技术领域
[0001] 本
发明涉及一种舰船用机电静压控制单元，属于舰船
舵机控制技术领域。
背景技术
[0002] 我国现有舰船操舵装置采用
阀控液压系统，通过改变
伺服阀的阀口大小，调节液压系统进入执行器的流量，控制
液压缸的速度以及位移，得到操舵装置所需的转动速度以及工作
角度。但由于伺服阀固有结构的限制，使其本身存在着诸多无法克服的问题：
[0003] 1.伺服阀对液压油的要求很高。工作中油液污染很容易磨损伺服阀，降低工作可靠性。这就要求提高滤油技术，从而提高了成本。
[0004] 2.阀控系统需要一套恒压油源，这就增大了系统空间和复杂度，增加系统的成本，同时也限制了其在舰船等安装空间小的特殊应用场所应用。
[0005] 3.阀控系统的伺服阀提供的负载压
力最大只有油源压力的三分之二，这就使得大量的系统
能量无法进行有效的利用。
[0006] 4.阀控系统的能量损耗严重，节流发热较大，效率低。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于：克服
现有技术的不足，提供一种舰船用机电静压控制单元，实现了三余度切换、自动补油、闭式系统排气加注，具有体积小、重量轻、效率高、能耗低和可靠性高的特点；可以减少舰船上的人员配置，并可以有效地提高可靠性，大大降低因液压系统产生的振动噪声。
[0009] 本发明目的通过如下技术方案予以实现：
[0010] 一种舰船用机电静压控制单元，用于控制舰船舵机工作，包括：第一EHA集成阀组、第二EHA集成阀组以及手动应急阀组；
[0011] 第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组互为冗余备份，控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作，手动应急阀组用于应急控制第一液压缸和第二液压缸工作、对第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组进行排气加注、以及对第一EHA集成阀组或第二EHA集成阀组补充液压油。
[0012] 当第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组同时正常工作时，第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组共同控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作。
[0013] 当第一EHA集成阀组或第二EHA集成阀组只有一组正常工作时，通过正常工作的第一EHA集成阀组或第二EHA集成阀组控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作。
[0014] 当第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组均无法正常工作时，切换到手动应急阀组控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作。
[0015] 第一液压缸和第二液压缸同时工作或者单独一缸工作，第一液压缸的有杆腔和第二液压缸的无杆腔连通，第一液压缸的无杆腔和第二液压缸的有杆腔连通。
[0016] 第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组结构相同，均包括
螺杆泵、伺服
电机、补油
单向阀、电磁
锁紧阀、自
增压油箱、充气嘴、高压
安全阀、手动
旁通阀以及压差
传感器；
[0017]
伺服电机带动
螺杆泵工作，通过改变伺服电机的转速和转向改变螺杆泵输出的流量和方向；补油单向阀用于螺杆泵补油，
[0018] 自增压油箱补偿EHA集成阀组的泄露并为EHA集成阀组提供背压，防止
气穴产生；充气嘴用于控制自增压油箱压力，
[0019] 高压安全阀在EHA集成阀组压力超出允许压力时开启卸荷，从而限制最高压力；手动旁通阀在排气加注时打开，沟通整体液压回路；压差传感器用于监测液压缸两腔的压差，电磁锁紧阀用于控制EHA集成阀组与外部油路的通或断。
[0020] 第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组结构还包括：油滤组件、低压安全活
门、低压
压力传感器、
温度传感器；
[0021] 油滤组件用于对EHA集成阀组油路进行过滤，低压压力传感器监测自增压油箱的压力，低压安全活门用于自增压油箱压力超出允许压力时开启卸荷，温度传感器监测自增压油箱的温度。
[0022] 所述手动应急阀组包括开式油箱、液控单向阀、第一无
泄漏电磁锁紧阀、手动
截止阀、手动
液压泵、电动补油泵、手动控
制模块以及补油加注模块；
[0023] 开式油箱储存工作介质，为手动液压泵和电动补油泵提供液压油，手动液压泵通过手动
控制模块实现对液压缸的控制，电动补油泵通过补油加注模块实现对EHA集成阀组进行补油和加注；液控单向阀用于非对称液压缸多余液压油的泄放，令多余液压油进入开式油箱；第一无泄漏电磁锁紧阀和手动截止阀用于控制第一液压缸和第二液压缸之间的通断。
[0024] 手动控制模块包括手动换向阀、手动无泄漏锁紧阀和液压锁紧阀；手动无泄漏锁紧阀用于控制开式油箱与液压缸之间油路的通断，手动换向阀用于控制手动液压泵输出的液压油进入液压缸的有杆腔或无杆腔，液压锁紧阀用于液压缸的锁定。
[0025] 补油加注模块包括第二无泄漏电磁锁紧阀、电磁旁通阀、溢流阀、液控无泄漏锁紧阀、电磁换向阀、第一单向阀、手控高压安全阀以及第二单向阀；
[0026] 溢流阀用于调定电动补油泵的输出压力，第一单向阀设置在电动补油泵的出口处用于防止油液倒流，电磁换向阀用于控制液控无泄漏锁紧阀的
开关，液控无泄漏锁紧阀用于控制开式油箱与EHA集成阀组之间油路的通断，第二单向阀用于隔离液控单向阀和电动补油泵；手控高压安全阀用于在手动应急阀组压力超出允许压力时开启卸荷，[0027] 电磁旁通阀用于沟通液压缸两腔与开式油箱，第二无泄漏电磁锁紧阀用于对自增压油箱进行隔离。
[0028] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0029] (1)本发明采用三余度设计：采用双EHA集成阀组+手动应急阀组三余度配置。可以在单EHA集成阀组故障，双EHA集成阀组故障，单液压缸故障等多种故障模式下实现故障隔离，保证操舵能力。
[0030] (2)本发明实现了闭式系统自动补油技术。闭式系统长时间工作时，因活动密封部位的对外微泄露不可避免，故系统内部液位会逐渐降低。为避免液位过低影响泵的吸油性能，设计电动补油泵给闭式系统自动补油。这种方式可彻底解决机电静压液压缸闭式系统应用与舰船等长时间连续工作的补油问题，补油自动化，可有效提高EHA闭式系统的可靠性。
[0031] (3)本发明实现了对称缸与非对称缸控制自由切换。EHA为闭式系统，电机泵排油量与回油量理论上相等，因此无法控制非对称缸；为解决该问题，本发明增加液控单向阀元件，当非对称缸缩回时，液控单向阀开启，多余液压油流入增压油箱，实现EHA闭式系统对对称刚与非对称缸控制的自由切换。
[0032] (4)本发明实现了闭式系统排气加注，考虑到系统的维修性，控制单元在舰上拆解维修后，系统可通过自身的开式油箱及电动补油泵对机电静压闭式系统排气加注，无需额外设备。
[0033] (5)本发明实现了开式液压系统与闭式液压系统隔离与可靠密封，为保证开式液压系统(手动应急阀组)与闭式液压系统(EHA集成阀组)的可靠隔离与切换，设计无泄漏锁紧阀，根据使用需求采取手动或液压
信号方式触发。
[0034] (6)本发明实现了单液压缸通路大量漏油下的隔离切换，针对双液压缸配置的工况，设置多路电磁旁通阀、电磁锁紧阀和手动截止阀，在某一液压缸出现大量漏油的情况下，可快速对故障液压缸进行隔离，不影响另一液压缸正常操舵。
[0035] (7)本发明实现了双EHA闭式系统油箱压力平衡，两EHA集成阀组的自增压油箱通过手动应急阀组直接沟通在一起，从而避免因补油单向阀开启压力差异和伺服电机泵内泄差异造成油箱压力
不平衡。
附图说明
[0036] 图1为本发明舰船用机电静压控制单元示意图。
具体实施方式
[0037] 针对舰船应用环境，设计提出了一种舰船用机电静压控制单元，该单元是一种通过改变伺服电机泵的转速及转向来控制液压缸的速度及方向的新型机电控制装置，具有机电伺服振动噪声低和传统液压系统重载能力强的双重优点。
[0038] 如图1所示，本发明提出了一种舰船用机电静压控制单元，用于控制舰船舵机工作，包括：第一EHA集成阀组、第二EHA集成阀组以及手动应急阀组；
[0039] 第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组互为冗余备份，控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作，手动应急阀组用于应急控制第一液压缸和第二液压缸工作、对第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组进行排气加注、以及对第一EHA集成阀组或第二EHA集成阀组补充液压油。
[0040] a:当第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组同时正常工作时，第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组共同控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作。
[0041] b:当第一EHA集成阀组或第二EHA集成阀组只有一组正常工作时，通过正常工作的第一EHA集成阀组或第二EHA集成阀组控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作。
[0042] c:当第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组均无法正常工作时，切换到手动应急阀组控制舰船上的第一液压缸和第二液压缸工作。
[0043] 第一液压缸和第二液压缸同时工作或者单独一缸工作，第一液压缸的有杆腔和第二液压缸的无杆腔连通，第一液压缸的无杆腔和第二液压缸的有杆腔连通。
[0044] 如图1所示，第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组结构相同，均包括螺杆泵1、伺服电机2、补油单向阀3、电磁锁紧阀5、自增压油箱6、充气嘴10、高压安全阀11、手动旁通阀12、压差传感器13、油滤组件4、低压安全活门7、低压压力传感器8、温度传感器9；
[0045] 需要注意的是，图1中一些组成部分的序号分为A、B两类，主要目的在于区分第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组，因为第一EHA集成阀组和第二EHA集成阀组结构相同，故相同的部件标号相同，用A/B区分。本具体实施方式中不再区分A/B，仅以相同数字标号表示；本发明将螺杆泵2与伺服电机1在结构上设计为一个整体，称为伺服电机泵。
[0046] 伺服电机2带动螺杆泵1工作，通过改变伺服电机2的转速和转向改变螺杆泵1输出的流量和方向；补油单向阀3用于螺杆泵1补油，自增压油箱6补偿EHA集成阀组的泄露并为EHA集成阀组提供背压，防止气穴产生；充气嘴10用于控制自增压油箱6压力，高压安全阀11在EHA集成阀组压力超出允许压力时开启卸荷，从而限制最高压力；手动旁通阀12在排气加注时打开，沟通整体液压回路；压差传感器13用于监测液压缸两腔的压差，电磁锁紧阀5用于控制EHA集成阀组与外部油路的通或断。油滤组件4用于对EHA集成阀组油路进行过滤，低压压力传感器8监测自增压油箱6的压力，低压安全活门7用于自增压油箱6压力超出允许压力时开启卸荷，温度传感器9监测自增压油箱6的温度。
[0047] 如图1所示，手动应急阀组包括开式油箱、液控单向阀15、第一无泄漏电磁锁紧阀17、手动截止阀18、手动液压泵19、电动补油泵21、手动控制模块以及补油加注模块。
[0048] 开式油箱储存工作介质，为手动液压泵19和电动补油泵21提供液压油，手动液压泵19通过手动控制模块实现对液压缸的控制，电动补油泵21通过补油加注模块实现对EHA集成阀组进行补油和加注；液控单向阀15用于非对称液压缸多余液压油的泄放，令多余液压油进入开式油箱；第一无泄漏电磁锁紧阀17和手动截止阀18用于控制第一液压缸和第二液压缸之间的通断。
[0049] 手动控制模块包括手动换向阀20、手动无泄漏锁紧阀24和液压锁紧阀25；手动无泄漏锁紧阀24用于控制开式油箱与液压缸之间油路的通断，手动换向阀20用于控制手动液压泵19输出的液压油进入液压缸的有杆腔或无杆腔，液压锁紧阀25用于液压缸的锁定。
[0050] 补油加注模块包括第二无泄漏电磁锁紧阀14、电磁旁通阀16、溢流阀26、液控无泄漏锁紧阀27、电磁换向阀28、第一单向阀29、手控高压安全阀30以及第二单向阀31；
[0051] 溢流阀26用于调定电动补油泵21的输出压力，第一单向阀29设置在电动补油泵21的出口处用于防止油液倒流，电磁换向阀28用于控制液控无泄漏锁紧阀27的开关，液控无泄漏锁紧阀27用于控制开式油箱与EHA集成阀组之间油路的通断，第二单向阀31用于隔离液控单向阀15和电动补油泵21；手控高压安全阀30用于在手动应急阀组压力超出允许压力时开启卸荷。
[0052] 电磁旁通阀16用于沟通液压缸两腔与开式油箱，第二无泄漏电磁锁紧阀14用于对自增压油箱6进行隔离。
[0053] EAC集成阀组与舰船安装机脚要加装减震垫(隔振器)，可进一步降低振动，减小噪声。
[0054] 工作原理：
[0055] 1.双EHA集成阀组+双液压缸模式。
[0056] 两EHA集成阀组的伺服电机泵转速与旋向均相同，四个电磁锁紧阀5同时上电开启，此时，若电机泵正转，则非对称液压缸A23的有杆腔和非对称液压缸B23的无杆腔为高压腔，压力由负载决定，非对称液压缸A23的无杆腔和非对称液压缸B23的有杆腔为低压腔，实现推舵机构向右动作；伺服电机泵反向时，液压缸A23、B23两腔压力随之转换，实现推舵机构反向动作。
[0057] 2.单EHA集成阀组+双液压缸模式。
[0058] 在其中一套EHA集成阀组故障情况下，故障阀组的两个电磁锁紧阀5失电关闭，实现对液压控制系统的故障隔离，另一套正常工作的集成阀组仍然可以控制液压缸A23和液压缸B23工作，实现对推舵机构的控制。
[0059] 3.单EHA集成阀组+单液压缸模式。
[0060] 在其中一套液压缸故障情况下(以液压缸A23故障为例)，两个第一电磁无泄漏锁紧阀14和两个第二电磁无泄漏锁紧阀17上电关闭，伺服电机泵A停机，两个电磁旁通阀A16上电开启，补油电机泵21起机，电磁换向阀28上电从而使液控无泄漏锁紧阀27打开，此时故障液压缸两腔与开式油箱B沟通，处于随动状态；正常工作的非对称液压缸B23缩回时，有杆腔的进油量小于无杆腔的出油量，此时液控单向阀B15开启，使多余液压油流入增压油箱；当非对称液压缸伸出时，无杆腔的进油量大于有杆腔的出油量，此时自增压油箱6通过补油单向阀3向伺服电机泵B回油端补充液压油。
[0061] 4.手动应急阀组工作模式。
[0062] 在两套EHA集成阀组均无法工作的情况下，切断舵机全部供电电源，此时四个电磁锁紧阀5均失电关闭，打开手动无泄漏锁紧阀24，手动液压泵19通过手动换向阀20可实现液压缸运动方向转变。手动
液压泵站为开式系统，其控制对称液压缸与非对称液压缸的工作原理相同。
[0063] 5.自动补油功能。
[0064] 当自增压油箱6液位低于正常值时，补油电机泵21起机，电磁换向阀28上电从而使液控无泄漏锁紧阀27打开，从而实现对两个自增压油箱6补油；油箱6液位均恢复正常值后，电磁换向阀28下电换向从而关闭液控无泄漏锁紧阀27，补油电机泵21停机，完成补油过程。
[0065] 6.开式系统向闭式系统排气加注功能。
[0066] 在舰上拆解维修后系统需排气加注，其过程如下：
[0067] a)系统断电，打开手动无泄漏锁紧阀24，手动操舵10个循环，完成液压缸排气加注；
[0068] b)断开液压缸自封接头22，打开电磁旁通阀A12，两个电磁锁紧阀A5和单个电磁旁通阀A16(上方)上电开启，第一无泄漏电磁锁紧阀B14上电关闭，补油电机泵21起机，电磁换向阀28上电使液控无泄漏锁紧阀开启，A1#伺服电机泵起机(+300r/min,使电磁旁通阀A16(上方)为高压口),工作1min；电磁旁通阀A16(上方)下电关闭，电磁旁通阀B16(下方)上电开启,工作1min；电磁旁通阀B16(下方)下电关闭,电磁旁通阀A16(下方)上电开启，伺服电机泵A反转(-300r/min,使电磁旁通阀A16(下方)为高压口),工作1min；电磁旁通阀A16(下方)下电关闭，电磁旁通阀B16(上方)上电开启,工作1min；伺服电机泵A停机，关闭手动旁通阀A12，两个电磁锁紧阀A5和单个电磁旁通阀A16(上方)下电关闭,电磁无泄漏锁紧阀A14上电关闭；
[0069] c)电磁无泄漏锁紧阀B14下电开启，伺服电机泵B起机,重复b)步骤；
[0070] d)接作动器自封22，启动电动补油泵21,电磁无泄漏锁紧阀B14上电关闭，两电磁锁紧阀A5上电开启，电磁换向阀28上电使液控无泄漏锁紧阀27打开，伺服电机泵A起机(1000r/min)，
位置闭环工作5min后除电磁换向阀28外所有阀下电，伺服电机泵A停机；电磁旁通阀A16和电磁锁紧阀B5上电开启，伺服电机泵B起机(1000r/min)，位置闭环工作5min后系统断电停机；
[0071] e)重复a)步骤；
[0072] f)加注完毕；
[0073] 本发明实现的机电静压控制单元与现役舰船液压伺服系统主要参数对比如下：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 从上表可以看出，机电静压控制单元相对于现役舰船液压伺服系统具有以下优势：
[0078] 1.占用空间小、重量轻。采用高功率
密度的永磁同步电机，体积重量均很小；取消传统的开式大油箱，采用小型闭式油箱，油液少；采用集成一体化设计，对内取消管路连接，体积重量大大减轻。
[0079] 2.低噪声、低振动。本方案的EHA集成阀组选用高压低噪音的伺服电机泵，可从源头上降低振动噪声；系统压力具备负载自适应特性，控制上采用软启停策略，可明显降低换向冲击；液压管路少，明显降低管路振动；集成阀组与舰船安装机脚加装减震垫，可进一步降低振动。
[0080] 3.抗污染能力强，可靠性高。传统的电液操舵装置采用开式油箱，油液多，油箱与外接大气相通，易受污染，且阀控方式带来的换向冲击降低液压元器件的寿命。而EHA集成阀组采用闭式油箱，可以与外界基本做到完全隔离，油液不易受污染，且电机泵控换向平稳，元器件寿命长。
[0081] 此外机电静压控制单元液压回路简单，电机泵输出的液压油直接进入液压缸，中间无换向阀，液压锁等液压元器件，元器件少，减少故障点，故而可靠性更高。
[0082] 4.维护性好。控制单元采用模块化设计，组成部件和管路减少，主要模块能够通过自封连接器实现迅速更换，这就大大降低了维修和维护的工作量，降低维护成本。系统内无旋转密封，直线运动密封采用冗余组合密封方式，对外密封采用多道密封结构，具有高密封可靠性，能够显著延长系统的维护周期。
[0083] 5.效率高，能耗低。采用伺服电机变频调速控制，控制效率高；管路少，油路简单，节流损失小；舵角保持过程中，电机低速待机，发热小，能耗低。
[0084] 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0085] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
