插装式液控能源选择阀的设计与分析*

訚耀保，刘敏鑫，刘小雪，李文顶，刘洪宇，纪宝亮

(1.同济大学 机械与能源工程学院·上海·201804；2.上海航天控制技术研究所·上海·201109)

0 引 言

液压系统的稳定性和可靠性是衡量液压系统质量的重要指标，尤其是在航空航天等场合或者极端环境下，要求液压系统具有极强的适应性和较高的容错能力。冗余控制是一种采用多个元器件组成控制系统的控制方式，当某一元器件发生故障时，不同的元器件之间可以相互切换，由其他元器件替代故障的元器件，保持系统正常工作。

冗余控制是提高系统可靠性的有效手段。二战期间，英国研究航空发动机和德国研发V1火箭的过程中，提出了可靠性问题。20世纪50年代，美国国防部为改进军用装备，成立了电子设备可靠性顾问团着手研究可靠性问题，美国无线电工程学会成立的可靠性技术小组是第一个可靠性专业学术组织。1965年，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)成立了可靠性技术委员会，负责制订国际性可靠性的基础标准。国内的可靠性研究始于20世纪60～70年代，主要涉及航空、电子、机械等领域。现在冗余设计方法己大量应用于工程实践，如机器人领域、飞机油源系统、航空航天伺服控制系统、电液舵机系统等。A320飞机主液压能源系统具有绿系统、黄系统和蓝系统，由这3个能源系统提供液压动力。当某一系统的压力差超过设定值时，压力大的系统通过双向动力转换组件(Power Transfer Unit，PTU)将故障能源系统切换为另一个系统。文献[10]提出了一种高可靠性冗余液压动力源，当其泄压模块的一个支路发生故障时，可以做到输出压力保持不变，流量减半，以保证系统正常运行，实现能源系统的冗余。文献[11]介绍了一种电液舵机系统及其压力脉动控制策略，其中两泵源互为备份，完全一致且作用效果相同。此外，还有学者利用继电器和接触器等开关器件、联锁逻辑等对互为备份的能源进行自动切换。

液压动力源是航天运载火箭等飞行器执行机构的重要组成部分。传统运载火箭伺服系统通常采用一路油源供给一套液压负载的独立能源体制。为提高其可靠性，常常采用双路能源的冗余管理。伺服系统能源段采取冗余设计，文献[15]提出了一种机械式液压油源选择阀，其先导级结构对主油源和备用油源的压差进行比较，从而使主级结构的主阀芯运动，实现主、备用油源的切换供油。

现有的非机械式能源选择阀存在可靠性较低、安全性不高等问题。机械式能源选择阀在主油源的压力下降到设定的切换压力附近时，先导阀常常发生频繁启闭，甚至产生误切现象，最终导致整阀的振动。为此，研究和设计了一种机械插装式能源选择阀，通过2个液压油源压力状态的比较与选择，即液控方式实现故障时的能源自动切换，同时解决了能源选择阀在压力切换点的振动问题。所设计的能源选择阀具有结构简单、整体集成度高、稳定性好、响应迅速等特点。

1 工作原理与结构

1.1 能源选择阀工作原理

如图1所示，某伺服系统采用双路液压油源为双路伺服机构负载提供能源的方案，为了提高伺服系统工作的可靠性及故障下的性能稳定性，该方案采用能源的冗余管理。当两路油源均正常工作时，油源1和油源2分别给负载1和负载2单独供油。当油源1和油源2中的任一路油源失效，例如假设油源1压力下降时，要求负载1所连接的能源选择阀自动切换使油源1断路、由油源2为负载1供油；此时，油源2同时向2个负载供油，使负载1和负载2能够完成必需的服役性能，系统降级使用。

图1 能源选择阀冗余管理原理图Fig.1 Redundancy management schematic diagram of energy selection valve

在伺服系统能源的冗余控制设计时，一般要求能源选择阀尽可能结构尺寸小、可靠性高、响应快、大流量和低泄漏，并且在频繁换向时不出现稳定性问题。为了保证能源选择阀的可靠性，本文提出了除电子元件以外均采用纯机械结构，所设计能源选择阀的能源压力为32MPa，当油源1和油源2的压差为12MPa时，2个实现切换。图2所示为所设计的具有先导阀的滑阀结构能源选择阀原理图。

(a)油源1向负载1供油时能源选择阀工作状态

如图2所示，当油源1压力正常时，能源选择阀的工作状态如图2(a)所示，先导阀芯在油源1压力作用下处于关闭状态，主阀芯由于复位弹簧作用位于最左端，此时负载口由油源1供油。当油源1发生故障，如压力下降到设定值以下时，先导阀在油源1与油源2的压差作用下打开，控制油通过先导阀进入主阀芯的左端，推动阀芯向右移动，最终能源选择阀的工作状态如图2(b)所示，由油源2向负载供油，此时油源1处于切断状态。当油源1压力回升到设定值以上时，先导阀关闭，主阀芯在右侧油压的推动下运动回左端，能源选择阀的工作状态如图2(a)所示，从而回到油源1供油的状态。

图2所示的能源选择阀主阀芯为两位三通三台肩的滑阀，共有3个阀肩，依靠中间的阀肩将油源1与油源2隔绝。为了避免在阀芯运动过程中出现负载口不与油源1或油源2任意一腔连接的困油情况，以及避免负载口同时与油源1和油源2连接的串油情况，中间的阀肩长度与油口宽度等长。主阀在其左腔的压力作用下只存在2个工作位置，即被压在最左端的阀座上或被压在最右端的端盖上，在其运动过程中不会在某一位置停留，故不存在负载口被长时间堵住不通油的情况。

1.2 主阀结构

主阀采用两位三通三台肩方案，主阀结构图如图3所示。当主阀位于左侧时，油源1向负载口供油；当主阀位于右侧时，油源2向负载口供油。阀芯左侧为控制腔，右侧为弹簧腔，弹簧腔与油源1相连。主阀的端盖对主阀位移起到机械限位的作用和缓冲作用，在主阀实现切换后，可以继续运动;但在主阀尾部和端盖环形密封间隙作用下实现缓冲作用，减小液压冲击。

图3 主阀结构图Fig.3 Main valve structure diagram

1.3 先导阀结构

如图4所示，先导阀的结构主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分组成。Ⅰ部分为滑阀结构，其作用为隔绝油源1和油源2；Ⅱ部分为锥阀结构，其作用为控制油液的通断；Ⅲ部分为滑阀结构，其作用为控制泄漏流道的启闭。第Ⅲ部分内部开有通孔，将流入锥阀右侧的油液与主阀左侧容腔联通。内部通孔上开有径向孔，与先导阀座上的阻尼孔构成可变阻尼结构，可保证先导阀开启时泄漏流道关闭，而先导阀关闭时泄漏流道开启。

图4 先导阀芯结构示意图Fig.4 Schematic diagram of pilot spool structure

先导阀容腔及油路如图5(a)所示，先导阀芯左侧为弹簧和油源1控制腔，右侧为第1先导腔和第2先导腔。其中，第2先导腔与主阀左腔连通。

解决频繁切换问题的原理：当先导阀芯处于关闭状态时，第2先导腔与油箱连通，油源2控制油仅进入第1先导腔，作用面积为

A

，如图5(b)所示,当先导阀芯打开之后，第2先导腔与油箱不连通，油源2控制油进入第1先导腔和第2先导腔，作用面积为

A

、

A

和

A

。所以，先导阀打开之后，要关闭先导阀则需要油源1的压力回复到比打开先导阀时油源1的压力更大，这样就可以避免压力波动导致的先导阀频繁启闭，主阀芯也不会产生频繁换向。

(a)先导阀容腔及油路示意图

2 数学模型

根据能源选择阀的功能需求，结合所设计能源选择阀的先导阀和主阀结构，建立了先导阀和主阀从开始切换至完成切换全过程的数学模型。能源选择阀工作过程如图6所示，其运动过程可分为以下几个步骤。

图6 能源选择阀工作过程示意图Fig.6 Schematic diagram of the working process of the energy selection valve

(1)先导阀开启前

当油源1压力正常时，先导阀处于关闭状态。主阀芯左腔与油箱联通，在右侧油压和弹簧力作用下处于左位，油源1向负载口供油。此时，先导阀芯的力平衡方程为

k

x

+

p

A

=

p

A

+

p

A

+

F

(1)

式中，

k

为先导阀弹簧刚度，单位N/m；

x

为先导阀弹簧预压缩量，单位m；

p

为油源1压力，单位MPa；

p

为油源2压力，单位MPa；

p

为第2先导腔压力，单位MPa；

F

为先导阀座支反力，单位N；

A

为第1先导腔作用面积，单位m；

A

为第2先导腔作用面积，单位m；

A

为油源1控制腔作用面积，单位m。随着油源1压力的降低，阀座支反力

F

逐渐减小，当阀座支反力

F

减小为0时，先导阀芯处于即将打开的临界时刻，

p

与油箱压力

p

相同，为0.7 MPa。此时，先导阀芯的力平衡方程为

kx

+

p

A

=

p

A

+

p

A

(2)

先导阀开启压力为

(3)

(2)先导阀开启过程

当油源1压力小于

p

时，先导阀芯开启，先导阀芯开启后的力平衡方程为

(4)

式中，

x

为先导阀芯位移，单位m；

m

为先导阀芯质量，单位kg；

C

为先导阀流量系数；

d

为先导阀座孔平均直径，单位m；

a

为阀芯锥角；

B

为黏性阻尼系数。

先导阀容腔油液连续性方程为

(5)

式中，

q

为油源1流入先导阀流量，单位m/s；

q

为第2先导腔流入油箱流量，单位m/s；

A

为阀座孔面积，单位m；

V

为控制容腔体积，单位m；

E

为油液体积弹性模量，单位MPa。

油液通过锥阀阀口的流量方程为

(6)

其中，

ρ

为油液密度，单位g/cm。

油液通过先导阀上可变节流口的流量方程为

(7)

其中，

C

为主阀流量系数，可变节流口通流面积

A

(

x

)的面积公式为

A

(

x

)=

(8)

其中，

r

为图4中Ⅲ部分中小孔的半径，单位m。

(3)主阀开启前

第2先导腔与主阀左腔相连，当第2先导腔的压力小于主阀右侧弹簧力及油液压力时，主阀处于关闭状态。此时，主阀芯的力平衡方程为

p

A

+

F

=

p

A

+

k

y

(9)

式中，

A

为主阀油液作用面积，单位m；

F

为主阀阀套支反力，单位N；

k

为主阀弹簧刚度，单位N/m；

y

为主阀弹簧预压缩量，单位m。随着主阀左腔压力

p

的升高，阀座支反力

F

逐渐减小，当阀座支反力

F

减小为0时，主阀芯处于即将打开的临界时刻。此时，主阀芯的力平衡方程为

p

A

=

p

A

+

k

y

(10)

主阀开启压力为

(11)

(4)主阀开启过程

当主阀左腔的压力

p

大于主阀芯开启压力

p

时，主阀芯开启，主阀芯开启后的力平衡方程为

(12)

式中，

m

为先导阀芯质量，单位kg；

y

为主阀芯位移，单位m；

y

为主阀油口长度，单位m；

d

为主阀芯直径，单位m；

θ

为主阀射流角；Δ

p

为主阀阀口前后压差，单位MPa；

B

为黏性阻尼系数。

(5)先导阀关闭过程

随着油源1压力

p

开始回升，当先导阀处于开始方向关闭的临界状态时，此时第2先导腔压力仍为高压，先导阀的力平衡方程为

k

(

x

+

s

)+

p

A

=

p

A

+

p

A

(13)

关闭压力为

(14)

式中，

s

为先导阀芯运动行程，单位m。当油源1压力

p

升高至大于

p

时，先导阀芯开始方向关闭，其力平衡方程与式(4)相同。油液通过锥阀阀口的流量方程和通过先导阀上可变节流口的流量方程与式(6)和式(7)相同。

先导阀容腔油液连续性方程为

(15)

(6)主阀关闭过程

在先导阀芯减小至完全关闭过程中，主阀左腔压力

p

下降，主阀开始向左移动，主阀芯的力平衡方程与式(11)相同。

式(1)～(15)共同构成能源选择阀的数学模型。

3 能源选择阀切换特性分析

为了分析所提出的能源选择阀自开始切换至完成切换的全过程性能，根据式(1)～式(15)的数学模型，搭建了仿真模型，如图7所示。设定合适的结构参数，进行仿真计算。通过仿真分析切换压力及回复压力、切换时间、油源压力脉动对特性的影响，以验证所设计的能源选择阀结构是否满足相关性能指标。定义切换压力为：当油源1压力低于某一压力即发生故障，此时负载1的供油由油源1切换到油源2，油源1的压力称为切换压力；回复压力为：负载1的供油由油源2切换回油源1时，油源1的压力。

图7 仿真模型Fig.7 Simulation model

3.1 油源1切换压力及切换时间

以所设计的能源选择阀为例，假设油源2正常工作，其压力稳定在32MPa;油源1压力存在以下两种故障工况，并分别进行故障模拟与分析。图8所示为故障工况1：在0～0.05s内压力保持在32MPa，0.05～0.2s发生泄漏故障，压力线性下降至14MPa，0.3～0.45s压力线性回升至32MPa，0.45～0.5s内压力保持在32MPa。图9所示为故障工况2：在0～0.1s内压力保持在32MPa，在0.1s时压力瞬间阶跃下降至14MPa，0.1～0.4s压力保持在14MPa，在0.4s时压力瞬间上升至32MPa，0.4～0.5s压力保持在32MPa。两种故障工况下的阀芯位移变化如图8和图9所示。

(a)油源1压力及先导阀芯位移

(a)油源1压力及先导阀芯位移

对于故障工况1，从图8(a)中可知，先导阀开启(切换)压力为20MPa，关闭(回复)压力为30.65MPa，先导阀在0.15s开始打开，0.156s完全打开，开启时间为6ms；在0.439s开始关闭，0.442s完全关闭，关闭时间为3ms，开启关闭迅速且不存在振动现象。从图8(b)中可知，主阀开启压力为19.28MPa，关闭压力为31.04MPa，主阀在0.156s开始打开，0.163s完全打开，开启时间为7ms；在0.442s开始关闭，0.444s完全关闭，关闭时间为2ms。所以，故障工况1下的主阀的启闭时间远小于设计要求50ms，具有较快的响应速度。此外，主阀的回复压力大于切换压力，可避免主油源在切换压力附近波动时，先导阀始终保持打开状态。这是由于所设计的先导阀右侧在开启前后的油液作用面积不同，从而使得切换压力和回复压力之间存在一段压差。

对于故障工况2，从图9(a)中可知，先导阀开启和关闭均在油源瞬间下降时刻，先导阀在0.1s开始打开，0.1014s完全打开，开启时间为1.4ms；在0.4s开始关闭，0.401s完全关闭，关闭时间为1ms。从图9(b)中可知，主阀在0.101s开始打开，0.105s完全打开，开启时间为4ms；在0.4s开始关闭，0.403s完全关闭，关闭时间为3ms。所以，故障工况2下的主阀的启闭时间远小于设计要求50ms，具有较快的响应速度。

3.2 油源1压力脉动下的切换特性

当油源1在开启压力附近波动时，设其压力波动形式为

p

=20+2cos(10π

t

)。通过仿真可得,油源脉动环境下阀芯先导阀和主阀芯位移如图10所示。

图10 油源脉动环境下的阀芯位移Fig.10 Spool displacement under oil source pulsation environment

从图10中可知，在压力正弦波动的影响下，先导阀和主阀在打开后位移都保持不变，均能保持稳定。这是由于设计先导阀的开启关闭压差不同，从而使主阀切换和回复的压差不同。此外，先导阀在0.05s开始打开，0.058s完全打开，打开时间为8ms；主阀在0.058s开始打开，0.065s完全打开，打开时间为7ms。所以，压力正弦波动影响下的主阀的启闭时间远小于设计要求50ms，符合设计要求。

3.3 切换压力和回复压力的影响因素

由式(3)和式(14)可知，影响切换压差和回复压差的因素分别为第1先导腔外圈半径、第2先导腔外圈半径、先导弹簧刚度和先导弹簧预压缩量。其中，第1先导腔外圈半径如图5(b)中

A

的外圈半径，第2先导腔外圈半径如图5(b)中

A

的内圈半径。图11所示为先导腔外圈半径与切换压力和回复压力的关系曲线。

(a)第1先导腔外圈半径影响

从图11(a)中可以看出，切换压力和回复压力均随着第1先导腔外圈半径的增加而增加，且第1先导腔外圈半径对切换压力影响较大，对回复压力影响相对较小。从图11(b)中可以看出，切换压力随着第2先导腔外圈半径的增加而减小，回复压力不受第2先导腔外圈半径的影响。所以，能源选择阀的切换压力和回复压力可以通过调整先导腔外圈半径来实现。图12所示为先导弹簧刚度及压缩量与切换压力和回复压力的关系曲线。

(a)先导弹簧刚度影响

从图12(a)和(b)中可以看出，切换压力和回复压力均随着先导弹簧刚度和预压缩量的增加而减小，但这两项参数对切换压力和回复压力的影响较小。

4 结 论

设计了一种插装式液控能源选择阀，主阀采用三台肩滑阀结构，且在滑阀末端设置换向缓冲结构。先导阀采用锥阀和可变阻尼结构设计，用于控制主阀的切换和减小泄漏。通过先导阀油路及容腔设计，可使先导阀在开启和关闭状态下右侧控制油液的作用面积不同，进而使先导阀开启时两油源的压差和关闭时两油源的压差不同，避免了先导阀芯在切换压力附近的频繁启闭问题。建立了能源选择阀各工作过程的数学模型。得到了油源1切换压力和回复压力的特性，油源1切换时的压力随第1先导腔外圈半径的增大而减小，随第2先导腔外圈半径的减小而减小，而油源1回复时的压力受影响较小。此外，先导弹簧刚度和预压缩量对油源1的切换压力和回复压力影响较小。

所设计的能源选择阀工作压力为32MPa。当油源1发生故障，压力线性下降时，油源1的切换压力为19.28MPa，回复压力为31.04MPa，主阀开启时间为7ms。当油源1发生故障，压力阶跃下降时，主阀开启时间为5ms，能实现能源选择阀快速性要求。