CN104728196B - 负载敏感的电动静液作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种负载敏感的电动静液作动器，包括变排量液压泵、对称液压缸、反馈模块、压力随动伺服阀和执行机构。对称液压缸包括对称柱塞和由柱塞隔离开的第一缸和第二缸。变排量液压泵包括进油口和出油口。反馈模块的输出端输出第一输入端、第二输入端中压强较大一端的压强并输出至执行机构。压力随动伺服阀连接在反馈模块的输出端与执行机构输入端之间，用于降低输入到执行机构输入端的瞬时流量。执行机构用于接收反馈模块的输出并生成改变变排量液压泵输出排量的信号。采用本发明的负载敏感的电动静液作动器，可通过控制压力随动伺服阀的输出压力来定量调节变排量液压泵的输出流量，进而降低整个系统的散热和功耗。

Description

负载敏感的电动静液作动器
技术领域
本发明涉及电动静液作动器领域，特别是一种负载敏感的电动静液作动器。
背景技术
EHA(电动静液作动器，Electro-Hydrostatic Actuator)是一种高度集成的局部液压作动器，是多电飞机中功率电传作动系统的执行机构。EHA与传统的液压作动系统相比具有体积小、重量轻、效率高等优点，是当前研究的热点。通过采用负载敏感的方式，可以减少能量损失，降低电机的发热。
目前，国际上飞机的功率电传作动系统应用比较多的是定排量变转速型电动静液作动器，其优点是结构简单、重量较轻。但是，由于高度的集成化设计，导致系统散热比较困难；在大负载下，电机效率较低，电流较大，发热严重，致使EHA无法长时间工作。
目前的解决方案，一是系统设计之初，考虑系统的散热问题；二是利用变排量泵，通过改变泵的排量来改变系统的传动比，从而改善电机的功率匹配状况，减小系统的发热量。而变量泵的变量执行机构大多采用伺服阀控制液压缸来驱动泵的变量机构实现变排量，或者采用机电作动器(EMA)驱动泵的变量机构实现变排量；这两种方式结构复杂，增加了系统故障率。
由于负载敏感控制系统的功率损耗较低，效率远高于常规液压系统；高效率、功率损失小意味着燃料的节省以及液压系统较低的发热量；因而也有研究机构将负载敏感方式引入EHA中。但是现有的负载敏感型EHA大多采用伺服阀进行换向与控制，而伺服阀在工作的过程中将产生大量热量，不利于减小系统的发热。所以为了减小系统的发热、减少能量损失，本发明提出了一种新型的负载敏感EHA节能装置。
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。
本发明的一个主要目的在于提供一种负载敏感的电动静液作动器，其可以降低整个系统的散热，进而降低整个系统的功耗。
根据本发明的一方面，一种负载敏感的电动静液作动器，包括变排量液压泵、对称液压缸、反馈模块、压力随动伺服阀和执行机构；
所述对称液压缸包括对称柱塞和由所述柱塞隔离开的第一缸和第二缸；
所述变排量液压泵包括进油口和出油口，且所述进油口和出油口分别与所述第一缸和第二缸连接；
所述反馈模块包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端和所述第二输入端分别与所述第一缸和第二缸连接，所述输出端用于输出所述第一输入端、第二输入端二者中压强较大一端的压强并输出至所述执行机构；
所述压力随动伺服阀连接在所述反馈模块的输出端与所述执行机构输入端之间，用于降低输入到所述执行机构输入端的瞬时流量；
所述执行机构的输入端与所述反馈模块的输出端相连，所述执行机构的输出端与所述变排量液压泵相连，所述执行机构用于接收所述反馈模块的输出并生成改变所述变排量液压泵输出排量的信号。
采用本发明的负载敏感的电动静液作动器，可通过控制压力随动伺服阀的输出液压来定量调节变排量液压泵的输出流量，进而降低整个系统的散热和功耗。
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为本发明的负载敏感的电动静液作动器的一种实施方式的结构图；
图2为图1中的压力随动伺服阀的一种实施方式的结构图；
图3为图2的压力随动伺服阀阀芯位于右位时的示意图；
图4为图2的压力随动伺服阀阀芯位于左位时的示意图；
图5为当调速电机沿第一方向旋转时，图1的负载敏感的电动静液作动器中的液体流向示意图；
图6为当调速电机沿与第一方向相反的第二方向旋转时，图1的负载敏感的电动静液作动器中的液体流向示意图。
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。
参见图1所示，为本发明的负载敏感的电动静液作动器的一种实施方式的结构图。
在本实施方式中，负载敏感的电动静液作动器包括变排量液压泵2、对称液压缸5、反馈模块4、压力随动伺服阀3和执行机构7。
其中，对称液压缸5包括对称柱塞和由柱塞隔离开的第一缸和第二缸。第一缸和第二缸其中一缸的柱塞上接有负载8，由柱塞带动负载8运动。
变排量液压泵2包括进油口和出油口，且进油口和出油口分别与第一缸和第二缸连接。在一种实施方式中，变排量液压泵2的进油口和出油口可以根据实际情况互换。
反馈模块4包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端和第二输入端分别与第一缸和第二缸连接，输出端用于输出第一输入端、第二输入端二者中压强较大一端的压强并输出至执行机构。也即是说，反馈模块4的第一输入端与第一缸的压强相等，第二输入端与第二缸的压强相等。
压力随动伺服阀3连接在反馈模块4的输出端与执行机构6的输入端之间，用于降低输入到执行机构6输入端的瞬时流量。
执行机构6的输入端与压力随动伺服阀3的输出端相连，执行机构6的输出端与变排量液压泵2相连。执行机构6用于接收反馈模块4的输出并生成改变变排量液压泵输出排量的信号。
在一种实施方式中，反馈模块4可以为梭阀。梭阀的结构特性决定了其可将二输入口中压强较大口的输入连接至其输出端输出。此外，由于梭阀在工作时无换向机构，仅根据二输入口的压强来决定输出的压强，其发热少，工作效率高。
在一种实施方式中，执行机构6可以是单作用液压缸。
单作用液压缸包括缸体、非对称柱塞及位于缸体内的弹簧。非对称柱塞包括相互垂直的第一柱部和第一塞部。第一塞部与缸体的内壁配合形成一包含开口的第一腔体，开口连接至压力随动伺服阀的出口。
弹簧设置于单作用液压缸的包含第一柱部的第二腔体内，弹簧的弹力方向与第一柱部的轴线重合，且弹簧工作于非拉伸状态。柱部的一端与塞部固连，柱部的另一端连接至变排量液压泵相连，用于根据进入腔体内液体对塞部的压力和弹簧对塞部的压力的合力来改变变排量液压泵输出排量。
在一种实施方式中，变排量液压泵2可包括斜盘，变排量液压泵2的输出流量与斜盘的倾斜角度正相关；其中，以斜盘竖直时作为0度倾斜角。在一种实施方式中，变排量液压泵2的输出流量与斜盘的倾斜角的正切值成正比。
单作用液压缸6的柱部与变排量液压泵2的斜盘连接，用于通过改变斜盘的倾斜角度来改变变排量液压泵的输出流量。
本发明的负载敏感的电动静液作动器还包括调速电机1。调速电机1与变排量液压泵2连接，用于驱动变排量液压泵2运转。
当本实施方式的负载敏感的电动静液作动器工作时，调速电机1带动变排量液压泵2旋转，负载8液压的变化通过梭阀4和压力随动伺服阀3引到单作用缸7，通过控制压力随动伺服阀，可以控制输出至单作用缸7的液压，单作用缸7再根据压力随动伺服阀3的出口液压的大小调节变排量液压泵2的斜盘倾角，进而调节其排量。同时，调节电机转速，以保持整个负载敏感的电动静液作动器的功率。
这样一来，由于变排量液压泵2的输出流量减小，调速电机1的转速增大而输出电流减小，可减小调速电机的发热量。
参见图2所示，为本发明的负载敏感的电动静液作动器中压力随动伺服阀3的一种实施方式的结构图。
在本实施方式中，压力随动伺服阀包括壳体350、位于壳体350内的阀芯35以及第一减压半桥330。
其中，阀芯35为非对称柱塞，包括伸出壳体350外的柱部351和与柱部351固连且位于壳体350内的塞部。
塞部开有周向槽，周向槽将塞部分为第一塞体352和第二塞体353。第一塞体352与第二塞体353与壳体350形成间隙配合。
阀芯35将壳体350分隔为包含柱部351的有杆腔，位于第一塞体352和第二塞体353之间的中间腔，以及无杆腔。
壳体35上设置有第一入口354、第二入口355和第三入口356。
第一入口354连接至梭阀4的输入端，用于接收梭阀4的液压输入，第二入口355与外部油箱T连接。这样一来，本发明的压力随动伺服阀可通过第二入口355向外部油箱T排出多余的油。
第一入口354还与第一减压半桥330的第一端连接，第二入口355还与第一减压半桥330的第二端连接，第三入口356与第一减压半桥330的中间端连接，用于将外部液压输入分压后输入至无杆腔。
壳体350上还设置有出口357和反馈口358，出口357与执行机构6的输入端连接，反馈口358用于将出口357液压反馈至有杆腔。
在一种实施方式中，第一减压半桥330可以包括串联的第一节流孔33和第二节流孔34。第一入口354可以连接至第一节流孔33的第一端，第三入口356可以连接至第一节流孔33的第二端和第二节流孔34的第一端。第二入口355连接至第二节流孔34的第二端。也即是说，由于第二入口355和第二节流孔34同时与外部油箱T连接，第二入口355和第二节流孔34的第二端的油压为零。
在另一种实施方式中，压力随动伺服阀3还可以包括第二减压半桥370。
第二减压半桥370可以包括串联的第三节流孔37和第四节流孔38。第三节流孔37的第一端可与出口357连接。第三节流孔37的第二端与第四节流孔38的第一端与反馈口358连接。第四节流孔38的第二端与外部油箱T连接，使得第四节流孔38的第二端的油压为零。
压力随动伺服阀3还包括动力装置31。动力装置31用于向柱部351施加沿阀芯轴向的轴向力，基于轴向力调节出口的输出液压。
在一种实施方式中，动力装置31例如可以为比例电磁铁或音圈电机等。
作为一种优选方案，压力随动伺服阀还可以包括设置于有杆腔内的第一弹簧32以及设置于无杆腔内的第二弹簧36。第一弹簧32和第二弹簧36的弹力方向与阀芯的轴线重合，且第一弹簧32与第二弹簧36工作于非拉伸状态。
设动力装置31的推力为FM，第一弹簧32和第二弹簧36的合力为FK。在忽略液动力的情况下，稳态平衡时有：
FM-FK＝Ps’S1-PA’S2＝PsS1/K1-PAS2/K2，其中，S1和S2分别为PS’和PA’的作用面积，即S1为无杆腔中第二塞体353的截面积，S2为有杆腔中第一塞体352的截面积与柱部351截面积之差；K1为第一半桥330的减压比例，K2为第二半桥370的减压比例。
由于阀芯位移很小，故弹簧力也可忽略，若有S1/K1＝S2/K2则稳态平衡时有：
FM＝PsS1/K1-PAS2/K2＝(Ps-PA)S1/K1＝(Ps-PA)S2/K2
当动力装置31的推力FM设定之后，就可近似控制进出口压差PS-PA，进而控制阀出口油压PA。
作为一种优选方案，由于阀芯35两端的作用面积不对称，导致进出口压差PS-PA与动力装置31的推力FM不成比例，增加控制难度。为弥补这个不对称力，可以通过设定第一减压半桥330和第二减压半桥370的减压比例的不同，使得PS和PA相等时，有PS’S1-PA’S2＝0。
由于第一减压半桥330减小了输入至壳体内的油压，可使动力装置31仅用一较小的输出力即可控制出口357的油压PA为一预设值。因此，可减小整个压力随动伺服阀的体积。
图3为图2的压力随动伺服阀阀芯位于右位时的示意图，图4为图2的压力随动伺服阀阀芯位于左位时的示意图。
下面结合图2-4，对本实施方式的压力随动伺服阀的工作状态进行描述。
在压力随动伺服阀刚开始工作时，其阀芯处于中位，如图2中的阀芯位置。
当需要输出油压PA为一预定值时，可通过调节动力装置31的输出推力来达到预定的PA值。
假设在推力FM和第一弹簧32和第二弹簧36的合力FK作用下，阀芯35移动至右位(如图3所示)，此时出口357与外部油箱T相通，出口357的油压PA将减小，同时，反馈口358的油压PA’也减小，导致作用在有杆腔中第一塞体352上向右的力减小，阀芯向左移动。
当阀芯被推至如图4所示的左位时，出口357与第一入口354相通，出口357油压PA将增大，同时，反馈口358的油压PA’也增大，导致作用在有杆腔中第一塞体352上向右的力增大，阀芯35向右移动。
通过上述的调节过程，最终阀芯35将稳定在使得出口油压PA等于预设值的位置。
由以上描述可以看出，通过设定动力装置31的推力，就可控制进出口357的油压PA。若出口357的油压PA高于设定值，阀芯35向右移动，出口357的油压PA减小，直至保持平衡。类似地，若出口357的油压PA低于设定值，阀芯35向左移动，出口357的油压PA增大，直至保持平衡。
这样一来，便可定量调节执行机构31的输出力，进而定量调整变排量液压泵的2的斜盘倾角。
参见图5所示，为当调速电机沿第一方向旋转时，图1的负载敏感的电动静液作动器中的液体流向示意图。参见图6所示，为当调速电机沿与第一方向相反的第二方向旋转时，图1的负载敏感的电动静液作动器中的液体流向示意图。
如图5所示，当电机1沿第一方向旋转时，变排量液压泵2的上端为其出油口而下端为其进油口。此时，由于对称液压缸5的对称柱塞向下运动，使得对称液压缸5的第一缸(图5中对称液压缸5上部为第一缸)的体积增大而对称液压缸5的第二缸(图5中对称液压缸5下部为第二缸)的体积减小，进而第一缸压强低于第二缸压强。梭阀采集第二缸的压强信号经压力随动伺服阀3输入至单作用液压缸6中，使得单作用液压缸6的腔体压强增大，在腔体内液体压力与弹簧的弹力的合力作用下，非对称柱塞向左移动，从而推动变排量液压泵2的斜盘倾角变小，变排量液压泵2的输出流量减小。同时，通过增大调速电机1的转速来保证输出至负载处的功率保持不变。这样一来，调速电机1的输出转矩减小，因此其电流减小，进而降低了调速电机1的铜损耗和发热量。
类似地，当调速电机1沿第二方向旋转时，变排量液压泵2的下端为其出油口而上端为其进油口。此时，由于对称液压缸5的对称柱塞向上运动，使得对称液压缸5的第二缸(图6中对称液压缸5下部为第二缸)的体积增大而对称液压缸5的第一缸(图6中对称液压缸5上部为第一缸)的体积减小，进而第二缸压强低于第一缸压强。梭阀采集第一缸的压强信号经压力随动伺服阀3输入至单作用液压缸6中，使得单作用液压缸6的腔体压强增大，在腔体内液体压力与弹簧的弹力的合力作用下，非对称柱塞向左移动，从而推动变排量液压泵2的斜盘倾角变小，变排量液压泵的输出流量减小。同时，通过增大调速电机1的转速来保证输出至负载处的功率保持不变。这样一来，调速电机1的输出转矩减小，因此其电流减小，进而降低了调速电机1的铜损耗和发热量。
此外，由于可通过调节压力随动伺服阀3的动力装置31的输出力来调节其输出液压，进而可依据实际需求定量的调节变排量液压泵2的斜盘倾角。
采用本发明的负载敏感的电动静液作动器，可通过控制压力随动伺服阀3的输出液压来定量调节变排量液压泵2的输出流量，进而降低整个系统的散热和功耗。
上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备(包括处理器、存储介质等)或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。
此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备、相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机系统或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。
因此，基于上述理解，本发明的目的还可以通过在任何信息处理设备上运行一个程序或者一组程序来实现。所述信息处理设备可以是公知的通用设备。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者设备的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储或者传输这样的程序产品的介质也构成本发明。显然，所述存储或者传输介质可以是本领域技术人员已知的，或者将来所开发出来的任何类型的存储或者传输介质，因此也没有必要在此对各种存储或者传输介质一一列举。
在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (11)

1.一种负载敏感的电动静液作动器，其特征在于，包括变排量液压泵、对称液压缸、反馈模块、压力随动伺服阀和执行机构；
所述对称液压缸包括对称柱塞和由所述柱塞隔离开的第一缸和第二缸；
所述变排量液压泵包括进油口和出油口，且所述进油口和出油口分别与所述第一缸和第二缸连接；
所述反馈模块包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述第一缸连接，所述第二输入端与所述第二缸连接，所述输出端用于输出所述第一输入端、第二输入端二者中压强较大一端的压强并输出至所述执行机构；
所述压力随动伺服阀连接在所述反馈模块的输出端与所述执行机构输入端之间，用于降低输入到所述执行机构输入端的瞬时流量；
所述执行机构的输入端与所述压力随动伺服阀的输出端相连，所述执行机构的输出端与所述变排量液压泵相连，所述执行机构用于接收所述反馈模块的输出并生成改变所述变排量液压泵输出排量的信号；
所述压力随动伺服阀包括壳体、位于壳体内的阀芯，还包括第一减压半桥；
其中，
所述阀芯为非对称柱塞，包括伸出所述壳体外的第二柱部和与所述第二柱部固连且位于所述壳体内的第二塞部，所述第二塞部开有周向槽，所述周向槽将所述第二塞部分为第一塞体和第二塞体，所述第一塞体及所述第二塞体与所述壳体形成间隙配合；
所述阀芯将所述壳体分隔为包含有所述第二柱部的有杆腔，位于所述第一塞体和所述第二塞体之间的中间腔，以及无杆腔；
所述壳体上设置有第一入口、第二入口和第三入口；
所述第一入口与所述反馈模块的输出端连接，所述第二入口与外部油箱连接；
所述第一入口还与所述第一减压半桥的第一端连接，所述第二入口还与所述第一减压半桥的第二端连接，所述第三入口与所述第一减压半桥的中间端连接，用于将外部液压输入分压后输入至所述无杆腔；
所述壳体上还设置有出口和反馈口，所述出口与所述执行机构的输入端连接，所述反馈口用于将所述出口的液压反馈至所述有杆腔。
2.根据权利要求1所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述反馈模块为梭阀。
3.根据权利要求1所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述执行机构为单作用液压缸。
4.根据权利要求3所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述单作用液压缸包括缸体、非对称柱塞及位于所述缸体内的弹簧；
所述非对称柱塞包括相互垂直的第一柱部和第一塞部；
所述第一塞部与所述缸体的内壁配合形成一包含开口的第一腔体，所述开口连接至所述压力随动伺服阀的出口；
所述弹簧设置于所述单作用液压缸的包含所述第一柱部的第二腔体内，所述弹簧的弹力方向与所述第一柱部的轴线重合，且所述弹簧工作于非拉伸状态；
所述第一柱部的一端与所述第一塞部固连，所述第一柱部的另一端连接至所述变排量液压泵，用于根据进入所述第一腔体内液体对所述第一塞部的压力和所述弹簧对所述第一塞部的压力的合力来改变所述变排量液压泵输出排量。
5.根据权利要求4所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述变排量液压泵包括斜盘，所述变排量液压泵的输出流量与所述斜盘的倾斜角度正相关；
所述单作用液压缸的第一柱部与所述变排量液压泵的斜盘连接，用于通过改变所述斜盘的倾斜角度来改变所述变排量液压泵的输出流量。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
还包括调速电机；
所述调速电机与所述变排量液压泵连接，用于驱动所述变排量液压泵。
7.根据权利要求6所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述第一减压半桥包括串联的第一节流孔和第二节流孔；
所述第一入口连接至所述第一节流孔的第一端；
所述第三入口连接至所述第一节流孔的第二端和所述第二节流孔的第一端；
所述第二入口连接至所述第二节流孔的第二端。
8.根据权利要求7所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述压力随动伺服阀还包括第二减压半桥；
所述第二减压半桥包括串联的第三节流孔和第四节流孔；
所述第三节流孔的第一端与所述出口连接；
所述第三节流孔的第二端及所述第四节流孔的第一端与所述反馈口连接；
所述第四节流孔的第二端与所述外部油箱连接。
9.根据权利要求8所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于，所述压力随动伺服阀还包括动力装置；
所述动力装置用于向所述第二柱部施加沿所述阀芯的轴向的轴向力，基于所述轴向力调节所述出口的输出液压。
10.根据权利要求9所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：
所述动力装置为比例电磁铁或音圈电机。
11.根据权利要求6所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于，所述压力随动伺服阀还包括：
设置于所述有杆腔内的第一弹簧以及设置于所述无杆腔内的第二弹簧；
所述第一弹簧和所述第二弹簧的弹力方向与所述阀芯的轴线重合，且所述第一弹簧与所述第二弹簧工作于非拉伸状态。
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