CN113027634A - 一种伺服电缸闭环控制调节机构及针栓喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种伺服电缸闭环控制调节机构及针栓喷注器，涉及火箭发动机技术领域。伺服电缸闭环控制调节机构包括驱动模组及测量模组；驱动模组用于连接针栓喷注器的喷注头，驱动模组的输出轴用于驱动喷注头中的针阀沿轴线方向运动；测量模组包括控制元件、检测元件及感应元件，控制元件与检测元件均设置于驱动模组，控制元件分别与检测元件和驱动模组电连接，感应元件设置于输出轴，感应元件与针阀的运动同步。通过感应元件与针阀运动同步的特点，检测元件可间接地获取喷注头中的针阀准确的位移信息，并反馈至控制元件实现闭环控制，提高调节精度。

Description

一种伺服电缸闭环控制调节机构及针栓喷注器

技术领域

本发明涉及火箭发动机技术领域，尤其涉及一种伺服电缸闭环控制调节机构及针栓喷注器。

背景技术

针栓喷注器是针栓式变推力火箭发动机的重要组成部件，目前，在变推力火箭发动机的系统方案中，针栓喷注器的调节机构接收控制指令，并发送控制信号直接调节针栓喷注器的开度。

然而，现有的调节机构无法获取调节结果，使得针栓喷注器调节精度低，针栓喷注器中针阀的实际工作位置与预设的位置易出现误差，从而影响变推力火箭发动机的变工况过程。

同时，对于针栓喷注器的针阀位置的不明确会影响推进剂喷注时的雾化效果，从而影响变推力火箭发动机推力室内的燃烧情况，进而发动机系统工作的稳定性差。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本申请提供了一种伺服电缸闭环控制调节机构及针栓喷注器，用以解决现有技术中开环控制的调节机构存在的缺陷。

为达上述目的，第一方面，本申请提供的一种伺服电缸闭环控制调节机构，应用于针栓喷注器，伺服电缸闭环控制调节机构包括驱动模组及测量模组；

所述驱动模组用于连接所述针栓喷注器的喷注头，所述驱动模组的输出轴用于驱动所述喷注头中的针阀沿轴线方向运动；

所述测量模组包括控制元件、检测元件及感应元件，所述控制元件与所述检测元件均设置于所述驱动模组，所述控制元件分别与所述检测元件和驱动模组电连接，所述感应元件设置于所述输出轴，所述感应元件与所述针阀的运动同步；

工作时，所述检测元件与所述感应元件感应配合，所述检测元件用于实时检测所述感应元件的位移信息，所述控制元件用于获取所述位移信息，并控制所述驱动模组按预设方式动作。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述驱动模组包括电缸本体及伺服电机，所述电缸本体连接所述伺服电机，所述电缸本体用于将所述伺服电机输出的旋转运动转换成沿轴线方向的运动。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述电缸本体为折叠式结构或直列式结构。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述驱动模组用于接收所述控制元件发出的指令信息，并按预设方式运动；

其中所述指令信息包括流量信息、压力信息及推力信息中的一种。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述检测元件包括位移传感器。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述感应元件为感应块，所述感应块呈倒“L”形，所述感应块包括连接体及分别位于所述连接体两端的安装部和感应部，所述安装部与所述输出轴连接，所述感应部与所述检测元件感应配合。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述测量模组还包括夹紧座，所述夹紧座用于夹紧所述检测元件。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述夹紧座由弹性材料制得。

为达上述目的，第二方面，一种针栓喷注器，包括喷注头及上述第一方面提供的伺服电缸闭环控制调节机构；

所述喷注头与所述驱动模组连接，所述喷注头包括喷头座及活动设置于所述喷头座内的针阀。

结合第二方面，在一种可能的实施方式中，所述驱动模组的输出轴与所述针阀通过针栓转接座连接。

相比现有技术，本申请的有益效果：

本申请提供的一种伺服电缸闭环控制调节机构及针栓喷注器，伺服电缸闭环控制调节机构包括驱动模组及测量模组；驱动模组用于连接针栓喷注器的喷注头，驱动模组的输出轴用于驱动喷注头中的针阀沿轴线方向运动；测量模组包括控制元件、检测元件及感应元件，控制元件与检测元件均设置于驱动模组，控制元件分别与检测元件和驱动模组电连接，感应元件设置于输出轴，感应元件与针阀的运动同步。工作时，检测元件与感应元件感应配合，检测元件用于实时检测感应元件的位移信息，控制元件用于获取位移信息，并控制驱动模组按预设方式动作。本申请通过感应元件与针阀运动同步的特点，检测元件可间接地获取喷注头中的针阀准确的位移信息，并反馈至控制元件实现闭环控制。再由控制元件根据获取的位移信息，控制驱动模组对针阀进行调节，进而提高调节精度。

将本申请提供的伺服电缸闭环控制调节机构应用于针栓喷注器，提高针栓喷注器的喷注头中针阀位置调节精度，使得推进剂喷注时的雾化效果更好，进而提高火箭发动机系统工作的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种针栓喷注器的立体结构示意图；

图2示出了图1中提供的针栓喷注器的局部剖视图；

图3示出了图2中针栓喷注器中的伺服电缸闭环控制调节机构结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构中的感应元件的结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构中的夹紧座的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构中的针栓转接座的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构中的电缸座的结构示意图；

图8示出了本申请实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构闭环控制原理图。

主要元件符号说明：

100-伺服电缸闭环控制调节机构；110-驱动模组；111-伺服电机；112-电缸本体；120-测量模组；121-控制元件；1210-输出轴；122-检测元件；123-感应元件；1230-连接体；1231-安装部；1232-感应部；124-夹紧座；200-喷注头；210-喷头座；220-针阀；300-电缸座；300a-螺栓；310-法兰部；320-支撑件；400-针栓转接座。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

请参阅图1至图7，本实施例提供的一种伺服电缸闭环控制调节机构100，应用于针栓喷注器，用以提高针栓喷注器的雾化效果。

请结合参阅图1、图2以及图3，本实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构100，包括驱动模组110及测量模组120。

其中，驱动模组110用于连接针栓喷注器的喷注头200，驱动模组110的输出轴1210用于驱动喷注头200中的针阀220沿轴线方向运动。具体的，驱动模组110的输出轴1210可带动针阀220沿轴线方向往复运动，进而实现针栓喷注器喷注开度的调节，以完成火箭发动机的变推力调节。

进一步的，驱动模组110包括电缸本体112及伺服电机111，电缸本体112连接伺服电机111，电缸本体112用于将伺服电机111输出的旋转运动转换成沿轴线方向的运动。

电缸本体112包括输出端和相对的输出端，其中，伺服电机111连接电缸本体112的输出端，电缸本体112的输出端包括有输出轴1210，电缸本体112的输出轴1210与喷注头200中的针阀220连接。

电缸本体112内部设置有丝杠传动结构(图未示)，可将伺服电机111输出的旋转运动转换成直线运动，进而通过伺服电机111驱动电缸本体112的输出轴1210沿轴线方向运动。

驱动模组110将伺服电机111与丝杠传动结构整合成一个整体模块，结合了伺服电机111的精确转速控制和精确转数控制的优点，进而实现了驱动模组110高精度的直线运动控制。

在一些实施例中，电缸本体112为折叠式结构，即折叠电动缸，进而可减少驱动模组110在长度方向的尺寸，使得驱动模组110整体结构上更为紧凑。

在另一些实施中，电缸本体112为直列式结构，进而可减少驱动模组110在宽度方向的尺寸，以适配不同的安装条件。

请结合参阅图1和图2，测量模组120包括控制元件121、检测元件122及感应元件123，控制元件121与检测元件122均设置于驱动模组110，控制元件121分别与检测元件122和驱动模组110电连接，感应元件123设置于电缸本体112的输出轴1210上。

也即是说，电缸本体112的输出轴1210在驱动针阀220沿轴线方向运动时，会带动感应元件123同步运动，进而可知，感应元件123与针阀220的运动同步，感应元件123与针阀220的位移量相同。

本实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构100工作时，检测元件122与感应元件123为感应配，检测元件122用于实时检测感应元件123的位移信息，控制元件121用于获取检测元件122实时检测的位移信息，控制元件121通过内部数据分析后，再反馈控制驱动模组110按预设方式动作，实现闭环控制。

进一步的，驱动模组110用于接收控制元件121发出的指令信息，并按预设方式运动。其中，该指令信息包括流量信息、压力信息及推力信息中的一种。

例如，当该指令信息为流量信息时，也即是说，根据针栓喷注推进剂喷注的流量要求，通过喷注流量的需求指令调节针栓喷注器的开度。伺服电缸闭环控制调节机构100在此工作方式下，以维持针栓喷注器喷注的流量稳定为控制目标，通过针栓喷注器开度与流量的关联特性，控制元件121通过检测元件122反馈的位移信息实现闭环控制，进而实现对流量的稳定控制。流量的稳定控制，使混合比保持稳定，能够提高火箭发动机燃烧室内的燃烧效率，避免不稳定燃烧的现象。

当该指令信息为压力信息时，也即是说，根据针栓喷注器推进剂喷注的压降要求，通过喷注压降的需求调节针栓喷注器的开度。伺服电缸闭环控制调节机构100在此工作方式下，以维持针栓喷注器的喷注压降稳定为控制目标，通过针栓喷注器开度与喷注压降的关联特性，通过检测元件122反馈的位移信息实现闭环控制，进而实现对喷注压降的稳定控制。针栓喷注器的喷注压降稳定，使得针栓喷注器在变推力过程中能够保持推进剂的喷注速度恒定，使得推进剂有稳定的雾化效果，能够使得燃烧更加充分，提高在不同工况下的燃烧效率。

当该指令信息为推力信息时，也即是说，根据针栓喷注推进剂喷注的推力要求，通过喷注推力的需求指令调节针栓喷注器的开度。伺服电缸闭环控制调节机构100在此工作方式下，以维持针栓喷注器的喷注推力稳定为控制目标。

进一步的，检测元件122为位移传感器。可选地，位移传感器选为高精度的位移传感器。用以测量感应元件123的距离，即可获得感应元件123的位移信息。

在一些实施例中，检测元件122还可选择为激光传感器或光电传感器。

请结合参阅图1和图4，上述，感应元件123为感应块，感应块呈倒“L”形，其中，感应块包括连接体1230及分别位于连接体1230两端的安装部1231和感应部1232。安装部1231与电缸本体112的输出轴1210连接，感应部1232与检测元件122感应配合，其中，感应部1232为连接体1230向外凸设的凸台。

请结合参阅图1和图5，在本实施例中，测量模组120还包括夹紧座124，夹紧座124用于夹紧检测元件122，便于检测元件122安装在电缸本体112上，提高检测元件122检测安装的稳定性，避免检测元件122松动导致的检测误差。

进一步的，夹紧座124由弹性材质制得，其中，弹性材质包括高硅氧、氟橡胶及硅橡胶中的一种。

在本实施例中，夹紧座124可选为高硅氧材料制得，高硅氧材料制得的夹紧座124具有较好的弹性和耐热性能，由于，夹紧座124的弹性好，所以夹紧座124在螺栓300a的夹紧力下产生弹性变形，从而对检测元件122产生更好的固定效果，减小因安装与固定带来的检测误差。

请结合参阅图2和图8，本实施例提供的伺服电缸闭环控制调节机构100，通过感应元件123与喷注头200中的针阀220运动同步的特点，检测元件122选择为位移传感器，位移传感器可间接地获取喷注头200中的针阀220准确的位移信息，并将该位移信息反馈至控制元件121实现闭环控制。再由控制元件121根据获取的位移信息，通过内部计算，控制驱动模组110对针阀220进行调节，进而提高调节精度。

伺服电机111内部具有转速信息闭环反馈系统，其中，伺服电机111中的电机驱动器可以获得电机的转速信息，进而准确的调节伺服电机111输出的转速，进一步的提高了调节精度。

同时，伺服电缸闭环控制调节机构100还具有如下优点：

(1)通过伺服电机111与电缸本体112调节针栓喷注器，实现动力的直接传递，减少了机械传动结构，简化结构，结构的简化同时也提高了系统的可靠性；

(2)由于针栓喷注器结构复杂，整体紧凑，很难获取到针栓喷注器的开度信息，由此，本实施例利用感应元件123与针阀220运动的同步性，间接地获取针阀220的位移信息，进而得到针栓喷注器的开度信息，最终实现了针栓喷注器精准的开度信息；

(3)通过位移传感器间接地采集针阀220的位移信息，并实现闭环控制的方式，可以大幅提高针栓喷注器的调节精度，实现在位移传感器的精度内的精确调节，同时相比于开环控制，闭环控制可以降低指令下发的难度，仅需要对目标位置进行设定，通过反馈实现调节目标；

(4)测量模组120中夹紧座124的设置，采用了高氧硅材料，相比于栓接方案降低了安装难度，不需要多孔位置的精确，同时由于高氧硅的高弹性，可以通过螺栓300a使夹紧座124产生弹性变型，更好的固定位移传感器，进而减少因为安装与固定带来的检测误差。

实施例二

请参阅图1至图7，本实施例提供的一种针栓喷注器，可应用于火箭发动机，实现火箭发动机的变推力调节，提高火箭发动机系统工作的稳定性。

请结合参阅图1、图2以及图3，本实施例提供的针栓喷注器，包括喷注头200及上述实施例一提供的伺服电缸闭环控制调节机构100。

其中，喷注头200与驱动模组110连接，喷注头200包括喷头座210及活动设置于喷头座210内的针阀220。

请结合参阅图2和图6，驱动模组110中的电缸本体112的输出轴1210与针阀220通过针栓转接座400连接。电缸本体112的靠近输出轴1210的外壳通过电缸座300与喷头座210连接。

请结合参阅图1、图3以及图7，其中，电缸座300分别通过螺栓300a与电缸本体112的外壳和喷头座210连接。电缸座300为中空结构，方便输出轴1210和针阀220的连接，电缸座300包括位于两端的法兰部310及连接两个法兰部310的多个支撑件320，多个支撑件320之间间隔预定间隙，便于安装在电缸本体112输出轴1210上的感应元件123露出电缸座300外。

本实施例提供的针栓喷注器应用了上述实施例一提供的伺服电缸闭环控制调节机构100，与实施例一具备同样的优点。即提高针栓喷注器的喷注头200中针阀220位置调节精度，使得推进剂喷注时的雾化效果更好，进而将针栓喷注器应用在火箭发动机中，以提高火箭发动机系统工作的稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，应用于针栓喷注器，所述伺服电缸闭环控制调节机构包括驱动模组及测量模组；

所述驱动模组用于连接所述针栓喷注器的喷注头，所述驱动模组的输出轴用于驱动所述喷注头中的针阀沿轴线方向运动；

所述测量模组包括控制元件、检测元件及感应元件，所述控制元件与所述检测元件均设置于所述驱动模组，所述控制元件分别与所述检测元件和驱动模组电连接，所述感应元件设置于所述输出轴，所述感应元件与所述针阀的运动同步；

工作时，所述检测元件与所述感应元件感应配合，所述检测元件用于实时检测所述感应元件的位移信息，所述控制元件用于获取所述位移信息，并控制所述驱动模组按预设方式动作。

2.根据权利要求1所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述驱动模组包括电缸本体及伺服电机，所述电缸本体连接所述伺服电机，所述电缸本体用于将所述伺服电机输出的旋转运动转换成沿轴线方向的运动。

3.根据权利要求2所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述电缸本体为折叠式结构或直列式结构。

4.根据权利要求1所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述驱动模组用于接收所述控制元件发出的指令信息，并按预设方式运动；

其中所述指令信息包括流量信息、压力信息及推力信息中的一种。

5.根据权利要求1所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述检测元件包括位移传感器。

6.根据权利要求1所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述感应元件为感应块，所述感应块呈倒“L”形，所述感应块包括连接体及分别位于所述连接体两端的安装部和感应部，所述安装部与所述输出轴连接，所述感应部与所述检测元件感应配合。

7.根据权利要求1所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述测量模组还包括夹紧座，所述夹紧座用于夹紧所述检测元件。

8.根据权利要求7所述的伺服电缸闭环控制调节机构，其特征在于，所述夹紧座由弹性材料制得。

9.一种针栓喷注器，其特征在于，包括喷注头及如权利要求1-8中任一项所述的伺服电缸闭环控制调节机构；

所述喷注头与所述驱动模组连接，所述喷注头包括喷头座及活动设置于所述喷头座内的针阀。

10.根据权利要求9所述的针栓喷注器，其特征在于，所述驱动模组的输出轴与所述针阀通过针栓转接座连接。

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