1 前言
    某一带四舵机在早期的研制过程中，用户对速度的要求较低，因此在舵机结构上没有考虑蓄能器装置。在研制过程中，用户要求提高舵机的速度，这就需在早期研制成果的基础上，在舵机上增加蓄能器装置，以补充工作介质的流量，提高舵机工作速度。在舵机上增加蓄能器装置，是我厂舵机研制的新技术，存在一定难度，首先，在结构设计时，必须保证蓄能器有足够的强度和刚度，在设计初期保证蓄能器结构的强度和刚度，是舵机研制成功的首要前提；其次，舵机壳体是电、液一体化控制的载体，壳体内油路纵横交错，外形复杂，加工难度大，加工周期长，在设计初期保证舵机壳体的强度和刚度，是后续研制工作正常进行的重要保证。在舵机以往的研制中，对结构件强度和刚度保证方法，主要是依赖设计员的经验和相关实验，这种方法最大弊端在于：会延长产品研制周期、结构设计不一定是最优的、材料的使用不一定是最经济的。有限元分析方法是随着计算机硬件和计算方法的发展而不断成熟的，如今广泛在产品研制初期发挥着重要的作用。在某型号一带四舵机的研制过程中，采用有限元分析方法，成功解决结构件的强度和刚度问题，并通过实验得到了验证，保证舵机的研制成功。
2 舵机壳体的强度分析
    舵机壳体是电、液一体化控制的载体，壳体内油路纵横交错，外形复杂，加工难度大，加工周期长。壳体在工作过程中部分油路和油腔承受高压，部分油路和油腔承受低压，在设计壳体时必须保证壳体有足够的强度承受工作压力，因此有必要对舵机壳体进行强度分析。工作时，安装蓄能器的部位、安装泵的部位及高压油滤处于高压状态（20Mpa），壳体的作动筒分别承受高压（22.5Mpa）和低压(0.5Mpa)，分析壳体强度。模型见图1。分析结果见图2、3。

图1 分析模型

图2 分析结果（应力分布图）

图3 分析结果（变形分布图）

2.1 壳体分析结果
    壳体采用锻铝合金LD10，该材料经热处理后抗拉强度大于440Mpa；本体的应力分布和变形见图2、3所示，最大应力为254.56Mpa，最大变形为7e -2mm，由此可见壳体在工作过程中，承压能力可满足高压化要求。

3 蓄能器
3.1 蓄能器工况分析
3.1.1 工作原理
    蓄能器主要包括缸体、活塞组件、前端盖和充气阀组件，结构组成见图4。

图4 蓄能器结构图

    活塞组件将缸体分成了左、右两个工作腔，即：液压油腔和气体腔。气体腔通过专用设备充有一定压力的氮气。
    当舵机没有工作时，液压系统没有压力，活塞组件在气压的作用下停留在缸体的底部。舵机的液压系统开始建压时，系统压力同步传递到蓄能器的液压油腔，当油压超过气体腔的充气压力时，活塞组件的受力平衡被打破，活塞开始向右边移动。随着活塞的移动，气体腔的容积在不断的减小，既气体的体积被压缩，气体压力开始升高，当气体压力上升到液压系统的压力时，活塞两端的受力又达到了新的平衡，活塞将停留在新的平衡位置。这就是蓄能器的充压过程，也就是蓄能的过程。
    当舵机的伺服阀响应控制信号，滑阀阀芯产生动作时，液压系统的压力瞬间会产生下降，这时，蓄能器活塞的受力平衡被打破，在压差的作用下气体迅速膨胀推动活塞向左边移动，同时排出油液对液压系统进行补充，这就是蓄能器的释放能量的过程。根据液压系统的最高、最低工作压力，合理设计蓄能器的有效工作容积和充气压力，可以得到液压系统所需的补充流量，满足系统要求。
3.1.2 气体腔的工况分析
    蓄能器的气体腔充有一定压力的氮气，由于气体对于温度的敏感性很强，在不同的环境、不同的工作状态下，容积腔内的气体压力会产生很大的变化。目前蓄能器的初始设计状态是：室温20±5℃下，充气压力14MPa，气体腔的容积140.5cm 3，极限状态下气体腔的最小容积70.78 cm3。
3.1.3 高温环境下存贮
    假设环境温度为70℃，在舵机没有工作的情况下，气体受热膨胀腔，由于气体腔体积没有发生变化，因此气体压力将会升高。根据气体状态方程计算，气体压力为16.39Mpa。
3.1.4 舵机常温条件下工作
    当舵机电机启动后，随着液压系统的建压和蓄能器活塞的移动，气体腔的压力将会上升，直到液压系统的稳定工作压力，此时活塞到达新的平衡位置，气体腔的体积被压缩。由于系统压力上升时间很短，变化过程可认为是等温过程，活塞没有到达最小极限位置，此状态下没有机械限位，气体压力不会产生突变。
3.1.5 诱发高温工作状态
    假设诱发高温工作试验结束时，气体腔的压力将达到 120℃，变化过程可认为是：等温变换+等压变换。过程结束时气体腔的体积小于气体腔的最大容积，活塞没有到达最大极限位置，此状态下没有机械限位，气体压力也不会产生突变。
3.1.6 液压系统的最高工作压力
    液压系统的最高工作压力为24Mpa,为确保安全，按照实际工作压力的 1.5倍进行考核，因此取 P=1.5×24=36（Mpa）。确保蓄能器的相关部件在 36Mpa下，满足应力要求。
3.2 蓄能器分析组成
    蓄能器主要由缸体、活塞组件、前端盖和充气阀组件组成，见图4，其中缸体和前端盖是主要的承压零件。缸体和前端盖经过两次设计和试验，最终确定设计结构形式，我们首先分析比较两次设计方案的应力强度；对最终设计结构方案进行优化，在保证应力满足强度要求的前提下，减轻前端盖的重量；探索加工过程中的内 R倒角对应力分布的影响，探讨内R对有限元分析过程中造成计算矩阵奇异的原因，如何在模型建立时避免。蓄能器的在工作时，工作介质是从 14到20Mpa间波动的，计算前端盖的疲劳寿命。舵机的工作压力为24Mpa，取 1.5倍安全系数，蓄能器分析时的载荷为36Mpa。
3.3 端盖分析
    比较前端盖的两次设计方案，两次设计方案结构见图 5、图 6，主要参数比较见表1。

图5 改进前的端盖结构图

图6 改进后的端盖图
表1 改进前、后的端盖主要参数比较

    用专业有限元分析软件 ANSYS对改进前、后的端盖进行静力分析，获得端盖的应力分布。