CN104832472A - 负载敏感的电动静液作动器 - Google Patents

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、第一串联开关组和非对称液压缸和执行机构。变排量液压泵包括进油口和出油口；第一串联开关组包括串联的第一开关和第二开关，第一开关的第一端与出油口连接，第二开关的第一端与进油口连接。非对称液压缸包括壳体和第一非对称活塞，壳体被第一非对称活塞分隔为第一有杆腔和第一无杆腔，第一有杆腔连接至第一开关阀的第二端与第二开关阀的第二端，第一无杆腔连接至进油口。执行机构的输入端与第一有杆腔连接，用于基于第一有杆腔的液压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，可以减小系统的发热，从而减小能量损失。

Description

负载敏感的电动静液作动器

技术领域

本发明涉及一种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；这两种方式结构比较复杂，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。

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新的负载敏感的电动静液作动器，其可减小整个系统的发热、减少能量损失，进而提高整个系统的工作效率。

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、第一串联开关组和非对称液压缸和执行机构；

所述变排量液压泵包括进油口和出油口；

第一串联开关组包括串联的第一开关和第二开关，所述第一开关的第一端与所述出油口连接，所述第二开关的第一端与所述进油口连接；

所述非对称液压缸包括壳体和第一非对称活塞，所述壳体被所述第一非对称活塞分隔为第一有杆腔和第一无杆腔，所述第一有杆腔连接至所述第一开关的第二端与所述第二开关的第二端，所述第一无杆腔连接至所述进油口；

所述执行机构的输入端与所述有杆腔连接，用于基于所述有杆腔的液压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，可以减小系统的发热，减小能量损失。

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的负载敏感的电动静液作动器工作在第一象限和第二象限时的液体流向示意图；

图3为图1的负载敏感的电动静液作动器工作在第三象限和第四象限时的液体流向示意图。

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、第一串联开关组、非对称液压缸9和执行机构4。

其中，变排量液压泵2包括进油口和出油口。在具体使用时，变排量液压泵2的进油口和出油口均可根据实际需求进行吸油和排油。

第一串联开关组包括串联的第一开关7和第二开关8，第一开关7的第一端与出油口连接，第二开关8的第一端与进油口连接。

非对称液压缸9包括壳体和第一非对称活塞。壳体被第一非对称活塞分隔为第一有杆腔和第一无杆腔。第一有杆腔连接至第一开关7的第二端与第二开关8的第二端，第一无杆腔连接至进油口。

执行机构4的输入端与第一有杆腔连接，用于基于第一有杆腔的液压生成改变变排量液压泵2输出排量的信号。

在一种实施方式中，第一开关7可以为开关阀，第二开关9可以为液控单向阀，其液控端与进油口连接。这样一来，第二开关9可敏感进油口的压力，并在进油口为高压时，接通第二开关9。

在一种实施方式中，负载敏感的电动静液作动器还包括第二串联开关组和油箱3。

第二串联开关组连接在变排量液压泵2的进油口和出油口之间，并与油箱3相连，用于将油箱3中的油输入非对称液压缸9或将非对称液压缸9中的油排出至油箱3中。

在一种实施方式中，第二串联开关组可以包括串联的第二液控单向阀5和第三液控单向阀6。

第二液控单向阀5包括第一液控端、第一输入端和第一输出端。第一液控端与进油口连接，第一输入端与出油口连接，第一输出端与油箱3连接。由于第一液控端与进油口连接，当进油口为高压时，第二液控单向阀5打开。

第三液控单向阀6包括第二液控端、第二输入端和第二输出端。第二液控端与出油口连接，第二输入端与进油口连接，第二输出端与油箱3连接。由于第二液控端与出油口连接，当出油口为高压时，第三液控单向阀6打开。

非对称液压缸9的第一非对称活塞包括第一塞部和固连在第一塞部一侧且与第一塞部垂直的第一柱部。

作为一种优选方案，第一塞部的横截面积为第一柱部横截面积的二倍。

作为一种优选方案，本发明的负载敏感的电动静液作动器还可以包括连接在第一有杆腔与执行机构4输入端之间的阻尼孔10。阻尼孔10可以降低输入到执行机构4输入端的瞬时流量，使得输入到执行机构4的流量更加平稳。

在一种实施方式中，执行机构4可以为单作用液压缸。

单作用液压缸4可以包括缸体、第二非对称活塞及位于缸体内的弹簧。第二非对称活塞包括相互垂直的第二柱部和第二塞部。第二塞部与缸体的内壁配合形成一包含连接至第一有杆腔的入口的第二腔体。

弹簧设置于单作用液压缸的包含第二柱部的第三腔体内，弹簧的弹力方向与第二柱部的轴线重合，且弹簧工作于非拉伸状态。

第二柱部的一端与第二塞部固连，第二柱部的另一端连接至变排量液压泵，用于根据进入第二腔体内液体对第二塞部的压力和弹簧对第二塞部的压力的合力来改变变排量液压泵输出排量。

在本实施方式中，变排量液压泵2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。也即是说，斜盘倾斜角度越大，变排量液压泵2的输出流量越大。

单作用液压缸4的第二柱部与变排量液压泵的斜盘连接，用于通过改变斜盘的倾斜角度来改变变排量液压泵2的输出流量。

由于单作用液压缸4与非对称液压缸9的第一有杆腔连接，其可敏感当第一有杆腔的液压，并向左推动单作用液压缸4的第二非对称活塞，进而改变变排量液压泵2的斜盘的倾斜角度。

此外，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。

例如，当单作用液压缸4推动变排量液压泵2的斜盘，使其倾斜角度减小，若想同时保证输出至与非对称液压缸9连接的负载的功率保持不变，可增大调速电机1的转速。可通过增大电机1的转速来保证输出至负载处的功率保持不变。这样一来，电机的输出转矩减小，因此其电流减小，进而降低了电机的铜损耗和发热量。

参见图2所示，为图1的负载敏感的电动静液作动器工作在第一象限和第二象限时的液体流向示意图。图2中的实心箭头代表负载敏感的电动静液作动器工作在第一象限时的液体流动方向；图2中的空心箭头代表负载敏感的电动静液作动器工作在第二象限时的液体流动方向。

参见图3所示，为图1的负载敏感的电动静液作动器工作在第三象限和第四象限时的液体流向示意图。图3中的实心箭头代表负载敏感的电动静液作动器工作在第三象限时的液体流动方向；图3中的空心箭头代表负载敏感的电动静液作动器工作在第四象限时的液体流动方向。

当本发明的负载敏感的电动静液作动器工作在第一象限时，即调速电机1带动变排量液压泵2转动，高压油由泵的上端(即出油口)输出，开关阀7(即第一开关)工作于接通状态，液控单向阀8(即第二开关)因上端油路的高压而处于闭合状态，非对称液压缸9的第一非对称活塞输出力和运动速度都向下，第二液控单向阀6因为上端油路的高压处于打开状态，第一无杆腔的油液一部分进入变排量液压泵2的进油口，一部分回到油箱3。

当本发明的负载敏感的电动静液作动器工作在第二象限时，非对称液压缸9受顺载作用，第一非对称活塞的输出力向下，而运动速度向上，变排量液压泵2工作于马达工况，调速电机1工作于发电机工况，开关阀7(即第一开关)工作于接通状态，液控单向阀8(即第二开关)依然处于闭合状态，第三液控单向阀6处于打开状态，进入第一无杆腔的油液一部分通过变排量液压泵2流入，一部分通过油箱3补油。

当本发明的负载敏感的电动静液作动器工作在第三象限时，调速电机1带动变排量液压泵2反向转动，高压油由泵的下端(即进油口)输出，开关阀7(即第一开关)工作于截止状态，液控单向阀8(即第二开关)因下端油路的高压而处于打开状态，实现差动驱动。非对称液压缸9的第一非对称活塞输出力和运动速度都向上，第二液控单向阀5因为下端油路的高压处于打开状态，第一有杆腔的油液通过油路进入第一无杆腔，其余的油液通过变排量液压泵2从油箱3中吸取而输入到第一无杆腔。

当本发明的负载敏感的电动静液作动器工作在第四象限时，非对称液压缸9受顺载作用，第一非对称活塞输出力向上，而运动速度向下，变排量液压泵2工作于马达工况，调速电机1工作于发电机工况，开关阀7(即第一开关)工作于截止状态，液控单向阀8(即第二开关)依然打开，第二液控单向阀5处于打开状态，第一无杆腔的一部分油液流入第一有杆腔，多余的油液通过变排量液压泵2回到油箱3。

由于非对称缸的有杆腔和无杆腔的有效工作面积为1：2，且非对称液压缸9工作在三四象限时采用差动驱动，也即是说，高压油同时连通非对称液压缸9的第一有杆腔和第一无杆腔，由于第一有杆腔与第一无杆腔存在面积差，在相同压力下，第一无杆腔的作用力大于第一有杆腔，推动非对称液压缸9的第一非对称活塞运动。因此在变排量液压泵2的输出压力不变的情况下，作动器在一三象限输出力相等，方向相反。这样非对称液压缸9的控制非对称性得以克服，得到与对称液压缸相同的控制与输出特性。

此外，调速电机1功率的选取不再由非对称液压缸的第一无杆腔的最大流量决定。即电机功率比之前降低了一半，减轻了系统的重量，提高了能量利用率。具体而言，由于非对称液压缸9的第一有杆腔和第一无杆腔存在面积差，当高压油分别作用于第一有杆腔和第一无杆腔的时候，在相同流量下，高压油作用在第一有杆腔时比作用在第一无杆腔时，第一非对称活塞的运动速度要大。为了让高压油作用到第一无杆腔时，第一非对称活塞的运动速度到达本电动静液作动器的最大运动速度，则需要根据第一无杆腔的最大运动速度计算系统的最大流量从而来选取调速电机的功率。根据此系统的特点，第一有杆腔与第一无杆腔的面积比为1:2，如果不采用差动驱动，则调速电机的功率，转速以及额定电流将是采用差动驱动的两倍。此外，采用差动驱动时，调速电机1的重量以及电机的体积也会有明显减少。

在本发明的负载敏感的电动静液作动器的四象限工作中，根据油路的工作特性可知，第一有杆腔一直处于高压工况，又由于第一有杆腔与第一无杆腔的有效工作面积为1：2，第一有杆腔的压力直接反应作动器的输出力，因此把该第一有杆腔的压力直接作为单作用液压缸4的输入端。当负载压力升高时，第一有杆腔的压力随之升高，则单作用液压缸4的第二非对称活塞向左移动，变排量液压泵2的斜盘倾角变小，排量减小。同时，为了保持负载所需流量，可以通过提高调速电机1转速来增加变排量液压泵2的输出流量，从而增加输出至负载的流量。这样一来，可减小调速电机1的发热，提高其工作效率。

该系统可以实现对作动器的输出力、位移或速度的控制。具体而言，本发明的电动静液作动器可输出力、位移和速度等参数，该电动静液作动器可以分别实现对输出的力、位移和速度分别控制。也即是说，当电动静液作动器的输出是力时，其可准确控制输出力的大小与输出方向；对于位移和速度也可以实现类似的控制。

采用本发明的负载敏感的电动静液作动器，可以减小系统的发热，从而减小能量损失。

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 (10)

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、第一串联开关组和非对称液压缸和执行机构；

所述变排量液压泵包括进油口和出油口；

第一串联开关组包括串联的第一开关和第二开关，所述第一开关的第一端与所述出油口连接，所述第二开关的第一端与所述进油口连接；

所述非对称液压缸包括壳体和第一非对称活塞，所述壳体被所述第一非对称活塞分隔为第一有杆腔和第一无杆腔，所述第一有杆腔连接至所述第一开关的第二端与所述第二开关的第二端，所述第一无杆腔连接至所述进油口；

所述执行机构的输入端与所述有杆腔连接，用于基于所述有杆腔的液压生成改变所述变排量液压泵输出排量的信号。

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：

所述第一开关为开关阀；

所述第二开关为液控单向阀，所述第二开关的液控端与所述进油口连接。

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，还包括第二串联开关组和油箱；

所述第二串联开关组连接在所述变排量液压泵的进油口和出油口之间，并与所述油箱相连，用于将所述油箱中的油输入所述非对称液压缸或将所述非对称液压缸中的油排出至所述油箱中。

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：

所述第二串联开关组包括串联的第二液控单向阀和第三液控单向阀；

所述第二液控单向阀包括第一液控端、第一输入端和第一输出端，所述第一液控端与所述进油口连接，所述第一输入端与所述出油口连接，所述第一输出端与所述油箱连接；

所述第三液控单向阀包括第二液控端、第二输入端和第二输出端，所述第二液控端与所述出油口连接，所述第二输入端与所述进油口连接，所述第二输出端与所述油箱连接。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于：

所述第一非对称活塞包括第一塞部和固连在所述第一塞部一侧且与所述第一塞部垂直的第一柱部；

所述第一塞部的横截面积为所述第一柱部横截面积的二倍。

6.根据权利要求5所述的负载敏感的电动静液作动器，其特征在于，还包括：

连接在所述第一有杆腔与所述执行机构输入端之间的阻尼孔，用于降低输入到所述执行机构输入端的瞬时流量。

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：

所述执行机构为单作用液压缸。

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：

所述单作用液压缸包括缸体、第二非对称活塞及位于所述缸体内的弹簧；

所述第二非对称活塞包括相互垂直的第二柱部和第二塞部；

所述第二塞部与所述缸体的内壁配合形成一包含连接至所述第一有杆腔的入口的第二腔体；

所述弹簧设置于所述单作用液压缸的包含第二柱部的第三腔体内，所述弹簧的弹力方向与所述第二柱部的轴线重合，且所述弹簧工作于非拉伸状态

所述第二柱部的一端与所述第二塞部固连，所述第二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二腔体内液体对所述第二塞部的压力和所述弹簧对所述第二塞部的压力的合力来改变所述变排量液压泵输出排量。

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二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。

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：

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。