阀泵联合电动静液作动器的变压力控制研究

　　0 前言

　　EHA (电动静液作动器)与传统液压作动系统相比具有体积小、重量轻、效率高等优点,是当前研究的热点。其容积控制方式,不存在节流损失,能很大程度上提高系统效率,但响应取决于电机或泵的响应,在短期内还无法满足高响应系统的要求;其阀泵联合控制方式是将阀控与泵控系统结合起来,其设计思想是根据不同飞行状态对作动系统响应要求的不同,调节泵阀的工作过程,从而使作动系统可以兼顾效率和响应。因此,采用泵阀联合控制方案对现阶段作动系统的设计更具有实际的意义。

　　1 变压力控制的引出

　　当前的航空、航天作动系统的大部分作动机构还是采用恒压泵作为液压源,恒压泵的压力设定值是按负载峰值确定的。在理想情况下,恒压变量泵的输出流量Qs可与负载流量Qf相等,由液压系统功率公式可知系统的效率为:

　　由式(1)可见,理想情况下系统效率直接决定于油源压力ps与负载压力pf的比值。事实上大多数飞机或导弹只在很小的时间段内需要最高压力,大部分力控制参考输入时间只需要低压就足够了。根据Rockwell实施的军用飞机某项研究计划得到的典型飞行任务的统计结果,通过计算控制面气动负载引起的铰链力矩,可以得到图1所示的控制压力参考输入。

　　从图中可看出,泵源系统在95%的时间内工作压力低于最高压力21MPa,并且大多数时间内工作压力在1015MPa和7MPa以下。在7MPa下液压泵的热损耗可以减少50%,而对于锐边节流阀来说由于内部泄漏引起的系统发热可以减少80%。因此,若能根据系统负载与响应的要求调节阀前压力,则可有效提高系统的效率。

　　2 泵阀联合控制方案设计

　　当前泵阀联合控制主要有并联控制方案和串联控制方案。并联方案将阀控与泵控系统并联起来,工作时以泵控或阀控为主,在保证快速性的同时也有较高的传动效率,但该方案的阀控系统仍为恒压系统,损失较大,系统的体积和重量也较大。串联方案是在泵控系统的管路上串连阀,根据泵流量方向不同又可分为双向串联和单向串联方案。双向泵与阀串联方案可以实现泵控和变压力控制,但泵控时要求阀具有双向通导的能力,阀控时要求阀具有高响应,当前还没有阀可以同时满足这两种要求。单向泵与阀串联方案采用变压力控制,结构设计上充分考虑现有技术,方案中的关键元部件是直流调速电机、定量泵、伺服阀和DSP控制器在现阶段应用较为广泛。结构原理图如图2所示。

　　此方案的泵控系统采用调速电机带动定量泵,靠阀换向,回避了电机换向或泵换向的非灵敏区及大惯量;用电机调速改变流量的方式与斜盘调节方式相比,降低了结构复杂性,斜盘调节机构转化成功率调节器既降低了结构的质量又减少了斜盘调节机构自身的功率损耗。方案中蓄能器的容积直接决定作动器的响应,根据系统响应与负载的要求选择不同容积的蓄能器,变压力控制又可分为分级压力控制方式和负载敏感控制方式。