雙主控閥集成射流管伺服閥的製作方法
2023-05-10 09:12:11 1
本發明涉及一種雙主控閥集成射流管伺服閥，尤其是一種多餘度高性能作動系統中起著電液轉換和功率放大的作用的伺服閥。
背景技術：
現今流體動力控制系統具有多油路控制特性以便適用不同的極其重要的、高可靠性的工況，比如航空系統中的電液伺服控制動作器。在這種系統中，可以避免控制泵站和控制作動器之間冗餘的機械連接、操縱杆等，因為這些連接有一定柔性，可能使輸入信號失真，而且當需要傳遞快速變化的信號時，這些冗餘的質量可能成為影響因素。目前的飛機都是用電液伺服系統控制的，它們在飛行的過程中需要保持相對穩定性，因此提出了本文中的集成閥。
該集成閥集成了一些航空動力結構，這些機構效率高，而且可以提高系統同步輸出性能，因此可以保持系統的穩定性。航空中也需要極度快速響應的控制系統，這種響應速度是機械傳動的控制裝置無法實現的。因此，航空伺服控制系統應運而生，這種系統中有自動控制的機電傳感器，或者具有能自動產生電控制信號，並且能通過信號線而非機械裝置進行遠程伺服控制。伺服控制系統通過伺服閥將電控信號轉換成相應的機械信號或流體信號。這些信號經過放大後可以按照命令使機構運動，比如飛控結構。伺服控制系統中包含電子轉換裝置、傳感器、以及伺服系統中需要的元器件。然而，在伺服系統、航天或者航空系統中，對各種原因導致的故障比較敏感，這些故障常常使得系統不能保證可靠的穩定性。故需要提供一種高可靠性的，具有液壓與電氣冗餘，同時具有兩個能夠同步輸出相同流量特性液壓通道。
技術實現要素：
本發明是要提供一種雙主控閥集成射流管伺服閥，該伺服閥作為多餘度高性能作動系統中的重要液壓控制元件，具有電氣四餘度、液壓兩餘度特性，同時還具有機械備份能力。為此，本發明具有以下目的：
1）提供一種新的具有電氣四餘度、液壓兩餘度特性，同時還具有機械備份能力的液壓控制元件。
2）提供一種自身具備液壓檢測通道可進行自身狀態判別的液壓控制元件。
3）提供一種當正常工作的先導級油路出現故障時，能夠保證性能不降低的液壓控制元件。
4）提供一種雙主控閥閥芯總成方案。
5）提供一種低摩擦力的動密封方案。
6）提供一種液動力補償方案。
本發明實現上述目的所採用的技術方案是：一種雙主控閥集成射流管伺服閥，包括兩個通過獨立液壓流體控制的兩級伺服閥、聯軸器，兩個兩級伺服閥的兩個閥芯通過聯軸器連接在一起構成集成伺服閥；所述兩級伺服閥上對稱裝有兩個先導級組件，用於實現液壓功率放大功能，所述先導級組件由力矩馬達、噴嘴、接收器、反饋杆組成，兩個兩級伺服閥的先導級組件的油源為相互獨立的主備油源，閥體中預留的四個流體通道分別與兩個先導級組件中的兩個接受器輸出的控制壓力油相通，反饋杆與閥芯相連接構成力反饋系統，當四個流體通道的壓力值對應不相等時，相應兩級伺服閥的電氣通道與先導級液壓通道進行隔離，接通處於正常狀態的兩級伺服閥的電氣通道與先導級液壓控制油路通道。
所述力矩馬達裝有兩個線圈組件，每個線圈組件中繞制兩個線圈，四個線圈並聯供電，用於保證兩級伺服閥的電氣四餘度性能。
所述聯軸器上具有一個與機械操縱杆相連的機械操縱點，若兩個兩級伺服閥都被判定處於故障狀態，兩個兩級伺服閥的兩個先導級組件所對應的油源與電氣通道將同時被隔離，此狀態下所述集成伺服閥處於機械操縱模式；若一個兩級伺服閥被判定處於故障狀態，該兩級伺服閥的閥芯被正常工作的兩級伺服閥的閥芯通過聯軸器拉動，處於故障狀態下的兩級伺服閥液流輸出特性不變。
當兩級伺服閥的兩個先導級組件都正常工作時，兩個先導級組件中的接受器輸出壓力對應相等，若監測到所述閥體上與兩個先導級的接受器輸出壓力油相通的四個流體通道中的油液的壓力值不對應相等，即可判定該兩級伺服閥處於故障狀態。
所述聯軸器由球桿組件和平行板組成，球桿組件的球頭與平行板中的平行槽相配合，球桿組件和平行板分別通過螺紋連接兩個閥芯，並用夾緊螺釘鎖緊閥芯，用於防止閥芯旋轉。
所述兩級電液伺服閥的閥芯兩端與閥體之間通過密封套實現一級密封對高壓油進行卸荷，以及通過動密封件實現二級動態密封，其中，密封套與閥體的閥套之間密封間隙為0~2μ，密封套與閥芯間為動密封，密封間隙為2~4μ，所述動密封件由NBR彈性橡膠與Avalon含氟聚化物組成。
所述閥體的閥套進油孔與閥套中心軸線成45°角，當滑閥工作窗口打開時，高壓油液通過該45°斜孔直接衝擊閥芯軸肩上，使得閥芯獲得一定量的開啟力；所述閥芯的回油腔處的軸肩兩側分別設有60°倒角和30°倒角，回油油液衝擊在與閥芯軸線成60°倒角的軸肩上，流經與閥芯軸線成30°倒角的軸肩。
本發明的有益效果：
1、高可靠性：本發明的雙主控閥集成射流管伺服閥是多餘度高性能作動系統中的重要液壓控制元件，具有電氣四餘度、液壓兩餘度特性，同時還具有機械備份控制能力。
2、同步輸出特性：本發明中的兩個兩級伺服閥的閥芯通過由球桿組件和平行板組成的閥芯聯軸器連接在一起，該狀態下兩閥芯間具有5個自由度，兩閥芯在運動過程中不會相互幹涉，同時通過閥芯軸向自由度的限制使得兩個閥芯在運動過程中相對位置不會改變，也就是保證了兩個兩級伺服閥的滑閥工作窗口的打開狀態一致，此狀態下兩個兩級伺服閥的流量輸出特性一致。
3、具有機械操縱性：本發明採用了特殊設計的動密封方案及液動力補償結構，即保證了集成伺服閥在機械操縱模式下，閥芯上的操縱阻力較小，機械操縱性強。
附圖說明
圖1為本發明的雙主控閥集成射流管伺服閥原理構架圖；
圖2為本發明的雙主控閥集成射流管伺服閥結構主視圖；
圖3為本發明中兩級伺服閥A的主剖視圖；
圖4為本發明中兩級伺服閥的左視圖；
圖5為本發明中聯軸器剖視圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
參見圖1~圖5，本發明的雙主控閥集成射流管伺服閥（以下簡稱集成伺服閥），包括兩個通過獨立液壓流體控制的兩級伺服閥A1-1，兩級伺服閥B1-2、閥芯聯軸器3、夾緊螺釘4。從圖2可知，兩級伺服閥A1-1與兩級伺服閥B1-2通過聯軸器3將兩個閥芯A、B5-1，5-2連接在一起構成集成伺服閥，聯軸器3上預留有機械操縱接口，若兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2都處於故障狀態，則通過機械操縱接口控制集成伺服閥。兩級伺服閥A1-1中的兩個先導級組件6-1的控制壓力輸出口AC1、AC2，BC1、BC2中的壓力輸出口AC1、BC1與閥芯A5-1兩端的控制壓力腔XX相接通，反饋杆7與閥芯A5-1相連接構成力反饋系統，控制壓力輸出口AC1、AC2，BC1、BC2與閥體8預留通道相接通，集成伺服閥在正常工作狀態下兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2的AC1與BC2、AC2與BC1的壓力值對應相等，若外置壓力檢測傳感器檢測四個通道的壓力值對應不相等，則判定相應兩級伺服閥故障，並對相應兩級伺服閥的電氣通道與先導級液壓通道進行隔離，接通處於正常狀態的兩級伺服閥的電氣通道與先導級液壓控制油路通道。
兩級伺服閥A1-1中裝有力矩馬達9-1，力矩馬達9-2。兩級伺服閥B1-2中裝有力矩馬達9-3，力矩馬達9-4。
每個力矩馬達中裝有兩個線圈組件，每個線圈組件中繞制兩個線圈，力矩馬達中的四個線圈並聯供電，若力矩馬達的一個、兩個、或者三個線圈發生故障時，剩餘線圈通過的總電流大小不變，力矩馬達輸出力矩不變（總電流大小正比於力矩馬達輸出力），保證了兩級伺服閥的電氣四餘度性能。兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2的先導級組件的油源為相互獨立的主備油源，當一個先導級組件6所屬的兩級伺服閥被判定處於故障狀態時，該兩級伺服閥所對應的兩個先導級組件6的液壓控制油路及電氣通道將被隔離，並接通另一兩級伺服閥所對應的兩個先導級組件6控制油路及電氣通道。聯軸器3分別與兩個兩級伺服閥的閥芯A5-1、閥芯B5-2相連，聯軸器3上具有一個與機械結構相連的機械操縱點S，若兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2都被判定處於故障狀態，兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2的先導級組件6所對應的控制油路將同時被隔離，此狀態下所述集成伺服閥處於機械操縱模式。
每個兩級伺服閥上對稱裝有兩個先導級組件6，力矩馬達分別與噴嘴10、接收器11組成先導級組件6，實現液壓功率放大功能，閥體8中預留有四個流體通道分別與兩個先導級組件6中的兩個接受器11輸出的控制壓力油相通，當兩級伺服閥的兩個先導級組件6都正常工作時，兩個先導級組件6中的接受器11輸出壓力對應相等，若外置壓力傳感器監測到閥體8上與兩個先導級組件6的接受器11輸出控制壓力油相通的四個流體通道中的油液的壓力值不對應相等，即可判定該兩級伺服閥處於故障狀態。
兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2的閥芯A、B5-1，5-2通過聯軸器3相連，若一個兩級伺服閥A1-1被判定處於故障狀態，該兩級伺服閥A1-1的閥芯A5-1被正常工作的兩級伺服閥B1-2的閥芯B5-2通過聯軸器3拉動，處於故障狀態下的兩級伺服閥A1-1液流輸出特性不變。
兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2同步工作，閥芯A、B5-1，5-2在運動過程中，閥芯A、B5-1，5-2需要4個自由度。將閥芯A、B5-1，5-2運動方向、垂直安裝底面方向作為直角坐標系的+X、+Y方向，建立直角坐標系。在此直角坐標系中閥芯A、B5-1，5-2運動過程中需保證Y方向、Z向兩個平移自由度與Z軸旋轉自由度、Y軸旋轉自由度。閥芯A、B5-1，5-2通過聯軸器3進行總成，該聯軸器3由球桿組件16和平行板17兩部分組成，兩部分分別與閥芯A、B5-1，5-2相連，聯軸器3的球桿組件16的球頭與平行板17中的平行槽相配合，該配合部位採用1~2μ間隙配合，聯軸器3材料選用17-4PH。閥芯A、B5-1，5-2通過螺紋結構與聯軸器3相連，聯軸器3的球桿組件16和平行板17上都預留有貫穿螺紋孔，閥芯A、B5-1，5-2與聯軸器3裝配完成後，將四個夾緊螺釘4安裝在預留螺紋孔中，對閥芯進行防旋轉鎖緊。
以兩級伺服閥A1-1為例（圖2），兩級伺服閥A1-1的閥芯A5-1兩端處於閥體8外部，需要對閥芯A5-1兩端進行動密封。該處採用了兩級密封的密封方案，通過一級密封對高壓油進行卸荷，二級密封實現動態密封。一級密封採用機械間隙密封，密封套12-1與閥套13密封間隙為0~2μ,密封套12-1與閥套13之間為靜密封，在0~2μ的間隙密封條件下，該處可實現無洩漏密封，同時0~2μ的密封間隙可以很好的保證密封套12-1孔與閥套13孔的同軸度；密封套12-1與閥芯A5-1間的密封間隙為2~4μ，密封套12-1與閥芯A5-1間為動密封，在2~4μ的間隙密封條件下，該處密封可實現靜態密封無洩漏、動態密封過程中僅有少量附著於閥芯A5-1表面的油膜在閥芯A5-1運動過程中被帶出，同時該處間隙密封幾乎不產生摩擦力。二級密封按AS4716標準選用Advancap結構動密封件15，該動密封件15由NBR彈性橡膠與Avalon含氟聚化物（與閥芯接觸）組成。在經一級密封結構卸荷降壓後，二級密封處的油壓較低，在此條件下，含氟聚化物與閥芯A5-1的接觸壓力較低，閥芯A5-1與動密封件15的密封摩擦力相對於常規密封結構產生的密封摩擦力大大降低。
集成伺服閥具有機械控制模式，因機械控制模式需通過撥叉槓桿結構撥動閥芯A、B5-1，5-2，這就要求在撥動過程中閥芯A、B5-1，5-2上不能夠有過大的軸向阻力，也就是閥芯A、B5-1，5-2上液動力不能過大。在集成伺服閥的額定使用工況下：供回油壓差28MPa、兩級伺服閥A1-1和兩級伺服閥B1-2流量115L/min下，常規滑閥結構將會產生362.2N的液動力。為減小滑閥液動力，提高集成閥在機械控制模式下的可操縱性，對滑閥進行了液動力補償設計。在該液動力補償設計方案中，閥套13進油孔與閥套13中心軸線成45°角，當滑閥工作窗口打開時，高壓油液通過該45°斜孔直接衝擊閥芯A、B5-1，5-2軸肩上，使得閥芯A、B5-1，5-2獲得一定量的開啟力。同時，滑閥的閥芯A、B5-1，5-2採用負力窗孔設計，閥芯A、B5-1，5-2回油腔處的軸肩設計為60°、30°倒角，回油油液衝擊在與閥芯A、B5-1，5-2軸線成60°倒角的軸肩上，流經與閥芯A、B5-1，5-2軸線成30°倒角的軸肩。通過閥套13斜孔與閥芯A、B5-1，5-2回油負力窗孔組合設計，液動力補償效率可達到75%。