CN103939406B - 基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，在电液伺服阀进口设置定压活门来保证进出口流体压差稳定，根据进出口流体压差以及所要求的最大流量，选配进出口管径，同时，设计转接块将两个独立的电液伺服阀管路相互并联，构建热备份双余度电液伺服阀控制系统。与现有技术相比，目前国内市场没有双余度的电液伺服阀产品，有益效果是解决了现有高可靠性系统对双余度电液伺服阀产品的急需，二是构建的热备份电液伺服阀避免了故障时两个电液伺服阀之间的切换，提高了系统可靠性，三是逾越了目前国内双余度电液伺服阀设计、制造、加工工艺以及可靠性水平低等难题，使复杂问题简单化，降低了研制成本和风险，缩短了研制周期。

Description

基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统

技术领域

本发明属于航空、航天、航海等液压机械的流体控制领域以及系统可靠性技术范畴，具体涉及一种基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统。

背景技术

在液压机械流体控制领域，为了提高控制系统的可靠性，往往采用热备份的双余度电液伺服阀控制系统。然而，高可靠性的双余度电液伺服阀，由于结构复杂、技术含量高，我国在设计、制造、加工工艺等方面存在诸多困难，短时间难以克服。为了满足航空、航天、航海等领域对控制系统高可靠性的要求，本专利提出利用两个独立的成熟电液伺服阀，通过转接块构成管路并联的热备份双余度电液伺服阀，再通过管路流体参数的设计与选配，实现对液压机械系统流体的流量和流量变化率的热备份双余度电液伺服阀控制。

国内目前无法自主制造热备份双余度电液伺服阀（尤其是双余度射流管式电液伺服阀）产品的难题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，其要解决的主要技术问题，一是如何利用管路流体参数设计和选配管路的最大流量，二是如何将两个独立的电液伺服阀构建成热备份双余度的电液伺服阀，三是如何选定流量变化率满足控制系统要求。

技术方案

一种基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，包括柱塞泵、定压活门和流体管路；其特征在于还包括由第一电液伺服阀、第二电液伺服阀组成的双余度电液伺服阀，定压活门以及电液伺服阀控制器；所述双余度电液伺服阀的第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的进油口相并联，出油口相并联，回油口相并联；双余度电液伺服阀的输入端连接定压活门的管路输出端，双余度电液伺服阀的输出端通过管路匹配连接燃油出口；双余度电液伺服阀通过与其连接的电液伺服阀控制器，并受控于电液伺服阀控制器的旋钮开关。

并联后的进油口与出油口管路的管径与系统所设计的流量相匹配，定压活门稳定的进口压力、管路流体出口压力与管路进出口直径参数取决于公式其中，Q为体积流量、C_i为流量系数、R为管道半径、ρ为液体密度、ΔP为进出口压差。

所述双余度电液伺服阀是由第一电液伺服阀和第二电液伺服阀，通过转接块将它们连接在一起；第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的1号油路分别堵死，两个电液伺服阀的P油路、T油路和2号油路，在转接块中分别相互并联连接在一起，P油路与定压活门的输出管路相连，2号油路与燃油出口管路相连，T油路与燃油回油管路连接。

有益效果

本发明提出的一种基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，在电液伺服阀进口设置定压活门来保证进出口流体压差稳定，根据进出口流体压差以及所要求的最大流量，选配进出口管径，同时，设计转接块将两个独立的电液伺服阀管路相互并联，构建热备份双余度电液伺服阀控制系统。

对于某些可靠性要求高的场合，可以通过两个成熟的单余度电液伺服阀，经过转接块管路的并联，组合成可靠性高的热备份双余度电液伺服阀，从而实现用简单成熟技术对高可靠性复杂系统的控制。

对于确定的流体（即：流体的比重已知），通过限定管路的进口流体压力、出口流体压力以及管路的直径，也就限定了流体的最大流量。选定的单个电液伺服阀的流量要大于管路的最大流量，当电液伺服阀流通截面发生变化时，就可以控制流体的流量以及流量的变化率。

流体经过定压活门稳压，流入管径确定的并联电液伺服阀，流体从两个电液伺服阀出来后，再汇入管径确定的下游管路，从而实现对控制系统的余度控制。通过在电液伺服阀进口设置定压活门，使流体经过定压活门后流体压力保持稳定；再根据管路应通过的最大流量设置管径。当两个电液伺服阀正常工作时，流体通过定压活门的稳压、电液伺服阀的控制、管路后反压的阻滞以及管径限制，就可以获得所需的流量及其流量变化速率。

当两个电液伺服阀同时通电时，由于两个电液伺服阀的性能相同，因此，在任意时刻通过每个电液伺服阀的流量是管路总流量的一半。当一个电液伺服阀故障时（比如故障电液伺服阀卡在关闭位置），流体经过定压活门、另一个正常的电液伺服阀、转接块，流入管径确定的下游管路。此时，流过管路的流量由正常的电液伺服阀控制，管路的流量变化率是两个电液伺服阀都正常工作时的1/2。

由于电液伺服阀前后的管径相同而且确定，以及电液伺服阀管路前后流体压差恒定，从而，保证了流体经过管路不超过最大流量。采用这种方法设计的余度控制系统，巧妙利用优化的管路参数的限制特点，解决了复杂系统的热备份余度控制问题，逾越了由于双余度电液伺服阀设计、制造、工艺复杂以及可靠性水平低等难题，使复杂问题简单化，实现了对复杂系统的热备份余度控制。如图1所示。这里流体是指航空燃油、滑油以及气体等流体。

与现有技术相比，目前国内市场没有双余度的电液伺服阀产品，本发明的有益效果一是解决了现有高可靠性系统对双余度电液伺服阀产品的急需，二是构建的热备份电液伺服阀避免了故障时两个电液伺服阀之间的切换，提高了系统可靠性，三是逾越了目前国内双余度电液伺服阀设计、制造、加工工艺以及可靠性水平低等难题，使复杂问题简单化，降低了研制成本和风险，缩短了研制周期。

附图说明

图1：本发明的原理图；

图2：流量曲线图

(a)：不同流量系数下流量与压差关系曲线；

(b)：不同压差下流量与流量系数关系曲线；

图3：双余度电液伺服阀示意图；

a：主视图，b：俯视图；

图4：双余度电液伺服阀与转接块油路连接平面示意图

1-转接块，2-转接块，3-转接块，

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

以某型航空发动机燃油供油系统为例，要保证发动机在高压转子转速≥85%以上的状态工作，其所需燃油流量应≥25L/min。按图1设计系统结构，其中电液伺服阀进口燃油工作压力为17～21Mpa，燃油出口压力（即燃烧室压力）≯3Mpa，对应的进出口压差为14～18Mpa，燃油系统的管径为Ф6。

本实施例包括柱塞泵、定压活门、与管路流量参数相匹配的转接块进口管径和出口管径，以及双余度电液伺服阀；双余度电液伺服阀的输出端通过管路匹配连接燃油出口；双余度电液伺服阀通过与其连接的电液伺服阀控制器，并受控于电液伺服阀控制器的旋钮开关；所述双余度电液伺服阀的第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的进油口相并联，出油口相并联，回油口相并联；双余度电液伺服阀的输入端连接定压活门的管路输出端。

双余度电液伺服阀的第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的具体并联关系为，通过转接块将它们连接在一起；第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的1号油路分别堵死，两个电液伺服阀的P油路、T油路和2号油路，在转接块中相互并联连接在一起，P油路与定压活门的输出管路相连，2号油路与燃油出口管路相连，T油路与燃油回油管路连接；第一电液伺服阀和第二电液伺服阀电缆分别与电液伺服阀控制器相连，并受控于电液伺服阀控制器的旋钮开关。旋钮开关是双刀10档波段开关，每一刀控制一个电液伺服阀控制器，旋钮开关满量程对应控制器最大电流，也对应电液伺服阀的最大开度。

两个独立的电液伺服阀管路并联连接如图1所示，从图中可以看到，两个独立的电液伺服阀(见图3)进油口、出油口和回油口分别相连，结构外形图以及内部连接管路如图4所示。

油泵包括柱塞泵、齿轮泵、离心泵等。

根据流量计算公式（其中，Q、C_i、R、ρ、ΔP分别表示体积流量、流量系数、管道半径、液体密度、进出口压差），流量系数等各参数取值分别为C_i＝0.5～0.95，P₁＝40bar，P₂＝70bar～250bar，＝3mm，ρ＝0.718Kg/L，计算流量变化曲线如图2所示，从图2可以看出，当流量系数C_i（或进出口压差ΔP）固定时，流量与进出口压差（或流量系数）呈单调函数关系。因此，具体流量值的控制可以通过调节流量系数C_i或进出口压差ΔP来实现。

针对本实施例的航空发动机燃油供油系统选配的结构参数，从图2中可以看到，流量系数在0.75～0.95范围内，如果进出口油压差在14～18Mpa范围，构建的热备份双电液伺服阀都可以满足燃油流量≥25L/min的要求。

两个独立电液伺服阀同时工作为满足流量25L/min的要求，各自打开的开度是单独一个电液伺服阀打开开度的1/2。或者说，当一个电液伺服阀故障，卡在关闭位置，另一个正常工作的电液伺服阀为满足25L/min的要求，其打开的开度是两个电液伺服阀同时工作时的2倍。

当两个独立电液伺服阀正常工作时，流量变化率根据控制系统的动态品质要求选定，针对本系统选定的流量变化率是5L/min/s；而当一个电液伺服阀故障卡在关闭位置是，这时，控制系统的流量变化率就减慢为2.5L/min/s，这符合对故障系统安全性的要求，适当降低系统的动态响应速度。

Claims (3)

1.一种基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，包括油泵、定压活门、双余度电液伺服阀和连接管路；其特征在于所述双余度电液伺服阀是由第一电液伺服阀和第二电液伺服阀形成，通过转接块将它们连接在一起，此外，还包括电液伺服阀控制器；双余度电液伺服阀的输出端通过管路匹配连接燃油出口；双余度电液伺服阀与电液伺服阀控制器连接，并受控于电液伺服阀控制器的旋钮开关；所述双余度电液伺服阀的第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的进油口相并联，出油口相并联，回油口相并联；双余度电液伺服阀的输入端连接定压活门的管路输出端；

在双余度电液伺服阀进出口压差确定的条件下，第一电液伺服阀和第二电液伺服阀并联后的进油口管路的管径、出油口管路的管径与系统所设计的流量相匹配；管路的体积流量、定压活门稳定的进口压力、管路流体出口压力与管路进出口直径参数之间的关系，由公式决定，其中，Q为体积流量、C_i为流量系数、R为管道半径、ρ为液体密度、ΔP为进出口压差。

2.根据权利要求1所述的基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，其特征在于：第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的1号油路分别堵死，两个电液伺服阀的P油路、T油路和2号油路在转接块中相互并联连接在一起，P油路与定压活门的输出管路相连，2号油路与燃油出口管路相连，T油路与燃油回油管路连接。

3.根据权利要求1所述的基于管路流体参数设计的热备份双余度电液伺服阀控制系统，其特征在于：所述油泵为柱塞泵、齿轮泵或离心泵。