CN112727814A - 一种变转速变排量单出杆电液执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变转速变排量单出杆电液执行器，包括控制器、电机、液压泵系统、蓄能器和作动筒，液压泵系统包括液压泵、梭阀、压力伺服阀和变量缸，作动筒包括缸体、内缸筒、缸体端盖和活塞，活塞位于缸体和内缸筒之间且活塞与缸体、内缸筒和缸体端盖为密封滑动配合，缸体包括A口，缸体端盖包括B口，A口和B口分别连接液压泵的吸排油口，A口进油状态下活塞伸出，B口进油状态下活塞缩回，A口进油状态下和B口进油状态下的活塞受力面积相同。本发明能够在不增加液压泵设计制造与控制难度的基础上，提高电静液驱动执行器的集成度和能效，适合于电静液驱动执行器对其尺寸与能效有较高要求的场合。

Description

一种变转速变排量单出杆电液执行器
技术领域
本发明涉及液压传动与控制技术领域，更具体的说涉及一种变转速变排量单出杆电液执行器。
背景技术
电静液驱动执行器将机电液测控高度集成，是未来大型客机和先进战机飞行舵面控制的核心部件，是实现高端装备智能驱动的关键。电静液驱动执行器作为一种分布式液压系统，取消了液压管路，提高了飞机安全性、可靠性和维护性，大幅减轻了飞机重量。然而，由于电静液驱动执行器将伺服电机、液压泵、油箱、阀块、作动筒等多个零部件集成在一起，其体积重量较传统的液压伺服驱动执行器有明显不足，传统的电静液驱动执行器的电机的状态不能够动态匹配不同的负载，能效较低，因此，设计一种变转速变排量的高功率密度电静液驱动执行器是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种变转速变排量单出杆电液执行器，能够在不增加液压泵设计制造与控制难度的基础上，提高电静液驱动执行器的集成度和能效，适合于电静液驱动执行器对其尺寸与能效有较高要求的场合。
本发明解决上述技术问题的方案是：
一种变转速变排量单出杆电液执行器，包括控制器、电机、液压泵系统、蓄能器和作动筒，所述液压泵系统包括液压泵、梭阀、压力伺服阀和变量缸，所述控制器和电机为电连接，所述电机输出端连接液压泵，所述梭阀的两个进油口连接液压泵的吸排油口，梭阀的出油口连接压力伺服阀的进油口，所述变量缸内部设有两个腔，其中一个腔内安装复位弹簧，所述压力伺服阀的出油口连接变量缸无弹簧的一腔，所述变量缸有弹簧一腔回油与蓄能器相连，变量缸有弹簧一腔连接液压泵，压力伺服阀回油与蓄能器相连，所述作动筒包括缸体、内缸筒、缸体端盖和活塞，所述缸体和缸体端盖密封连接，所述内缸筒固定连接于缸体内部中心，所述活塞位于缸体和内缸筒之间且活塞与缸体、内缸筒和缸体端盖为密封滑动配合，所述缸体包括A口，所述缸体端盖包括B口，所述A口和B口分别连接液压泵的吸排油口，A口进油状态下活塞伸出，B口进油状态下活塞缩回，A口进油状态下和B口进油状态下的活塞受力面积相同。
所述电机为永磁同步电机，所述液压泵为变排量双向液压泵，液压泵包括一个吸油口和一个排油口，梭阀的两个进油口分别连接液压泵的一个吸油口和一个排油口。
还包括单向阀，所述单向阀的数量为两个，两个单向阀的进油口均连接蓄能器，两个单向阀的出油口分别连接液压泵的吸排油口。
还包括溢流阀，所述溢流阀的数量为两个，每个溢流阀的两端分别连接液压泵的吸排油口，两个溢流阀的导通方向相反。
所述活塞的一端密封安装有衬套，所述衬套的外端连接有球铰，衬套的内端面中心连接有插杆，所述插杆的一端连接有磁环，所述磁环中心穿设位移传感器，所述位移传感器安装于缸体。
所述位移传感器设有密封穿出缸体的传感器接线端，缸体一端连接有安装头，所述安装头内安装有关节轴承。
所述活塞包括活塞杆和塞体，所述塞体与缸体环形内壁与内缸筒环形外壁为密封滑动配合，所述活塞杆的环形外壁与缸体端盖的环形内壁为密封滑动配合，所述缸体、内缸筒、活塞和衬套围成第一空间，所述A口与第一空间相连通，所述缸体、活塞和缸体端盖围成第二空间，所述B口与第二空间相连通。
所述磁环设有贯穿的磁环孔，所述磁环位于第一空间内。
所述缸体、内缸筒和塞体围成空气腔，所述缸体设有T口，所述T口与空气腔相连通。
所述缸体端盖设有阻尼孔，所述阻尼孔的两端分别连通B口和第二空间的外端面，所述活塞伸出到极限位置时塞体贴合缸体端盖的环形内壁且塞体堵住B口，所述活塞包括第一作用面，所述衬套包括第二作用面，A口进油状态下液压油作用于第二作用面，第二作用面的面积等于衬套的内端面面积减去插杆的外轮廓面积之差，所述B口进油状态下液压油作用于第一作用面，所述第一作用面的面积等于塞体的外轮廓面积减去活塞杆的外轮廓面积之差，第二作用面的面积等于第一作用面的面积。
本发明的突出效果是：
1.通过使用对称单出杆作动筒，可以有效减少电静液驱动执行器的尺寸，对称单出杆作动筒的轴向尺寸仅为对称双出杆作动筒轴向尺寸的一半，并且没有非对称单出杆作动筒流量不匹配的问题，使电静液驱动执行器能够满足更为苛刻的安装尺寸限制。
2.对称单出杆作动筒具有阻尼防过冲装置(具体为缸体端盖设有阻尼孔)，避免作动筒伸出到极限位置时，不能够进行反向缩回。
3.使用对称单出杆作动筒，可以直接使用工业上十分成熟的双向液压泵进行流量的输入与输出，有利于降低设备成本，提高可靠性。
4.液压泵系统的压力伺服阀和变量缸的高压油源直接由系统内部的高压油液通过梭阀提供，不需系统外部单独供油，具有更广泛的应用前景。
5.液压泵系统采用压力伺服阀和变量缸作为变量机构，压力伺服阀能够主动调节输出的压力供给变量缸，进而调节液压泵的排量，与永磁同步电机配合使用，其电机的状态能够动态匹配不同的负载，能效较高。
6.适合于对电静液驱动执行器尺寸与能效要求较高的场合。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为作动筒的活塞伸出时的进油示意图；
图3为作动筒的活塞伸出时的回油示意图；
图4为作动筒的活塞缩回时的进油示意图；
图5为作动筒的活塞缩回时的回油示意图；
图6为本发明的作动筒的结构示意图；
图7为图6中A处放大图。
图中：控制器1、电机2、液压泵系统3、液压泵31、梭阀32、压力伺服阀33、变量缸34、蓄能器4、单向阀5、溢流阀6、作动筒7、缸体71、A口711、B口712、T口713、阻尼孔714、内缸筒72、安装头73、关节轴承731、活塞74、活塞杆741、塞体742、缸体端盖75、衬套76、球铰761、第一空间77、第二空间771、空气腔78、第一作用面781、第二作用面782、位移传感器79、传感器接线端791、磁环792、磁环孔793、插杆794。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
实施例1：
如图1-7所示，一种变转速变排量单出杆电液执行器，包括控制器1、电机2、液压泵系统3、蓄能器4和作动筒7，所述液压泵系统3包括液压泵31、梭阀32、压力伺服阀33和变量缸34，所述电机2为永磁同步电机，所述液压泵31为变排量双向液压泵，液压泵31包括一个吸油口和一个排油口，梭阀32的两个进油口分别连接液压泵31的一个吸油口和一个排油口，如图1中所示的液压泵31的a口和b口即吸排油口，可以根据工况切换为吸油口或排油口。
所述控制器1和电机2为电连接，所述电机2输出端连接液压泵31，所述梭阀32的两个进油口连接液压泵31的吸排油口，梭阀32的出油口连接压力伺服阀33的进油口，所述变量缸34内部设有两个腔，其中一个腔内安装复位弹簧，所述压力伺服阀33的出油口连接变量缸34无弹簧的一腔，所述变量缸34有弹簧一腔回油与蓄能器4相连，变量缸34有弹簧一腔连接液压泵31，压力伺服阀33回油与蓄能器4相连。
液压泵系统3的工作原理是：梭阀32通过比较液压泵31两端出口压力，通过梭阀32出油口输出较高的压力供给压力伺服阀33的高压油口，压力伺服阀33出油通入变量缸34无弹簧的一腔，克服变量缸34有弹簧一腔的弹簧的作用力并推动有弹簧一腔内的推杆，推杆与液压泵31机械连接，进而调节液压泵31的流量。当变量缸34缩回时，无弹簧一腔的油会通过压力伺服阀33回油，当变量缸34伸出时，有弹簧一腔的油流到蓄能器4。
还包括单向阀5，所述单向阀5的数量为两个，两个单向阀5的进油口均连接蓄能器4，两个单向阀5的出油口分别连接液压泵31的吸排油口。蓄能器4通过两个单向阀5向系统进行补油。
还包括溢流阀6，所述溢流阀6的数量为两个，每个溢流阀6的两端分别连接液压泵31的吸排油口，两个溢流阀6的导通方向相反。两个溢流阀6的设定压力高于系统最高压力。当系统出现故障，压力高于系统所能够承受的最高压力时，溢流阀6打开，使系统高压油向低压油腔流动，从而起到降压保护的作用。
所述作动筒7包括缸体71、内缸筒72、缸体端盖75和活塞74，所述缸体71和缸体端盖75密封连接，所述内缸筒72固定连接于缸体71内部中心，所述活塞74位于缸体71和内缸筒72之间且活塞74与缸体71、内缸筒72和缸体端盖75为密封滑动配合，所述缸体71包括A口711，所述缸体端盖75包括B口712，所述A口711和B口712分别连接液压泵31的吸排油口，A口711进油状态下活塞74伸出，B口712进油状态下活塞74缩回，A口711进油状态下和B口712进油状态下的活塞74受力面积相同。
作动筒7的进出油路安装有两个压力传感器，即A口711和B口712的油路安装有两个压力传感器，液压泵31内设有斜盘(斜盘为现有常规部件)，斜盘安装有角度传感器，永磁同步电机安装有旋转变压器、电流传感器，作动筒7内部安装有位移传感器79，控制器1通过采集传感器的信号，判断系统当前的状态，进而执行下一步指令。控制器1接收位置指令和排量指令，并将其转换为电压控制信号，驱动电机2带动液压泵31向作动筒7输出高压油，梭阀32通过比较液压泵31的a口、b口的压力，输出较高油腔的高压油供给压力伺服阀33，从而推动变量缸34改变液压泵31的排量，电机2转速和液压泵31排量的改变会引起液压泵31输出液压油量的变化，从而驱动作动筒7的活塞74移动。当系统断电不工作时，压力伺服阀33连接蓄能器4，变量缸34在复位弹簧的作用下缩回，使液压泵31保持最大排量。蓄能器4通过两个单向阀5分别与作动筒7的两个油腔相连，为系统补油。
本系统中，θ/u表示电机2的旋转变压器将电机2的旋转角度转换成电压信号反馈到控制器1；I/u表示电机2的电流传感器将电机2的电流转换成电压信号反馈到控制器1；α/u表式液压泵31的斜盘角度传感器将斜盘角度转换成电压信号反馈到控制器1。压力传感器传回的压力信号，位移传感器79传回位移信号，旋转变压器传回电机转速信号，电流传感器传回电机电流信号，斜盘角度传感器传回液压泵31排量信号。位移传感器79、角度传感器实时反馈作动筒7的活塞杆741位置信号和液压泵31排量信号，控制器1检测位置和排量是否达到了指令要求，输出控制信号使电机2转速和液压泵31排量改变，通过液压泵31输出流量的变化，导致作动筒7两个油腔产生压力差，带动作动筒7的活塞杆741运动。电机2的旋转变压器与电流传感器为电机2的伺服控制奠定基础。关于电气控制部分不是本申请要求保护的范围，在此不作详细介绍。
所述活塞74的一端密封安装有衬套76，所述衬套76的外端连接有球铰761，衬套76的内端面中心连接有插杆794，插杆794通过螺纹与衬套76内端面连接，所述插杆794的一端连接有磁环792，磁环792随着插杆794一起运动，所述磁环792中心穿设位移传感器79，所述位移传感器79安装于缸体71。
所述位移传感器79设有密封穿出缸体71的传感器接线端791，缸体71一端连接有安装头73，所述安装头73内安装有关节轴承731。
所述活塞74包括活塞杆741和塞体742，所述塞体742与缸体71环形内壁与内缸筒72环形外壁为密封滑动配合，所述活塞杆741的环形外壁与缸体端盖75的环形内壁为密封滑动配合，所述缸体71、内缸筒72、活塞74和衬套76围成第一空间77，所述A口711与第一空间77相连通，所述缸体71、活塞74和缸体端盖75围成第二空间771，所述B口712与第二空间771相连通。
所述磁环792设有贯穿的磁环孔793，参照图6，磁环孔793为上下贯穿，所述磁环792位于第一空间77内。磁环792环形外壁与内缸筒72的环形内壁为间隙配合，位移传感器79密封穿过磁环792。
所述缸体71、内缸筒72和塞体742围成空气腔78，所述缸体71设有T口713，所述T口713与空气腔78相连通。T口713直接与外部空气相连。
所述缸体端盖75设有阻尼孔714，所述阻尼孔714的两端分别连通B口712和第二空间771的外端面，所述活塞74伸出到极限位置时塞体742贴合缸体端盖75的环形内壁且塞体742堵住B口712，当活塞74伸出到极限位置时，液压油从B口712进入阻尼孔714并推动塞体742的底面往上运动缩回(参照图6)。
所述活塞74包括第一作用面781，所述衬套76包括第二作用面782，A口711进油状态下液压油作用于第二作用面782，第二作用面782的面积等于衬套76的内端面面积减去插杆794的外轮廓面积之差，所述B口712进油状态下液压油作用于第一作用面781，所述第一作用面781的面积等于塞体742的外轮廓面积减去活塞杆741的外轮廓面积之差，第二作用面782的面积等于第一作用面781的面积，这样就形成对称结构。
本发明的作动筒7的工作原理是：当作动筒7伸出时，油液从A口711进入第一空间77并作用于第二作用面782将活塞74伸出，第二空间771内的油液从B口712排出，空气腔78从T口713吸入空气；当作动筒7缩回时，油液从B口712进入第二空间771并通过作用于第一作用面781将活塞74缩回，第一空间77的油液从A口711排出，空气腔78从T口713排出空气。
假定作动筒7伸出方向为作动筒7运动正方向，使作动筒7缩回的负载方向为负载正方向，作动筒7伸出时，第一空间77可能为高压腔或者低压腔，因为负载力可能为正，也可能为负；但是负载力为正时，第一空间77一定是高压腔。下面将分正方向运动正方向负载、正方向运动负方向负载、负方向运动正方向负载、负方向运动负方向负载四种情况分别说明本发明原理：
1)正方向运动正方向负载：因为负载为正方向，因此作动筒7的第一空间77为高压腔，梭阀32输出油的压力与第一空间77的油液压力相同，供给压力伺服阀33高压油，进而通过控制器1主动调节输出压力给变量缸34，进而控制液压泵31的排量，第二空间771为低压腔，液压泵31排出的油液通过其a口连通到作动筒7的A口711，再通过作动筒7的B口712将油液流回液压泵31的b口。
2)负方向运动正方向负载：因为负载为正方向，因此作动筒7的第一空间77为高压腔，梭阀32输出油的压力与第一空间77的油液压力相同，供给压力伺服阀33高压油，进而通过控制器1主动调节输出压力给变量缸34，进而控制液压泵31的排量，第二空间771为低压腔，变排量双向液压泵3排出的油液通过其b口连通到作动筒7的B口712，再通过作动筒7的A口711将油液流回液压泵31的a口。
3)正方向运动负方向负载：因为负载为负方向，因此作动筒7的第二空间771为高压腔，梭阀32输出油的压力与第二空间771的油液压力相同，供给压力伺服阀33高压油，进而通过控制器1主动调节输出压力给变量缸34，进而控制液压泵31的排量，作动筒7的第一空间77为低压腔，液压泵31排出的油液通过其a口连通到作动筒7的A口711，再通过作动筒7的B口712将油液流回液压泵31的b口。
4)负方向运动负方向负载：因为负载为负方向，因此作动筒7的第二空间771为高压腔，梭阀32输出油的压力与第二空间771的油液压力相同，供给压力伺服阀33高压油，进而通过控制器1主动调节输出压力给变量缸34，进而控制液压泵31的排量，作动筒7的第一空间77为低压腔，液压泵31排出的油液通过其B口连通到作动筒7的B口，再通过作动筒7的A口711将油液流回液压泵31的a口。
按照负载的大小分类，将负载分为轻载和重载两种类型，按照作动筒7伸出缩回的频率高低分类，可以分为低频和高频两种类型。液压泵31搅拌损失与转速有关，转速越大，搅拌损失越大；电机2发热与电流有关，电流越大，发热也就越大；调节液压泵31的排量实际上就是调节搅拌损失与发热之间的关系(比如重载高频时，如果不调节液压泵31的排量，此时搅拌损失远大于发热，增大液压泵31的排量可以降低转速，这样也就降低搅拌损失)。下面将分轻载低频、轻载高频、重载低频、重载高频四种情况分别说明本发明原理：
1)轻载低频：因为作动筒7频率较低，系统所需流量较小，所以可以通过控制器1主动调节降低压力伺服阀33的输出压力，进而降低液压泵31的排量，提高电机2转速，降低电机2发热功率。
2)轻载高频：因为作动筒7频率较高，系统所需流量较大，所以可以通过控制器1主动调节提高压力伺服阀33的输出压力，进而增大液压泵31的排量，降低电机2转速，减小液压泵31搅拌损失。
3)重载低频：因为作动筒7频率较低，系统所需流量较小，所以可以通过控制器1主动调节降低压力伺服阀33的输出压力，进而降低液压泵31的排量，提电机2转速，降低电机2发热功率。
4)重载高频：因为作动筒7频率较高，系统所需流量较大，所以可以通过控制器1主动调节提高压力伺服阀33的输出压力，进而增大液压泵31的排量，降低电机2转速，减小液压泵31搅拌损失。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (10)

1.一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：包括控制器(1)、电机(2)、液压泵系统(3)、蓄能器(4)和作动筒(7)，所述液压泵系统(3)包括液压泵(31)、梭阀(32)、压力伺服阀(33)和变量缸(34)，所述控制器(1)和电机(2)为电连接，所述电机(2)输出端连接液压泵(31)，所述梭阀(32)的两个进油口连接液压泵(31)的吸排油口，梭阀(32)的出油口连接压力伺服阀(33)的进油口，所述变量缸(34)内部设有两个腔，其中一个腔内安装复位弹簧，所述压力伺服阀(33)的出油口连接变量缸(34)无弹簧的一腔，所述变量缸(34)有弹簧一腔回油与蓄能器(4)相连，变量缸(34)有弹簧一腔连接液压泵(31)，压力伺服阀(33)回油与蓄能器(4)相连，所述作动筒(7)包括缸体(71)、内缸筒(72)、缸体端盖(75)和活塞(74)，所述缸体(71)和缸体端盖(75)密封连接，所述内缸筒(72)固定连接于缸体(71)内部中心，所述活塞(74)位于缸体(71)和内缸筒(72)之间且活塞(74)与缸体(71)、内缸筒(72)和缸体端盖(75)为密封滑动配合，所述缸体(71)包括A口(711)，所述缸体端盖(75)包括B口(712)，所述A口(711)和B口(712)分别连接液压泵(31)的吸排油口，A口(711)进油状态下活塞(74)伸出，B口(712)进油状态下活塞(74)缩回，A口(711)进油状态下和B口(712)进油状态下的活塞(74)受力面积相同。
2.如权利要求1所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述电机(2)为永磁同步电机，所述液压泵(31)为变排量双向液压泵，液压泵(31)包括一个吸油口和一个排油口，梭阀(32)的两个进油口分别连接液压泵(31)的一个吸油口和一个排油口。
3.如权利要求1所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：还包括单向阀(5)，所述单向阀(5)的数量为两个，两个单向阀(5)的进油口均连接蓄能器(4)，两个单向阀(5)的出油口分别连接液压泵(31)的吸排油口。
4.如权利要求1所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：还包括溢流阀(6)，所述溢流阀(6)的数量为两个，每个溢流阀(6)的两端分别连接液压泵(31)的吸排油口，两个溢流阀(6)的导通方向相反。
5.如权利要求1所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述活塞(74)的一端密封安装有衬套(76)，所述衬套(76)的外端连接有球铰(761)，衬套(76)的内端面中心连接有插杆(794)，所述插杆(794)的一端连接有磁环(792)，所述磁环(792)中心穿设位移传感器(79)，所述位移传感器(79)安装于缸体(71)。
6.如权利要求5所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述位移传感器(79)设有密封穿出缸体(71)的传感器接线端(791)，缸体(71)一端连接有安装头(73)，所述安装头(73)内安装有关节轴承(731)。
7.如权利要求5所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述活塞(74)包括活塞杆(741)和塞体(742)，所述塞体(742)与缸体(71)环形内壁与内缸筒(72)环形外壁为密封滑动配合，所述活塞杆(741)的环形外壁与缸体端盖(75)的环形内壁为密封滑动配合，所述缸体(71)、内缸筒(72)、活塞(74)和衬套(76)围成第一空间(77)，所述A口(711)与第一空间(77)相连通，所述缸体(71)、活塞(74)和缸体端盖(75)围成第二空间(771)，所述B口(712)与第二空间(771)相连通。
8.如权利要求7所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述磁环(792)设有贯穿的磁环孔(793)，所述磁环(792)位于第一空间(77)内。
9.如权利要求7所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述缸体(71)、内缸筒(72)和塞体(742)围成空气腔(78)，所述缸体(71)设有T口(713)，所述T口(713)与空气腔(78)相连通。
10.如权利要求7所述一种变转速变排量单出杆电液执行器，其特征在于：所述缸体端盖(75)设有阻尼孔(714)，所述阻尼孔(714)的两端分别连通B口(712)和第二空间(771)的外端面，所述活塞(74)伸出到极限位置时塞体(742)贴合缸体端盖(75)的环形内壁且塞体(742)堵住B口(712)，所述活塞(74)包括第一作用面(781)，所述衬套(76)包括第二作用面(782)，A口(711)进油状态下液压油作用于第二作用面(782)，第二作用面(782)的面积等于衬套(76)的内端面面积减去插杆(794)的外轮廓面积之差，所述B口(712)进油状态下液压油作用于第一作用面(781)，所述第一作用面(781)的面积等于塞体(742)的外轮廓面积减去活塞杆(741)的外轮廓面积之差，第二作用面(782)的面积等于第一作用面(781)的面积。
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