專利名稱：液壓能源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種泵在特殊工作環(huán)境下進行液壓元部件性能測試的裝置，更特別的是指一種超高溫或低溫液壓能源裝置，屬流體控制技術領域。
背景技術：
液壓元部件在機械、交通、航空航天等領域得到廣泛的應用，它的性能好壞，可直接影響整個設備的質(zhì)量和性能。為了保證其在某些惡劣環(huán)境下工作的可靠性，對有些液壓元部件需要在特殊工作環(huán)境下進行性能測試，因此需要提供該特殊工作環(huán)境并進行測試的設備。如航空航天領域的液壓元部件，要求其在高溫(如高達160℃)或低溫(如零下60℃)工作介質(zhì)及工作環(huán)境下，以恒定液壓壓力和液壓流量穩(wěn)定進行工作。對這些元部件就需要在地面進行相應的環(huán)境及相應的介質(zhì)溫度下進行性能測試，以保證其工作可靠。
目前用的多柱塞旋轉(zhuǎn)泵液壓能源裝置(請參見圖1所示)，在圖1中，其基本結(jié)構(gòu)為9根柱塞112均勻分布在旋轉(zhuǎn)缸體113的軸向孔內(nèi)，并能在其中自由滑動，斜盤108與配流流盤107固定不動，傳動軸114帶動旋轉(zhuǎn)缸體113和柱塞112旋轉(zhuǎn)，柱塞112球頭帶有滑靴并緊靠在斜盤108上，旋轉(zhuǎn)缸體113旋轉(zhuǎn)時，柱塞112在旋轉(zhuǎn)缸體113的軸向孔內(nèi)作往復運動，由于斜盤108有斜角，所以柱塞112半周處于吸油狀態(tài)，另半周處于打油狀態(tài)，吸油時它與配流盤117的低壓油孔相通，打油時它與配流盤117的高壓油孔相通并接高壓輸出管路。該結(jié)構(gòu)存在有較多磨擦副，柱塞112與旋轉(zhuǎn)缸體113孔有磨擦副，頭部滑靴與斜盤108有9個磨擦副，旋轉(zhuǎn)缸體113與配流盤117有磨擦副。磨擦副間隙很小，形不成油膜時，就會產(chǎn)生干摩礤，甚至燒毀，故這種泵不能承受超高溫和超低溫工況。由于柱塞的高速旋轉(zhuǎn)，高溫下油的粘度很小，油泵會因摩擦副處形成不了油膜而受損，同樣在低溫下油的粘度很大，使柱塞吸空造成空穴。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在超高溫或低溫環(huán)境下進行液壓元部件性能可靠性測試的液壓能源裝置，該裝置大大降低了油泵的磨擦副，測試性能可靠性高，數(shù)據(jù)計算準確，操作簡便，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。
本發(fā)明的液壓能源裝置，由兩組高溫缸1、201、進油單向閥2、202、常溫驅(qū)動缸3、203、出油單向閥11、211、比例換向閥4、204組成的高溫泵組，以及常溫液壓源5、測試件6、電液控制器7、計算機8、回油箱9、供油箱10、熱交換器12、壓力傳感器13、溢流閥14構(gòu)成；所述的進油單向閥2一端經(jīng)管道連在高溫缸1上，另一端經(jīng)管道連在供油箱10上，所述的出油單向閥11一端經(jīng)管道連在高溫缸1上，另一端經(jīng)管道連接被試件6、熱交換器12和回油箱9上，所述的常溫驅(qū)動缸3通過管道同比例換向閥4和常溫液壓源5相連，所述的回油箱9同供油箱10之間有一過濾裝置而連通，所述的計算機8發(fā)出指令信號，經(jīng)由電液控制器7功率放大后輸出電流到比例換向閥4上，所述的溢流閥14一端連在系統(tǒng)的輸出端點即被試件6的前頭，另一端連在回油箱9的管道上，所述的壓力傳感器13一端連在被試件6輸出端點上，另一端的電壓輸出給電液控制器7的檢測泵源系統(tǒng)壓力接口；所述的另一高溫泵組進油單向閥202一端經(jīng)管道連在高溫缸201上，另一端經(jīng)管道連在供油箱10上，出油單向閥211一端經(jīng)管道連在高溫缸201上，另一端經(jīng)管道連接被試件6、熱交換器12和回油箱9上，常溫驅(qū)動缸203通過管道同比例換向閥204和常溫液壓源5相連。
所述的液壓能源裝置，該裝置的介質(zhì)溫度為-60℃～160℃，高溫可達160℃，低溫可達-60℃。
所述的液壓能源裝置，其加載到比例換向閥上的控制信號電流由計算機8輸出經(jīng)過電流控制器7提供，兩個比例換向閥4、204的電流信號是三角波形式，其相位差為90度。
所述的液壓能源裝置，其計算機8采用單個神經(jīng)元自適應PID控制方法，利用神經(jīng)源的權(quán)值改變，自適地改變PID三個比例系數(shù)來對系統(tǒng)做動態(tài)補償，設計了自適動態(tài)補償控制程序，對比例換向閥4、204的死區(qū)特性進行了動態(tài)補償。
所述的液壓能源裝置，常溫工作介質(zhì)始終在常溫驅(qū)動缸3、203常溫液壓源之間的管道及油箱中循環(huán)，而高溫工作介質(zhì)始終在高溫活塞泵、管道和高溫油箱中循環(huán)，實現(xiàn)了常溫介質(zhì)與高溫介質(zhì)的隔離。
所述的液壓能源裝置，泵的輸出流量波形具有與控制信號相同的波形，雙缸輸出的合成流量可由計算機8協(xié)調(diào)控制。
所述的液壓能源裝置，輸出壓力為28Mpa，輸出流量為60L/Min，壓力脈動為＜10％。
所述的液壓能源裝置，高溫缸中使用的密封圈為耐高溫的氟塑料橡膠密封圈。
本發(fā)明與多柱塞旋轉(zhuǎn)泵相比較，不僅摩擦副大大減少，而且因本發(fā)明所用的泵的尺寸、體積以及摩擦副接觸面積顯著增大，泵源運動速度大大降低，所以有利于耐高溫，減少了油液粘度引起的摩擦，延長了工作壽命。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，有利于維護和檢修，成本低。加上采用計算機進行補償與控制，消除了因換向、比例閥的死區(qū)、動態(tài)延遲及泄漏等引起的輸出壓力脈動，保證了輸出壓力的恒定。
圖1是多柱塞旋轉(zhuǎn)泵的原理結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3(a)、(b)是本發(fā)明的加在比例換向閥上的相位差為90度的信號電流隨時間的變化圖。
圖4(a)、(b)是本發(fā)明的兩泵組輸出流量隨時間的變化圖。
圖5是本發(fā)明的補償后的系統(tǒng)輸出壓力的實測曲線圖。
圖6是本發(fā)明的補償前的系統(tǒng)輸出壓力的實測曲線圖。
圖中1.高溫缸 2.進油單向閥3.常溫驅(qū)動缸4.比例換向閥 5.常溫液壓源 6.被試件7.電液控制器8.計算機9.回油箱 10.供油箱 11.出油單向閥 12.熱交換器13.壓力傳感器 14.溢流閥 201.高溫缸 202.進油單向閥203.常溫驅(qū)動缸204.比例換向閥211.出油單向閥具體實施例下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
在圖2中，上邊的高溫泵組由高溫缸1、兩個進油單向閥2、兩個出油單向閥11和常溫驅(qū)動缸3組成，所述的同高溫缸1相連的兩個進油單向閥2經(jīng)管道連接在供油箱10上，所述的同高溫缸1相連的兩個出油單向閥11經(jīng)輸出管道連接在回油箱9上，在此管道上設有被試件6、壓力傳感器13的測點、溢流閥14的接點，所述的高溫缸1中使用的密封圈是用氟塑料特制的耐高溫橡膠制；所述的常溫驅(qū)動缸3通過管道與比例換向閥4相連，比例換向閥4的另一端又通過管道與常溫液壓源5相連。當計算機8輸出控制信號經(jīng)電液控制器7放大的功率電流加載到比例換向閥4上時，比例換向閥4開啟，常溫液壓源5則將液壓油壓入常溫驅(qū)動缸3中，從而使常溫驅(qū)動缸3的活塞運動并推動高溫缸1的活塞運動，比如，向左，此時進油單向閥2打開，油從供油箱10被吸入到高溫缸1的右端；當常溫驅(qū)動缸3將高溫缸1拉向相反方向即向右時高溫缸1下邊的出油單向閥11打開，高溫缸1將其內(nèi)的油液通過出油單向閥11打入連接被試件6的輸出管道，油液通過被試件6后返回到回油箱9。同樣，所述的下邊的高溫泵組由高溫缸201、進油單向閥202、出油單向閥211及常溫驅(qū)動缸203組成，與此同時，當信號電流加載到比例換向閥204上時，比例換向閥204開啟，常溫液壓源5將液壓油壓入到常溫驅(qū)動缸203中，從而使常溫驅(qū)動缸203中的活塞運動，同時推動高溫缸201的活塞運動，此時油液從進油單向閥202進入高溫缸201內(nèi)，接著高溫缸201隨著常溫驅(qū)動缸203的返回而拉回，則高溫缸201內(nèi)的油液通過出油單向閥211進入與被試件6相連的輸出管道，與前一組油液疊加形成試件6所需要的高溫或者低溫的恒定壓力液壓油，通過被試件6的油液回到回油箱9，回油箱9與供油箱10實際上經(jīng)過過濾裝置是連通的。在比例換向閥4、204上加載的信號是三角波的形式，并且比例換向閥4、204上的相位相差是90度。
在本發(fā)明中常溫工作介質(zhì)在常溫驅(qū)動缸3、203與常溫液壓源5之間的管路中循環(huán)，而高溫工作介質(zhì)在高溫缸1、201與管路和高溫油箱中循環(huán)，這樣，通過常溫驅(qū)動缸和高溫活塞泵實現(xiàn)了常溫工作介質(zhì)和高溫工作介質(zhì)的隔離。常溫液壓源5作為實際的工作泵源提供動力，驅(qū)動高溫泵組實現(xiàn)往復動作，因此通過機械方式串聯(lián)成為一體的常溫驅(qū)動缸3、203和高溫缸1、201就成為了名副其實的隔離式的液壓泵。
在本發(fā)明的泵源系統(tǒng)之所以采用兩組并聯(lián)液壓隔離缸，是因為單組液壓缸的泵源系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的壓力脈動。
下面進一步說明本發(fā)明是如何解決輸出壓力的脈動并消除換向、比例換向閥死區(qū)、動態(tài)延遲及泄漏影響的。
計算機的協(xié)調(diào)控制為了避免高溫泵組活塞桿換向時的機械沖擊并保持系統(tǒng)輸出的壓力基本恒定，如上所述我們采用兩套結(jié)構(gòu)尺寸相同的高溫泵組并聯(lián)組成高溫泵源，如圖2所示。輸入信號電流i以三角波的形式分別加載到各自的比例換向閥4、204上，通過調(diào)節(jié)比例換向閥的開度實現(xiàn)對高溫泵組運動速度的調(diào)節(jié)。如果兩臺高溫泵組的三角波輸入信號能夠有一定而合理的相位差即90°，則不但可以消除泵組活塞桿換向時對高溫泵組產(chǎn)生的大的機械沖擊，也可以消除活塞桿換向時產(chǎn)生的壓力沖擊并使泵源系統(tǒng)的壓力脈動情況得到削弱，很好地提高了泵源系統(tǒng)的工作性能和工作壽命。以較佳情況為例，三角波的周期T和幅度A可以通過被試作動筒的行程循環(huán)參數(shù)和比例閥的流量特性曲線確定。比例換向閥的輸入控制信號的波形如圖3所示。對于電液比例閥，在一定的壓差范圍內(nèi)，通過比例換向閥4、204節(jié)流口的油液流量與控制信號成比例關系，因此如果比例換向閥4、204輸入為三角波，則流入高溫泵組常溫驅(qū)動缸3、203油液的流量的變化也應該呈三角波形式。不考慮油液的壓縮、泄漏等情況，則根據(jù)液壓缸的流量方程Q＝AV式中，A是液壓缸工作腔的有效面積，所以液壓缸活塞桿的運動速度V與油液流量Q成比例，最終每個高溫泵組排出的油液流量都是與輸入控制信號呈比例關系的三角波。并且兩泵組的輸出流量的波形具有與控制信號波形相同的相位差。這時兩個高溫泵組的各自流量規(guī)律如圖4所示。雙泵組的泵源系統(tǒng)總的輸出流量Q由Q1、Q2疊加，由圖可以看出Q1、Q2疊加后，可以使系統(tǒng)總流量保持衡定值。這樣，由高溫泵組引起的壓力脈動在理論上就被消除了。這里計算機協(xié)調(diào)控制是關健，如果兩臺高溫泵組的三角波輸入信號波形與相位協(xié)調(diào)不好，輸出壓力將會有較大波動。
比例換向閥的死區(qū)補償如圖4所示，Q1，Q2疊加，當相位相差90度時，理論上可獲得恒值的流量輸出，但是在實際泵源系統(tǒng)中可能出現(xiàn)各種非理想狀況，如油液的可壓縮性、泄漏、比例閥的死區(qū)等非線性特性及系統(tǒng)動態(tài)等，這些都能夠造成系統(tǒng)輸出流量和壓力的脈動。
影響系統(tǒng)輸出壓力的眾多非線性因素中，比例換向閥死區(qū)特性的影響最大，削弱比例閥死區(qū)對系統(tǒng)輸出壓力的影響將會有效地提高系統(tǒng)的輸出特性。
可根據(jù)比例換向閥死區(qū)的大小對死區(qū)實行靜態(tài)補償，比較簡單，對響應時間沒有較高要求的系統(tǒng)是有效的。但是如果指令信號頻率較高，特別是要求系統(tǒng)輸出對指令輸入實現(xiàn)點點跟隨時，由于比例閥死區(qū)通常較大，閥的頻寬又較低，使得閥通過死區(qū)需要較長時間，因此對于速度控制，當改變運動方向時就會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的跟隨誤差。此外，當閥的輸出壓力和流量發(fā)生變化時，閥的死區(qū)值也有變化。因此，采用比例閥死區(qū)的靜態(tài)補償不能適用于高精度和高響應速度的情況。本發(fā)明是采用比例閥死區(qū)動態(tài)補償，即根據(jù)系統(tǒng)輸入與輸出的差值信號e和差值變化率信號Δe輸出一個死區(qū)補償信號U，是借助計算機在線確定的變化死區(qū)補償值。計算機自動存儲了不同工況下得到的精確補償值，下次遇見相同的工況時可直接調(diào)用存儲的死區(qū)補償值。
計算機控制該系統(tǒng)要求對指令三角波實現(xiàn)點點跟隨，但由于系統(tǒng)動態(tài)以及兩個液壓缸、比例閥的參數(shù)及摩擦等不可能完全相同，因而運動速度不可能完全一樣。為此需考慮一定的控制策略，提高系統(tǒng)的輸出性能。
實驗結(jié)果表明，單純的PID(Proportional Integral Differential)控制，即比例、積分、微分控制對系統(tǒng)動態(tài)補償、精度都有一定效果。但系統(tǒng)本身具有非線性及時變性，輸出特性不十分理想。單個自適應神經(jīng)元既有神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點，又能適應快速過程實時控制的要求，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也簡單，故本發(fā)明采用單個神經(jīng)元自適應PID控制策略，利用神經(jīng)元的權(quán)值改變，自適地改變PID三個比例系數(shù)，獲得了理想的輸出壓力特性。
圖5、圖6分別示出補償后與補償前的系統(tǒng)輸出壓力的實測曲線，補償后壓力波動小于8％，符合液壓能源技術標準。
本發(fā)明的樣機進行了全面的試驗，輸出的壓力波動符合國標要求，此設備已成功用于某型號飛機的液壓部件超低溫-60℃到高溫150℃的元部件的性能試驗。
本發(fā)明的裝置操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。
權(quán)利要求
1.一種液壓能源裝置，其特征在于由兩組并聯(lián)高溫缸(1)、(201)、進油單向閥(2)、(202)、常溫驅(qū)動缸(3)、(203)、出油單向閥(11)、(211)、比例換向閥(4)、(204)組成的高溫泵組，以及常溫液壓源(5)、被試件(6)、電液控制器(7)、計算機(8)、回油箱(9)、供油箱(10)、熱交換器(12)、壓力傳感器(13)、溢流閥(14)構(gòu)成；所述的進油單向閥(2)一端經(jīng)管道連在高溫缸(1)上，另一端經(jīng)管道連在供油箱(10)上，所述的出油單向閥(11)一端經(jīng)管道連在高溫缸(1)上，另一端經(jīng)管道連接被試件(6)、熱交換器(12)和回油箱(9)上，所述的常溫驅(qū)動缸(3)通過管道同比例換向閥(4)和常溫液壓源(5)相連，所述的回油箱(9)同供油箱(10)之間有一過濾裝置而連通，所述的計算機(8)發(fā)出指令信號，經(jīng)由電液控制器(7)功率放大后輸出電流到比例換向閥(4)、(204)上，所述的溢流閥(14)一端連在系統(tǒng)的輸出端點即被試件(6)的前頭，另一端連在回油箱(9)的管道上，所述的壓力傳感器(13)一端連在被試件(6)輸出端點上，另一端的電壓輸出給電液控制器(7)的檢測泵源系統(tǒng)壓力接口；所述的另一高溫泵組進油單向閥(202)一端經(jīng)管道連在高溫缸(201)上，另一端經(jīng)管道連在供油箱(10)上，出油單向閥(211)一端經(jīng)管道連在高溫缸(201)上，另一端經(jīng)管道連接被試件(6)、熱交換器(12)和回油箱(9)上，常溫驅(qū)動缸(203)通過管道同比例換向閥(204)和常溫液壓源(5)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于該裝置的介質(zhì)溫度為-60℃～160℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于該裝置的介質(zhì)溫度高溫可達160℃，低溫可達-60℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于加載到比例換向閥上的控制信號電流由計算機(8)輸出經(jīng)過電流控制器(7)提供，兩個比例換向閥(4)、(204)的電流信號是三角波形式，其相位差為90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于計算機(8)采用單個神經(jīng)元自適應PID控制方法，利用神經(jīng)源的權(quán)值改變，自適地改變PID三個比例系數(shù)來對系統(tǒng)做動態(tài)補償，設計了自適動態(tài)補償控制程序，對比例換向閥(4)、(204)的死區(qū)特性進行了動態(tài)補償。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于常溫工作介質(zhì)始終在常溫驅(qū)動缸(3)、(203)常溫液壓源之間的管道及油箱中循環(huán)，而高溫工作介質(zhì)始終在高溫活塞泵、管道和高溫油箱中循環(huán)，實現(xiàn)了常溫介質(zhì)與高溫介質(zhì)的隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于泵的輸出流量波形具有與控制信號相同的波形，雙缸輸出的合成流量可由計算機(8)協(xié)調(diào)控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于該裝置輸出壓力為28Mpa，輸出流量為60L/Min，壓力脈動為＜10％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓能源裝置，其特征在于高溫缸(1)、(201)中使用的密封圈為耐高溫的氟塑料橡膠密封圈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在超高溫或低溫環(huán)境下工作的液壓能源裝置，它由兩套高溫泵組并聯(lián)構(gòu)成，每一套都是由高溫缸、進油單向閥、常溫驅(qū)動缸、出油單向閥組成，每套高溫泵組由常溫驅(qū)動缸通過管道同比例換向閥相連，通過比例換向閥的管道另一端與常溫液壓源相連，高溫缸的活塞隨常溫驅(qū)動缸的活塞運動而運動，并完成進油和出油。該裝置由計算機決定比例換向閥的開放大小以控制常溫液壓源供給常溫缸的流量和壓力，用單個神經(jīng)元自適應PID(Proportional Integral Differential)控制進行系統(tǒng)動態(tài)補償。本發(fā)明經(jīng)試驗實測表明達到指標為輸出壓力為28MPa，輸出流量為60L/Min，壓力脈動為＜10％，介質(zhì)溫度可高達160℃，低溫可達－60℃。
文檔編號G01M99/00GK1400455SQ0213123
公開日2003年3月5日 申請日期2002年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月19日
發(fā)明者王占林, 裘麗華, 祁曉野, 李運華 申請人:北京航空航天大學