大限制多级机电作动器使用范围。复合式四余度机电作动系统采取两台电气双余度直流无刷电机由两台无刷直流电动机组成。每台无刷直流电动机定子有两套三相绕组，由两套同样的功率驱动电路同时供电，系统共有四个独立的电气通道，只要有任何两个电气通道能正常工作，系统就能完成任务，但性能有所下降。电气型四余度需要将4套绕组安装在一个定子内，会使电机的定/转子直径增大，而使转动惯量增大，快速性下降，同时因为将多套绕组安装在一个定子内，对于呈现短路和高温的故障隔离比较困难。电气四余度结构机电作动器在某通道断路时，虽然可简单将故障通道切除，其余正常通道不受影响。但因其电气余度结构的多套绕组安装于一个定子上，当某通道短路时，则不能将故障通道简单切除。否则故障绕组中感应出很大的电流，这将会影响整个系统的运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单，具备正常工作模式、安全性可靠性更高，工作行程更大，能够实现小安装空间并能解除卡死、卡滞、卡塞故障,并具备应急解锁、伸出和可靠锁定活塞筒，利于向更多领域推广应用的方案。有效解决常规多级机电作动器锁定能力差，无法解决丝杠副卡塞的单点故障的难题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双自锁容错防卡滞多级机电作动器，包括：将外筒3径向两侧对称主电机1、副电机27旋转运动转化为传动腔体中减速器联动丝杠副及丝杠螺母机械能的驱动单元，以及环密封活塞头在外筒3缸体作伸缩运动的至少两级活塞筒，其特征在于：外筒3尾部外筒体上制有径向连通高压腔，通过高压介质驱动一级活塞头的应急气口5，一级活塞外头环面上设有落锁于环布锁槽与外筒内壁环弧锁槽锁止的一级上位钢球6，以及紧贴外筒3内壁落锁于环布锁槽的一级下位钢球10，与一级活塞筒14内两阶台阶孔内封装的防卡塞组件组成与三阶台阶孔固联轴承相连的一级防卡滞容错自锁组件，并由主丝杠4运动副带动一级活塞筒14在外筒3运动腔中作一级伸缩运动；被所轴承端向限制自由端的副丝杠16伸入二级活塞头，通过套合副丝杠螺母22带动二级活塞筒23活塞头中的二级防卡滞容错自锁组件，在一级活塞筒14运动腔中作二级伸缩运动，形成以主电机1、副电机27机电作动器为独立单元，丝杠副16作为执行机构，以主、副丝杠为主动件驱动两级活塞筒，在两套防卡滞容错自锁组件之间开锁、上锁运动转换关系的双通道运动链路。

3、本发明相比于现有技术具有如下增益效果：

4、本发明以机电作动器为独立单元，丝杠副作为执行机构，通过两套丝杠和螺母的运动转换关系，以螺母作为主动件驱动丝杠螺母的方式，实现运动转化，解决单个机电作动器行程小的问题。同时通过在外筒3与一级活塞筒14之间设计可开锁、上锁的一级上位钢球6机械锁和一级下位钢球10机械锁，主电机1可驱动一级活塞筒14锁定在外筒3上下端位置并可靠解锁；相比传统机电作动器结构布局与功能形式，具备更高的安全性和可靠性，能够解除卡死、卡滞、卡塞故障。

5、本发明在一级活塞筒14与二级活塞筒23之间设计可开锁、上锁的二级上位钢球17机械锁和二级下位钢球21机械锁，副电机27可驱动二级活塞筒23锁定在一级活塞筒14上下端位置并可靠解锁，从而以机械锁的方式在伸出、缩回位置锁定活塞筒，解决了常规多级机电作动器以制动器抱死电机轴而无法承受大载荷的难题；

6、本发明在主丝杠螺母套筒11、主丝杠螺母12、轴承套15之间设计可被高压介质开锁的防卡塞机构，在丝杠副等传动机构卡塞的情况下，高压介质解锁防卡塞机构和一级上位钢球6机械锁和二级上位钢球17机械锁后，分别驱动一级活塞筒14和二级活塞筒23克服负载应急伸出，从而解决常规多级机电作动器丝杠副卡塞而无法完成伸出活塞筒的单点问题，从而提高飞控系统的安全性和可靠性。

技术特征：

1.一种双自锁容错防卡滞多级机电作动器，包括：将外筒(3)径向两侧对称主电机(1)、副电机(27)旋转运动转化为传动腔体中减速器联动丝杠副及丝杠螺母机械能的驱动单元，以及环密封活塞头在外筒(3)缸体作伸缩运动的至少两级活塞筒，其特征在于：外筒(3)尾部外筒体上制有径向连通高压腔，通过高压介质驱动一级活塞头的应急气口(5)，一级活塞外头环面上设有落锁于环布锁槽与外筒内壁环弧锁槽锁止的一级上位钢球(6)，以及紧贴外筒(3)内壁落锁于环布锁槽的一级下位钢球(10)，与一级活塞筒(14)内两阶台阶孔内封装的防卡塞组件组成与三阶台阶孔固联轴承相连的一级防卡滞容错自锁组件，并由主丝杠(4)运动副带动一级活塞筒(14)在外筒(3)运动腔中作一级伸缩运动；被所轴承端向限制自由端的副丝杠(16)伸入二级活塞头，通过套合副丝杠螺母(22)带动二级活塞筒(23)活塞头中的二级防卡滞容错自锁组件，在一级活塞筒(14)运动腔中作二级伸缩运动，形成以主电机(1)、副电机(27)机电作动器为独立单元，丝杠副(16)作为执行机构，以主、副丝杠为主动件驱动两级活塞筒，在两套防卡滞容错自锁组件之间开锁、上锁运动转换关系的双通道运动链路。

2.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：驱动单元包括：通过主电机(1)输出轴齿轮啮合主传动齿轮带动主丝杠4旋转的端向齿轮传动系，以及副电机(27)输出轴齿轮通过副传动齿轮28啮合花键套传动轴29的端向齿轮传动系。

3.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：高压介质从应急气口(5)进入外筒(3)尾部高压腔，驱动一级防卡滞容错自锁组件解锁一级上位钢球(6)，二级防卡滞容错自锁组件解锁二级上位钢球(17)，分别驱动一级活塞筒(14)和二级活塞筒(23)解除卡死、卡滞、卡塞故障，克服负载实现应急伸出、回缩可靠上锁、解锁的运动。

4.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：一级防卡滞容错自锁组件包括：落锁于一级活塞外头环面环布锁槽与外筒内壁环弧锁槽锁止的一级上位钢球(6)，以及落锁于环布锁槽，紧贴外筒(3)内壁的一级下位钢球(10)，控制一级上位钢球(6)、一级下位钢球(10)滚动锁定、解锁，将一级锁定弹簧(8)相向对称约束在环密封主丝杠螺母套筒(11)环槽之间的一级上位锁衬套(7)、一级下位锁衬套(9)，装配在主丝杠螺母(12)右侧中空盲孔环密封翻边端盖套筒，把套合在翻边端盖套筒上的防卡塞弹簧(26)约束在中空盲孔底端的防卡塞衬套(25)，将落锁在沿主丝杠螺母(12)开口方向钢球导向孔中，约束在防卡塞衬套(25)倒角端外环面上的上沿锁定钢球(13)、下沿锁定钢球(24)。

5.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：一级防卡滞容错自锁组件通过主丝杠螺母(12)端面限位的轴承套(15)轴承，构成可被从应急气口(5)进入的高压介质，实现对主丝杠(4)运动副卡死、卡滞、卡塞和轴承套(15)防卡塞锁定、锁止,解锁、开锁的一级高压介质解锁防卡塞机构。

6.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：在丝杠运动副传动机构卡死、卡滞、卡塞的情况下，一级高压介质解锁防卡塞机构，通过一级活塞头母线前后方向上的一级上位钢球(6)、一级下位钢球(10)机械锁，在锁止位置与解锁位置之间可选择地与外筒(3)进行接合，通过二级活塞头母线前后方向上的二级上位钢球(17)、二级下位钢球(21)机械锁，在锁止位置与解锁位置之间可选择地与一级活塞筒(14)进行接合，分别驱动一级活塞筒(14)和二级活塞筒(23)克服外界负载，可变行程地应急伸出或回缩。

7.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：二级防卡滞容错自锁组件包括：落锁于二级活塞外头环面环布锁槽与二级活塞筒内壁环弧锁槽锁止的二级上位钢球(17)，以及落锁于环布锁槽，紧贴二级活塞筒(23)内壁的二级下位钢球(21)，控制二级上位钢球(17)、二级下位钢球(21)滚动锁定、解锁，将二级锁定弹簧(19)相向对称约束在环密封副丝杠螺母(22)环槽挡环之间的二级上位锁衬套(18)、二级下位锁衬套(20)。

8.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：正常工作模式下，主电机(1)输出轴齿轮通过主传动齿轮(2)啮合主丝杠(4)端齿轮，主丝杠(4)通过端部缩颈凹槽约束在外筒(3)筒体中的滚珠轴承，带动在一级活塞筒(14)传动腔体中主丝杠(4)旋转，以主丝杠螺母(12)作为主动件带动一级活塞筒(14)尾部制有中空台阶孔的一级上位锁衬套(7)向右运动，将锁定母线前后方向上的一级上位钢球(6)从外筒内壁锁环槽中脱出，实现机械锁解锁，同时驱动缩回状态的一级活塞筒(14)伸出外筒(3)克服外界的负载力矩，完成额定推力输出。

9.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：副电机(27)输出轴齿轮通过副传动齿轮(28)啮合转动轴(29)轴端齿轮，带动主丝杠(4)中空筒体中的花键套传动轴(29)旋转，带动通过轴承套(15)限位，套装在花键套传动轴(29)外花键齿上的副丝杠(16)一起转动，以副丝杠螺母(22)作为从动件带动在一级活塞筒(14)中作伸缩运动的二级活塞筒(23)尾部制有中空台阶孔的二级上位锁衬套(18)向右运动，将锁定在母线前后方向上位钢球导向孔上的二级上位钢球(17)，从一级活塞筒(14)内壁锁环槽中脱出，实现机械锁解锁，同时驱动缩回状态的二级活塞筒(23)伸出一级活塞筒(14)端口,克服外界的负载力矩，完成额定推力输出。

10.如权利要求1所述的双自锁容错防卡滞多级机电作动器，其特征在于：安装在外筒(3)尾部中空台阶孔中的推力角接触球轴承内环轴向限位在主丝杠(4)台阶轴环槽与外筒体内环槽之间，承受主丝杠(4)的负载，与主丝杠螺母(12)耦合相连的轴承套15，通过中空台阶孔中的双向推力角接触球轴承内环，轴向限位副丝杠(16)上端台阶轴上，承受副丝杠(16)的负载。

技术总结
本发明提出的一种双自锁容错防卡滞多级机电作动器，具备正常工作模式、安全性可靠性更高，工作行程更大。通过下述技术方案实现：一级活塞外头设有一级上位钢球，一级下位钢球，与内封装的防卡塞组件组成一级防卡滞容错自锁组件，并由主丝杠运动副带动一级活塞筒在外筒运动腔中作一级伸缩运动；被所轴承端向限制自由端的副丝杠伸入二级活塞头，通过套合副丝杠螺母带动二级活塞筒活塞头中的二级防卡滞容错自锁组件，在一级活塞筒运动腔中作二级伸缩运动，形成以主电机、副电机机电作动器为独立单元，丝杠副作为执行机构，以主、副丝杠为主动件驱动两级活塞筒，在两套防卡滞容错自锁组件之间开锁、上锁运动转换关系的双通道运动链路。

技术研发人员：匡克焕,汪驰,孟嘉
受保护的技术使用者：四川凌峰航空液压机械有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11