用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的压电环形弯曲体伺服阀组件
阅读说明：本技术 用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的压电环形弯曲体伺服阀组件 (Piezoelectric toroidal flexure servovalve assembly for aircraft flight control actuation and fuel control system ) 是由 袁忠民 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：压电环形弯曲体伺服阀组件通过移除现有技术伺服阀中使用的机械部件来减少机械磨损。该组件不使用转矩电机、挡板和反馈弹簧。以这种方式,不需要移动件,这减少了维护和成本。成对的压电环形弯曲体与成对的喷嘴相邻地安装。压电环形弯曲体通过在允许流动的打开位置和限制流动的关闭位置之间移动,从而独立地调节通过喷嘴的流体流。线性位置感测设备测量阀芯位置并将关于该阀芯位置的反馈提供给阀控制器。阀控制器允许滑阀移动直到阀位置达到命令位置并且滑阀上的力与跨滑阀的压力差平衡。H桥可操作以切换施加到负载上的压力差的极性。(The piezoelectric annular flexure servovalve assembly reduces mechanical wear by removing mechanical components used in prior art servovalves. The assembly does not use a torque motor, a damper and a feedback spring. In this way, no moving parts are required, which reduces maintenance and costs. Pairs of piezoelectric toroidal flexures are mounted adjacent to pairs of nozzles. The piezoelectric annular flexures independently regulate fluid flow through the nozzles by moving between an open position that permits flow and a closed position that restricts flow. The linear position sensing device measures the spool position and provides feedback to the valve controller regarding the spool position. The valve controller allows the spool valve to move until the valve position reaches the commanded position and the force on the spool valve balances the pressure differential across the spool valve. The H-bridge is operable to switch the polarity of the pressure differential applied to the load.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月21日提交的并且名称为“PIEZOELECTRIC RING BENDERSERVO VALVE ASSEMBLY(压电环形弯曲体伺服阀组件)”的美国临时申请专利No.62720454的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的压电环形弯曲体伺服阀组件。更重要的是，压电伺服阀通过移除现有技术中的转矩电机、挡板和反馈弹簧，并替换为成对的压电可弯曲构件，从而减少机械磨损，使得压电伺服阀基本上没有移动件；其中，该组件：将电磁转矩电机及由此产生的换能器效应替换为直接邻近于成对喷嘴安装的成对压电可弯曲构件；独立调节通过喷嘴的流体流；将挡板替换为压电可弯曲构件；将调节滑阀的反馈弹簧替换为测量阀芯位置并向阀控制器提供有关阀芯位置的反馈的线性位置感测设备，以及允许滑阀移动直到阀位置达到命令位置并且滑阀上的力与跨滑阀的压力差平衡的阀控制器；并形成H桥，其中成对的喷嘴是由阀控制软件控制的可变限流器，在压电可弯曲构件弯曲远离喷嘴时产生跨滑阀的压力差。
背景技术
以下背景信息可以呈现现有技术的特定方面(例如，但不限于，方法、事实或常识)的示例，这些示例虽然预期有助于进一步教授读者关于现有技术的附加方面，但不应被解释为将本发明或其任何实施方式限制于其中所述或暗示或者由此推断的任何内容。
本领域技术人员将认识到，具有机械反馈的两级电液伺服阀被广泛使用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的控制中，并且几乎无论在哪里轻巧且紧凑的伺服控制阀将被证明是有利的。还已知的是，现有技术的伺服阀利用支撑在挠性管上的电磁转矩电机，该挠性管提供无摩擦枢轴并将转矩电机与液压流体隔离。扭矩电机充当电到机械的换能器，并将电信号转换为机械扭矩。
现有技术的伺服阀还利用由转矩电机驱动的挡板，差异性地限制来自成对喷嘴的流。此外，现有技术的伺服阀具有形成H桥的第一级液压回路，其中成对喷嘴是可变限流器，在挡板偏离中心时产生跨滑阀的压力差。反馈弹簧允许阀芯移动直到挡板上的恢复力与电磁扭矩平衡，于是挡板重新对中。本发明通过从已知现有技术的伺服阀中移除主要机械部件来减少机械磨损。
通常，压电效应是某些材料响应于所施加的机械应力而产生电荷的能力。石英的压电特性可以用作频率标准。石英钟采用由石英晶体制成的晶体振荡器，该晶体振荡器使用正压电和逆压电两者的结合，以产生用于标记时间的一系列有规律地定时电脉冲。
其他提案涉及用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的阀。这些系统的问题在于它们会在金属机械部件诸如阀、弹簧和挡板中产生很大的磨损。尽管上面引用的夹持设备满足了市场的一些需求，但仍然需要用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的压电环形弯曲体伺服阀组件。
发明内容
本公开内容的说明性实施方式总体上涉及用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的压电环形弯曲体伺服阀组件。压电环形弯曲体伺服阀组件用于将现有技术的电磁转矩电机和由此产生的换能器效应替换为直接邻近成对喷嘴安装的成对压电可弯曲构件。
压电可弯曲构件选择性地允许和限制通过喷嘴的流。压电可弯曲构件被配置为独立地调节通过喷嘴的流体流。压电可弯曲构件还通过执行基本相同的功能来代替现有技术伺服阀中发现的挡板。
在一些实施方式中，组件将调节滑阀的反馈弹簧替换为线性位置感测设备。线性位置感测设备被配置为测量阀芯位置并向阀控制器提供关于该阀芯位置的反馈。此外，组件提供了阀控制器，该阀控制器允许滑阀移动直到阀位置达到命令位置并且滑阀上的力与跨滑阀的压力差平衡。
组件还配置有与现有技术中所教授的不同的H桥。公开的H桥是可操作的，使得成对喷嘴用作可变限流器，并由阀控制软件控制。当压电弯曲元件弯曲远离喷嘴时，其产生跨滑阀的压力差。
在一个可能的实施方式中，压电环形弯曲体伺服阀组件提供了各种基于压电的部件，这些部件减少了对来自现有技术的金属、磨损部件的需求。组件可以包括阀壳体，该阀壳体由通道限定，该通道可操作以输送流体。
组件还提供成对的喷嘴，该喷嘴与流体连通，该喷嘴终止于成对孔口处。
组件还提供了被设置为邻近于喷嘴的成对压电环形弯曲体，该压电环形弯曲体可操作以彼此独立地弯曲到远离喷嘴的打开位置，从而使得流体能够流动通过喷嘴，该压电环形弯曲体可操作以朝向喷嘴返回到关闭位置，从而至少部分地限制通过喷嘴的流。
此外，组件可以包括可操作以致动压电环形弯曲体的压电驱动器。
组件还提供可操作地连接到压电环形弯曲体的滑阀，该滑阀被设置在至少一个阀芯位置处，以调节通过通道的流体流，该压电环形弯曲体控制阀芯位置的操作。
组件还可以包括可操作地连接到喷嘴的可变限流器，当压电环形弯曲体处于打开位置时，可变限流器产生跨滑阀的压力差，该可变限流器由阀控制软件控制。
组件还提供可操作地连接到滑阀的线性位置感测设备，该线性定位设备确定滑阀的阀芯位置，该线性定位设备提供关于阀芯位置的反馈。
此外，组件可以包括阀控制器，该阀控制器可操作地连接到线性位置感测设备和滑阀，该阀控制器接收来自线性位置感测设备的反馈，基于该反馈，阀控制器允许滑阀移动直到阀芯位置达到命令位置并且滑阀上的力与跨滑阀的压力差平衡。
组件还提供H桥，该H桥可操作以切换施加到负载上的压力差的极性，该H桥包括四个开关。
在另一方面，由可操作地连接到压电驱动器的阀控制器产生的电信号控制压电可弯曲构件使其弯曲。
在另一方面，压电可弯曲构件是非金属的。
在另一方面，压电可弯曲构件包括压电环形弯曲体。
在另一方面，压电可弯曲构件包括由一层压电陶瓷材料以最多达1MN的压紧力压制而制成的单层，或者通过使非常薄的压电陶瓷材料层流延成型而制成的多层，在该压电陶瓷材料层上沉积有薄电极材料层。
在另一方面，压电驱动器致动压电可弯曲构件。
在另一方面，阀芯位置上的回路是闭合的，使得回路内的参数退化由控制回路补偿。
本发明的一个目的是最小化伺服阀上的机械磨损。
另一个目的是提供一种不使用转矩电机、挡板或反馈弹簧的压电伺服阀，以减少机械磨损。
另一个目的是提供成对的压电可弯曲构件，位于伺服阀的喷嘴的正前方并限制通过该伺服阀喷嘴的流。
另一个目的是提供一种高度可靠的、基本上没有机械故障的伺服阀。这是通过以下实现的：移除转矩电机、挡板和反馈弹簧并使用压电可弯曲构件，以使伺服阀第一级变得没有移动件。
另一个目的是提供一种高度可靠的、不易发生流体污染的伺服阀。这是通过以下实现的：独立地限制每个喷嘴，使得在任何时间和任何位置处都可获得滑阀的最大切削剪切力。
另一个目的是提供一种高度可靠的、不易发生喷嘴堵塞的伺服阀。这是通过以下实现的：独立地限制每个喷嘴，使得可以独立地选择喷嘴大小来满足最大污染物颗粒大小要求，以防止喷嘴被污染物颗粒堵塞。
另一个目的是提供一种低功率损失伺服阀，以使通过喷嘴的持续流损失最小化。这是通过以下实现的：独立地限制每个喷嘴，以使其中一个喷嘴在任何给定时间始终关闭，以及当阀处于待命状态时，两个喷嘴都关闭或大部分关闭。通过喷嘴的静流的量等于将滑阀保持就位所需的流。
另一个目的是提供一种带宽非常高的伺服阀。这是通过以下实现的：独立地限制每个喷嘴，以使可以基于伺服阀带宽要求来确定固定孔口的大小。
另一个目的是提供一种没有零偏置和移位的伺服阀。这是通过以下实现的：闭合阀芯位置上的回路，以使回路内的参数退化将由控制回路补偿。
另一个目的是提供一种结构上相对简单且紧凑、易于制造并无需调整的伺服阀。这是通过以下实现的：移除转矩电机、挡板和反馈弹簧并使用压电可弯曲构件，以使伺服阀结构变得较简单且紧凑、易于制造并无需调整。
另一个目的是提供一种可以在高重力和高振动环境中操作并存留的伺服阀。这是通过以下实现的：移除转矩电机、挡板和反馈弹簧并使用压电可弯曲构件，以使伺服阀第一级变得没有移动件。
其他的系统、设备、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说，在检查以下附图和详细描述后将会或将变得明显。其意在将所有这样的附加的系统、方法、特征和优点包括在本说明书中，以及在本公开内容的范围内，并且受到所附权利要求和附图的保护。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施方式的用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的示例性压电环形弯曲体伺服阀组件的示意图，示出了处于关闭位置的成对压电可弯曲构件；
图2示出了根据本发明实施方式的成对示例性压电可弯曲构件；
图3示出了根据本发明实施方式的压电环形弯曲体伺服阀组件的示意图，示出了处于关闭位置的第一压电可弯曲构件和处于打开位置的第二压电可弯曲构件；
图4示出了根据本发明实施方式的压电环形弯曲体伺服阀组件的示意图，示出了处于打开位置的第一压电可弯曲构件和处于关闭位置的第二压电可弯曲构件；
图5示出了根据本发明实施方式的压电环形弯曲体伺服阀组件的示意图，示出了都处于打开位置的两个压电可弯曲构件；
图6示出了根据本发明实施方式的处于关闭位置的压电可弯曲构件的示意图；以及
图7示出了根据本发明实施方式的示例性滑阀的示意图。
在附图的各个视图中，相似的附图标记指代相似的部分。
具体实施方式
以下的详细描述本质上仅是示例性的，并不意在限制所描述的实施方式或所描述实施方式的应用和使用。如本文所用的，词语“示例性”或“说明性”意为“用作示例、实例或说明”。本文所述为“示例性”或“说明性”的任何实现方式不一定被解释为比其他实现方式优选或有利。以下描述的所有实现方式均是为了使本领域技术人员能够制作或使用本公开内容的实施方式而提供的示例性实现方式，并不意在限制由权利要求所限定的本公开内容的范围。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“后”、“右”、“前”、“竖向”、“水平”及其派生词应与如图1中所定向的本发明相关。此外，本文无意受前述的技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。还将理解的是，在附图中示出以及在以下说明书中描述的特定设备和过程仅仅是所附权利要求中限定的发明概念的示例性实施方式。因此，与本文公开的实施方式相关的特定尺寸和其他物理特性不应被认为是限制性的，除非权利要求另有明确说明。
图1参考了用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的压电环形弯曲体伺服阀组件100。压电环形弯曲体伺服阀组件100，以下称为“组件100”，包括为组件100的部件提供保护性外壳的阀壳体102。壳体102形成用于伺服阀的结构框架。用于壳体102的合适材料可以包括但不限于钢、铁、金属合金和钛。
如图3所示，阀壳体102形成用于输送流体的通道104。流体可以包括但不限于喷气燃料、液压油、机油和本领域已知的其他航空相关的流体。在一些实施方式中，成对的喷嘴106a-b在阀壳体102内工作。喷嘴106a、106b与流体流体连通。喷嘴106a-b以被控制的方式将流体输送到适当的出口端口。
在一些实施方式中，喷嘴106a-b终止于成对的孔口108a-b处，该对孔口通过通道104将流体排出阀壳体102的外部到流体动力返回端口Pr。喷嘴106a-b可以具有带异形通道的圆形形状，或者可以突出以产生稳定且较强的流速。
在一些实施方式中，该对孔口108a-b连接到相同的流体动力供应入口端口Ps。孔口可以具有圆形形状，或者可以突出以产生较强的流速。
现在转到图2，组件100提供了表现出压电效应的成对压电可弯曲构件110a-b。本领域技术人员将认识到，压电效应是某些材料响应于所施加的机械应力(物质被挤压或拉伸)而产生电荷的能力。相反地，当施加电场时会产生机械变形(物质收缩或膨胀)。压电可弯曲构件110a-b是用于现有技术中常用的转矩电机和挡板的替代品。本质上，可弯曲构件110a-b用作电到机械的换能器，将电信号转换成机械的力和移位。然而，值得注意的是，可弯曲构件110a-b执行调节通过喷嘴106a-b的流的类似功能。
压电可弯曲构件110a-b可操作以弯曲，从而使流体流能够通过喷嘴106a-b。在一个实施方式中，压电驱动器122响应于电信号而致动压电可弯曲构件110a-b使其弯曲。驱动器122与阀控制器116可操作地接触。压电可弯曲构件110a-b彼此独立地弯曲。因此，压电可弯曲构件110a-b被配置为独立地调节通过喷嘴106a-b的流体流。
参考如图6，压电可弯曲构件110a-b被设置为邻近于喷嘴106a-b，以使压电可弯曲构件110a-b在打开位置124和关闭位置126之间移动，从而调节通过喷嘴106a-b的流体流。因此，由于关闭位置126，压电可弯曲构件110a-b阻止流体流通过喷嘴106a-b(图3)。并且由于打开、弯曲位置124，压电可弯曲构件110a-b使得受控制的流体流能够通过喷嘴106a-b(图5)。
此外，压电可弯曲构件110a-b彼此独立地在打开位置124和关闭位置126之间移动。因此如图3所示，第一压电可弯曲构件110a可以处于关闭位置126以限制流动通过喷嘴；而第二压电可弯曲构件110b可以处于打开位置124以允许流动通过喷嘴。
相反地，图4示出了第一压电可弯曲构件110a可以如何处于打开位置124以使得能够流动通过喷嘴；而第二压电可弯曲构件110b可以处于关闭位置124以限制流动通过喷嘴。因此，如图1-图4所示，对于两个压电可弯曲构件110a、110b有四种位置组合。
在一个非限制性实施方式中，压电可弯曲构件110a-b包括两个压电环形弯曲体。在另一可能的实施方式中，压电可弯曲构件110a-b包括由一层压电陶瓷材料以最多达1MN的压紧力压制而制成的单层。压电可弯曲构件110a-b还可以由通过使非常薄的压电陶瓷材料层流延成型而制造的多层制成，在该压电陶瓷材料层上沉积有薄电极材料层。也可以使用其他压电材料和构建组合物。
再次查看图1，组件100包括滑阀112。滑阀112被设置在至少一个阀芯位置处以调节通过通道104的流体流。在一个实施方式中，滑阀112基本上是一种方向控制阀。滑阀112允许流体从一个或更多个源流入不同的路径。滑阀112包括在柱内被机械控制或电控制的阀芯。
因此，组件100不依赖反馈弹簧来控制滑阀112。相反地，组件100利用可操作地连接到滑阀112的线性位置感测设备114。线性位置感测设备114被配置为测量阀芯位置并提供关于该阀芯位置的反馈。以此方式，阀芯位置指示压电可弯曲构件110a-b的操作。
此外，阀控制器116可操作地连接到线性位置感测设备114。阀控制器116接收来自线性位置感测设备114的反馈，并相应地对其进行处理。阀控制器116允许滑阀112移动直到阀芯位置达到命令位置，以及滑阀112上的力与跨滑阀112的压力差平衡。
图7示出了示例性滑阀和H桥118的示意图。在一些实施方式中，H桥118可以包括四个开关120a-d，该四个开关可操作以切换施加到负载112上的压力差的极性。对于H桥118，它是成对的喷嘴106a-b，充当由阀控制软件控制的可变限流器。
在一些实施方式中，当压电可弯曲构件110a-b弯曲远离喷嘴106ab到打开位置124时，可变限流器产生跨滑阀112的压力差。压电驱动器122产生与来自阀控制器116的电命令信号成比例的控制电压，以控制压电可弯曲构件110a-b从它们的关闭位置126弯曲。因此，流体流较少依赖于机械部件，诸如转矩电机、反馈弹簧和挡板。可变限流器可操作地连接到喷嘴。当压电可弯曲构件和喷嘴之间的两个帘面积不同时，可变限流器产生跨滑阀的压力差。帘面积被限定为从喷嘴到压电可弯曲构件的射流的柱表面面积。帘面积等式：π×D×x其中，D为喷嘴直径，x为喷嘴和压电可弯曲构件之间的距离。
总之，压电环形弯曲体伺服阀组件100通过移除在现有技术伺服阀中使用的机械部件来减少飞行器飞行控制致动和燃料控制系统中的机械磨损。成对的压电环形弯曲体110ab被直接邻近成对的喷嘴106a-b安装。可弯曲构件独立地调节通过喷嘴的流体流。
此外，线性位置感测设备114测量阀芯位置并将关于该阀芯位置的反馈提供给阀控制器。阀控制器允许滑阀移动直到阀位置达到命令位置并且滑阀上的力与跨滑阀的压力差平衡。
此外，组件提供H桥118，其中喷嘴是由阀控制软件控制的可变限流器，当压电可弯曲构件弯曲远离喷嘴时产生跨滑阀的压力差。因此，优点在于不使用用于飞行器飞行控制致动和燃料控制系统的转矩电机、挡板、反馈弹簧或其他移动件。
通过参考以下书面说明书、权利要求和附图，本领域技术人员将进一步理解和领会本发明的这些和其他优点。
因为可以对所描述的本发明的优选实施方式进行许多修改、变化和细节上的改变，所以意在将上述描述中和附图中所示的所有内容解释为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其法律上的等效物来确定。
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