周银晓
郑州飞机装备有限责任公司
摘要：介绍了航空旋转电动机构机电限位的结构特点、工作原理、结构和功能，提出了机电限位的匹配设计原则和注意事项。
关键词：电动机构；机械限位；电气限位；惯性滑移；匹配设计
引言
航空电动机构作为动力输出源或动作执行单元，具有机动性好、响应快、智能化、体积小、重量轻、便于在飞机上布局等优点。随着飞机向多电甚至全电方向发展，它可以取代传统的气动和液压装置等。，广泛应用于航空领域。
根据输出运动的方式，电动机构可以分为直线运动和旋转运动两种，旋转运动根据其功能可以分为关闭和调节两种。贵阳万江航空机电有限公司开发的往复旋转运动电动机构是一种需要机械限位和电气限位设计的机电一体化装置。在大多数情况下，它被用作飞机环境控制系统、燃油系统和控制系统中的执行单元。介绍了航空旋转电动机构主要部件的结构特点、工作原理和功能，重点介绍了减速装置中的机电限位装置及其相互关系。根据电动机构的不同功能，进行机电限位的匹配设计，以保证电动机构的成功开发，减少机构故障，提高航空装备的完好率，提高军用飞机的作战效能。
1航空旋转电动机构的结构和工作原理
1.1电动机构的结构
电动机构主要由连接器、电机和减速装置三部分组成。其中，连接器主要是上位机向电动机构提供动力和控制信号的结构单元；作为电动机构的驱动源，电机一般采用28V DC电源，大扭矩电动机构也可以采用270V高压DC电源。根据输出转矩和转换时间，以及寿命和控制精度要求，可选择单独励磁的DC电机、永磁DC电机、DC永磁无刷电机或DC伺服电机。减速器装置是电动机构的核心单元，由减速器壳体、传动装置(行星架、齿轮)、机电限位装置、离合装置和输出轴等组成。它的主要功能是通过减速来放大扭矩。
1.2工作原理
电动机构主要由电机、减速装置、离合装置、电动限位装置、机械限位装置和输出轴组成。当电源接通时，电机转动带动减速器转动:关闭类似电动机构的减速器装置中离合装置的限位器(与输出轴为一体)，带动摇臂的压紧装置压紧电动限位装置中的微动开关，切断电源， 减速器的传动装置在断电后的惯性作用下，带动制动器与减速器壳体的机械限位凸台接触，最终实现机械限位，脱开离合器，停止产品； 调节电动机构的输出轴达到机械极限后，离合器脱开，减速器内传动装置中的限位器(与输出轴分离)继续运动，带动摇臂的压紧装置压紧电动限位装置中的微动开关，实现电动限位和断电，产品停止工作。
2机电限位装置的结构和工作机理
机械限位装置和电气限位装置是电动机构的主要部件。旋转型航空电动机构在航空领域一般用作控制型或关断型的动力输出执行单元，大多以往复方式工作，旋转角度一般为90°。往复旋转电动机构机的机械限位装置主要用于保证电动机构输出轴可靠的输出角度，主要由减速器壳体和制动器两部分组成。电动机构的最大转动角度是减速器壳体两个凸台之间挡块上凸台的运动角度，机械极限角度根据实际需要设计。
电气限位装置的作用是可靠地接通或切断电机的电源，是核心控制单元。与机械限位装置相比，电动限位装置结构更复杂，设计难度更大。电气限位装置分为两部分，一部分是电气限位的机械转换装置，另一部分是电源开关装置。机械转换与传动装置相连。减速器的行星架转动时带动套环同步运动，转动到一定角度时拨动摇臂沿小轴转动。电源的开关元件主要由微动开关和按压装置组成。弹簧片铆接在摇臂上，形成压紧装置，压紧装置随摇臂转动，按下微动开关的按钮，切断或接通电源。
3机械限位和电气限位装置设计的影响因素及匹配原则
3.1设计影响因素的识别
该机械限位装置主要根据电动机构输出轴所需的转角设计，结构简单，可以重点控制减速器和限位凸台的设计和加工精度。电动限位装置结构相对复杂，部件多，限位角计算复杂，误差大。影响限位角设计计算误差的因素有很多，如卡圈的开启角度、摇臂的转动角度、压紧装置上的弹簧片的弹性变形等都无法精确计算，微动开关的动作行程的不同(开关按钮从自由状态到开关内部弹簧装置完全脱开的位移)都会影响限位角的精度。随着设计方法的不断改进，可以利用三维动态仿真设计电气极限角，模拟不同压力下弹簧的变形和微动开关不同动作行程下摇臂的转动角度，然后根据设计经验进行修改。利用仿真得到的摇臂旋转角度和套环与摇臂之间的行程，得到电动机构的电动极限角。
3.2匹配设计原则
机械限位和电气限位有两种匹配设计，一种是先电气限位后机械限位，即电气限位角度小于机械限位角度，产品先切断电源，电机停止工作，最后通过传动装置的惯性滑动实现机械限位，保证输出轴所需的输出角度；另一种是先机械极限后电气极限，即机械极限角小于电气极限角。电动机构的输出轴达到连续极限后，输出轴与离合装置断开，传动装置的机械转动带动电动限位压紧装置压紧微动开关，切断电机的电源，产品停止工作。具体匹配设计要根据电动机构要实现的功能来确定:off型电动机构切换时间短，一般选择先电限位后机械限位的匹配关系；而调节电动机构的切换时间相对较长，一般选择先机械限位后电动限位的匹配关系。
先电动限位后机械限位的电动机构的工作原理是，电动限位装置切断电源后，电机停止工作，传动装置在惯性作用下带动输出轴继续转动到机械限位凸台，输出轴停止转动，离合器分离，传动装置继续运动，直到耗能完毕。这种电动机构转换时间短，输出轴和传动装置角速度高，转动惯量大，惯性滑差大(可达30)。如果电气极限角过小甚至大于机械极限角，传动装置会因大量惯性滑移而对减速机壳体的机械极限凸台产生巨大的惯性冲击，对传动装置的运动部件和减速机壳体的极限凸台造成机械损伤，影响产品的使用寿命，严重时会导致产品功能的丧失。
先机械限位后电气限位的电动机构的工作原理是，电机在输出轴达到机械限位后继续工作，电动机构的输出轴脱离离合器，传动装置继续运动带动电气限位装置中的压紧装置压紧微动开关切断电源，电机停止工作。这种电动机构的切换时间比较长，输出轴和传动装置角速度低，转动惯量小，惯性滑差比较小，电机切断后传动装置的机械冲击小，对传动部件和减速器壳体的机械损伤不大。同时，产品作为一个调节电动机构，接受上位机的指令，随时关闭和开启，输出轴达到机械极限的概率很低。
3.3匹配设计注意事项
如果采用电动限位和机械限位的匹配关系，会出现以下两个问题:①角度差过大，惯性滑移不够，电动机构的输出角度达不到要求的角度，影响控制精度；②如果设计角度差太小，由于电气极限角的计算误差，产品的电气极限角可能会大于机械极限角，导致电动机构输出轴到位后电机不停机的故障现象。因此，在设计电动机构之前，应借鉴以往的设计经验，进行同类产品的惯性滑转试验，在电动机构的输出轴能够达到机械极限位置的情况下，尽可能扩大机械极限角与电动极限角之间的角度差。另外，在实现产品功能和能有效保护机械限位装置位置的前提下，尽量选择先机械限位后电气限位的方案。
4结束语
随着我国综合实力的不断增强，航空工业必将蓬勃发展，军用飞机向多电、全电飞机发展已成为必然，电动机构在航空领域的应用将越来越广泛。往复旋转电动机构的机械限位和电气限位的匹配设计非常重要。设计是否合理将直接影响电动机构的工作性能、工作可靠性和产品质量。在电动机构的设计和开发中，应根据要实现的功能合理选择它们之间的匹配关系。
参考文献
［1］谭敏，倪灯塔.基于全行程位置反馈的电气限位设计［J］.中国设备
工程，2020（4）：100-101.
［2］范迅，刘宪伟.惯性及滑移对EMP推力轴承的影响研究［J］.中国矿
业大学学报，2009，38（5）：665-669.
［3］范迅，刘宪伟.惯性和滑移对弹性金属塑料轴承的影响研究［J］.中国机械工程，2008（22）：2722-2724.