CN103423218B - 负载敏感的阀控一体化载荷加载装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种负载敏感的阀控一体化载荷加载装置及其控制方法，其中，加载装置包括用于对被测试装置进行加载的加载作动器模块、用于为所述加载作动器模块提供动力的供油模块、以及用于控制所述供油模块工作状态的负载敏感模块，所述加载作动器模块、所述供油模块及所述负载敏感模块集成于一体。本发明提供的上述方案，加载作动器模块、供油模块及负载敏感模块集成于一体，能够实现分布式加载，减少了多通道加载试验时复杂的管路布置，使得该加载装置能够灵活布置，减小了改变试验台布局与构型的工作量。通过负载敏感模块对供油模块工作状态的控制，提高了液压系统的效率，降低了能耗，节约了使用成本。

Description

负载敏感的阀控一体化载荷加载装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电液伺服控制技术领域，尤其涉及一种负载敏感的阀控一体化载荷加载装置及其控制方法。

背景技术

飞机的全机结构试验系统主要面向全尺寸结构静力试验、疲劳/损伤容限试验。静力试验是研究结构在静载荷作用下的强度、刚度和稳定性等静特性问题；疲劳/损伤容限试验依据飞机实际使用的飞行剖面，编制试验载荷谱，对试验机进行循环加载，暴露结构疲劳损伤关键部位，为疲劳定寿、确定修理周期以及改进优化提供依据。

全机静力试验时的加载点往往有几十个，分别由液压作动筒加载，液压源可以是泵站，或由独立泵供液，要保证加载时各加载点的协调比较困难，飞机处于悬空状态，载荷的不协调将造成飞机姿态的变化，从而使受力状态变化，影响试验质量。此外，全机试验在试验设计时的计算工作量很大，测试仪器与加载设备的布置、安装工作量也很大，造成静力试验的成本较高，试验技术设备复杂。

随着各国国防事业突飞猛进的发展；随着飞机尺寸、寿命、结构材料的变化和载荷不断增长；随着民机市场全球化商业竞争的白热化，结构试验行业面临的问题和需求越来越突出。

(1)急需减少工作量，提高工作效率：飞机尺寸越来越大，试验系统越来越复杂，给能源、作动器、测控系统带来很大负担。波音777飞机翼展60.93m，长63.73m，高18.50m，最大起飞重量297吨，最大试验载荷近千吨，翼尖变形达6米。通过控制96个液压加载通道进行加载，机身共粘贴了4300个应变片。静力试验要模拟不同飞行状态，试验台布局与构型经常多变，改变一次构型要几十人花费近两周的时间，工作量巨大。因此，要求试验系统具有足够的柔性，急需研究一体化分布式加载作动系统关键技术。

(2)急需提高能源利用效率：以某大型民机试验为例，主要耗能的液压系统装机约350kW，6年的疲劳试验约开机工作3万小时，整个试验周期约耗电一千万度之巨，如果能够节能1/3，约300万度，相当于一个小型水电站的年发电量，节能潜力巨大。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提供一种布置灵活、改变试验台布局与构型工作量小及节能的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置及其控制方法，用以解决现有技术的不足。

本发明提供一种负载敏感的阀控一体化载荷加载装置，包括用于对被测试装置进行加载的加载作动器模块、用于为所述加载作动器模块提供动力的供油模块、以及用于控制所述供油模块工作状态的负载敏感模块，所述加载作动器模块、所述供油模块及所述负载敏感模块集成于一体。

本发明还提供一种负载敏感的阀控一体化载荷加载装置的控制方法，包括：通过负载敏感模块感知加载作动器模块当前负载压力的大小来设置供油模块的泵源设定压力，通过采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，根据比较结果进行供油模块的供油控制。

本发明提供的上述方案，加载作动器模块、供油模块及负载敏感模块集成于一体，能够实现分布式加载，减少了多通道加载试验时复杂的管路布置，使得该加载装置能够灵活布置，减小了改变试验台布局与构型的工作量。通过负载敏感模块对供油模块工作状态的控制，提高了液压系统的效率，降低了能耗，节约了使用成本。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明实施例提供的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置的立体图；

图2为本发明实施例提供的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置的液压原理图；

图3为本发明实施例提供的流量敏感环节各部分流量曲线图；

图4为本发明实施例提供的加载指令和油源压力设定曲线图；

图5为本发明实施例提供的压力敏感环节各部分流量曲线图。

附图标记说明：

负载-4；控制器-5；

液压缸-101；

三位四通伺服阀-102；拉压力传感器-103；直线位移传感器-104；

定量泵-201；定速异步电机-202；联轴器-203；

油箱-204；高压过滤器-205；止回单向阀-206；

油源压力传感器-207；储能器-301；比例溢流阀-302；

负载压力传感器-303。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

图1为本发明实施例提供的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置的立体图。如图1所示，本发明实施例提供的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置包括用于对被测试装置进行加载的加载作动器模块、用于为加载作动器模块提供动力的供油模块、以及用于控制供油模块工作状态的负载敏感模块，加载作动器模块、供油模块及负载敏感模块集成于一体。

本发明提供的上述方案，加载作动器模块、供油模块及负载敏感模块集成于一体，能够实现分布式加载，减少了多通道加载试验时复杂的管路布置，使得该加载装置能够灵活布置，减小了改变试验台布局与构型的工作量。通过负载敏感模块对供油模块工作状态的控制，提高了液压系统的效率，降低了能耗，节约了使用成本。

具体地，另参见图2所示，加载作动器模块包括液压缸101及与液压缸101连接的三位四通伺服阀102。液压缸101可以但不限于采用双作用液压缸，双作用液压缸的活塞杆的一端连接有拉压力传感器103、另一端连接有直线位置传感器104。拉压力传感器103用于与负载4连接。

负载敏感模块包括与油路连通的储能器301、油源压力传感器207、溢流阀及用于测量加载作动器模块负载油压的负载压力传感器303。该溢流阀可以选用比例溢流阀302。通过采用储能器301的流量敏感环节和比例溢流阀的压力敏感环节，减小了阀控系统的溢流损失和节流损失，提高液压系统效率。具有较低的成本、较高的节能水平，满足大型飞机结构加载试验的需要。

供油模块包括油箱204及连接油箱204与加载作动器模块的油路，油路中从油箱204至加载作动器模块顺次连接有泵、过滤器和止回单向阀206。该泵可以采用定量泵201，过滤器选用高压过滤器205。定量泵201输出的高压油经高压过滤器205和止回单向阀206充入储能器301，或通过比例伺服阀302驱动双作用液压缸进行加载。采用定速异步电机202通过联轴器203带动该定量泵201(也即定量泵201与定速异步电机202驱动连接)作为液压能源，具有成本低，不需要对定速异步电机202或定量泵201进行调速控制，只需对负载敏感模块的伺服阀进行控制，控制简单可靠、响应快。

本发明实施例提供的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置，可用于对被测试的执行机构实时地、物理地施加实施变负载，可用于但不限于用于航空航天舵面执行机构空气动力负载模拟、船舶舵面及减摇鳍执行机构加载、车辆发动机及变速装置负载模拟、大型飞行器的结构试验加载。

本发明实施例还提供一种上述任一实施例所述的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置的控制方法，包括：通过负载敏感模块感知加载作动器模块当前负载压力的大小来设置供油模块的泵源设定压力，通过采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，根据比较结果进行供油模块的供油控制。

本发明方法实施例的效果参见上述装置实施例，这里不再赘述。

其中，通过采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，根据比较结果进行供油模块的供油控制，具体为：

在供油模块提供流量输出阶段，采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，若泵源压力值大于等于泵源设定压力，则关闭供油模块。

在关闭供油模块之后，由负载敏感模块的储能器301提供流量输出，并采集负载敏感模块提供流量输出阶段泵源压力值，且将采集结果与启动压力设定阈值进行比较，若负载敏感模块流量输出阶段的泵源压力值小于等于启动压力设定阈值，则重新开启所述供油模块，以使供油模块工作在间歇工作方式，也即驱动定量泵201的定速异步电机202工作在间歇工作方式，此时系统的溢流损失很小。

实际使用中，控制器5通过拉压力传感器103或负载压力传感器303感知当前负载压力大小，根据当前的负载压力需求设定比例溢流阀302调定泵源设定压力，减小液压系统的节流损耗；同时，通过油源压力传感器207采集泵源压力值，当泵源压力达到比例溢流阀302设定的压力即储能器301充满则控制定速异步电机202停机，减小液压系统的溢流损耗，此时，系统的流量根据负载要求由储能器301供给。

给该负载敏感的阀控一体化载荷加载装置幅值2kN，频率2Hz的正弦加载指令，观察系统各部分的流量如图3所示，前5s给储能器301充入高压油，定速异步电机202以一定的启动速度运行至峰值转速2760r/min，此时定量泵201以最大流量输出给储能器301，储能器301充至所设定的油源压力后，定速异步电机202停止转动，定量泵201停止流量供给；在第6s的时候控制器6给加载装置幅值2kN，频率2Hz的正弦加载指令，此时通过储能器301为三位四通伺服阀102提供流量进行加载；在第10s的时候，因为储能器301的油液被消耗，油源压力低于定速异步电机202启动压力设定阈值，启动压力设定阈值为需要开启供油模块时的压力值，此时启动定速异步电机202带动定量泵201给储能器301补充油液，同时为负载提供所需流量，当储能器301充满油液后，压力达到油源压力设定值，定速异步电机202停止运行，依然通过储能器301提供流量输出；比例溢流阀302只有在储能器301充满，定速异步电机202停机时有个短暂的过压溢流，因此系统溢流损耗较低。由于定速异步电机202工作在间歇工作方式，系统的溢流损失很小。

如图4所示，设定的油源压力为跟随负载的变化而变化，由比例溢流阀302根据当前负载大小调定，从低至高分为三级，分别为9MPa、15MPa和21MPa。给定加载力指令为，在0-9MPa压力区间力指令为以800N为偏置的幅值300N、频率1Hz的正弦指令；在9MPa-15MPa压力区间力指令为以1700N为偏置的幅值300N、频率1Hz的正弦指令；在15MPa-21MPa压力区间力指令为以2600N为偏置的幅值300N、频率1Hz的正弦指令。

在实施例的加载指令下，定量泵201的输出流量和比例溢流阀302的溢流流量如图5所示，油源压力是根据负载工况来设定的，因此，储能器301一共分三个充压阶段充满至21MPa，减小了低负载工况时高油源压力造成的节流损失；在由高负载向低负载变化的过程中，由于储能器301内还有足够的油液供给，此时限定油源压力设定值不随负载的变化而变化，减小了系统不必要的能力损耗，提高加载装置的工作效率；系统的溢流损失只存在于储能器301油液充满后，定速异步电机202停止运行过程中较小的过压溢流。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种负载敏感的阀控一体化载荷加载装置，其特征在于，包括用于对被测试装置进行加载的加载作动器模块、用于为所述加载作动器模块提供动力的供油模块、以及用于控制所述供油模块工作状态的负载敏感模块，所述加载作动器模块、所述供油模块及所述负载敏感模块集成于一体；

所述加载作动器模块包括液压缸及与所述液压缸连接的三位四通伺服阀；

所述液压缸为双作用液压缸，所述双作用液压缸的活塞杆的一端连接有拉压力传感器、另一端连接有直线位置传感器；

所述供油模块包括油箱及连接所述油箱与所述加载作动器模块的油路，所述油路中从所述油箱至所述加载作动器模块顺次连接有泵、过滤器和止回单向阀；

所述负载敏感模块包括与所述油路连通的储能器、油源压力传感器及比例溢流阀；

所述拉压力传感器用于连接控制器，所述控制器通过拉压力传感器感知当前负载压力大小，根据当前的负载压力需求设定比例溢流阀调定泵源设定压力；

所述比例溢流阀还根据当前的负载大小，调定油源压力设定值，负载大小在由高负载向低负载变化的过程中，限定油源压力设定值不随负载的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置，其特征在于，所述泵为定量泵，所述定量泵与定速异步电机驱动连接。

3.根据权利要求1所述的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置，其特征在于，所述负载敏感模块还包括用于测量所述加载作动器模块负载油压的负载压力传感器。

4.一种如权利要求1-3任一所述的负载敏感的阀控一体化载荷加载装置的控制方法，其特征在于，包括：通过负载敏感模块感知加载作动器模块当前负载压力的大小来设置供油模块的泵源设定压力，通过采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，根据比较结果进行供油模块的供油控制。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述通过采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，根据比较结果进行供油模块的供油控制，具体为：

在所述供油模块提供流量输出阶段，采集泵源压力值并将采集结果与泵源设定压力进行比较，若所述泵源压力值大于等于所述泵源设定压力，则关闭所述供油模块。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述关闭所述供油模块之后，由所述负载敏感模块的储能器提供流量输出，并采集所述负载敏感模块提供流量输出阶段泵源压力值，且将采集结果与启动压力设定阈值进行比较，若所述负载敏感模块流量输出阶段的泵源压力值小于等于所述启动压力设定阈值，则重新开启所述供油模块。