磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器及其工作方法与流程

1.本发明涉及电静液作动器技术领域，尤其涉及一种磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器。


背景技术：

2.为解决传统机载液压系统故障率高、体积重量大等缺点，多电/全电飞机的概念应运而生。其使用的功率电传技术摒弃了传统的液压管路与集中式油源，通过电传输将控制指令传达至各电力作动器，实现对飞行器中作动机构的控制。其中，电力作动器通常包含两类：电静液作动器(electro
‑
hydrostatic actuator，eha)和机电作动器(electro
‑
mechanical，ema)。
3.eha是由电机、泵、液压阀、液压缸高度集成的闭式局部液压容积控制系统，具有功率密度高、控制灵活、响应快速等优点。自上世纪起，美国国家航天局、美国空军、波音公司等机构均对eha开展了各项研究，且美国f35战斗机、空客a380等的主飞控舵面均已采用eha进行作动。
4.随着材料科学及控制技术的发展，智能材料(磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆合金等)成为研究热点。由于智能材料具有高能量密度、频响高、可靠性高等优点，将其作为驱动元件成为了意义重大的研究方向。
5.相比于传统eha，基于智能材料的新型电静液作动器将机、电、液高度集成于一体，结合智能材料的高能量密度、响应快、传动稳定的优势，为飞控作动的发展提供了新的方向与途径。目前的智能材料电静液作动器的电
‑
机
‑
液
‑
机的转换过程通常是智能材料在驱动信号的激励下产生高频往复运动，从而带动活塞泵吸排油，再通过被动阀或主动阀的整流，实现液压缸活塞杆的作动。如何合理配置智能材料电
‑
机转换器，巧妙设计配流液压阀，并在集成小型化的作动器结构内实现更高的控制自由度、更灵活的双向输出以及更强的输出能力是当前智能材料电静液作动器研究的难点。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器及其工作方法，通过四柱塞泵周期性工作及主动配流阀整流，提高输出流量、输出力，提高作动器的输出平稳性和控制灵活性。基于此作动器的结构及基本工作方法，进一步提出了作动器的节能工作方法，降低发热、延长磁致伸缩电
‑
机转换器的使用寿命。
7.为达到上述目的，本发明提供的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器采用如下技术方案：
8.一种磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器，包括：四个磁致伸缩电
‑
机转换器、主动配流阀、伺服电机、油路块、液压缸；所述主动配流阀包括阀体、内置于阀体的阀芯和轴承；所述主动配流阀一侧安装四个磁致伸缩电
‑
机转换器，另一侧通过电机连接架安装伺服电机；所述油路块安装在阀体的上方，液压缸安装在油路块的上方；
9.每个磁致伸缩电
‑
机转换器均包括外壳、安装于外壳下端的底座、安装于底座上端的线圈骨架和磁致伸缩棒、安装于线圈骨架外侧的导电线圈、安装于磁致伸缩棒上端的输出杆、安装于外壳上端的预紧端盖、安装于输出杆和预紧端盖之间的碟簧组合、安装于线圈骨架上端的防扭端盖、安装于防扭端盖上的防扭螺钉、安装于输出杆上端的活塞；
10.所述阀体为一体式零件，包括内部用于安装阀芯的圆柱状阀腔、两层油路、用于分别安装四个磁致伸缩电
‑
机转换器的四个圆柱状泵腔、连通泵腔与阀腔的四个锥形进出口油路；四个泵腔分别为第一泵腔、第二泵腔、第三泵腔、第四泵腔；
11.所述阀芯包括若干个长油路和若干个短油路，长、短油路均布于阀芯圆周，且交错分布；长、短油路均为在阀芯圆周面及端面所钻油孔连通形成；所述阀芯由伺服电机通过联轴器带动旋转；
12.每个磁致伸缩电
‑
机转换器的活塞与对应安装的泵腔间隙配合，并通过o型圈实现动密封；所述泵腔分别通过四个锥形进出口油路与阀腔连通；
13.所述主动配流阀包括阀体、阀芯、轴承、端盖和电机连接架；所述主动配流阀在旋转过程中，通过阀芯上的长、短油路与阀体上的两层油路以及四个泵腔的进出口油路形成的交替连通关系，实现配油过程；阀芯上的长油路与第一泵腔的进出口油路和阀体上的油口同时连通时，阀芯上相隔180
°
角度的短油路与第二泵腔的进出口油路和阀体上的油口同时连通，此时，第三泵腔、第四泵腔的进出口油路正对阀芯端面上无油孔的位置，
14.所述油路块包括两层油路，与阀体上的两层油路相对应；液压缸的一侧经过油路块和阀体上的一层油路与主动配流阀圆周面上的一层配流孔相连通，经主动配流阀配流而与四个泵腔连通。
15.本发明相比于现有的电静液作动器，具有以下优势：
16.(1)作动器结构简单紧凑，各柱塞泵独立驱动，可靠性强。
17.(2)主动配流阀的配流孔集中在一个端面上，方便多个磁致伸缩泵沿转阀轴线平行布置，减小多柱塞泵驱动的电静液作动器的安装空间；
18.(3)利用主动配流阀对四个柱塞泵同时配流，大大提高电静液作动器的输出流量和输出平稳性；
19.(4)作动器全电驱动、各柱塞泵解耦调控，可调节性极强，通过改变磁致伸缩泵驱动信号的初始相位角，可调节输出流量，并实现电子换向；通过改变驱动信号的幅值和频率，调节输出流量；通过改变驱动磁致伸缩泵的个数，调节输出流量；
20.(5)作动器依据不同工况，具有相应的节能工作方法，减少单个磁致伸缩电
‑
机转换器的工作时长，且避免连续工作，降低作动器发热、延长使用寿命。
附图说明
21.图1为本发明中的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器结构示意图；
22.图2为本发明中的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器正视图；
23.图3为本发明中的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器俯视图；
24.图4为本发明中的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器左视图；
25.图5为本发明中的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器a
‑
a向剖视图；
26.图6为本发明中的磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器b
‑
b向剖视图；
27.图7为本发明中的阀芯正视图；
28.图8为本发明中的阀芯右视图；
29.图9为本发明中的油路块仰视图。
具体实施方式
30.为了更加直观清楚的表述本发明实例中的结构原理和工作方法，下面将结合相关的附图对所实施例进行介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
31.本发明的实施例提供一种磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器及其工作方法，通过四柱塞泵周期性工作及主动配流阀整流，提高输出流量、输出力，提高作动器的输出平稳性和控制灵活性。基于此作动器的结构及基本工作方法，进一步提出了作动器的节能工作方法，降低发热、延长磁致伸缩电
‑
机转换器的使用寿命。
32.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
33.一种磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器，如图1所示，包括：四个磁致伸缩电
‑
机转换器、主动配流阀、伺服电机、油路块、液压缸；所述主动配流阀n包括阀体ⅳ、内置于阀体ⅳ的阀芯ⅲ和轴承6、7；所述主动配流阀n一侧安装四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
，另一侧通过电机连接架ⅱ安装伺服电机ⅰ；所述油路块
ⅴ
安装在阀体ⅳ的上方，液压缸
ⅵ
安装在油路块
ⅴ
的上方。
34.所述四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
结构相同，如图5、6所示，均包括外壳2、安装于外壳2下端的底座1、安装于底座1上端的线圈骨架4和磁致伸缩棒3、安装于线圈骨架4外侧的导电线圈5、安装于磁致伸缩棒3上端的输出杆11、安装于外壳2上端的预紧端盖10、安装于输出杆11和预紧端盖10之间的碟簧组合14、安装于线圈骨架4上端的防扭端盖12、安装于防扭端盖12上的防扭螺钉13、安装于输出杆11上端的活塞9。所述预紧端盖10和防扭端盖12与外壳2内壁面螺纹连接；所述输出杆11与预紧端盖12内孔间隙配合；所述碟簧组合14被旋紧的预紧端盖10压缩，产生对磁致伸缩棒3的近似恒定的预紧力，以提高磁致伸缩材料的输出性能；所述输出杆11圆周方向的孔与防扭螺钉13间隙配合，防止输出杆11旋转产生剪切力，损坏磁致伸缩材料；所述防扭端盖12、输出杆11、外壳2和底座1均为导磁材料；所述线圈骨架(4)为尼龙材料。
35.所述阀体ⅳ为一体式零件，如图5、6所示，包括内部用于安装阀芯ⅲ的圆柱状容腔(阀腔)、两层油路、用于安装四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
的四个圆柱状容腔(泵腔)、连通泵腔与阀腔的四个锥形进出口油路。所述四个磁致伸缩电
‑
机转换器与阀体ⅳ的四个圆柱状容腔依次组成四个泵腔e、f、g、h；其活塞9与泵腔间隙配合，并通过o型圈16实现动密封；所述泵腔e、f、g、h分别通过四个锥形进出口油路与阀腔连通。
36.所述阀芯ⅲ包括9个长油路(k1、k3、k5、k7、k9、k11、k13、k15、k17)和9个短油路(k2、k4、k6、k8、k10、k12、k14、k16、k18)，如图7、8所示，长、短油路均布于阀芯圆周，且交错分布；长、短油路均为在阀芯圆周面及端面所钻油孔连通形成；所述阀芯ⅲ由伺服电机ⅰ通过联轴器带动旋转。
37.所述主动配流阀n由阀体ⅳ、阀芯ⅲ、轴承6、7、端盖8和电机连接架ⅱ装配组成，如图5、6所示。所述阀芯ⅲ与伺服电机连接一侧为台阶轴，与轴承7配合，与四个泵腔e、f、g、h
进出口油路连接一侧为台阶孔，与轴承6配合；阀芯ⅲ在阀腔内的凸台和端盖8的外圈共同作用下定位，保证阀芯端面与阀腔端面间隙为10
‑
20μm，实现间隙密封；阀芯ⅲ圆周面与阀腔圆周面同样保证配合间隙为10
‑
20μm，以实现间隙密封；所述端盖8与阀芯ⅲ台阶轴和阀腔圆周面间隙配合，并使用o型圈分别实现动、静密封；端盖8被电机连接架ⅱ的端面限位。所述主动配流阀n在旋转过程中，通过阀芯ⅲ上的长、短油路与阀体ⅳ上的两层油路以及四个泵腔e、f、g、h的进出口油路形成的交替连通关系，实现此电静液作动器的配油过程。
38.如图9所示，所述油路块
ⅴ
包括两层油路，与阀体ⅳ上的两层油路相对应。液压缸
ⅵ
的一侧经过油路块
ⅴ
和阀体ⅳ上的一层油路与主动配流阀n圆周面上的一层配流孔相连通，经主动配流阀配流而与四个泵腔周期性连通；其具体油路为经油口x通向油口a、c，进一步经油口a通向油口a1、a2、经油口b通向油口b1、b2。液压缸
ⅵ
的另一侧经过油路块
ⅴ
和阀体ⅳ上的另一层油路与主动配流阀n圆周面上的另一层配流孔相连通，同理经主动配流阀配流而与四个泵腔周期性连通；其具体油路为经油口y通向油口b、d，进一步经油口b通向油口b1、b2、经油口d通向油口d1、d2。
39.工作时，泵腔e、f、g、h、阀体ⅳ、阀芯ⅲ、油路块
ⅴ
内的油路以及液压缸(
ⅵ
)容腔内皆充满油液；工作时，此作动器为封闭系统，所有的油路工艺孔皆被堵头密封或铜柱过盈密封。四个泵腔皆加工工艺排气孔，在作动器充油过程中以便排气，工艺孔靠堵头密封。
40.本发明还公开了磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器的基本工作方法，具体步骤如下：
41.对此电静液作动器的磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
的导电线圈(5)分别施加正弦电流信号。通过磁致伸缩棒3在交变磁场中有规律的伸长和缩短带动活塞高频往复运动，将液压油排出或吸入泵腔e、f、g、h。通过主动配流阀n的旋转，将油路的连通状态与磁致伸缩电
‑
机转换器的工作状态相匹配，使泵腔不断向液压缸
ⅵ
高压侧排入油液，使泵腔不断从液压缸
ⅵ
的低压侧吸出油液，从而使液压缸的活塞杆在高低压侧压力差的作用下产生位移输出。四个磁致伸缩电
‑
机转换器同时工作时，其驱动信号依次相差90
°
相位角，其活塞运动状态依次相差1/4周期，使作动器输出更平稳。此作动器在0
‑
1/8周期内的具体工作过程如下：
42.伺服电机ⅰ带动阀芯ⅲ旋转，当阀芯ⅲ上的长油路k1与阀体ⅳ上的油口b1和泵腔e同时连通，且油口正对时，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
中的磁致伸缩棒3处于伸长阶段，活塞9压缩油液，使油液通过锥形进出口油路、长油路k1、油口b1到达阀体油路。此时，阀芯ⅲ上的短油路k10与阀体ⅳ上的油口c1和泵腔f同时连通，且油口正对，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅸ
中的磁致伸缩棒3处于缩短阶段，活塞9扩张油液，使油液通过阀体ⅳ上的油口c1、短油路k10、锥形进出口油路进入泵腔。此时，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅷ
、
ⅹ
中的磁致伸缩棒3处于缩短阶段与伸长阶段的切换时刻，且泵腔g、h的进出口油路刚好正对阀芯端面上无油口的位置，泵腔g、h对作动器油液不起作用。综上，经过油口b1的油液再经过油口b、油口y到达液压缸高压侧，液压缸低压侧油液经过油口x、油口c到达油口c1，实现向液压缸高压侧排入油液，从液压缸低压侧吸出油液。
43.在四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
驱动信号的1/8周期内，阀芯ⅲ旋转0
°
至5
°
之间时，阀芯ⅲ上的长油路k1与阀体ⅳ上的油口b1和泵腔e同时连通，且连通面积逐渐减小，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
中的磁致伸缩棒3处于伸长阶段，活塞9压缩油液，使油液通
过锥形进出口油路、长油路k1、油口b1到达阀体油路。此时，阀芯ⅲ上的短油路k10与阀体ⅳ上的油口c1和泵腔f同时连通，且连通面积逐渐减小，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅸ
中的磁致伸缩棒3处于缩短阶段，活塞9扩张油液，使油液通过阀体ⅳ上的油口c1、短油路k10、锥形进出口油路进入泵腔。此时，阀芯ⅲ上的短油路k6与阀体ⅳ上的油口c2和泵腔g同时连通，且连通面积逐渐增大，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅷ
中的磁致伸缩棒3处于缩短阶段，活塞9扩张油液，使油液通过阀体ⅳ上的油口c2、短油路k6、锥形进出口油路进入泵腔。此时，阀芯ⅲ上的长油路k15与阀体ⅳ上的油口b2和泵腔h同时连通，且连通面积逐渐增大，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅹ
中的磁致伸缩棒3处于伸长阶段，活塞9压缩油液，使油液通过锥形进出口油路、长油路k15、油口b2到达阀体油路。综上，经过油口b1、油口b2的油液在阀体ⅳ中汇流后，再经过油口b、油口y到达液压缸高压侧，液压缸低压侧油液经过油口x、油口c，再分流后到达油口c1、油口c2，实现向液压缸高压侧排入油液，从液压缸低压侧吸出油液。
44.当阀芯(ⅲ)旋转5
°
后，阀芯ⅲ上的长油路k15与阀体ⅳ上的油口b2和泵腔h同时连通，且油口正对，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅹ
中的磁致伸缩棒3处于伸长阶段，活塞9压缩油液，使油液通过锥形进出口油路、长油路k15、油口b2到达阀体油路。此时，阀芯ⅲ上的短油路k6与阀体ⅳ上的油口c2和泵腔g同时连通，且油口正对，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅸ
中的磁致伸缩棒3处于缩短阶段，活塞9扩张油液，使油液通过阀体ⅳ上的油口c2、短油路k6、锥形进出口油路进入泵腔。此时，磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅸ
中的磁致伸缩棒3处于缩短阶段与伸长阶段的切换时刻，且泵腔e、f的进出口油路刚好正对阀芯端面上无油口的位置，泵腔e、f对作动器油液不起作用。综上，经过油口b2的油液再经过油口b、油口y到达液压缸高压侧，液压缸低压侧油液经过油口x、油口c到达油口c2，实现向液压缸高压侧排入油液，从液压缸低压侧吸出油液。
45.如此循环，四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
同时工作时，其工作状态依次相差1/4周期，在任一时刻有2个磁致伸缩泵排油、2个磁致伸缩泵吸油。在主动配流阀n配流作用下，使四个泵排出的油液都通往液压缸高压侧，并从液压缸低压侧吸油，使此电静液作动器单向持续作动。
46.通过改变四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
的驱动信号的初始相位角，即改变四个磁致伸缩电
‑
机转换器工作状态与主动配流阀n连通状态的匹配关系，可以调整此电静液作动器的配流效率，从而调整作动器输出性能。通过将四个磁致伸缩电
‑
机转换器的驱动信号的初始相位角改变180
°
，可以使作动器内两层油路的效果完全对调，从而实现反向持续作动。
47.通过改变四个磁致伸缩电
‑
机转换器
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
的驱动信号的幅值和频率，可以改变单位时间内单个磁致伸缩泵的输出流量或输入流量，从而实现作动器输出性能的调整。通过改变同时工作的磁致伸缩电
‑
机转换器的个数，可以实现作动器输出性能的调整。
48.本发明还公开了磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器的节能工作方法，具体步骤如下：
49.根据不同工况下对作动器性能的要求，可以相应地选择所驱动的同时工作的磁致伸缩电
‑
机转换器的个数，因此，磁致伸缩轴向四柱塞泵驱动的电静液作动器依据性能梯度划分，有四个工作模式：单柱塞泵工作模式、双柱塞泵工作模式、三柱塞泵工作模式、四柱塞泵工作模式。在前三个工作模式下，本作动器具有的节能工作方法如下：
50.在单柱塞泵工作模式下，仅一个磁致伸缩电
‑
机转换器(
ⅶ
或
ⅷ
或
ⅸ
或
ⅹ
)作为驱动。在工作时长内，间隔一定时间切换工作的磁致伸缩电
‑
机转换器，可以使单个磁致伸缩电
‑
机转换器仅工作1/4的时间，且避免连续工作，降低发热、延长磁致伸缩电
‑
机转换器的使用寿命。
51.在双柱塞泵工作模式下，磁致伸缩电
‑
机转换器两个一组(
ⅶ
、
ⅷ
或
ⅶ
、
ⅸ
或
ⅶ
、
ⅹ
或
ⅷ
、
ⅸ
或
ⅷ
、
ⅹ
或
ⅸ
、
ⅹ
)作为驱动。在工作时长内，间隔一定时间切换工作的磁致伸缩电
‑
机转换器组合，可以使单个磁致伸缩电
‑
机转换器仅工作1/2的时间，且避免连续工作，降低发热、延长磁致伸缩电
‑
机转换器的使用寿命。
52.在三柱塞泵工作模式下，磁致伸缩电
‑
机转换器三个一组(
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅸ
或
ⅶ
、
ⅷ
、
ⅹ
或
ⅶ
、
ⅸ
、
ⅹ
或
ⅷ
、
ⅸ
、
ⅹ
)作为驱动。在工作时长内，间隔一定时间切换工作的磁致伸缩电
‑
机转换器组合，可以使单个磁致伸缩电
‑
机转换器工作3/4的时间，且避免连续工作，降低发热、延长磁致伸缩电
‑
机转换器的使用寿命。
53.本发明相比于现有的电静液作动器，具有以下优势：
54.(1)作动器结构简单紧凑，各柱塞泵独立驱动，可靠性强。
55.(2)主动配流阀的配流孔集中在一个端面上，方便多个磁致伸缩泵沿转阀轴线平行布置，减小多柱塞泵驱动的电静液作动器的安装空间；
56.(3)利用主动配流阀对四个柱塞泵同时配流，大大提高电静液作动器的输出流量和输出平稳性；
57.(4)作动器全电驱动、各柱塞泵解耦调控，可调节性极强，通过改变磁致伸缩泵驱动信号的初始相位角，可调节输出流量，并实现电子换向；通过改变驱动信号的幅值和频率，调节输出流量；通过改变驱动磁致伸缩泵的个数，调节输出流量。
58.(5)作动器依据不同工况，具有相应的节能工作方法，减少单个磁致伸缩电
‑
机转换器的工作时长，且避免连续工作，降低作动器发热、延长使用寿命。
59.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。