专利名称：用于液压致动器系统的冗余流量控制的制作方法
背景技术：
液压致动器可用于多种用途，并且如果用在伺服机构的液压流量控制阀中，能够用来控制机器及结构。在这种应用中，液压致动器可以被称为伺服致动器。致动器和伺服致动器可以具有包括机械和航空用途在内的多种用途。伺服致动器可以用于旋转和固定翼飞行器上，用来抵抗和控制在飞行器的飞行和着陆过程中作用在飞行操纵面上的巨大作用力。例如，伺服致动器可以被用于旋转飞行器，以便用来定位诸如旋转斜盘等设备；也可以被用于固定翼飞行器，以便用来定位诸如前轮起落架、主起落架、减速板操纵面、翼片操纵面以及主飞行操纵面等设备。
对于某些应用，比如上述或其他应用，理想的是采用串联液压活塞，即具有两个或更多个活塞头的活塞。对于串联活塞，可以使用冗余流量控制阀和液压系统，从而使得液压系统，例如飞行控制系统，能够在液压系统之一发生故障时运行。如果采用两个活塞头，则可以称该致动器为串联或双串式致动器或伺服致动器。
在典型的冗余双串式伺服致动器中，需要两个机械流量控制阀来提供必需的流量控制冗余度。该冗余度包括在液压供应失效或控制阀堵塞，即控制阀阀芯堵塞或卡在控制阀套筒内的情况下，用于为致动器提供流量控制的能力。例如，在飞行器应用中，对于冗余双串式伺服致动器而言，理想的是具有能够使飞行员在一个液压系统中的液压供应发生故障之后利用另一个液压系统机械地操纵伺服致动器的故障运行能力。对于冗余双串式伺服致动器来说，也比较理想的是具有能够使飞行员在流量控制阀之一堵塞或卡住时机械地操纵两个流量控制阀的能力。
已经有多种冗余伺服致动器用于这种安全用途，但是这些致动器通常使用相对较高的液压供应系统压强。这样的压强通常为几千磅每平方英寸(ksi)。在一个液压系统发生故障之后，这样的压强会在没有运行的活塞/液压缸组件的内腔中形成巨大的偏压力，这导致操纵者难于移动故障系统，从而消除了具有冗余致动器系统的优点。
基于上述原因，需要一种用于液压致动器的冗余流量控制，该冗余流量控制能够提供故障运行能力，并且在发生故障的致动器系统内随后形成低压强和低偏压力。
发明内容
本发明涉及一种用于冗余液压致动器系统的冗余流量控制阀系统，包括但不局限于双液压致动器系统。
本发明的第一实施例可以包括用来与串联液压致动器共用的液压流量控制系统。该流量控制系统可以包括流量控制阀组件，所述组件包括套筒、滑动地设置在套筒内的支路控制阀芯、以及滑动地设置在支路控制阀芯内的主控制阀芯。支路截流阀可以被液压地连接到控制致动器活塞之一的供应管路、返回管路、控制管路、致动器伸长管路以及致动器缩回管路上。该流量控制系统还可以包括节流器—止回阀组件，该组件包括定向止回阀和节流装置。支路控制阀芯可以包括一个或多个沟槽，并且可以具有带两个控制边缘的控制沟槽。
第二实施例可以包括伺服致动器控制系统。该系统可以包括第一流量控制阀，该阀具有可滑动地设置在第一支路阀芯内的第一主控制阀芯和内部可滑动地设置有第一支路阀芯的第一固定式套筒。该系统可以包括第二流量控制阀，该阀具有可滑动地设置在第二支路阀芯内的第二主控制阀芯和内部可滑动地设置有第二支路阀芯的第二固定式套筒。第一支路截流阀可以被液压地连接到第一控制阀上。第二支路截路阀可以被液压地连接到第二控制阀上。第一节流器-止回阀组件可以被液压地连接到第一支路截流阀。第二节流器-止回阀组件可以被液压地连接到第二支路截流阀。串联式液压致动器可以被液压地连接到第一控制阀和第二控制阀。该第一和第二支路控制阀芯可以分别包括具有一个或多个周向沟槽的径向外表面，该周向沟槽包括带有第一和第二控制边缘的控制沟槽。
第三实施例包括为液压致动器提供冗余流量控制的方法。响应于液压流量控制系统的故障，在相应致动器两侧的液压缸内腔压力可以被排减到相应的返回管路。可以向无故障液压流量控制系统的相应活塞提供流量控制。响应于液压供应管路故障和/或致动器堵塞，在相应致动器两侧的液压缸内腔压力可以被排减到相应的返回管路。可以通过将支路截流阀从截流位置移动到旁路位置来使液压缸内腔压力排减到返回管路。可以通过从无效位置移位支路控制阀芯来使液压缸内腔压力排减到返回管路。控制阀芯的移位可以包括将控制管路通向相应的返回管路。
参照下述说明、所附权利要求以及附图将更好地理解本发明的上述以及其他的特征、方面及优点。附图包括图1表示用于直升机飞行控制系统的主伺服控制系统。
图2表示图1系统中一个流量控制系统中的系统压力失效。
图3表示图1系统中的一个流量控制阀处于堵塞状态。
图4表示主伺服控制系统的代表性流量控制阀的放大视图。
图5表示支路截流阀的放大视图。
图6表示系统压力失效的一个流量控制系统的放大视图。
图7表示图6的系统处于流量控制阀被堵塞的状态。
图8表示典型的双串式输出活塞组件的断续剖视图。
图9是为冗余液压致动器提供冗余流量控制的方法的流程图。
具体实施例方式
通过下述具体说明可以理解本发明，在阅读以下具体说明时应结合附图。以下内容仅通过实例对某些实施例进行具体说明，但是并不意味着是对本发明的保护范围进行限制。
参照图1，图示的伺服致动器控制系统或主伺服控制系统100用于通过一对冗余的液压流量控制系统120a、120b来控制双串式液压致动器111。在图中，除了标明之外，以“a”和“b”结尾的附图标记分别表示第一和第二液压流量控制系统的相应元件，例如120a和120b。
每个液压流量控制系统120a、120b可以包括液压流量控制阀140a、140b，支路截流阀组件160a、160b，以及节流器—止回阀组件170a、170b。每个流量控制系统120a、120b可以起到控制双串式液压致动器111的液压缸105a、105b内的活塞104a、104b的位置的作用。活塞104a、104b可以被连接作为具有输出杆108的输出活塞组件的一部分。
在某些实施例中，每个液压流量控制系统120a、120b可以被包括在单独的歧管102a、102b内，以便减轻或消除影响一个系统的裂缝传向另一系统的可能性。第一和第二歧管102a、102b可以被刚性地连接在一起，第一和第二液压缸105a、105b也可以被刚性地连接到一起。例如，可以通过围绕液压缸105a、105b的中心压盖区域间隔开的高强度螺栓来连接液压缸105a、105b。或者，液压流量控制系统120a、120b可以被包括在一个歧管内。
继续参照图1，输出杆108可以在连接点3被连接到结构1，例如直升机结构或机架。流量控制系统120a、120b可以控制液压致动器111，以便相对于活塞104a、104b伸长和缩回旋转斜盘输出杆和球端110，从而移动所连接的任何元件。例如，直升机旋转斜盘7可以通过杆和球头110被连接到歧管102b，借助系统100向旋转斜盘7提供输出位置、速度以及载荷控制。以这种方式，可以实现移动体类型的伺服致动器控制系统。
在流量控制系统120a、120b内的每个液压流量控制阀140a、140b可包括外套筒142a、142b，支路控制阀芯144a、144b以及主控制阀芯146a、146b。每个支路控制阀芯144a、144b分别安装在相关的套筒142a、142b内，并且可以在套筒142a、142b内移动。流量控制阀140a、140b可以通过连接装置或连杆，比如与主控制阀芯146a和146b相连的输入轴(以虚线101a表示)相连接。结果，响应于相同的机械输入，主控制阀芯146a、146b可以以串联的方式移动。
主控制阀芯146a、146b可以在支路控制阀芯144a、144b内沿着纵轴线移动。套筒142a、142b，支路控制阀芯144a、144b以及主控制阀芯146a、146b可以被布置成同心的嵌套式结构。主控制阀芯146a、146b可以与支路控制阀芯144a、144b重叠。在某些实施例中，主控制阀芯146a、146b和支路控制阀芯144a、144b以及相关的沟槽和孔可以受到流动碾磨(flowgrinding)或“流动研磨”。支路控制阀芯144a、144b可以类似地与套筒142a、142b重叠，并且对套筒142a、142b进行流动研磨。每个流量控制系统的外套筒142a、142b可以通过合适的流量控制阀液压零点调节器/锁定装置112a、112b，例如一个或多个螺钉组件，而被保持在合适的位置。尽管只示出了用于流量控制阀140a的一个调节器/锁定装置112a，但是也可以使用第二调节器/锁定装置112a，类似于所示的用于流量控制阀140b的两个调节器/锁定装置112b。
对中装置150a、150b可以分别用来将支路控制阀芯144a、144b偏压到在每个相关歧管内的预定位置。在某些实施例中，例如图4所示的实施例中，包括但并不局限于独立嵌套的内卷簧和外卷簧的弹簧组件可以用作合适的对中装置。
支路截流阀160a、160b可以被液压地连接到流量控制阀140a、140b。该支路截流阀160a、160b可以是梭阀并且可以具有支路阀芯162a、162b，该阀芯受到偏压装置164a、164b，比如偏压弹簧的偏压作用。对于每个流量控制系统120a、120b，各个支路截流阀160a、160b可以起到下述作用(i)在正常运行过程中使液压流体从供应管路130a、130b不间断地供应到流量控制阀，以及(ii)在供应故障或控制阀阻塞的情况下将伸长和缩回管路内的控制压力转向至返回管路。
根据特定液压流量控制系统(例如120a)的运行条件，支路阀芯162a、162b可以从如图1所示的第一位置移动到如图2所示的第二位置。开关165a、165b在某些实施例中可以是微开关，并且可以在支路阀芯162a、162b处于旁路位置时起到指示的作用。
可以为每个支路截流阀组件160a、160b设置开关165a、165b，以便指示支路阀芯，例如162a的位置。开关165a、165b可以通过一个或多个电导线166而被连接，并且可以通过电连接器168访问。
节流器—止回阀组件170a、170b可以被液压地连接到支路截流阀160a、160b。节流器—止回阀组件170a、170b可以包括定向止回阀171a、171b以及节流装置174a、174b，其可以是例如尺寸足够小的孔或缝隙。定向止回阀171a、171b可以使被支路阀芯162a、162b排出的液压流体能够进入相关的供应管路130a、130b。该节流装置在限定容积流率的某些情况下可以使流体以控制压力来移动支路阀芯162a、162b，以下会对此作具体的介绍。
参照图2，图1所示的系统100具有处于供应压力失效状态的液压流量控制系统120a。对于如图所示的状态，供应入口130a处的液压供应压力从正常供应压力降低，例如当液压供应管路130a发生泄漏时。
所示的用于液压流量控制系统120b的支路阀芯162b处于第一位置或“截流”位置，液压流量控制系统120b和液压流量控制系统120a的支路阀芯162a的正常运行状态如图所示为第二位置或“旁路”位置。在截流位置中，处于供应压力的液压流体作用在支路阀芯162a一端的力大于偏压装置164b，例如弹簧的反作用力。结果，支路阀芯162b被保持在截流位置并且阻断在相关液压循环管路或通道内的某些出口，下文将参照图5予以详细说明。对于截流位置，支路阀芯的沟槽与供应管路对准，使得处于完全供应压力下的液压流体能够流向控制阀140b。
在供应压力失效，例如图2中液压流量控制系统120a所示的情况下，偏压装置164a、164b向旁路位置推动支路阀芯162a、162b。在旁路位置，来自液压缸105a、105b的伸出腔和缩回腔的压力被排减到相应的返回管路176a、176b，从而显著降低作用在活塞104a、104b上的压力，下文将对此作进一步详细介绍。
图3表示图1的系统100处于运行状态，其中液压流量控制系统120b在正常运行，但是液压流量控制系统120a处于故障或堵塞状态。所示的流量控制阀140a的主控制阀芯146a相对于支路控制阀芯144a被堵塞并被卡住。所示的支路控制阀芯144a通过飞行员机械输入杆4和输入轴101a而相对于机械中性位置而被移位，如图1和2所示。正常运行的流量控制系统140b不会受到流量控制系统140a的被堵塞的主控制阀芯146a的影响。
图4表示根据一个实施例的用于冗余流量控制的典型的流量控制阀400的放大视图。该流量控制阀400可以位于歧管403b内，并且可以包括位于支路控制阀芯444内的主控制阀芯446。该支路控制阀芯444可以被容纳在套筒442内。输入杆附件或末端401可以用来向主控制阀芯446传递控制力。套筒442可以通过一个或多个套筒调节件/套筒锁，例如402而被保持在歧管403b内，该套筒调节件/套筒锁402可以被操作，以便设置并调节流量控制阀400的液压零点。该套筒调节件/套筒锁402可以穿过第二歧管403a的一部分并且具有圆锥形末端404，其中上述第二歧管403a与双控制阀系统(例如图1的系统100)的另一流量控制阀(未示出)相连，上述末端能够被套筒442的开孔406所容纳。
主控制阀芯446可以具有所需数量的槽脊(land)490，例如如图所示的四个，并且可以重叠到支路控制阀芯444上并被流动研磨。可以通过任何已知的装置，包括与主控制阀芯446上的沟槽(例如在输入端401处的沟槽)相配合的球形球杆，向主控制阀芯446进行机械输入。可以通过向输入端401的机械输入指令，例如通过飞行员向输入轴(例如图1的输入轴101a)发出的输入命令，来控制住控制阀芯446的位置。
套筒442和支路控制阀芯444之间以及支路控制阀芯444和主控制阀芯446之间的直径间隙可以是任意合适的规格或尺寸。在某些实施例中，直径间隙可以为0.001英寸(0.0254毫米)的数量级。可以包括可拆卸的盖子430，以便允许接近流量控制阀400，并且该盖子400可以通过螺栓434和垫圈432被连接到歧管403b，如图所示。
套筒442可以包括沟槽443以及流道445和孔口493。沟槽443可以使液压流体围绕套筒443沿周向流动。流道445和孔口493可以使液压流体穿过套筒442作径向流动。供应管路478可以被连接到套筒内的沟槽443和流道445，如图所示。伸长控制管路476和缩回控制管路472可以被连接到套筒442内的沟槽443和流道445。如图4所示，伸长管路476和缩回管路472的上部和下部可以分别通向支路截流阀，例如图1中的160b和相关的液压缸，例如图1中的105b。或者，伸长管路和缩回管路可以被以相反的结构连接到支路截流阀和液压缸。
支路控制阀芯444还可以包括能够使液压流体做类似流动的沟槽447和流道449。支路控制阀芯444还可以包括控制流体流动的孔口492。支路控制阀芯和套筒的某些沟槽和流道可以径向地对齐，尽管径向位置定向并非是必需的。支路控制阀芯444、套筒442以及主控制阀芯446在正常运行下起到四通控制阀的作用。每个沟槽可以具有连接套筒的径向外表面和径向内表面的一个或多个孔口或流道。如果支路控制阀芯444没有阻断孔口492，液压流体能够从套筒442外部的液压管路流向套筒内部，支路控制阀芯444和主控制阀芯446位于套筒的内部。尽管如图所示在套筒442上具有7个沟槽，但是应该理解到也可以使用其他数量的沟槽443。
支路控制阀芯444可以重叠并流动研磨套筒442。支路控制阀芯444可以包括具有两个流动研磨回复控制边缘482、484的控制沟槽480，该沟槽480在正常运行状态下与套筒442上的流量计量槽或流道445重叠。具有处于系统压力下的液压流体(例如来自图1中的节流装置174b的液压流体)的控制管路474可以液压地被连接到两个孔口493之间的沟槽480，两个孔口493对应于计量表面或控制边缘482、484。在正常运行下的零点位置，控制边缘482、484的重叠可以使控制管路474和返回管路470、471之间的任何流动或压力泄漏降至最小。当控制边缘482、484相对于套筒442和孔口493移动时，控制管路474内的压力被排减到在470和471处相连的返回管路。
支路控制阀芯444可以用来提供(i)向主控制阀芯446提供流体源，用于正常的流量控制阀运行，以及(ii)在支路控制阀芯444和主控制阀芯446之间发生卡死或堵塞(诸如如图3中所示的液压流量控制系统120a)之后提供支路截流阀的支路流量控制。套筒442为液压供应管路、返回管路、液压缸腔控制管路(即伸长和缩回管路)，以及为支路截流阀控制压力提供流量控制阀组件400的流入和流出。在支路控制阀芯444和主控制阀芯446之间卡死的情况下，支路控制阀芯444会相对于套筒442和支路沟槽480以及计量表面(例如482、484)滑动，将会把控制腔(例如图5的511)压力排减到返回管路(例如470和471处)压力。
对中装置450可以用来将支路控制阀芯444相对于套筒422偏压在预定位置。在某些实施例中，对中装置450可以包括对中弹簧组件、一对弹簧保持架456和保持销457，其中对中弹簧组件包括具有一对嵌套的内、外压缩弹簧452和454的隔离盖453。外弹簧454可以被预加载在该外弹簧一侧处的歧管/液压缸组件表面之间，和被预加载在该外弹簧另一侧处的弹簧保持套筒表面之间。所述内弹簧452可以被预加载在相同的保持架/套筒表面上，并且该保持架可以被销接到支路控制阀芯444。
在主控制阀芯446相对于支路控制阀芯444被卡住或堵塞的情况下，二者可以响应机械输入而一起移动，由此压缩对中装置450的内弹簧452或外弹簧454。该主控制阀芯446可以包括中空通道448，该通道可以使端部腔室458对冗余流量控制阀(未示出)的压力(例如返回压力)处于平衡。这样，通道448能够帮助包括流量控制阀400的冗余流量控制阀系统返回压力平衡。
可以使用一个或多个调节器/锁402、并且通过沿各个方向调节相应的套筒/支路控制阀芯组件直至达到液压零点来提供流量控制阀400的主控制阀芯446的零位调节。对于该调节，通过使用与输入杆上的阀冲程销相配合的刚性销工具可以将输入杆保持在机械零点。当达到液压零点时，两个用于套筒的调节器被同时地上紧到受控扭矩或预定扭矩水平，并且被安全锁定到歧管和/或液压缸组件，以便牢固地将套筒保持在紧靠歧管/液压缸组件的位置。受控扭矩可以防止套筒重叠配合的内径发生变形，并且可以减小阀芯至套筒的重叠间隙。另一流量控制系统，例如图1中的140a，可以通过零位调节器/锁而被调节到液压零点，其中该零位调节器/锁可以位于另一流量控制系统(未示出)内。另一调节器/锁可以被用来完成零位调节或锁定功能。
借助冗余流量控制系统的剩余流量控制阀(未示出)为对中所提供的相应装置可以提供冗余的纵向反向力，由于该冗余的纵向反向力，支路控制阀芯444在双向预加载荷条件下被对中并且被保持到套筒442上的预定位置。该对中弹簧组件可以沿每个方向预加相等的载荷，并且可以被设计成在支路控制阀芯和套筒之间沿位移方向(在阀芯的中心线上)没有间隙。
在某些实施例中，比如在不希望在不同的液压系统之间发生系统间泄露的实施例中，可以设置如图所示的动态密封460、4601、4602。密封460可以起到减少套筒442和歧管403b之间的泄露的作用。密封4601、4602可以被定位成防止套筒442和支路控制阀芯444之间、以及支路控制阀芯444和主控制阀芯446之间发生泄漏。这些密封可以防止或最小化液压系统泄漏进入端部腔室458。这些密封是可选的，并且即使存在，也可以不用于相关的流量控制阀。
参照图5，该图示出了支路截流阀500的放大视图。该支路截流阀500可以包括支路阀芯501，该阀芯受偏压装置505的作用而被偏压到预定位置。偏压装置505的实例可以包括、但并局限于弹簧组件，例如一个或多个带有支座579和止动件504的弹簧。
可以在歧管(例如529)内设置支路截流阀500，该截流阀可以针对相关的活塞和液压缸(未示出)将控制转向返回管路576，或者向返回管路576旁路液压缸腔室管路(例如伸长管路509e和缩回管路509r)。该支路阀芯501可以从第一或“截流”位置移动到第二或“旁路”位置，在第一位置，支路液压缸腔室管路509e和509r被阻断并且供应管路530打开并接通相关的流量控制阀，例如图4中400，由此提供正常的流量控制阀流量控制；上述第二位置将液压缸腔室管路509e和509r连接到返回管路576。
在下述情况下，支路阀芯501可以从截流位置返回至支路位置(i)控制管路578(例如从图2的节流器—止回阀组件170a开始)内的系统压力失效或降低到阈值以下，或者(ii)支路控制阀芯(例如图4中的444)由于堵塞故障而相对于套筒(例如图4中的442)移动。无论在(i)还是(ii)的情况下，与控制管路578相连的控制腔511内的作用在支路阀芯501一侧上的压力被降低到预定阈值以下，并且支路阀芯501被从截流位置(如图所示)复位回旁路位置(例如图5中的控制腔511的左端)。
支路阀芯501可以具有一个或多个槽脊502和周向沟槽503。该支路阀芯501还可以具有通道或内部流道，其包括中心开口512和流道506。流道506可以将中心开口512连接到在某些槽脊502之间的槽道或沟槽503。流道506和中心开口512可以被钻削加工或通过其他方法，包括但并举局限于电火花加工(EDM)加工而成。
在有些实施例中，可以设置微开关520来检测支路阀芯501的位置，从而能够向观察者或操作者指示系统压力或流量控制阀堵塞故障。可移动的微开关盖524能够使用户接近微开关520。可以设置动态密封5261和5262来改善液压密封。可以设置通气孔510来减轻动态密封5261和5262之间的压力。可以设置一个或多个螺钉522来固定微开关520。可以设置保持架508来限制支路阀芯501的活动，并且允许接近和定位弹簧止动件504。
图6表示包括两个流量控制系统的主伺服控制系统600的一部分，图中表示出了两个流量控制系统之一的流量控制系统620a。该流量控制系统620a可以包括流量控制阀640a，以及支路截流阀660a。另外还表示出了相关联的双活塞串联式致动器的相应的液压缸614a，活塞615a，带有动态密封611、619的输出杆610，以及主轴621。输出杆610通过杆和球端607以及支架633可以与结构631，比如飞行控制元件或飞机机架相连。尽管在图中没有表示出，但是应该理解到，可以结合图示的特征使用第二流量控制系统，以便作用在双活塞串联式致动器的第二活塞上或者提供冗余流量控制功能。
流量控制阀640a可以包括在支路控制阀芯644a内的主控制阀芯646a。该支路控制阀芯646a可以被容纳在套筒642a内。该套筒642a可以包括沟槽643a，流道645a和孔口698a。支路控制阀芯644a可以包括如上所述的沟槽和647a、孔口649a以及流道697a，从而使得流量控制阀640a在正常运行状态下能够起到四通控制阀的作用。支路控制阀芯640a还可以包括支路沟槽680a，其带有计量表面或控制边缘682a和684a。在套筒642a内的一个或多个沟槽643a可以通过支路返回管路696a被连接到返回回路或管路690a。用于伸长或缩回活塞615a的控制管路692a、694a可以将活塞615a连接到流量控制阀640a和套筒642a，如图所示。控制管路692a和694a可以作用在活塞615a的不同侧面，例如伸长和缩回表面或侧面618a和617a。动态密封616a可以设置来降低或消除泄漏或分离液压缸腔室压力612a和613a。
带有输入附件603a的输入杆或端部601a可以用来向主控制阀芯646a传递控制力。该输入杆附件或端部601a和输入杆603a可以被连接到相关联的流量控制系统的相应输入组件，从而两个主控制阀可以以串联方式移动。可以在歧管606a内设置流量控制阀640a，该歧管606a可以与容纳第二流量控制系统(未示出)的第二歧管606b相连。两个歧管606a、606b可以通过连接点，例如螺栓连接而被连接在一起，并且如分隔线632所示彼此紧靠。该套筒642a可以通过一个或多个套筒调节器/锁602a而被保持在歧管606a内。
对中装置650a包括弹簧组件，该弹簧组件带有内弹簧652a和外弹簧654a、保持架656a以及销658a；该对中装置650可以相对于套筒642a定位并预加载支路控制阀芯644a。盖子659a可以允许接近该对中装置和/或控制阀640a。
图6所示的运行状况对应于至第一液压流量控制系统620a的供应管路630a中发生的系统压力或液压流体损失故障。当供应管路630a内的压力下降到阈值以下，例如当液压流体泄漏的情况下，控制管路686a内的压力也下降，并且弹簧669a所施加的偏压力将支路截流阀组件660a内的梭阀或支路阀芯662a从截流位置复位到旁路位置。来自支路截流阀控制压力腔的液压液量可以流过单向止回阀671a，以便有助于支路阀芯662a的复位，其中上述控制压力腔与控制管路上部678a和下部686a相连。具有如箭头所示的受阻流动方向的止回阀671a可以是节流器一止回阀组件670a的一部分，该节流器—止回阀670a还可以包括节流装置674a，比如孔口。可以在供应管路630a内设置过滤器673a来滤除液压流体杂质。
如果支路阀芯662a位于支路位置，如图所示，则在伸出侧和缩回侧612a和613a的液压缸腔室压力通过支路管路685a和688a、支路阀芯内的流到663a被排减到返回管路或回路676a。在旁路位置中，支路阀芯662a阻断供应管路630a的上部和供应管路的下部687a，该供应管路为流量控制阀640a供应液压流体。
可以通过开关665a来检测支路阀芯662a的支路位置，该开关可以通过管路或电线666而被连接到所需位置，例如用于第二流量控制系统的相应开关，和/或输入/输出连接，例如图1中的电连接器168。
在图6所示的结构中，作用在液压缸614a内的活塞的任一侧面612a、613a上的液压缸腔室压力与返回管路676a内的压力相等或大致相等。由于返回管路压力通常远小于供应管路或系统管路压力，因此作用于与双串式活塞的轴621相连的第二活塞的正常运行的液压流量控制系统(未示出)可以无须克服作用在活塞615a上的巨大作用力，否则将要克服该作用力。
在有些实施例中，一个流量控制系统(例如未示出的有关系统)的返回管路压力可以被排减到流量控制阀640a的端部腔室651a，以便使作用在主伺服控制致动器系统600的两个流量控制阀组件上的返回管路压力保持平衡。例如，来自相关流量控制阀组件的返回管路696b、并且在653处的返回管路压力可以通过主控制阀芯646a内的开口(例如648a)被排减到端部腔室651a。
图7表示图6的主伺服控制致动器系统600的一部分，其中流量控制阀640a处于卡死或堵塞状态。所示的主控制阀芯646a相对于相关的支路控制阀芯644a被卡死或被堵塞，同时支路控制阀芯644a相对于套筒642a被移离中间位置。可以将针对支路控制阀芯644a的中间位置调节到所需位置，例如，图1和2所示的位置。
如图7所示，当支路控制阀芯644a被从中间位置移开时，计量表面之一(例如682a或684a)移动通过在套筒642a内的相关孔口689a的边缘或一部分，使得处于控制压力的液压流体在控制管路686a内从支路截流阀的控制侧经由管路690a被转向或被排至返回管路676a。一旦控制管路686a内的液压流体被转向返回管路，作用在支路阀芯662a的控制侧的压力下降，并且支路阀芯662a被偏压装置669a从截流位置复位到旁路位置(未示出)。一旦处于旁路位置，支路阀芯662a阻断从供应管路630a经管路687a到流量控制阀640a的液压流体的流动。
在该结构中，控制管路686a内的液压流体可以流经(如箭头所示)支路沟槽680，进入流道645a，随后进入相应的套筒沟槽643a。一旦进入沟槽643a，其中该沟槽可以为周向的，流体可以进入返回管路系统，例如管路696a和690a以及沟槽643a。如图所示，管路690a的上部可以将套筒642a连接到支路截流阀660以及返回管路676a。对于图示位置，由于其与返回管路676a相连，因此节流器—止回阀组件670a的节流器或孔口674a可以防止供应压力630a下的大量液压流体在686a处建立压力。这可以防止支路阀芯662a返回截流位置。
对于图7所示的结构，在活塞615a的伸长侧612a和缩回侧613a的液压缸腔室压力降低到返回管路压力水平。正常运行的流量控制系统(未示出)可以继续控制与轴621相连的双活塞致动器的另一活塞，并且无需克服作用在活塞615a上的高压作用力。一个流量控制系统(未示出)的返回管路压力可以通过开口684a被排减到端部腔室651a，以便使作用在两个流量控制阀组件上的返回管路压力保持平衡。
图8表示典型的双串式输出活塞组件或致动器800的断续剖视图。图示的具有冲程长度的输出轴808被连接到包括第一活塞头804a和第二活塞头804b的主活塞上。第一活塞头804a在第一液压缸组件805a内滑动，该液压缸组件805a可以与系统歧管一体或被连接到系统歧管上，该歧管包含用于活塞头804a的液压流量控制系统。类似地，该第二活塞头805b在相应的第二液压缸组件805b内滑动，第二液压缸组件805b可以是与另一系统歧管为一体或连接到另一系统歧管。尽管在图中没有标示出控制管路和液压口，但是应该理解到，它们存在于合适的位置。
第一和第二液压缸组件805a、805b可以通过合适的连接方式连接，例如他们可以是刚性地连接并以螺栓连接在一起，等等。第一和第二中心压盖816a，816b可以分隔开相连接的液压缸组件805a、805b的两个内腔，以便提供活塞止动面和液压密封。每一个中心压盖，例如，816a可包括单个活塞杆动态密封803和单个静态密封807。每个中心压盖，例如816b，可以安装被陷设在两个系统液压缸之间。在特定的实施例中，中心压盖816a、816b可以由自润滑铝青铜材料制成，该材料可以减少活塞杆对中心压盖的接触磨损。液压缸805a、805b都可以被定位成与中心压盖同心并且在流量控制阀组件外径处的紧公差导引直径连接。可以设置活塞杆动态密封802以及活塞头动态密封801来改善动态密封。
继续参照图8，分别受到伸长腔812a，812b和缩回腔813a，813b作用的活塞伸长侧818a，818b和缩回侧817a，817b的面积可以有所不同并且可以根据需要设计。例如，伸长和缩回活塞面积可以被设计成符合特定的失速载荷和包络线需求。在有些实施例中，第一活塞面积可以被设计成稍稍有别于或完全不等于第二活塞面积。例如，第一活塞的伸长面积为1.554in2(1002.8mm2)，缩回面积为1.063in2(685.9mm2)，相应的第二活塞的伸长面积为1.604in2(1034.7mm2)，缩回面积为1.410in2(909.9mm2)。在某些实施例中，活塞面积可以相等或大致相等，以便使可能在相应的液压缸腔室内移动相应活塞的偏压力降至最小。
图9表示用于提供冗余流量控制的方法900的流程图，上述冗余流量控制用于冗余液压致动器或伺服致动器系统。响应于相应液压流量控制系统的故障，在冗余致动器的液压致动器两侧的液压缸室压力可以被排减到相应的返回管路902。响应于控制阀芯卡死在堵塞的控制阀内，压力控制管路可以被排放到相应的返回管路904。响应于相应供应管路的故障，致动器两侧的腔室压力可以被排至相应的返回管路906。可以利用无故障液压流量控制系统来提供对冗余致动器的活塞的流量控制。故障液压流量控制系统内的致动器液压缸室的排放可以降低或消除该系统作用在冗余致动器上的载荷。可以理解到，步骤904和906可以独立的发生，也可以以任何顺序联合发生。
下面参照附图介绍主伺服控制系统的运行。在正常运行条件下，例如图1所示，来自液压管路的液压流体以系统压力被供给每个流量控制系统。在支路截流阀的控制端的液压流体压力克服偏压装置作用在支路阀芯上的力，并且支路阀芯随后被定位，从而支路阀芯内的开口或沟槽使供应管路流向流量控制阀，该流量控制阀可以起到四通流量控制阀的作用，例如中心位置封闭的四通流量控制阀。
在正常运行时，每个流量控制阀可以与另一个串联动作，以便伸长或缩回各自的伺服致动器活塞。双流量控制阀的每一个控制液压压力和液压流，使其进入或流出线性伸长和缩回液压缸内腔，从而使得伺服致动器能够响应飞行员的机械输入指令以受控速度移动载荷，例如主电机旋转斜盘。
如果一个流量控制系统发生液压供应故障，如图2和6所示，在支路截流阀的控制端处的控制压力下降，并且偏压装置所施加的力向旁路位置移动支路阀芯。在旁路位置，支路阀芯内的开口将致动器控制腔管路(即伸长管路和缩回管路)连接到返回管路，为流量控制通泄去或“衰减”致动器腔室内的压力。剩下的流量控制系统(一个或多个)和致动器(一个或多个)能够被正常地控制，而不需要抵抗故障系统的致动器所产生的系统压力。然而，当活塞不同侧面的面积不同，可以在故障致动器内产生小的偏压力；由于返回管路压力低于供应压力或系统压力，因此偏压力很小。
在流量控制阀的主控制阀芯之一被卡死或堵塞在相应的支路控制阀芯内的情况下，如图3和7所示，当有足够的力来克服对中装置所提供的力时，对应的支路控制阀芯和主控制阀芯会作为一个单元在流量控制阀的套筒内移动。当支路阀芯相对于套筒移动时，支路控制阀芯上的计量表面或控制边缘在套筒内相对于孔口移动。套筒内的孔口被直接连接到返回管路和支路截流阀控制管路、沟槽、以及相连的流道，并通过套筒流向支路沟槽。一旦支路控制阀芯偏离中立位置相对于套筒向任一方向移动，在支路阀的控制管路和控制侧的压力被连接到或被排减到返回管路。当支路阀内的控制侧压力下降，支路阀芯移向旁路位置，并且致动器的伸长或缩回管路借助支路阀芯通向返回管路。液压缸腔室内的压力因此而降低到返回管路压力，从而仅有较小的力作用在活塞上。
当主控制阀芯被卡在支路控制阀芯上之后，支路控制阀芯的位移(i)将支路截流阀控制腔流体输出到返回管路，这使得支路截流阀能够复位到支路位置，并且连接液压缸腔室和返回管路，以及(ii)允许非卡塞流量控制阀组件的正常机械输入控制。
无论是一个流量控制系统内的液压供应失效(如图2所示)还是一个流量控制阀内的主控制阀芯卡死(如图3所示)，液压缸腔室均可以与返回管路压力平衡，并且通过某些装置相互连接，以便使飞行员能够利用正常的系统机械地操纵该伺服致动器。
这样，本发明为液压致动器和伺服致动器提供了冗余流量控制，并且在一个系统内单个液压供应故障或单个流量控制阀卡死故障，或同时发生的液压供应故障和流量控制阀卡死之后，提供故障运行能力。如果利用本发明来操纵无故障系统，则能够使性能的降低达到最小。
因此，本发明的实施例可以被用于包括飞行控制系统(例如固定式机翼飞行控制系统或直升机飞行控制系统)的航空系统，以便控制和定位一些设备，这些设备包括但是并不局限于旋转斜盘、起落架、主起落架、减速板操纵面、翼片操纵面以及主飞行操纵面。
在有些实施例中，主活塞和活塞头的材料可以是15-5PH耐蚀钢(CRES)。这种钢可以被热处理到H1025状态，对应于具有大约为155至175ksi(1069-1206N/m2)的屈服强度。该活塞杆直径可以镀铬或具有合适的其他涂层，以便使活塞杆动态密封最佳/刮擦器使用寿命最长。在有些实施例中，活塞头可以是未经电镀/裸露的15-5PH CRES。与活塞组件一同使用的锁定螺母可以是与活塞相同的材料。可用的锁定螺母垫圈可以由300系列的CRES制成。
在有些实施例中，致动器液压缸可以由7075-T73铝合金制成，完全硬化阳极镀覆(包括缸膛)至大约0.0015-0.0020英寸(0.381-0.508mm)，用于抗磨以及防蚀。硬化阳极处理后的活塞缸膛能够确保活塞头动态密封磨损被降至最低。硬化阳极处理后的活塞杆孔能够使由于活塞杆循环所引起的磨损降至最低。
在有些实施例中，适用于活塞组件的的动态密封可以包括Busak-Shamban牌的STEPSEAL型密封以及O形圈。其他的合适材料也可以用作多元件密封和O形圈。还可以使用活塞杆刮擦器。在有些实施例中，可以使用Busak-Shamban牌的EXCLUDER杆刮擦器。
此外，在有些实施例中，动态密封可以被用在主控制阀芯和支路控制阀芯上，以便有助于防止双液压系统之间的泄漏。在有些实施例中，节流器-止回阀组件可以是易于包装和安装的插装式，并且可以组合固定式孔口和止回阀的功能。止回阀部分可以被构造成球/座式结构，并且小尺寸的固定式孔口可以沿各个流动方向被过滤，以便防止由杂质而引起的阻塞。节流器-止回阀组件可以用300系列的耐蚀钢(CRES)制成。在某些实施例中，可以采用Lee Company的节流器-止回阀组件，P/N FCFA 2815系列或等效器件。带有标准AN814铝合金放出塞的保留到歧管/液压缸组件上的开口可以与过滤器结合使用。
在有些实施例中，对中装置的内弹簧和外弹簧可以由17-7PH耐蚀钢(CRES)材料制成，该材料被热处理到H900状态。在某些实施例中，与弹簧使用的保持架可以由300系列的CRES材料制成，并且保持架销可以由400系列的CRES材料制成。
在有些实施例中，可以使用Honeywell Division Micoro Switch的防外界干扰基本开关，例如零件号1XE3，一种单杆单掷(SPST)常开微开关。在某些实施例中，可以使用电连接器，例如符合MIL-C-83723、III系连接器的壁装式电插座M83723/83W1005W。在有些实施例中，主控制阀芯、支路控制阀芯以及套筒可以由440C耐蚀钢(CRES)制造，并且可以被热处理至硬度大于或等于58洛氏硬度(RHC58)。在有些实施例中，用于流量控制阀的套筒调节器/锁可以由15-5PH CRES制成，并且可以被热处理至H1025状态。
尽管本文参照某些优选实施方式对本发明进行了非常详细的介绍，但是其他实施方式也是可行的。例如，尽管上述说明参照移动体式伺服致动器控制系统，但是本发明的实施例可以用于固定体式伺服致动器控制系统。尽管上述说明参照了直升机旋转斜盘控制系统的实施例的应用，但是本领域技术人员可以理解到，本发明的保护范围包括需要具有故障运行功能的冗余致动器的任何应用或用途。尽管上述说明参照了飞行员机械输入控制的双活塞致动器和/或伺服致动器，但是本发明的保护范围包括带有多个活塞的致动器的使用。应该理解到，对伺服致动器的参照可以包括在带有活塞反馈功能(例如电子位置错误信号)和电控流量控制阀的飞线结构中的所有电气操作。此外，由于本发明的保护范围并不局限于任何特定尺寸，因此本文所用的任何尺寸均是为了说明的目的。此外，尽管本发明参照了用作四通控制阀的流量控制阀，但是应该理解到，本发明的保护范围包括其他类型的流量控制阀，例如三通流量控制阀。
读者应该注意与本发明同时提交的所有文件和资料，这些文件和资料与本说明书一起被向公众公开，并且所有这些文件和资料的内容在此引入作为参考。本说明书中公开的所有特征，包括所附的权利要求、摘要以及附图可以被能够达到相同、等同或类似目的的特征所替换，特别声明的除外。
权利要求
1.一种与串联式液压致动器一起使用的液压流量控制系统，所述系统包括流量控制阀组件，其包括套筒、可滑动地设置在所述套筒内的支路控制阀芯，以及可滑动地设置在所述支路控制阀芯内的主控制阀芯；与供应管路、返回管路、压力控制管路、致动器伸长管路以及致动器缩回管路液压地相连接的支路截流阀；以及节流器-止回阀组件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主控制阀芯包括一个或多个槽脊。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支路控制阀芯包括在径向外表面上的一个或多个周向沟槽。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个沟槽包括具有第一和第二控制边缘的支路沟槽。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述支路控制阀芯能够在所述套筒内从第一位置移动到一个或多个第二位置，其中在所述第一位置中，与所述第一和第二控制边缘相连的第一和第二槽脊阻断所述套筒内的孔口，而在所述第二位置中，所述槽脊之一没有完全阻断所述孔口之一，使得在支路截流阀压力控制管路内的液压流体能够流至返回管路。
6.一种伺服致动器控制系统，包括第一流量控制阀，其具有可滑动地设置在第一支路控制阀芯内的第一主控制阀芯和内部可滑动地设置有第一支路控制阀芯的第一固定式套筒；第二流量控制阀，其具有可滑动地设置在第二支路控制阀芯内的第二主控制阀芯和内部可滑动地设置有第二支路控制阀芯的第二固定式套筒；通过第一液压回路被液压地连接到所述第一流量控制阀上的第一支路截流阀；被液压地连接到所述第二流量控制阀上的第二支路截流阀；被液压地连接到所述第一支路截流阀上的第一节流器-止回阀组件；被液压地连接到所述第二支路截流阀上的第二节流器-止回阀组件；以及被液压地连接到所述第一流量控制阀和所述第二流量控制阀上的串联式液压致动器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一套筒包括具有一个或多个周向沟槽的径向外表面，所述沟槽与所述第一液压回路的流道对准。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一套筒包括一个或多个套筒孔口和流道，所述孔口或流道将一个或多个所述周向沟槽连接到所述第一套筒的径向内表面。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一支路控制阀芯包括具有一个或多个周向沟槽的径向外表面。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一支路控制阀芯还包括具有第一和第二控制边缘的支路沟槽。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一支路控制阀芯可以从第一位置移动到一个或多个第二位置，其中所述第一位置阻断所述第一液压回路内的控制流体通道和所述第一液压回路内的返回流体通道之间的流体流动，而所述第二位置连接所述控制流体通道和所述返回流体通道。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，与所述第一和第二控制边缘相连的第一和第二槽脊阻断沟槽内的孔口，其中所述沟槽连接所述返回流体通道和在所述支路控制阀芯上的所述支路沟槽。
13.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二套筒包括具有一个或多个周向沟槽的径向外表面，其中所述周向沟槽与所述第二液压回路的流道相对准。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第二套筒包括一个或多个套筒孔口和流道，其中所述孔口和流道将一个或多个所述周向沟槽连接到所述第二套筒的径向内表面。
15.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二支路控制阀芯包括具有一个或多个周向沟槽的径向外表面。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二支路控制阀芯还包括具有第一和第二控制边缘的支路沟槽。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第二支路控制阀芯可以从第一位置移动到一个或多个第二位置，其中所述第一位置阻断所述第二液压回路内的控制流体通道和所述第二液压回路内的返回流体通道之间的流体流动，而所述第二位置连接所述控制流体通道和所述返回流体通道。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，与所述第一和第二控制边缘相连的第一和第二槽脊阻断沟槽内的孔口，其中所述沟槽连接所述返回流体通道和在所述第二支路控制阀芯上的所述支路沟槽。
19.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一主控制阀芯与所述第一支路阀芯相重叠并且流动研磨所述第一支路阀芯。
20.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一支路控制阀芯与所述第一套筒相重叠并且流动研磨所述第一套筒。
21.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二主控制阀芯与所述第二支路阀芯相重叠并且流动研磨所述第二支路阀芯。
22.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二支路控制阀芯与所述第二套筒相重叠并且流动研磨所述第二套筒。
23.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一主控制阀芯和所述第一支路控制阀芯具有大约0.001in(0.00254mm)的直径间隙。
24.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一支路控制阀芯和所述第一套筒具有大约为0.001in(0.00254mm)的直径间隙。
25.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二主控制阀芯和所述第二支路控制阀芯具有大约0.001in(0.00254mm)的直径间隙。
26.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二支路控制阀芯和所述第二套筒具有大约为0.001in(0.00254mm)的直径间隙。
27.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一和第二主控制阀芯分别在第一和第二输入端处与同一输入轴相连。
28.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一流量控制阀的第一纵向轴线和所述第二流量控制阀的第二纵向轴线共线。
29.根据权利要求6所述的系统，还包括用于相对于岐管锁定所述第一流量控制阀的第一套筒锁装置。
30.根据权利要求6所述的系统，还包括用于相对于岐管锁定所述第二流量控制阀的第二套筒锁装置。
31.根据权利要求6所述的系统，还包括第一液压零位调节装置。
32.根据权利要求6所述的系统，还包括与所述第一支路截流阀相通的第一卡死检测开关，当所述第一支路截流阀处于旁路位置时，所述第一卡死检测开关可以产生故障信号。
33.根据权利要求6所述的系统，还包括与所述第二支路截流阀相通的第二卡死检测开关，当所述第二支路截流阀处于支路位置时，所述第二卡死检测开关可以产生故障信号。
34.一种为液压致动器控制提供冗余流量控制的方法，包括以下步骤响应于一个液压流量控制系统的故障，将相应致动器两侧处的液压缸内腔压力排减到相应的返回管路；以及向无故障液压流量控制系统的相应活塞提供流量控制。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述排减液压缸内腔压力的步骤响应于液压供应管路故障。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述排减液压缸内腔压力的步骤响应于致动器堵塞。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述排减液压缸内腔压力的步骤包括将支路截流阀从截流位置移向旁路位置。
38.根据权利要求34所述的方法，其中，所述排减液压缸内腔压力的步骤包括移动支路控制阀芯离开零点位置。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述移动支路控制阀芯的步骤还包括将控制管路通向所述相应的返回管路。
全文摘要
两个或更多个流量控制阀(140a，140b)可以用来为液压致动器(111)或伺服致动器提供冗余流量控制。该流量控制阀包括套筒(142a，142b)控制阀芯(146a，146b)。在正常运行状态下，每个支路控制阀芯相对于套筒静止，并且流量控制阀起到四通液压流量控制阀的作用。每个流量控制阀与支路截流阀(160a，160b)相连，支路截流阀具有能够从截流位置移动到旁路位置的支路阀芯。一旦一个流量控制阀的供应压力发生故障，则支路阀芯移向旁路位置，降低相应的致动器活塞腔内的压力。当主控制阀芯(146a，146b)卡死时，相应的支路控制阀芯在其套筒(142a，142b)内移动，使得支路沟槽能够将控制压力排减到返回管路，借此降低相应的致动器活塞腔内的压力。
文档编号F15B13/04GK1914426SQ200480041587
公开日2007年2月14日 申请日期2004年12月1日 优先权日2003年12月23日
发明者肯尼斯·E·哈特 申请人:Hr德克斯特隆公司