一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于伺服機(jī)構(gòu)，具體涉及一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)。它包括：伺服控制器，用于液壓作動(dòng)器位置閉環(huán)和控制特性補(bǔ)償，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于伺服泵內(nèi)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)還用于隔離閥的控制，動(dòng)力控制單元，用于為液壓作動(dòng)器提供控制控制信號(hào)，隔離閥，用于切換出現(xiàn)故障的動(dòng)力控制單元，液壓作動(dòng)器，在伺服控制器的控制下動(dòng)作，位移傳感器，用于探測(cè)液壓作動(dòng)器的動(dòng)作并將探測(cè)結(jié)果輸出給四冗余伺服控制器。本發(fā)明顯著的有益效果是：多余度裝置可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障管理和切換，實(shí)現(xiàn)“伺服機(jī)構(gòu)能源和控制的故障容錯(cuò)能力”，達(dá)到高可靠性能指標(biāo)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于伺服機(jī)構(gòu)，具體涉及一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]伺服機(jī)構(gòu)是我國(guó)對(duì)運(yùn)載火箭飛行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的統(tǒng)稱(chēng)，典型應(yīng)用是搖擺發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施推力矢量控制。液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以液氧和煤油為燃料，具備無(wú)毒、無(wú)污染、高性?xún)r(jià)比和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上的一種主流運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并可能用于載人。相應(yīng)地，搖擺液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)也是必備箭上設(shè)備。由于功率較大(千瓦至數(shù)十千瓦級(jí))，如何解決其能源問(wèn)題成為此類(lèi)伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)方案的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；另一方面，如用于載人運(yùn)載火箭，伺服機(jī)構(gòu)可靠性指標(biāo)要求又特別高，可靠性設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵問(wèn)題。
[0003]伺服機(jī)構(gòu)可以劃分為兩個(gè)基本組成部分:伺服能源和伺服控制。伺服能源解決如何獲得能源的問(wèn)題，并將其轉(zhuǎn)化成可提供給伺服使用的能源；伺服控制解決將作動(dòng)器如何搖擺發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨電子指令運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。由于功率較大，主流方案仍然是液壓能源和電液控制方案。
[0004]國(guó)外此類(lèi)典型的伺服能源方案主要有:美國(guó)Atlas II系列火箭，采用MA-5A液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其渦輪泵齒輪減速箱伸出一根傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)上的液壓泵。美國(guó)SatunV火箭采用Fl液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)alcon系列火箭采用Merlin系列液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，俄羅斯的Energia和Zenith系列火箭以及美國(guó)的Atas III系列和Atas V系列火箭均采用俄羅斯的RD170/180系列液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其伺服機(jī)構(gòu)均采用引流發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵后高壓煤油直接驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器的方案，以最大限度地簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)稱(chēng)“直接引流式”液壓能源方案(如圖1所示)。我國(guó)近年來(lái)已開(kāi)展了液氧煤油運(yùn)載火箭伺服機(jī)構(gòu)的研制工作，有采用“直接引流式”的液壓能源方案，并且在此基礎(chǔ)上研制了 “液動(dòng)機(jī)式”液壓能源方案(如圖2所示)。對(duì)于伺服控制，這些伺服機(jī)構(gòu)均采用傳統(tǒng)的電液伺服閥控制方案。在可靠性設(shè)計(jì)方面，目前主要在伺服機(jī)構(gòu)的電液伺服閥前置級(jí)、作動(dòng)器位移反饋測(cè)量傳感器和控制器三個(gè)方面采取冗余設(shè)計(jì)的措施，以及液壓能源的并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，包括
[0007]液壓作動(dòng)器，輸出往復(fù)運(yùn)動(dòng)，
[0008]動(dòng)力控制單元，將從發(fā)動(dòng)機(jī)引流的高壓煤油轉(zhuǎn)化為液壓作動(dòng)器動(dòng)作，
[0009]隔離閥，用于切換出現(xiàn)故障的動(dòng)力控制單元，
[0010]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于動(dòng)力控制單元內(nèi)的伺服泵中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)還用于隔離閥的控制，[0011 ] 伺服控制器，用于液壓作動(dòng)器位置閉環(huán)和控制特性補(bǔ)償，
[0012]位移傳感器，用于探測(cè)液壓作動(dòng)器的位置并將探測(cè)結(jié)果輸出給四冗余伺服控制器。
[0013]如上所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其中，所述的動(dòng)力控制單元包括與外部連通的液動(dòng)機(jī)，該液動(dòng)機(jī)將從發(fā)動(dòng)機(jī)引流的高壓煤油轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)伺服泵產(chǎn)生可控液壓動(dòng)力，控制作動(dòng)器的雙向運(yùn)動(dòng)。
[0014]如上所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其中，液動(dòng)機(jī)的兩端分別與高油濾、和低油濾連通，在油流動(dòng)的過(guò)程中液動(dòng)機(jī)被油帶動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)與液動(dòng)機(jī)同軸連接的超越離合器、和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)被傳送到伺服泵中，其中，電機(jī)用于地面測(cè)試時(shí)，由超越離合器實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)和電機(jī)的機(jī)械脫離。
[0015]如上所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其中，伺服泵構(gòu)成包括雙向變量柱塞泵和變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)，變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)接收來(lái)自外部的控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)控制變量斜盤(pán)擺角大小和方向，從而改變雙向變量柱塞泵的輸出流量大小和方向，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制。雙向變量柱塞泵在變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)上單向閥或下單向閥將油從油箱中抽出，進(jìn)入油路循環(huán)。
[0016]如上所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其中，隔離閥采用兩位四通電磁閥。
[0017]如上所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其中，將動(dòng)力控制單元與液壓作動(dòng)器集成設(shè)計(jì)，動(dòng)力控制單元安裝在作動(dòng)器一端的四周。
[0018]本發(fā)明顯著的有益效果是:本發(fā)明提出一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用采用液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的多余度(指2?4余度)泵控伺服機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方案。多余度實(shí)質(zhì)上包含變量泵及其控制、液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、作動(dòng)器位移反饋、作動(dòng)器位置閉環(huán)控制、故障切換模塊在內(nèi)的環(huán)節(jié)采用冗余設(shè)計(jì)，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障管理和切換，實(shí)現(xiàn)“伺服機(jī)構(gòu)能源和控制的故障容錯(cuò)能力”，達(dá)到高可靠性能指標(biāo)，顯著降低伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)力元件的功率水平要求和研制難度，特別適用于大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制所需的大功率高可靠伺服機(jī)構(gòu)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1直接引流式的電液伺服閥控制方案原理圖；
[0020]圖2液動(dòng)機(jī)式的電液伺服閥控制方案原理圖；
[0021]圖3本發(fā)明基本構(gòu)成方框圖；
[0022]圖4本發(fā)明的動(dòng)力控制單元和隔離閥原理圖；
[0023]圖5本發(fā)明的伺服機(jī)構(gòu)總體布局簡(jiǎn)圖。
[0024]圖中:1.液動(dòng)機(jī)、2.雙向變量柱塞泵、3.變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)、4.減速器、
5.補(bǔ)油泵、6.增壓機(jī)構(gòu)、7.油箱、8.上單向閥、9.下單向閥、10.電機(jī)、11.超越離合器、
12.高油濾、13.低油濾、14.隔離閥。
【具體實(shí)施方式】
[0025]如附圖3所示，本發(fā)明的基本構(gòu)成包括:四冗余伺服控制器、四冗余電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、四套動(dòng)力控制單元、四套隔離閥和液壓作動(dòng)器，液壓作動(dòng)器內(nèi)含四余度位移傳感器。[0026]四冗余伺服控制器用于液壓作動(dòng)器位置閉環(huán)和控制特性補(bǔ)償。四冗余電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于伺服泵內(nèi)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)還可用于隔離閥的控制。液壓作動(dòng)器在四冗余伺服控制器的控制下動(dòng)作，四余度位移傳感器用于探測(cè)液壓作動(dòng)器的動(dòng)作并將探測(cè)結(jié)果輸出給四冗余伺服控制器。
[0027]如圖4所示，高壓油依次流過(guò)高油濾12、液動(dòng)機(jī)I和低油濾13。液動(dòng)機(jī)I將從發(fā)動(dòng)機(jī)引流的高壓煤油轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)伺服泵產(chǎn)生可控液壓動(dòng)力，控制作動(dòng)器的雙向運(yùn)動(dòng)。具體的說(shuō)，在油流動(dòng)的過(guò)程中液動(dòng)機(jī)I被油帶動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)與液動(dòng)機(jī)I同軸連接的超越離合器11和電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)10的轉(zhuǎn)動(dòng)被傳送到伺服泵中。
[0028]伺服泵可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的伺服泵，也可以采用如下所述的伺服泵。本例中的伺服泵構(gòu)成包括雙向變量柱塞泵2、變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)3和減速器4、補(bǔ)油泵5、增壓機(jī)構(gòu)6 (本例采用蓄能器)、油箱7、上單向閥8和下單向閥9。變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)3接收來(lái)自外部的控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)控制變量斜盤(pán)擺角大小和方向，從而改變雙向變量柱塞泵2的輸出流量大小和方向，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制。雙向變量柱塞泵2在變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)3的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)上單向閥8或下單向閥9將油從油箱7中抽出，進(jìn)入油路循環(huán)，為了解決油路壓力不夠的情況可以在油箱7中增加增壓機(jī)構(gòu)6。
[0029]隔離閥14采用兩位四通電磁閥。動(dòng)力控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，可切換至另一個(gè)位置，溝通伺服泵的兩個(gè)控制油口，隔離其對(duì)作動(dòng)器的影響。故障管理的實(shí)現(xiàn)方式為:在伺服泵、作動(dòng)器上設(shè)置壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等傳感器，由伺服控制器進(jìn)行信息的采集處理和判斷，然后控制電磁閥進(jìn)行切換。
[0030]如圖5所示,將動(dòng)力控制單元與液壓作動(dòng)器集成設(shè)計(jì),動(dòng)力控制單元安裝在作動(dòng)器一端的四周。
[0031]其中，本例給出的增壓機(jī)構(gòu)6和隔離閥14還可以采用其它的適用形式。
[0032]伺服控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器視結(jié)構(gòu)布局需要，可以安裝在液壓作動(dòng)器上；也安裝于箭上其它位置別處，與液壓作動(dòng)器間通過(guò)電纜連接。
[0033]一般情況，一臺(tái)四余度伺服控制器和一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)控制一至四臺(tái)本發(fā)明中的伺服機(jī)構(gòu)。
[0034]如果液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制功率需要為30kW,則每個(gè)動(dòng)力控制單元設(shè)計(jì)功率取15kW，即液動(dòng)機(jī)和變量柱塞泵功率在15kW左右。正常工作時(shí)，四臺(tái)動(dòng)力控制單元同時(shí)工作，每臺(tái)平均分?jǐn)?.5kff的功率。如果兩臺(tái)動(dòng)力控制單元失效，剩余兩臺(tái)仍可以提供全額的控制功率需求。因此，本設(shè)計(jì)具備“能源和控制部件的兩度故障容錯(cuò)能力”。并且，單個(gè)動(dòng)力器件的功率水平與單通道設(shè)計(jì)相比下降了一半。
[0035]同時(shí)，由于火箭推力矢量控制峰值功率總是瞬時(shí)的，經(jīng)常性功率一般也只是最大功率的10%~30%。因此，即便只有一臺(tái)動(dòng)力單元工作，仍可滿足推力矢量控制的最低需求，可以在最危險(xiǎn)時(shí)刻維持火箭的姿態(tài)穩(wěn)定。因此，本設(shè)計(jì)具備“能源和控制的三度故障工作”的高可靠工作能力，是現(xiàn)有產(chǎn)品沒(méi)有的。
[0036]而用于地面測(cè)試的電機(jī)則可取6~10kW，電機(jī)可采用中頻永磁同步電機(jī)的高比功率設(shè)計(jì)。
[0037]變量柱塞泵的功率取15kW，其變量斜盤(pán)的控制功率不超過(guò)lkW，現(xiàn)有的機(jī)電伺服控制完全可以勝任。也因此回避了傳統(tǒng)電液伺服閥節(jié)流控制易受污染的難題以及單純機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)中的大功率伺服電機(jī)控制難題。
[0038]視使用需要，伺服機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)可以采用2至4余度設(shè)計(jì)。
[0039]伺服泵、液動(dòng)機(jī)、電機(jī)、減速器等部件以及伺服控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品，現(xiàn)有發(fā)明均有涉及或者有現(xiàn)成產(chǎn)品，可以作為本發(fā)明的部件或一部分。
【權(quán)利要求】
1.一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括 伺服控制器，用于液壓作動(dòng)器位置閉環(huán)和控制特性補(bǔ)償， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于伺服泵內(nèi)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)還用于隔離閥的控制， 動(dòng)力控制單元，用于為液壓作動(dòng)器提供控制控制信號(hào)， 隔離閥，用于切換出現(xiàn)故障的動(dòng)力控制單元， 液壓作動(dòng)器，在伺服控制器的控制下動(dòng)作， 位移傳感器，用于探測(cè)液壓作動(dòng)器的動(dòng)作并將探測(cè)結(jié)果輸出給四冗余伺服控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述的動(dòng)力控制單元包括與外部連通的液動(dòng)機(jī)(1)，該液動(dòng)機(jī)(I)將從發(fā)動(dòng)機(jī)引流的高壓煤油轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)伺服泵產(chǎn)生可控液壓動(dòng)力，控制作動(dòng)器的雙向運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于:液動(dòng)機(jī)(I)的兩端分別與高油濾(12)、和低油濾(13)連通，在油流動(dòng)的過(guò)程中液動(dòng)機(jī)(I)被油帶動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)與液動(dòng)機(jī)(I)同軸連接的超越離合器、(11)和電機(jī)(10)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)(10)的轉(zhuǎn)動(dòng)被傳送到伺服泵中。
4.如權(quán)利要求1所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于:伺服泵構(gòu)成包括雙向變量柱塞泵(2)和變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)(3)，變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)(3)接收來(lái)自外部的控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)控制變量斜盤(pán)擺角大小和方向，從而改變雙向變量柱塞泵(2)的輸出流量大小和方向，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制。雙向變量柱塞泵(2 )在變量斜盤(pán)控制用伺服電機(jī)(3 )的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)上單向閥(8 )或下單向閥(9)將油從油箱(7)中抽出，進(jìn)入油路循環(huán)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于:隔離閥(14)采用兩位四通電磁閥。
6.如權(quán)利要求1所述的一種液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制用多余度泵控伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于:將動(dòng)力控制單元與液壓作動(dòng)器集成設(shè)計(jì)，動(dòng)力控制單元安裝在作動(dòng)器一端的四周。
【文檔編號(hào)】F02K9/60GK103670801SQ201210329946
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月7日
【發(fā)明者】趙守軍, 張曉莎, 趙迎鑫, 何俊, 曲穎, 陳克勤 申請(qǐng)人:北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院