CN1400455A - 液压能源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在超高温或低温环境下工作的液压能源装置，它由两套高温泵组并联构成，每一套都是由高温缸、进油单向阀、常温驱动缸、出油单向阀组成，每套高温泵组由常温驱动缸通过管道同比例换向阀相连，通过比例换向阀的管道另一端与常温液压源相连，高温缸的活塞随常温驱动缸的活塞运动而运动，并完成进油和出油。该装置由计算机决定比例换向阀的开放大小以控制常温液压源供给常温缸的流量和压力，用单个神经元自适应PID(Proportional Integral Differential)控制进行***动态补偿。本发明经试验实测表明达到指标为输出压力为28MPa，输出流量为60L/Min，压力脉动为＜10％，介质温度可高达160℃，低温可达－60℃。

Description

液压能源装置

                        技术领域

本发明涉及一种泵在特殊工作环境下进行液压元部件性能测试的装置，更特别的是指一种超高温或低温液压能源装置，属流体控制技术领域。

                        背景技术

液压元部件在机械、交通、航空航天等领域得到广泛的应用，它的性能好坏，可直接影响整个设备的质量和性能。为了保证其在某些恶劣环境下工作的可靠性，对有些液压元部件需要在特殊工作环境下进行性能测试，因此需要提供该特殊工作环境并进行测试的设备。如航空航天领域的液压元部件，要求其在高温(如高达160℃)或低温(如零下60℃)工作介质及工作环境下，以恒定液压压力和液压流量稳定进行工作。对这些元部件就需要在地面进行相应的环境及相应的介质温度下进行性能测试，以保证其工作可靠。

目前用的多柱塞旋转泵液压能源装置(请参见图1所示)，在图1中，其基本结构为：9根柱塞112均匀分布在旋转缸体113的轴向孔内，并能在其中自由滑动，斜盘108与配流流盘107固定不动，传动轴114带动旋转缸体113和柱塞112旋转，柱塞112球头带有滑靴并紧靠在斜盘108上，旋转缸体113旋转时，柱塞112在旋转缸体113的轴向孔内作往复运动，由于斜盘108有斜角，所以柱塞112半周处于吸油状态，另半周处于打油状态，吸油时它与配流盘117的低压油孔相通，打油时它与配流盘117的高压油孔相通并接高压输出管路。该结构存在有较多磨擦副，柱塞112与旋转缸体113孔有磨擦副，头部滑靴与斜盘108有9个磨擦副，旋转缸体113与配流盘117有磨擦副。磨擦副间隙很小，形不成油膜时，就会产生干摩礤，甚至烧毁，故这种泵不能承受超高温和超低温工况。由于柱塞的高速旋转，高温下油的粘度很小，油泵会因摩擦副处形成不了油膜而受损，同样在低温下油的粘度很大，使柱塞吸空造成空穴。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种在超高温或低温环境下进行液压元部件性能可靠性测试的液压能源装置，该装置大大降低了油泵的磨擦副，测试性能可靠性高，数据计算准确，操作简便，结构简单、成本低廉。

本发明的液压能源装置，由两组高温缸1、201、进油单向阀2、202、常温驱动缸3、203、出油单向阀11、211、比例换向阀4、204组成的高温泵组，以及常温液压源5、测试件6、电液控制器7、计算机8、回油箱9、供油箱10、热交换器12、压力传感器13、溢流阀14构成；所述的进油单向阀2一端经管道连在高温缸1上，另一端经管道连在供油箱10上，所述的出油单向阀11一端经管道连在高温缸1上，另一端经管道连接被试件6、热交换器12和回油箱9上，所述的常温驱动缸3通过管道同比例换向阀4和常温液压源5相连，所述的回油箱9同供油箱10之间有一过滤装置而连通，所述的计算机8发出指令信号，经由电液控制器7功率放大后输出电流到比例换向阀4上，所述的溢流阀14一端连在***的输出端点即被试件6的前头，另一端连在回油箱9的管道上，所述的压力传感器13一端连在被试件6输出端点上，另一端的电压输出给电液控制器7的检测泵源***压力接口；所述的另一高温泵组进油单向阀202一端经管道连在高温缸201上，另一端经管道连在供油箱10上，出油单向阀211一端经管道连在高温缸201上，另一端经管道连接被试件6、热交换器12和回油箱9上，常温驱动缸203通过管道同比例换向阀204和常温液压源5相连。

所述的液压能源装置，该装置的介质温度为-60℃～160℃，高温可达160℃，低温可达-60℃。

所述的液压能源装置，其加载到比例换向阀上的控制信号电流由计算机8输出经过电流控制器7提供，两个比例换向阀4、204的电流信号是三角波形式，其相位差为90度。

所述的液压能源装置，其计算机8采用单个神经元自适应PID控制方法，利用神经源的权值改变，自适地改变PID三个比例系数来对***做动态补偿，设计了自适动态补偿控制程序，对比例换向阀4、204的死区特性进行了动态补偿。

所述的液压能源装置，常温工作介质始终在常温驱动缸3、203常温液压源之间的管道及油箱中循环，而高温工作介质始终在高温活塞泵、管道和高温油箱中循环，实现了常温介质与高温介质的隔离。

所述的液压能源装置，泵的输出流量波形具有与控制信号相同的波形，双缸输出的合成流量可由计算机8协调控制。

所述的液压能源装置，输出压力为28Mpa，输出流量为60L/Min，压力脉动为＜10％。

所述的液压能源装置，高温缸中使用的密封圈为耐高温的氟塑料橡胶密封圈。

本发明与多柱塞旋转泵相比较，不仅摩擦副大大减少，而且因本发明所用的泵的尺寸、体积以及摩擦副接触面积显著增大，泵源运动速度大大降低，所以有利于耐高温，减少了油液粘度引起的摩擦，延长了工作寿命。该发明结构简单，有利于维护和检修，成本低。加上采用计算机进行补偿与控制，消除了因换向、比例阀的死区、动态延迟及泄漏等引起的输出压力脉动，保证了输出压力的恒定。

                        附图说明

图1是多柱塞旋转泵的原理结构图。

图2是本发明的结构框图。

图3(a)、(b)是本发明的加在比例换向阀上的相位差为90度的信号电流随时间的变化图。

图4(a)、(b)是本发明的两泵组输出流量随时间的变化图。

图5是本发明的补偿后的***输出压力的实测曲线图。

图6是本发明的补偿前的***输出压力的实测曲线图。

图中：1.高温缸      2.进油单向阀    3.常温驱动缸    4.比例换向阀      5.常温液压源  6.被试件        7.电液控制器    8.计算机9.回油箱  10.供油箱     11.出油单向阀   12.热交换器13.压力传感器     14.溢流阀         201.高温缸      202.进油单向阀203.常温驱动缸    204.比例换向阀    211.出油单向阀

                        具体实施例

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

在图2中，上边的高温泵组由高温缸1、两个进油单向阀2、两个出油单向阀11和常温驱动缸3组成，所述的同高温缸1相连的两个进油单向阀2经管道连接在供油箱10上，所述的同高温缸1相连的两个出油单向阀11经输出管道连接在回油箱9上，在此管道上设有被试件6、压力传感器13的测点、溢流阀14的接点，所述的高温缸1中使用的密封圈是用氟塑料特制的耐高温橡胶制；所述的常温驱动缸3通过管道与比例换向阀4相连，比例换向阀4的另一端又通过管道与常温液压源5相连。当计算机8输出控制信号经电液控制器7放大的功率电流加载到比例换向阀4上时，比例换向阀4开启，常温液压源5则将液压油压入常温驱动缸3中，从而使常温驱动缸3的活塞运动并推动高温缸1的活塞运动，比如，向左，此时进油单向阀2打开，油从供油箱10被吸入到高温缸1的右端；当常温驱动缸3将高温缸1拉向相反方向即向右时高温缸1下边的出油单向阀11打开，高温缸1将其内的油液通过出油单向阀11打入连接被试件6的输出管道，油液通过被试件6后返回到回油箱9。同样，所述的下边的高温泵组由高温缸201、进油单向阀202、出油单向阀211及常温驱动缸203组成，与此同时，当信号电流加载到比例换向阀204上时，比例换向阀204开启，常温液压源5将液压油压入到常温驱动缸203中，从而使常温驱动缸203中的活塞运动，同时推动高温缸201的活塞运动，此时油液从进油单向阀202进入高温缸201内，接着高温缸201随着常温驱动缸203的返回而拉回，则高温缸201内的油液通过出油单向阀211进入与被试件6相连的输出管道，与前一组油液叠加形成试件6所需要的高温或者低温的恒定压力液压油，通过被试件6的油液回到回油箱9，回油箱9与供油箱10实际上经过过滤装置是连通的。在比例换向阀4、204上加载的信号是三角波的形式，并且比例换向阀4、204上的相位相差是90度。

在本发明中常温工作介质在常温驱动缸3、203与常温液压源5之间的管路中循环，而高温工作介质在高温缸1、201与管路和高温油箱中循环，这样，通过常温驱动缸和高温活塞泵实现了常温工作介质和高温工作介质的隔离。常温液压源5作为实际的工作泵源提供动力，驱动高温泵组实现往复动作，因此通过机械方式串联成为一体的常温驱动缸3、203和高温缸1、201就成为了名副其实的隔离式的液压泵。

在本发明的泵源***之所以采用两组并联液压隔离缸，是因为单组液压缸的泵源***会产生较大的压力脉动。

下面进一步说明本发明是如何解决输出压力的脉动并消除换向、比例换向阀死区、动态延迟及泄漏影响的。

计算机的协调控制：

为了避免高温泵组活塞杆换向时的机械冲击并保持***输出的压力基本恒定，如上所述我们采用两套结构尺寸相同的高温泵组并联组成高温泵源，如图2所示。输入信号电流i以三角波的形式分别加载到各自的比例换向阀4、204上，通过调节比例换向阀的开度实现对高温泵组运动速度的调节。如果两台高温泵组的三角波输入信号能够有一定而合理的相位差即90°，则不但可以消除泵组活塞杆换向时对高温泵组产生的大的机械冲击，也可以消除活塞杆换向时产生的压力冲击并使泵源***的压力脉动情况得到削弱，很好地提高了泵源***的工作性能和工作寿命。以较佳情况为例，三角波的周期T和幅度A可以通过被试作动筒的行程循环参数和比例阀的流量特性曲线确定。比例换向阀的输入控制信号的波形如图3所示。对于电液比例阀，在一定的压差范围内，通过比例换向阀4、204节流口的油液流量与控制信号成比例关系，因此如果比例换向阀4、204输入为三角波，则流入高温泵组常温驱动缸3、203油液的流量的变化也应该呈三角波形式。不考虑油液的压缩、泄漏等情况，则根据液压缸的流量方程

                    Q＝AV式中，A是液压缸工作腔的有效面积，所以液压缸活塞杆的运动速度V与油液流量Q成比例，最终每个高温泵组排出的油液流量都是与输入控制信号呈比例关系的三角波。并且两泵组的输出流量的波形具有与控制信号波形相同的相位差。这时两个高温泵组的各自流量规律如图4所示。双泵组的泵源***总的输出流量Q由Q₁、Q₂叠加，由图可以看出：Q₁、Q₂叠加后，可以使***总流量保持衡定值。这样，由高温泵组引起的压力脉动在理论上就被消除了。这里计算机协调控制是关健，如果两台高温泵组的三角波输入信号波形与相位协调不好，输出压力将会有较大波动。

比例换向阀的死区补偿：

如图4所示，Q₁，Q₂叠加，当相位相差90度时，理论上可获得恒值的流量输出，但是在实际泵源***中可能出现各种非理想状况，如油液的可压缩性、泄漏、比例阀的死区等非线性特性及***动态等，这些都能够造成***输出流量和压力的脉动。

影响***输出压力的众多非线性因素中，比例换向阀死区特性的影响最大，削弱比例阀死区对***输出压力的影响将会有效地提高***的输出特性。

可根据比例换向阀死区的大小对死区实行静态补偿，比较简单，对响应时间没有较高要求的***是有效的。但是如果指令信号频率较高，特别是要求***输出对指令输入实现点点跟随时，由于比例阀死区通常较大，阀的频宽又较低，使得阀通过死区需要较长时间，因此对于速度控制，当改变运动方向时就会使***产生较大的跟随误差。此外，当阀的输出压力和流量发生变化时，阀的死区值也有变化。因此，采用比例阀死区的静态补偿不能适用于高精度和高响应速度的情况。本发明是采用比例阀死区动态补偿，即根据***输入与输出的差值信号e和差值变化率信号Δe输出一个死区补偿信号U，是借助计算机在线确定的变化死区补偿值。计算机自动存储了不同工况下得到的精确补偿值，下次遇见相同的工况时可直接调用存储的死区补偿值。

计算机控制：

该***要求对指令三角波实现点点跟随，但由于***动态以及两个液压缸、比例阀的参数及摩擦等不可能完全相同，因而运动速度不可能完全一样。为此需考虑一定的控制策略，提高***的输出性能。

实验结果表明，单纯的PID(Proportional Integral Differential)控制，即比例、积分、微分控制对***动态补偿、精度都有一定效果。但***本身具有非线性及时变性，输出特性不十分理想。单个自适应神经元既有神经网络的优点，又能适应快速过程实时控制的要求，网络结构也简单，故本发明采用单个神经元自适应PID控制策略，利用神经元的权值改变，自适地改变PID三个比例系数，获得了理想的输出压力特性。

图5、图6分别示出补偿后与补偿前的***输出压力的实测曲线，补偿后压力波动小于8％，符合液压能源技术标准。

本发明的样机进行了全面的试验，输出的压力波动符合国标要求，此设备已成功用于某型号飞机的液压部件超低温-60℃到高温150℃的元部件的性能试验。

本发明的装置操作方便、结构简单、成本低廉。

Claims (9)

1、一种液压能源装置，其特征在于：由两组并联高温缸(1)、(201)、进油单向阀(2)、(202)、常温驱动缸(3)、(203)、出油单向阀(11)、(211)、比例换向阀(4)、(204)组成的高温泵组，以及常温液压源(5)、被试件(6)、电液控制器(7)、计算机(8)、回油箱(9)、供油箱(10)、热交换器(12)、压力传感器(13)、溢流阀(14)构成；所述的进油单向阀(2)一端经管道连在高温缸(1)上，另一端经管道连在供油箱(10)上，所述的出油单向阀(11)一端经管道连在高温缸(1)上，另一端经管道连接被试件(6)、热交换器(12)和回油箱(9)上，所述的常温驱动缸(3)通过管道同比例换向阀(4)和常温液压源(5)相连，所述的回油箱(9)同供油箱(10)之间有一过滤装置而连通，所述的计算机(8)发出指令信号，经由电液控制器(7)功率放大后输出电流到比例换向阀(4)、(204)上，所述的溢流阀(14)一端连在***的输出端点即被试件(6)的前头，另一端连在回油箱(9)的管道上，所述的压力传感器(13)一端连在被试件(6)输出端点上，另一端的电压输出给电液控制器(7)的检测泵源***压力接口；所述的另一高温泵组进油单向阀(202)一端经管道连在高温缸(201)上，另一端经管道连在供油箱(10)上，出油单向阀(211)一端经管道连在高温缸(201)上，另一端经管道连接被试件(6)、热交换器(12)和回油箱(9)上，常温驱动缸(203)通过管道同比例换向阀(204)和常温液压源(5)相连。

2、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：该装置的介质温度为-60℃～160℃。

3、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：该装置的介质温度高温可达160℃，低温可达-60℃。

4、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：加载到比例换向阀上的控制信号电流由计算机(8)输出经过电流控制器(7)提供，两个比例换向阀(4)、(204)的电流信号是三角波形式，其相位差为90度。

5、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：计算机(8)采用单个神经元自适应PID控制方法，利用神经源的权值改变，自适地改变PID三个比例系数来对***做动态补偿，设计了自适动态补偿控制程序，对比例换向阀(4)、(204)的死区特性进行了动态补偿。

6、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：常温工作介质始终在常温驱动缸(3)、(203)常温液压源之间的管道及油箱中循环，而高温工作介质始终在高温活塞泵、管道和高温油箱中循环，实现了常温介质与高温介质的隔离。

7、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：泵的输出流量波形具有与控制信号相同的波形，双缸输出的合成流量可由计算机(8)协调控制。

8、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：该装置输出压力为28Mpa，输出流量为60L/Min，压力脉动为＜10％。

9、根据权利要求1所述的液压能源装置，其特征在于：高温缸(1)、(201)中使用的密封圈为耐高温的氟塑料橡胶密封圈。

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