CN110439800B - 一种变量泵斜盘控制力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，包括泵体部分、斜盘变量系统、测控系统。通过此装置可以精确测量出不同工况下，不同摆动转角情况下斜盘的摆动力矩，为后续机构设计提供数据支持，本发明也可测量现有型号变量泵斜盘控制力矩，可为泵的改进设计提供支持。同时装置本身也是一种阀控容积式伺服泵，可直接应用于容积式静压伺服机构，属于柱塞泵技术领域。

Description

一种变量泵斜盘控制力矩测量装置

技术领域

本发明涉及一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，属于柱塞泵技术领域。

背景技术

机电静压伺服机构具有重载能力强、功率密度大、发热小、易于结构集成设计和冗余设计等突出特点，是目前航空航天航海大功率伺服的主流技术方案，具有极大的发展潜力。机电静压伺服机构有变转速和变排量两种形式，变排量指的就是通过改变容积式泵的排量来改变泵流进机电静压作动器的流量从而起到控制作用。斜盘变量机构的设计是容积式变量泵的难点，变量过程中泵芯转子会保持高速旋转，还有柱塞的往复运动，以及柱塞上部油液压力不断变化，斜盘受力极为复杂。要设计匹配的斜盘变量机构，需要清楚斜盘受力情况，尤其是泵高速运转情况下斜盘各个摆动角度的受力情况。目前往往是通过数值研究以及软件仿真的方法求得斜盘的受力情况，不过计算过程中会忽略很多因素，都是考虑的理想模型，而且随着泵的高速旋转，油液压力存在脉动，很难得到一个较为准确的结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，包括泵体部分、斜盘变量系统、测控系统。通过此装置可以精确测量出不同工况下，不同摆动转角情况下斜盘的摆动力矩，为后续机构设计提供数据支持，本发明也可测量现有型号变量泵斜盘控制力矩，可为泵的改进设计提供支持。同时装置本身也是一种阀控容积式伺服泵，可直接应用于容积式静压伺服机构。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，包括

上位机、控制器、数据采集卡、压力油源、高频压力传感器、斜盘驱动缸、柱塞组件、斜盘、轴组件、旋转变压器、变频电机、伺服阀、加载系统、转子；

所述上位机通过控制器控制变频电机的转速、加载系统中的比例溢流阀加载压力、伺服阀的动作；

变频电机通过轴组件驱动转子，转子带动柱塞组件运动，当柱塞组件运动时，柱塞组件的滑靴端紧贴斜盘的表面滑动；

压力油源输出的液压油经过伺服阀进入斜盘驱动缸；所述斜盘驱动缸用于驱动斜盘的摆动角度；

所述加载系统通过转子向柱塞组件提供液压油，同时加载系统中的比例溢流阀对柱塞组件输出的液压油进行加载；

所述旋转变压器用于测量斜盘的摆角，然后输出给数据采集卡；所述高频压力传感器用于测量斜盘驱动缸的压力，然后输出给数据采集卡；所述数据采集卡将所述斜盘的摆角和斜盘驱动缸的压力输出给上位机，上位机根据所述斜盘的摆角和斜盘驱动缸的压力获得斜盘不同摆角下的控制力矩。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，还包括球头螺钉，所述球头螺钉安装在所述斜盘的两端；所述斜盘驱动缸与所述球头螺钉接触，所述斜盘驱动缸通过所述球头螺钉驱动斜盘的摆动角度。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，所述球头螺钉的硬度大于所述斜盘的硬度。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，还包括集成阀块体，所述伺服阀、斜盘驱动缸和压力油源均安装在集成阀块体上。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，所述上位机通过控制器向伺服阀输出斜盘摆角指令；所述伺服阀根据斜盘摆角指令进行动作，用于控制所述压力油源输出到斜盘驱动缸的液压油的流量。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，所述数据采集卡将所述斜盘的摆角输出给控制器，所述控制器根据所述斜盘的摆角，采用但不限于PID闭环控制方法控制伺服阀的动作。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，还包括配流盘；所述配流盘安装在转子和集成阀块体之间。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，所述加载系统包括压力传感器、流量计、温度传感器、整流板、油箱、比例溢流阀；

所述温度传感器用于测量油箱中的液压油温度；所述压力传感器用于测量加载系统的加载压力；整流板设有四个端口，其中两个端口通过集成阀块体以及配流盘后与柱塞组件连通；其余两个端口中的一个直接与油箱连通，另一个依次经比例溢流阀、流量计后与油箱连通。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，所述变量泵斜盘控制力矩测量装置的外形尺寸不超过180mm×180mm×200mm。

上述变量泵斜盘控制力矩测量装置，还包括指示针，所述旋转变压器和指示针分别安装在所述斜盘相对的两端。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明具有多种测量功能，通过控制斜盘摆角大小以及加载工况，可获得控制力矩与摆角的关系；控制力矩同系统入口压力、加载压力以及电机转速的关系；控制力矩同系统温度的关系。

(2)本发明结构具有高度集成性，可以很方便的转为阀控容积式伺服泵，直接应用于容积式伺服机构。

(3)本装置设计了钢制配流盘，并将其通过螺钉安装在铝制测试集成阀块体上，减小了整个测量装置的体积与质量，便于装配调试安装。集成化、一体化设计使得本发明可以很方便的转为阀控容积式伺服泵，可直接应用于机电静压伺服机构。

(4)本装置泵壳体设计有回油接口，斜盘驱动缸不需要设计密封圈等密封结构，减小了缸体的质量，简化缸体结构设计并且减小了缸体运动阻力。

(5)本装置斜盘两端设计了两个球头螺钉，斜盘驱动缸直接作用在球头螺钉上。球头螺钉采用硬度更高，同时耐磨的材料且便于更换，可以对斜盘形成保护。

(6)本装置在斜盘转轴的一端，设计指示机构。指示针通过指示转轴和锁紧螺母安装在斜盘一端，当斜盘转动时，指示针跟随斜盘旋转，便于调试与排故。

(7)通过本发明可以精确测量出不同加载压力、进口压力、转速以及不同摆动转角情况下斜盘摆动控制力矩。得到不同工况下各项控制参数和斜盘摆动控制力矩的关系为后续机构设计和改进提供数据支持，同时装置本身也是一种阀控容积式伺服泵，可直接应用于容积式静压伺服机构。

附图说明

图1为本发明实施例1的测量装置原理图；

图2为本发明实施例2的测量装置(泵体部分)外形图；

图3为本发明实施例2的测量装置(泵体部分)第一剖面图；

图4为本发明实施例2的测量装置(泵体部分)第二剖面图。

其中：

1-1轴组件，1-2轴承，1-3斜盘，1-4柱塞组件，1-5指示转轴，1-6负载油路接口，1-7泵壳体，1-8转子，1-9球头螺钉，1-10配流盘，1-11旋变安装轴，1-12锁紧螺母，1-13指示针；2-1斜盘驱动缸，2-2伺服阀，2-3压力油源，2-4集成阀块体，2-5压力油源接口；3-1旋转变压器，3-2高频压力传感器，3-3上位机，3-4控制器，3-5数据采集卡，3-6压力传感器，3-7流量计，3-8温度传感器，3-9加载系统，3-10变频电机，3-11整流板，3-12比例溢流阀，3-13油箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，如图1所示，包括

上位机3-3、控制器3-4、数据采集卡3-5、压力油源2-3、高频压力传感器3-2、斜盘驱动缸2-1、柱塞组件1-4、斜盘1-3、轴组件1-1、旋转变压器3-1、变频电机3-10、伺服阀2-2、加载系统3-9、转子1-8、球头螺钉1-9、集成阀块体2-4、配流盘1-10、指示针1-13；

所述上位机3-3通过控制器3-4控制变频电机3-10的转速、加载系统3-9中的比例溢流阀3-12加载压力、伺服阀2-2的动作；

变频电机3-10通过轴组件1-1驱动转子1-8，转子1-8带动柱塞组件1-4运动，当柱塞组件1-4运动时，柱塞组件1-4的滑靴端紧贴斜盘1-3的表面滑动；

压力油源2-3输出的液压油经过伺服阀2-2进入斜盘驱动缸2-1；所述斜盘驱动缸2-1用于驱动斜盘1-3的摆动角度；

所述加载系统3-9通过转子1-8向柱塞组件1-4提供液压油，同时加载系统3-9中的比例溢流阀3-12对柱塞组件1-4输出的液压油进行加载；

所述旋转变压器3-1用于测量斜盘1-3的摆角，然后输出给数据采集卡3-5；所述高频压力传感器3-2用于测量斜盘驱动缸2-1的压力，然后输出给数据采集卡3-5；所述数据采集卡3-5将所述斜盘1-3的摆角和斜盘驱动缸2-1的压力输出给上位机3-3，上位机3-3根据所述斜盘1-3的摆角和斜盘驱动缸2-1的压力获得斜盘1-3不同摆角下的控制力矩；

所述球头螺钉1-9安装在所述斜盘1-3的两端；所述斜盘驱动缸2-1与所述球头螺钉1-9接触，所述斜盘驱动缸2-1通过所述球头螺钉1-9驱动斜盘1-3的摆动角度；所述球头螺钉1-9的硬度大于所述斜盘1-3的硬度；

所述伺服阀2-2、斜盘驱动缸2-1和压力油源2-3均安装在集成阀块体2-4上；

所述配流盘1-10安装在转子1-8和集成阀块体2-4之间；

所述旋转变压器3-1和指示针1-13分别安装在所述斜盘1-3相对的两端。

所述上位机3-3通过控制器3-4向伺服阀2-2输出斜盘摆角指令；所述伺服阀2-2根据斜盘摆角指令进行动作，用于控制所述压力油源2-3输出到斜盘驱动缸2-1的液压油的流量。

所述数据采集卡3-5将所述斜盘1-3的摆角输出给控制器3-4，所述控制器3-4根据所述斜盘1-3的摆角，采用但不限于PID闭环控制方法控制伺服阀2-2的动作。

所述加载系统3-9包括压力传感器3-6、流量计3-7、温度传感器3-8、整流板3-11、油箱3-13、比例溢流阀3-12；

所述温度传感器3-8用于测量油箱3-13中的液压油温度；所述压力传感器3-6用于测量加载系统3-9的加载压力；整流板3-11设有四个端口，其中两个端口通过集成阀块体2-4以及配流盘1-10后与柱塞组件1-4连通；其余两个端口中的一个直接与油箱3-13连通，另一个依次经比例溢流阀3-12、流量计3-7后与油箱3-13连通。

所述变量泵斜盘控制力矩测量装置的外形尺寸不超过180mm×180mm×200mm。

实施例2：

本实施例设计了一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，通过此装置可以精确测量出不同工况下，不同摆动转角情况下斜盘的摆动力矩，为后续机构设计提供数据支持，本实施例也可测量现有型号变量泵斜盘控制力矩，可为泵的改进设计提供支持。同时装置本身也是一种阀控容积式伺服泵，可直接应用于容积式静压伺服机构。

本实施例主要由泵体部分1、斜盘变量系统2、测控系统3三部分组成。

泵体部分如图2～4所示，由待测泵的泵芯，包括转子1-8、柱塞组件1-4、轴组件1-1，轴承1-2，保证被测泵的特性不变，斜盘1-3、负载油路接口1-6、配流盘1-10以及泵壳体1-7则经过适应性设计，便于和斜盘变量系统以及测控系统配合，并实现泵的功能，泵体部分还包括指示转轴1-5、球头螺钉1-9、锁紧螺母1-12和指示针1-13，这些特殊设计零件可实现斜盘摆动指示和限位保护的功能。

斜盘变量系统由伺服阀2-2、集成阀块体2-4、斜盘驱动缸2-1和压力油源2-3组成，均安装在集成阀块体2-4上，和测控系统配合可实现斜盘摆动位置的闭环控制。

测控系统由压力传感器3-2、旋转变压器3-1、控制器3-4、数据采集板卡3-5、上位机3-3、加载系统3-9、整流板3-11、比例溢流阀3-12、油箱3-13、变频电机3-10以及压力传感器3-6、流量计3-7、温度传感器3-8构成。

采用本实施例可对不同工况下变量泵斜盘控制力矩进行测量。

通过上位机3-3设置变频电机3-10转速、比例溢流阀3-12的加载压力以及斜盘1-3摆角等控制量，上位机3-3将相关指令输入到控制器3-4中，并通过控制器3-4将所述转速、加载压力以及摆角指令变换为电信号分别输入到变频电机3-10、比例溢流阀3-12以及伺服阀2-2中。

变频电机3-10通过轴组件1-1驱动转子1-8工作在设置转速下，转子1-8带动柱塞组件1-4运动。

伺服阀2-2和两个斜盘驱动缸2-1均安装在集成阀块体2-4上，集成阀块体2-4安装在泵壳体上，两个斜盘驱动缸2-1作用在斜盘1-3的两端，压力油源2-3通过压力油源接口2-5接在集成阀块体2-4上，通过内部流道接通伺服阀2-2的压力油口。

伺服阀2-2根据斜盘摆角指令控制压力油源2-3的液压油经过集成阀块体2-4的油道流入两个斜盘驱动缸2-1内，造成两个斜盘驱动缸2-1的油压不同，进而产生力矩作用在斜盘1-3上，推动其摆动，此时斜盘1-3角度改变。柱塞组件1-4的滑靴端紧贴斜盘1-3的表面滑动，当斜盘1-3角度改变时，柱塞组件1-4的运动行程也发生改变，泵的排量也随之改变。旋转变压器3-1通过旋变安装轴1-11和锁紧螺母1-12安装在斜盘1-3一侧以检测斜盘1-3的摆角，该角度信号通过数据采集板卡3-5进行实时采集，作为系统的反馈数据反馈到控制器3-4中，采用但不限于PID闭环控制方法控制伺服阀2-2的动作，以实现斜盘1-3摆动角度的精确控制。

集成阀块体2-4上还安装有两个高频压力传感器3-2，可以实现对两个斜盘驱动缸2-1压力的测量，该压力测量数据同样经过数据采集卡3-5实时采集。测控系统还可以通过安装在加载系统3-9上的压力传感器3-6，流量计3-7，温度传感器3-8对泵的进出口压力、输出流量、液压油温度等性能参数进行监测记录。上述测量数据均通过数据采集板卡3-5实时采集，并传递到上位机3-3中。

变量泵斜盘摆动的控制力矩即为两个斜盘驱动缸2-1作用在斜盘1-3上的合力距。在上位机3-3中，通过内置公式和高频压力传感器3-2采集到的两个斜盘驱动缸2-1的压力数据可计算出斜盘1-3摆动控制力矩。

改变斜盘摆角指令即可以得到控制力矩与摆角的关系；通过调整加载系统3-9入口压力、比例溢流阀3-12加载压力以及变频电机3-10转速，可以得到控制力矩同系统入口压力、加载压力以及电机转速的关系；通过调整加载系统3-9中油箱3-13中液压油的温度，还可以得到控制力矩同系统温度的关系。

本实施例还具有以下特点：

本实施例具有多种测量功能，通过控制斜盘1-3摆角大小以及加载工况，可获得控制力矩与摆角的关系；控制力矩同系统入口压力、加载压力以及电机转速的关系；控制力矩同系统温度的关系。

本实施例结构具有高度集成性，可以很方便的转为阀控容积式伺服泵，直接应用于容积式伺服机构。

本装置设计了钢制配流盘1-10，并将其通过螺钉安装在铝制测试集成阀块体2-4上，减小了整个测量装置的体积与质量，便于装配调试安装。集成化、一体化设计使得本实施例可以很方便的转为阀控容积式伺服泵，可直接应用于机电静压伺服机构。

泵壳体1-7设计有回油接口，斜盘驱动缸2-1不需要设计密封圈等密封结构，减小了缸体的质量，简化缸体结构设计并且减小了缸体运动阻力。

斜盘1-3两端设计了两个球头螺钉1-9，斜盘驱动缸2-1直接作用在球头螺钉1-9上。球头螺钉1-9采用硬度更高，同时耐磨的材料且便于更换，可以对斜盘1-3形成保护。

在斜盘1-3转轴的一端，设计指示机构。指示针1-13通过指示转轴1-5和锁紧螺母1-12安装在斜盘1-3一端，当斜盘1-3转动时，指示针1-13跟随斜盘1-3旋转，便于调试与排故。

通过本实施例可以精确测量出不同加载压力、进口压力、转速以及不同摆动转角情况下斜盘摆动控制力矩。得到不同工况下各项控制参数和斜盘摆动控制力矩的关系为后续机构设计和改进提供数据支持，同时装置本身也是一种阀控容积式伺服泵，可直接应用于容积式静压伺服机构。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，包括：

上位机(3-3)、控制器(3-4)、数据采集卡(3-5)、压力油源(2-3)、高频压力传感器(3-2)、斜盘驱动缸(2-1)、柱塞组件(1-4)、斜盘(1-3)、轴组件(1-1)、旋转变压器(3-1)、变频电机(3-10)、伺服阀(2-2)、加载系统(3-9)、转子(1-8)；

所述上位机(3-3)通过控制器(3-4)控制变频电机(3-10)的转速、加载系统(3-9)中的比例溢流阀(3-12)的加载压力以及伺服阀(2-2)的动作；

变频电机(3-10)通过轴组件(1-1)驱动转子(1-8)，转子(1-8)带动柱塞组件(1-4)运动，当柱塞组件(1-4)运动时，柱塞组件(1-4)的滑靴端紧贴斜盘(1-3)的表面滑动；

压力油源(2-3)输出的液压油经过伺服阀(2-2)进入斜盘驱动缸(2-1)；所述斜盘驱动缸(2-1)用于驱动斜盘(1-3)的摆动角度；

所述加载系统(3-9)通过转子(1-8)向柱塞组件(1-4)提供液压油，同时加载系统(3-9)中的比例溢流阀(3-12)对柱塞组件(1-4)输出的液压油进行加载；

所述旋转变压器(3-1)用于测量斜盘(1-3)的摆角，然后输出给数据采集卡(3-5)；所述高频压力传感器(3-2)用于测量斜盘驱动缸(2-1)的压力，然后输出给数据采集卡(3-5)；所述数据采集卡(3-5)将所述斜盘(1-3)的摆角和斜盘驱动缸(2-1)的压力输出给上位机(3-3)，上位机(3-3)根据所述斜盘(1-3)的摆角和斜盘驱动缸(2-1)的压力获得斜盘(1-3)不同摆角下的控制力矩。

2.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，还包括球头螺钉(1-9)，所述球头螺钉(1-9)安装在所述斜盘(1-3)的两端；所述斜盘驱动缸(2-1)与所述球头螺钉(1-9)接触，所述斜盘驱动缸(2-1)通过所述球头螺钉(1-9)驱动斜盘(1-3)的摆动角度。

3.根据权利要求2所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，所述球头螺钉(1-9)的硬度大于所述斜盘(1-3)的硬度。

4.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，还包括集成阀块体(2-4)，所述伺服阀(2-2)、斜盘驱动缸(2-1)和压力油源(2-3)均安装在集成阀块体(2-4)上。

5.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，所述上位机(3-3)通过控制器(3-4)向伺服阀(2-2)输出斜盘摆角指令；所述伺服阀(2-2)根据斜盘摆角指令进行动作，用于控制所述压力油源(2-3)输出到斜盘驱动缸(2-1)的液压油的流量。

6.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，所述数据采集卡(3-5)将所述斜盘(1-3)的摆角输出给控制器(3-4)，所述控制器(3-4)根据所述斜盘(1-3)的摆角，采用但不限于PID闭环控制方法控制伺服阀(2-2)的动作。

7.根据权利要求4所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，还包括配流盘(1-10)；所述配流盘(1-10)安装在转子(1-8)和集成阀块体(2-4)之间。

8.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，所述加载系统(3-9)包括压力传感器(3-6)、流量计(3-7)、温度传感器(3-8)、整流板(3-11)、油箱(3-13)、比例溢流阀(3-12)；

所述温度传感器(3-8)用于测量油箱(3-13)中的液压油温度；所述压力传感器(3-6)用于测量加载系统(3-9)的加载压力；整流板(3-11)设有四个端口，其中两个端口通过集成阀块体(2-4)以及配流盘(1-10)后与柱塞组件(1-4)连通；其余两个端口中的一个直接与油箱(3-13)连通，另一个依次经比例溢流阀(3-12)、流量计(3-7)后与油箱(3-13)连通。

9.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，所述变量泵斜盘控制力矩测量装置的外形尺寸不超过180mm×180mm×200mm。

10.根据权利要求1所述的一种变量泵斜盘控制力矩测量装置，其特征在于，还包括指示针(1-13)，所述旋转变压器(3-1)和指示针(1-13)分别安装在所述斜盘(1-3)相对的两端。

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