CN106644213B - 一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压控制领域，具体涉及一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置和方法。该装置包括喷嘴挡板式伺服阀、十字型测杆、X轴激光位移传感器、X轴力传感器和X轴微位移直线推杆。挡板位移测量装置利用十字型测杆，本发明解决了无法测量伺服阀前置级液动力的难题；避免了直接测量对伺服阀正常工作状态的干扰，避免影响挡板的受力、位移特性；可求得伺服阀工作中液动力的大小。

Description

一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置和方法

技术领域

本发明属于液压控制领域，具体涉及一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置和方法。

背景技术

伺服阀是伺服系统的核心精密控制元件，它的性能直接影响甚至决定整个系统的性能。伺服阀能够精确地将毫安级的电流信号转换为控制伺服机构运动的大功率液压流量信号。喷嘴挡板伺服阀因其响应速度快、功率放大率高、线性好、死区小等优点，广泛应用于航天各运载型号伺服机构中。

前置级是伺服阀的关键部分，伺服阀工作中产生的前置级液动力能够决定整个伺服阀的性能。因此，前置级液动力的精确测量对于充分了解伺服阀性能与前置级关系乃至整阀特性的研究具有重要意义，为伺服阀的设计与性能优化提供重要依据。

喷嘴挡板式伺服阀前置级包括衔铁、弹簧管、挡板等。喷嘴挡板伺服阀的工作原理为：通过输入一定量的控制电流使前置级中衔铁及挡板发生偏转，两喷嘴腔形成压差并引起功率级的阀芯移动，由于力矩平衡阀芯会精确停留在某一位置，从而使伺服阀输出与输入电流成比例的流量。

伺服阀工作中，两喷嘴射出的液流作用在前置级的挡板上的合力定义为前置级液动力。经检索，目前没有测量喷嘴挡板伺服阀前置级液动力的设备、相关发明或实用新型。

在伺服阀实际工作中，前置级的挡板和喷嘴在装配后处于伺服阀壳体的密闭结构中，直接测量密闭结构中产生的液流力本身是一件困难的事情。前置级液动力的测量需要精确获得挡板位移，而装配后挡板处于密闭空间，同样不可能通过直接方法确定衔铁组件挡板的位移。若测量液动力就要破坏伺服阀结构，这会改变伺服阀性能，测试结果准确性相应改变。目前，没有伺服阀前置级液动力测量装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置和方法，在不破坏伺服阀内部结构的情况下，不对伺服阀正常工作进行干扰的情况下，能够准确测量挡板的受力和位移，从而间接求得伺服阀前置级液动力的大小。

为解决上述技术问题，本发明一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置，该装置包括喷嘴挡板式伺服阀、十字型测杆、X轴激光位移传感器、X轴力传感器和X轴微位移直线推杆，十字型测杆垂直固联在喷嘴挡板式伺服阀的挡板的上方，底面与挡板上表面紧密连接，十字型测杆十字的一条边方向与喷嘴挡板式伺服阀的喷嘴方向平行；X轴力传感器固定于可调节位置式支架I，X轴力传感器方向平行于喷嘴挡板式伺服阀的喷嘴方向；X轴微位移推杆固定于X轴力传感器端部，X轴微位移推杆的球头端部与十字型测杆该端的端部接触；X轴激光位移传感器固定于可调节位置式支架II，位于喷嘴挡板式伺服阀的相对于X轴力传感器的另一端，X轴激光位移传感器测量方向平行于喷嘴挡板式伺服阀的喷嘴方向。

装置还包括Y轴激光位移传感器、Y轴力传感器和Y轴微位移直线推杆，Y轴力传感器固定于可调节位置式支架IV，Y轴力传感器方向垂直于喷嘴挡板式伺服阀的喷嘴方向；Y轴微位移推杆固定于Y轴力传感器端部，Y轴微位移推杆的球头端部与十字型测杆该端的端部接触；Y轴激光位移传感器固定于可调节位置式支架III，位于喷嘴挡板式伺服阀的相对于Y轴力传感器的另一端，Y轴激光位移传感器测量方向垂直于喷嘴挡板式伺服阀的喷嘴方向。

X轴激光位移传感器、Y轴激光位移传感器与十字型测杆的测量点在同一高度。

一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试方法，包括以下步骤：

步骤一、将平行于喷嘴挡板式伺服阀喷嘴方向的X轴微位移推杆位置进行移动，远离十字测杆，在伺服阀正常工作情况下，喷嘴向挡板喷射液流，会产生平行于喷嘴挡板式伺服阀喷嘴方向上液动力F2，F2对挡板的液动力的产生导致挡板位置以A为旋转点进行旋转，X轴激光位移传感器记录十字型测杆产生位移D2；

步骤二、调节平行于喷嘴挡板式伺服阀喷嘴方向的X轴微位移直线推杆，保证X轴微位移直线推杆与十字测杆触碰但无相互作用力，且触碰点与激光位移传感器射出的激光点位置一致，此时X轴微位移直线推杆对十字型测杆施加一定的推力，十字型推杆会由此移动一定的位移D1，当D1与上步骤D2的位移相等时，使X轴微位移直线推杆保持推力F1，由于十字型测杆与衔铁组件刚性连接，此时衔铁组件也会相应以A为中心旋转，因此可知：

F2＝F1×L1/L2

L1为A点到十字型测杆2的竖直高度；

步骤三、将垂直于喷嘴挡板式伺服阀喷嘴方向的Y轴微位移推杆位置进行移动，远离十字型测杆，在伺服阀正常工作情况下，由于喷嘴向挡板喷射液流，会产生Y方向上液动力F3，F3对挡板的液动力的产生导致挡板位置以A为旋转点进行旋转，十字型测杆会以A为旋转点进行旋转，产生位移为D3，X轴激光位移传感器记录此时D3具体数值；

步骤四、调节垂直于喷嘴挡板式伺服阀喷嘴方向的Y轴微位移直线推杆，保证Y轴微位移直线推杆与十字型测杆触碰但无相互作用力，且触碰点与激光位移传感器射出的激光点位置一致，此时使Y轴微位移直线推杆对十字型测杆施加一定的推力，十字型推杆会由此移动一定的位移D4，当D4与步骤三中的D3的位移相等时，使Y轴微位移直线推杆保持推力F4，工作状态下伺服阀在Y方向的液动力F3：

F3＝F4×L1/L2；

步骤五、通过下式即可计算出工作状态下伺服阀挡板所受的液动力的合力F和方向θ：

tanθ＝F2/F3

F为合力,θ为与垂直于喷嘴挡板式伺服阀1喷嘴方向的夹角。

本发明的有益技术效果在于：挡板位移测量装置利用十字型测杆，通过测量伺服阀外部的十字型测杆的位移和受力可求得密闭环境下挡板的位移和受力。解决了无法测量伺服阀前置级液动力的难题。通过挡板的受力和位移及固定的换算关系，可间接求得喷嘴挡板伺服阀在工作状态下所受前置级液动力。避免了直接测量对伺服阀正常工作状态的干扰，避免影响挡板的受力、位移特性。本发明中推杆产生力矩、液动力产生力矩、弹簧管产生力矩及挡板位移存在固定的换算关系：伺服阀不工作时，推杆输出力对旋转中心产生力矩等于弹簧管产生的力矩；伺服阀工作时，在达到相同挡板位移时，液动力对旋转中心产生的力矩等于弹簧管产生的力矩。十字型测杆与挡板属于刚性连接，十字型测杆位移与挡板位移的比例等于十字型测杆到旋转中心距离与挡板受力点到旋转中心距离的比例。经换算与计算，可求得伺服阀工作中液动力的大小。

附图说明

图1为本发明提供的一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置示意图；

图2为本发明提供的一种喷嘴挡板密闭伺服阀内各部件组合图。

图中：1-喷嘴挡板式伺服阀；2-十字型测杆；3-X轴激光位移传感器；4-Y轴激光位移传感器；5-X轴微位移推杆；6-Y轴微位移推杆；7-X轴力传感器；8-Y轴力传感器；9-可调节位置式支架I；10-可调节位置式支架II；11-可调节位置式支架III、12-可调节位置式支架IV；13-衔铁；14-弹簧管；15-挡板；16-喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置，该装置包括喷嘴挡板式伺服阀1、十字型测杆2、X轴激光位移传感器3、X轴力传感器7和X轴微位移直线推杆5，十字型测杆2垂直固联在喷嘴挡板式伺服阀1的挡板的上方，底面与挡板上表面紧密连接，十字型测杆2十字的一条边方向与喷嘴挡板式伺服阀1的喷嘴方向平行；X轴力传感器7固定于可调节位置式支架I9，X轴力传感器7方向平行于喷嘴挡板式伺服阀1的喷嘴方向；X轴微位移推杆5固定于X轴力传感器7端部，X轴微位移推杆5的球头端部与十字型测杆2该端的端部接触；X轴激光位移传感器3固定于可调节位置式支架II10，位于喷嘴挡板式伺服阀1的相对于X轴力传感器7的另一端，X轴激光位移传感器3测量方向平行于喷嘴挡板式伺服阀1的喷嘴方向。

该装置还包括Y轴激光位移传感器4、Y轴力传感器8和Y轴微位移直线推杆6，Y轴力传感器8固定于可调节位置式支架IV12，Y轴力传感器8方向垂直于喷嘴挡板式伺服阀1的喷嘴方向；Y轴微位移推杆6固定于Y轴力传感器8端部，Y轴微位移推杆6的球头端部与十字型测杆2该端的端部接触；Y轴激光位移传感器4固定于可调节位置式支架III11，位于喷嘴挡板式伺服阀1的相对于Y轴力传感器8的另一端，Y轴激光位移传感器4测量方向垂直于喷嘴挡板式伺服阀1的喷嘴方向。

优选地，X轴激光位移传感器3、Y轴激光位移传感器4与十字型测杆2的测量点在同一高度。

优选地，X轴微位移推杆5、Y轴微位移推杆6与十字测杆的测量点在同一高度，推杆球头端部与测量点触碰。

优选地，十字型测杆2还可以是其他可代替的起到同样效果的结构，如形状、材料等。

如图2所示，一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试方法，包括以下步骤：

步骤一、将X方向上即平行于喷嘴挡板式伺服阀1喷嘴方向的X轴微位移推杆5位置进行移动，远离十字测杆，在伺服阀正常工作情况下，由于喷嘴向挡板喷射液流，会产生X方向上液动力F2，F2对挡板的液动力的产生导致挡板位置以A为旋转点进行旋转。此时由于B₁和B₂为固定点，因此弹簧管会产生一定弹簧力矩T2与液动力产生力矩平衡，公式为：

F2×L2＝T2

L2为A点到喷嘴16高度的竖直距离；

由于各部件刚性连接，因此十字型测杆会以A为旋转点进行旋转，产生位移为D2，X轴激光位移传感器记录此时D2具体数值；

步骤二、调节X方向上的X轴微位移直线推杆5，保证X轴微位移直线推杆5与十字型测杆2触碰但无相互作用力，且触碰点与激光位移传感器射出的激光点位置一致，此时X轴微位移直线推杆5对十字型测杆施加一定的推力，十字型推杆会由此移动一定的位移D1，当D1与上步骤D2的位移相等时，使X轴微位移直线推杆5保持推力F1，由于十字型测杆2与衔铁组件刚性连接，此时衔铁组件也会相应以A为中心旋转，因此可知：

F1×L1＝T1

当D1＝D2时，可知衔铁组件与上步骤旋转角度完全相等，因此可知此时弹簧管产生弹性力矩T1与上步骤中弹性力矩T2相等。则可以有此公式：

T2＝T1

则F2×L2＝F1×L1

L1为A点到十字型测杆2的竖直高度；

由于L1和L2为已知几何长度，F1为与推杆连接的力传感器显示的推力值，因此通过计算，伺服阀液动力F2即可求得，此数值即为工作状态下伺服阀在X方向的液动力；

步骤三、将Y方向上即垂直于喷嘴挡板式伺服阀1喷嘴方向的Y轴微位移推杆6位置进行移动，远离十字型测杆2，在伺服阀正常工作情况下，由于喷嘴向挡板喷射液流，会产生Y方向上液动力F3，F3对挡板的液动力的产生导致挡板位置以A为旋转点进行旋转，因此弹簧管会产生一定弹簧力矩T3与与液动力产生力矩平衡，公式为：

F3×L2＝T3

L2为A点到喷嘴16高度的竖直距离；

由于各部件刚性连接，因此十字型测杆2会以A为旋转点进行旋转，产生位移为D3，X轴激光位移传感器记录此时D3具体数值；

步骤四、调节Y方向即垂直于喷嘴挡板式伺服阀1喷嘴方向的Y轴微位移直线推杆6，保证Y轴微位移直线推杆6与十字型测杆2触碰但无相互作用力，且触碰点与激光位移传感器射出的激光点位置一致，此时Y轴微位移直线推杆6对十字型测杆施加一定的推力，十字型推杆会由此移动一定的位移D4，当D4与步骤三中的D3的位移相等时，使Y轴微位移直线推杆6保持推力F4，由于十字型测杆2与衔铁组件刚性连接，此时衔铁组件也会相应以A为中心旋转，因此可知：

F4×L1＝T4

T4为此时弹簧管产生弹性力矩；

当D1＝D2时，可知衔铁组件与上步骤旋转角度完全相等，因此可知此时弹簧管产生弹性力矩T4与上步骤中弹性力矩T2相等，则可以有此公式：

T3＝T4

则F3×L2＝F4×L1

由于L1和L2为已知几何长度，F4为与推杆连接的力传感器显示的推力值，因此通过计算，伺服阀液动力F3即可求得，此数值即为工作状态下伺服阀在Y方向的液动力；

步骤五、当分别求得X和Y方向的液动力大小时，通过下式即可计算出工作状态下伺服阀挡板所受的液动力的合力和方向：

tanθ＝F2/F3

F为合力,θ为与y轴即垂直于喷嘴挡板式伺服阀1喷嘴方向的夹角。

上面结合附图和实施例对本发明进行了描述，显然本发明的具体实现并不受上述方式的限制，是一种适用于各类喷嘴挡板伺服阀的液动力测试装置。只要采用了本发明的构思和技术方案进行的非实质性改进，或者未经改进，将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置，其特征在于：该装置包括喷嘴挡板式伺服阀(1)、十字型测杆(2)、X轴激光位移传感器(3)、X轴力传感器(7)和X轴微位移直线推杆(5)，十字型测杆(2)垂直固联在喷嘴挡板式伺服阀(1)的挡板的上方，底面与挡板上表面紧密连接，十字型测杆(2)十字的一条边方向与喷嘴挡板式伺服阀(1)的喷嘴方向平行；X轴力传感器(7)固定于可调节位置式支架I(9)，X轴力传感器(7)方向平行于喷嘴挡板式伺服阀(1)的喷嘴方向；X轴微位移推杆(5)固定于X轴力传感器(7)端部，X轴微位移推杆(5)的球头端部与十字型测杆(2)对应端的端部接触；X轴激光位移传感器(3)固定于可调节位置式支架II(10)，位于喷嘴挡板式伺服阀(1)的相对于X轴力传感器(7)的另一端，X轴激光位移传感器(3)测量方向平行于喷嘴挡板式伺服阀(1)的喷嘴方向；

喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置还包括Y轴激光位移传感器(4)、Y轴力传感器(8)和Y轴微位移直线推杆(6)，Y轴力传感器(8)固定于可调节位置式支架IV(12)，Y轴力传感器(8)方向垂直于喷嘴挡板式伺服阀(1)的喷嘴方向；Y轴微位移推杆(6)固定于Y轴力传感器(8)端部，Y轴微位移推杆(6)的球头端部与十字型测杆(2)对应端的端部接触；Y轴激光位移传感器(4)固定于可调节位置式支架III(11)，位于喷嘴挡板式伺服阀(1)的相对于Y轴力传感器(8)的另一端，Y轴激光位移传感器(4)测量方向垂直于喷嘴挡板式伺服阀(1)的喷嘴方向。

2.根据权利要求1所述的一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置，其特征在于：X轴激光位移传感器(3)、Y轴激光位移传感器(4)与十字型测杆(2)的测量点在同一高度。

3.根据权利要求1所述的一种喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置，其特征在于：喷嘴挡板伺服阀前置级液动力测试装置的测试方法包括以下步骤：

步骤一、将平行于喷嘴挡板式伺服阀(1)喷嘴方向的X轴微位移推杆(5)位置进行移动，远离十字测杆，在伺服阀正常工作情况下，喷嘴向挡板喷射液流，会产生平行于喷嘴挡板式伺服阀(1)喷嘴方向上液动力F2，F2对挡板的液动力的产生导致挡板位置以A为旋转点进行旋转，X轴激光位移传感器记录十字型测杆产生位移D2；

步骤二、调节平行于喷嘴挡板式伺服阀(1)喷嘴方向的X轴微位移直线推杆(5)，保证X轴微位移直线推杆(5)与十字测杆触碰但无相互作用力，且触碰点与激光位移传感器射出的激光点位置一致，此时X轴微位移直线推杆(5)对十字型测杆(2)施加一定的推力，十字型推杆会由此移动一定的位移D1，当D1与上步骤D2的位移相等时，使X轴微位移直线推杆(5)保持推力F1，由于十字型测杆(2)与衔铁组件刚性连接，此时衔铁组件也会相应以A为中心旋转，因此可知：

F2＝F1×L1/L2

L1为A点到十字型测杆(2)的竖直高度；L2为A点到喷嘴(16)高度的竖直距离；

步骤三、将垂直于喷嘴挡板式伺服阀(1)喷嘴方向的Y轴微位移推杆(6)位置进行移动，远离十字型测杆(2)，在伺服阀正常工作情况下，由于喷嘴向挡板喷射液流，会产生Y方向上液动力F3，F3对挡板的液动力的产生导致挡板位置以A为旋转点进行旋转，十字型测杆(2)会以A为旋转点进行旋转，产生位移为D3，X轴激光位移传感器记录此时D3具体数值；

步骤四、调节垂直于喷嘴挡板式伺服阀(1)喷嘴方向的Y轴微位移直线推杆(6)，保证Y轴微位移直线推杆(6)与十字型测杆(2)触碰但无相互作用力，且触碰点与激光位移传感器射出的激光点位置一致，此时使Y轴微位移直线推杆(6)对十字型测杆施加一定的推力，十字型推杆会由此移动一定的位移D4，当D4与步骤三中的D3的位移相等时，使Y轴微位移直线推杆(6)保持推力F4，工作状态下伺服阀在Y方向的液动力F3：

F3＝F4×L1/L2；

步骤五、通过下式即可计算出工作状态下伺服阀挡板所受的液动力的合力F和方向θ：

tanθ＝F2/F3

F为合力,θ为与垂直于喷嘴挡板式伺服阀(1)喷嘴方向的夹角。