專利名稱：一種測試舵機的正反拖動式電液比例加載裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測試舵機的正反拖動式電液比例加載裝置，屬于 舵機加載控制技術領域。
背景技術：
舵機也稱為伺服制動器，它是方向控制系統的重要執行機構，廣 泛的應用在船舶、飛機和導彈等的控制系統中。舵機性能試驗通常需 要在一定角度范圍內進行力矩加載，要求加載裝置施加的負載力矩隨 著旋轉角度改變而發生線性規律變化。加載方式可分為正向加載和反 向加載兩種正向加載力矩方向與舵機運動方向一致(也稱為負負 載)，而反向加載力矩方向與舵機運動方向相反。
上述加載試驗通常采用電機或電液伺服加載和彈性扭簧加載來 實現，它們都存在不足之處伺服加載成本較高，系統結構和控制過 程比較復雜，多余力難以很好消除；扭簧加載雖然成本低，但是加載 精度差，加載梯度調整困難。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有加載方法的不足，而提供一種測試
舵機的正反拖動式電液比例加載裝置。實現了在±60°范圍內正向和 反向的線性規律加載力矩。
本發明的一種測試舵機的正反拖動式電液比例加載裝置，包括泵 站5、比例溢流閥4、電磁換向閥3、帶活塞桿的液壓缸2、壓力傳感 器7、擺臂l、擺臂支架IO、扭矩傳感器8、傳感器支架ll、舵軸連 接件12、底座9和測試箱13。
泵站5的高壓油管和回油管分別與比例溢流閥4的進油口和回油 口連接，泵站5為閥控缸系統提供具有一定壓力和流量的液壓油；壓力傳感器7并行安裝在比例溢流閥4的進油口，壓力傳感器7用于測
試供油壓力大小；電磁換向闊3 —端的供油口和回油口分別連接比例 溢流閥4進油口和泵站5的回油管，另一端的兩個控油口分別為帶活 塞桿的液壓缸2的有桿腔和無桿腔提供高壓油；帶活塞桿的液壓缸2 的無桿腔一端通過關節軸承與底座9連接，其活塞桿通過耳軸方式與 擺臂1的一端連接，擺臂1的另一端、扭矩傳感器8、舵軸連接件12 依次通過聯軸器連接在一起，三者的回轉軸線重合且與底座9平行， 三者的回轉軸線到帶活塞桿的液壓缸2與底座9相連的旋轉軸的垂線 垂直與底座9;擺臂1和扭矩傳感器8分別通過擺臂支架10和傳感 器支架11與底座9固定，測控箱13通過程序設計可控制泵站5的啟 動和停止、調節比例溢流閥4的溢流量從而調節加載壓力、控制電磁 換向閥3改變向有桿腔或無桿腔供油從而控制加載方向、采集壓力傳 感器7和扭矩傳感器8的壓力和扭矩信號。
在比例溢流閥4的進油口處并行安裝蓄能器6,用于補充瞬時流 量，保持工作壓力恒定，改善加載動態特性。
本發明利用比例溢流閥控液壓缸的正反拖動式原理進行加載工 作舵機與本發明的舵軸連接件12連接，它在旋轉運動過程中驅動 擺臂1拖動液壓缸2伸縮運動，它受到了液壓缸2產生的正向或反向 拖動力，通過測控系統，控制比例溢流閥4調節泵站5輸出的壓力而 調節加載力矩梯度大小，控制電磁換向閥3改變向有桿腔或無桿腔供 油而控制加載方向，從而實現了正向和反向的加載力矩。電磁換向閥 3處于左位工作時，液壓缸2無桿腔通高壓油，拖動力矩方向與擺臂 1旋轉方向一致，實現正向拖動力矩；電磁換向閥3處于右位工作時， 液壓缸2有桿腔通高壓油，拖動力矩方向與擺臂1旋轉方向相反，實 現反向拖動力矩。在擺臂1處于零位(擺臂1與測試舵機用機械臺架 的底座平面垂直)時拖動力經過回轉中心，有效拖動力矩為零；當擺 臂1旋轉一定角度后，垂直作用在擺臂1上的有效力矩隨旋轉角度發 生變化，根據幾何推導可證明，在供油壓力固定時，本發明的結構實 現了在小角度范圍內的線性加載力矩。本裝置的結構實現的小角度范圍內拖動力矩與旋轉角度的線性 關系數學證明如下
設"為擺臂長度，6為回轉中心至液壓缸2底座支點距離，當擺 臂1旋轉角度為^時，根據三角公式，液壓缸2全長(從底座中心至 活塞桿連接點處)X可表示為
Z = + 62 _ 2a6 cos (180° - 6>) = +2 + + 2a6 cos (61) (1)
/ 為液壓缸2與擺臂1的夾角，在他們構成的三角形中，存在以 下幾何關系
si, sin(180。-力
4 = arcsin
上sin(S)
(2)
6 1 . .
設供油壓力為戶，液壓缸2活塞有效作用面積為S，則液壓缸2 輸出力作用在擺臂1上的有效垂直分力F可表示為
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
拖動力矩r為有效垂直分力F與擺臂l長度的乘積，即
<formula>formula see original document page 5</formula> (4)
將式(1) (4)聯立起來，可推導出拖動力矩與旋轉角度的表達式
(5)
<formula>formula see original document page 5</formula>
若"="則式(5)可進一步簡化，得到
V^x^l + cos(<9) 存在如下三角函數變換關系
(6)<formula>formula see original document page 5</formula>(8)聯立起來，可得<formula>formula see original document page 5</formula>
(7)
<formula>formula see original document page 5</formula>(8)<formula>formula see original document page 6</formula>(9)
當旋轉角度P較小時，存在如下關系:
<formula>formula see original document page 6</formula>
(10)
則式(9)可簡化為如下關系式
<formula>formula see original document page 6</formula>(11)
由式(ll)可知，在供油壓力固定時，當旋轉角度在小角度范圍內 時，拖動力矩與旋轉角度為線性關系。加載誤差E的計算公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>(12)
在±30°轉角范圍內，加載誤差小于1.1%，在±60°轉角范圍 內，加載誤差小于4. 3%。
有益效果本發明采用比例溢流閥控缸作為加載機構，它的原理 和控制方式都非常簡單，在±60°范圍內實現了正向和反向的線性規 律加載力矩，能夠很方便的大范圍調整加載梯度大小，同時這種加載 方法可靠性高，動態特性好。本發明解決了傳統舵機加載方法存在的 問題，具有很好的應用和推廣前景。
圖1電液比例加載原理示意圖2擺臂受力幾何關系圖3加載裝置機械簡圖4加載裝置實物照片；
圖5正反向加載試驗曲線圖中l一擺臂、2 —帶活塞桿的液壓缸、3—電磁換向閥、4一比 例溢流閥、5 —泵站、6 —蓄能器、7 —壓力傳感器、8 —扭矩傳感器、9一底座、IO—擺臂支架、ll一傳感器支架、12 —舵軸連接件、A—反 向加載曲線、B —正向加載曲線。
具體實施例方式
實施例1
本發明的一種測試舵機的正反拖動式電液比例加載裝置，包括泵
站5、比例溢流閥4、電磁換向閥3、帶活塞桿的液壓缸2、壓力傳感 器7、擺臂l、擺臂支架IO、扭矩傳感器8、傳感器支架ll、舵軸連 接件12、底座9和測試箱13。
泵站5的高壓油管和回油管分別與比例溢流閥4的進油口和回油 口連接，泵站5為閥控缸系統提供具有一定壓力和流量的液壓油；壓 力傳感器7、蓄能器6并行安裝在比例溢流閥4的進油口，壓力傳感 器7用于測試供油壓力大小，蓄能器6，用于補充瞬時流量；電磁換 向閥3 —端的供油口和回油口分別連接比例溢流閥4進油口和泵站5 的回油管，另一端的兩個控油口分別為帶活塞桿的液壓缸2的有桿腔 和無桿腔提供高壓油；帶活塞桿的液壓缸2的無桿腔一端通過關節軸 承與底座9連接，其活塞桿通過耳軸方式與擺臂1的一端連接，擺臂 1的另一端、扭矩傳感器8、舵軸連接件12依次通過聯軸器連接在一 起，三者的回轉軸線重合且與底座9平行，三者的回轉軸線到帶活塞 桿的液壓缸2與底座9相連的旋轉軸的垂線垂直與底座9;擺臂1和 扭矩傳感器8分別通過擺臂支架10和傳感器支架11與底座9固定， 測控箱13通過程序設計可控制泵站5的啟動和停止、調節比例溢流 閥4的溢流量從而調節加載壓力、控制電磁換向閥3改變向有桿腔或 無桿腔供油從而控制加載方向、采集壓力傳感器7和扭矩傳感器8的 壓力和扭矩信號。
舵機與本發明的舵軸連接件12連接，它在旋轉運動過程中驅動 擺臂1拖動液壓缸2伸縮運動，它受到了液壓缸2產生的正向或反向 拖動力，通過測控系統，控制比例溢流閥4調節泵站5輸出的壓力而 調節加載力矩梯度大小，控制電磁換向閥3改變向有桿腔或無桿腔供油而控制加載方向，從而實現了正向和反向的加載力矩。電磁換向閥 3處于左位工作時，液壓缸2無桿腔通高壓油，拖動力矩方向與擺臂
1旋轉方向一致，實現正向拖動力矩；電磁換向閥3處于右位工作時， 液壓缸2有桿腔通高壓油，拖動力矩方向與擺臂1旋轉方向相反，實 現反向拖動力矩。在擺臂1處于零位(擺臂1與測試舵機用機械臺架 的底座平面垂直)時拖動力經過回轉中心，有效拖動力矩為零；當擺 臂1旋轉一定角度后，垂直作用在擺臂1上的有效力矩隨旋轉角度發 生變化，根據幾何推導可證明，在供油壓力固定時，本發明的結構實 現了在小角度范圍內的線性加載力矩。
本裝置的結構實現的小角度范圍內拖動力矩與旋轉角度的線性
關系數學證明如下
設a為擺臂長度，6為回轉中心至液壓缸2底座支點距離，當擺 臂1旋轉角度為^時，根據三角公式，液壓缸2全長(從底座中心至 活塞桿連接點處)X可表示為
Z = +- cos (180° _ 61) = V<32 + 62 + 2a6 cos (6>) (1)
y9為液壓缸2與擺臂1的夾角，在他們構成的三角形中，存在以 下幾何關系
sin(") — sin(180。-6)
—= arcsin
-sm(。
(2)
6 X . .
設供油壓力為P，液壓缸2活塞有效作用面積為S，則液壓缸2 輸出力作用在擺臂1上的有效垂直分力F可表示為
F二尸Ssin(/ ) (3)
拖動力矩r為有效垂直分力F與擺臂1長度的乘積，即
r = Fxa (4)
將式(1) (4)聯立起來，可推導出拖動力矩與旋轉角度的表達式
<formula>formula see original document page 8</formula>
若。="則式(5)可進一歩簡化，得到存在如下三角函數變換關系
<formula>formula see original document page 9</formula>sin(。 二 2sin
:8)聯立起來，可得
當旋轉角度e較小時，存在如下關系
將式(6)
sin
2
則式(9)可簡化為如下關系式
(8)
(10)
(11)
由式(ll)可知，在供油壓力固定時，當旋轉角度在小角度范圍內
時，拖動力矩與旋轉角度為線性關系。加載誤差^的計算公式如下
2 sin
五=
_1
:100%
(12)
在±30°轉角范圍內，加載誤差小于1.1%，在±60°轉角范圍內， 加載誤差小于4. 3%。
權利要求
1、一種測試舵機的正反拖動式電液比例加載裝置，其特征在于包括泵站(5)、比例溢流閥(4)、電磁換向閥(3)、帶活塞桿的液壓缸(2)、壓力傳感器(7)、擺臂(1)、擺臂支架(10)、扭矩傳感器(8)、傳感器支架(11)、舵軸連接件(12)、底座(9)和測試箱(13)；泵站(5)的高壓油管和回油管分別與比例溢流閥(4)的進油口和回油口連接，泵站(5)為閥控缸系統提供具有一定壓力和流量的液壓油；壓力傳感器(7)并行安裝在比例溢流閥(4)的進油口，壓力傳感器(7)用于測試供油壓力大小；電磁換向閥(3)一端的供油口和回油口分別連接比例溢流閥(4)進油口和泵站(5)的回油管，另一端的兩個控油口分別為帶活塞桿的液壓缸(2)的有桿腔和無桿腔提供高壓油；帶活塞桿的液壓缸(2)的無桿腔一端通過關節軸承與底座(9)連接，其活塞桿通過耳軸方式與擺臂(1)的一端連接，擺臂(1)的另一端、扭矩傳感器(8)、舵軸連接件(12)依次通過聯軸器連接在一起，三者的回轉軸線重合且與底座(9)平行，三者的回轉軸線到帶活塞桿的液壓缸(2)與底座(9)相連的旋轉軸的垂線垂直與底座(9)；擺臂(1)和扭矩傳感器(8)分別通過擺臂支架(10)和傳感器支架(11)與底座(9)固定，測控箱(13)通過程序設計可控制泵站(5)的啟動和停止、調節比例溢流閥(4)的溢流量從而調節加載壓力、控制電磁換向閥(3)改變向有桿腔或無桿腔供油從而控制加載方向、采集壓力傳感器(7)和扭矩傳感器(8)的壓力和扭矩信號。
2、 如權利要求1所述的一種測試舵機的正反拖動式電液比例加 載裝置，其特征在于在比例溢流閥(4)的進油口處并行安裝蓄能器 (6)，用于補充瞬時流量。
全文摘要
本發明涉及一種測試舵機的正反拖動式液壓比例加載裝置，屬于舵機加載控制技術領域。本發明的泵站經過比例溢流閥和電磁換向閥為液壓缸供油；液壓缸無桿腔一端通過關節軸承與底座連接，其活塞桿通過耳軸方式與擺臂連接；擺臂的另一端、扭矩傳感器、舵軸連接件依次通過聯軸器連接在一起；擺臂和扭矩傳感器分別通過擺臂支架和傳感器支架與底座固定，測控箱控制泵站的啟動和停止、比例溢流閥4的溢流量、電磁換向閥供油方向，并采集壓力傳感器和扭矩傳感器的信號。本發明在±60°范圍內實現了正向和反向的線性規律加載力矩，加載方法可靠性高，動態特性好，具有很好的應用和推廣前景。
文檔編號G01M99/00GK101614623SQ20091008942
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月20日 優先權日2009年7月20日
發明者汪首坤, 王軍政, 趙江波 申請人:北京理工大學