專利名稱：兩級安全閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用具有壓力補償器的泵的液壓動力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在航空器液壓系統(tǒng)中，通過利用具有壓力補償機構(gòu)的泵來改變流量需求，使液壓壓力保持在恒定的大小。對于每一個泵，當液壓系統(tǒng)的流量需求改變時，補償器就會通過檢測和響應(yīng)于系統(tǒng)壓力，調(diào)節(jié)泵排量。如果系統(tǒng)壓力下降，補償器會增大泵排量，從而增大流量和提高系統(tǒng)壓力。如果系統(tǒng)壓力增大，則補償器會降低泵排量，從而減小流量，降低系統(tǒng)壓力。
在大多數(shù)航空器中，通常沒有辦法來校正產(chǎn)生故障的泵。在泵的故障位置，因泵失效而使用備用泵。但是，在航空器液壓系統(tǒng)中利用安全閥來減小在最大流量位置上失效的泵補償器所產(chǎn)生的高系統(tǒng)壓力。當泵補償器失效并保持在最大流量位置上時，高流速經(jīng)過液壓系統(tǒng)會產(chǎn)生過多的熱量。因此，上述液壓系統(tǒng)必須進行熱交換來釋放這些過多的熱量。
在航空器液壓系統(tǒng)中基本上設(shè)計有兩種方法來防止系統(tǒng)因液壓泵補償器故障而過熱。一種方法是將液壓系統(tǒng)的熱交換器容量擴大40-50％，以適應(yīng)故障所產(chǎn)生的額外熱量。這種方法需要在航空器上有額外的空間，從而為航空器增加了巨大重量。
另一種方法就是安裝螺線管操作的旁通閥或關(guān)斷閥，使操作者可手動地將泵和液壓系統(tǒng)隔開。就旁通閥來說，螺線管驅(qū)動滑閥，將出入口相連。就關(guān)斷閥來說，上述螺線管推動滑閥，從而完全閉鎖上述出口。如果操作旁通閥或關(guān)斷閥的螺線管被致動，則系統(tǒng)中的所有液壓動力都會散失。而操作旁通閥或關(guān)斷閥的螺線管是相對不穩(wěn)定的，需要外部電源。這就增加了產(chǎn)生故障的可能性。此外，這種方法會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)因電路短路而產(chǎn)生故障。
參考圖1、2，示出了現(xiàn)有技術(shù)中的具有壓力補償閥的可變量泵11，它也可以作為截止泵。泵11具有殼體13，驅(qū)動軸15，受驅(qū)動軸15驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)體17，活塞19、21，和轉(zhuǎn)動泵軛23。泵軛23被一個軛彈簧27偏壓在軛驅(qū)動活塞25上。軛驅(qū)動活塞25受補償閥29驅(qū)動。補償閥29的觸發(fā)壓力受補償閥彈簧31和壓力調(diào)節(jié)螺釘33所控制。軛驅(qū)動活塞25的驅(qū)動使泵軛繞轉(zhuǎn)動銷29旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)活塞19、21的沖程。如圖2所示，泵軛23在虛線所示的最小沖程位置和實線所示的最大沖程位置之間轉(zhuǎn)動。
如果出口壓力超過補償閥29的觸發(fā)壓力，則補償閥29就打開，使軛驅(qū)動活塞25上的壓力增加。軛驅(qū)動活塞25的驅(qū)動使泵軛23靠著軛彈簧27繞轉(zhuǎn)動銷29，旋轉(zhuǎn)到活塞19、21的沖程減小的位置上。而活塞19、21的沖程減小就會使出口壓力減小。
在設(shè)計液壓系統(tǒng)時必須要考慮的特定補償機構(gòu)故障模式就是在補償閥停留在最大排量位置的時候。在這種形式的故障影響下，泵流速會超過系統(tǒng)需求，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力超過允許設(shè)計極限。對于大多數(shù)航空器液壓系統(tǒng)，允許設(shè)計極限高于額定系統(tǒng)壓力50％。為了防止液壓系統(tǒng)因補償閥的故障而損壞，會在液壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置安全閥，從而保證系統(tǒng)壓力不會超過安全值。
為了確保安全閥不會打開，除非泵補償機構(gòu)失效，安全閥的開口壓力通常高于系統(tǒng)的額定操作壓力20-30％。舉例來說，航空器的液壓系統(tǒng)具有大約3000psi的額定工作壓力，設(shè)計壓力極限就應(yīng)為4500psi，而安全閥應(yīng)設(shè)計為在大約3600-3900psi壓力下打開。
盡管安全閥可以保護液壓系統(tǒng)免于因過壓而損壞，但是安全閥卻會引起另一個相同的問題液壓系統(tǒng)過熱。當泵進行正常工作推動流體經(jīng)過液壓系統(tǒng)時作為副產(chǎn)品，就會產(chǎn)生熱量。而加大流速或者提高系統(tǒng)壓力，產(chǎn)生的熱量會更大。為了解決這個問題，液壓系統(tǒng)需要熱交換或散熱器，來發(fā)散這些過多的熱量。
參考圖3，示出了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)51的簡圖。液壓系統(tǒng)51代表廣義上的液壓系統(tǒng)，而不僅僅是航空器液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)51包括液壓泵53、液壓罐55、液壓致動器57、安全閥59和熱交換器61。
下面，參考圖4，示出了另一種現(xiàn)有液壓系統(tǒng)71的簡圖。液壓系統(tǒng)71仍然代表廣義上的液壓系統(tǒng)，而不僅僅是航空器液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)71包括液壓泵73、液壓罐75、液壓致動器77、安全閥79和熱交換器81。液壓系統(tǒng)71還包括螺線管操作的旁通閥83，用以將液壓系統(tǒng)71的出入口隔開。
給定液壓系統(tǒng)的熱交換器尺寸通常是基于在額定系統(tǒng)操作壓力下的平均流量而設(shè)計的。但是，隨著泵補償機構(gòu)故障和安全閥的打開，系統(tǒng)壓力通常會增加20-30％。因此，為了防止液壓系統(tǒng)因泵補償故障而過熱，需要大大提高熱交換器的容積，或者需要設(shè)置一個裝置將系統(tǒng)壓力降到額定壓力以下。
目前，防止液壓系統(tǒng)因泵補償故障而過熱的方法并不能足以解決上述問題。螺線管操作的旁通閥或關(guān)斷閥是不穩(wěn)定的，需要電源，從而增加了系統(tǒng)重量。增大熱交換器的尺寸是昂貴的，需要額外的空間，并增加了系統(tǒng)重量。因此，盡管這些方法代表了液壓動力系統(tǒng)領(lǐng)域的巨大進步，但是仍然存在很多缺點。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要一種液壓系統(tǒng)，其中不需要螺線管操作的關(guān)閉閥和大尺寸的熱交換器。
本發(fā)明的目的就是提供一種液壓系統(tǒng)，其中沒有螺線管操作的關(guān)閉閥和大尺寸的熱交換器。
這些和其他的目的是通過提供一種具有兩級安全閥的液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的。本發(fā)明的兩級安全閥具有可以將超過額定工作壓力的液壓系統(tǒng)壓力的增量減小到一個選定極限壓力的第一級，和根據(jù)超過上述極限壓力的工作壓力增量，將液壓系統(tǒng)壓力降低到一個減小的選定工作壓力的第二級，該減小的工作壓力低于上述額定工作壓力。
本發(fā)明提供了顯著的優(yōu)點，包括(1)其具有在泵補償器產(chǎn)生故障時為航空器提供限定液壓動力的能力；(2)相比螺線管操作的旁通閥，其更加可靠；(3)相比大尺寸的熱交換器或添加螺線管操作的旁通閥，其成本更低；(4)相比大尺寸的熱交換器或螺線管操作的旁通閥，其重量更輕。
其它的目的、特點和優(yōu)勢將在下列的說明中顯而易見。


本發(fā)明的新穎性特征定義在隨后的權(quán)利要求書中。但是參考下列敘述并結(jié)合附圖，本發(fā)明自身、優(yōu)選方式以及進一步的目的和優(yōu)點都將得到更好地理解，其中圖1是作為截止泵的且具有壓力補償閥的傳統(tǒng)變量泵的示意圖；圖2是圖1中變量泵的泵軛示意圖；
圖3是具有安全閥和熱交換器的傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的示意圖；圖4是具有安全閥、熱交換器和旁通閥的傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的示意圖；圖5是本發(fā)明中具有兩級安全閥的液壓系統(tǒng)的示意圖；圖6A-6D是根據(jù)本發(fā)明的兩級安全閥的一種可行機械結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實施例方式
參看圖5，其中示出了本發(fā)明中具有兩級安全閥103的液壓系統(tǒng)101，用以防止因液壓泵補償器故障而產(chǎn)生損壞。液壓系統(tǒng)101包括變量液壓泵105，液壓罐107，液壓致動器109，可選熱交換器111和兩級安全閥103。
安全閥103在兩個不同級之間操作第一級113和第二級115。當系統(tǒng)壓力超過額定操作壓力并將所有壓力增加到壓力極限，最好是增加到額定操作壓力的30％時安全閥103的第一級113打開。因此在全開位置上，第一級113可以降低因泵補償器故障引起的壓力增量。通過這種方式，第一級113保護液壓系統(tǒng)101免于因過壓而受到傷害。舉例來說，航空器的液壓系統(tǒng)具有大約3000psi的額定操作壓力，設(shè)計壓力極限大約為4500psi，安全閥103的第一級113能夠適應(yīng)增加到3900psi的壓力。
作為液壓泵105推動流體經(jīng)過液壓系統(tǒng)101進行正常工作而產(chǎn)生的副產(chǎn)品，產(chǎn)生了熱量。越大的流量或越高的系統(tǒng)壓力，熱量也會越多?？蛇x的熱交換器111可用以發(fā)散液壓系統(tǒng)101內(nèi)產(chǎn)生的多余熱量。在大多數(shù)情況下，熱交換器111是基于額定工作壓力下的平均泵流量而設(shè)計的。所需要的是使熱交換器111的尺寸盡可能地小。在上述液壓系統(tǒng)用在航空器中時，尺寸和重量尤其重要。如果液壓泵補償器在全開位置產(chǎn)生故障，則即使第一級113打開，熱交換器111也不會充分發(fā)散液壓系統(tǒng)101內(nèi)產(chǎn)生的多余熱量。因而防止液壓系統(tǒng)過熱是第二級115的一個功能。
第二級115僅在某些環(huán)境下操作。在優(yōu)選實施例中，第二級115僅在液壓系統(tǒng)壓力升高到預(yù)定極限之上并在該極限保持例如1秒等選定期限之后才打開。這就保證了升高的系統(tǒng)壓力不是因為瞬間的階躍壓力。第二級115的作用就是將液壓系統(tǒng)的壓力降低到額定工作壓力以下。最好是，第二級115完全打開，液壓系統(tǒng)的工作壓力就下降到額定工作壓力以下大約30％。這就消除了完全切斷液壓系統(tǒng)的必要。兩級安全閥103允許損壞的或產(chǎn)生故障的液壓系統(tǒng)及其相關(guān)的液壓致動器均在減少的容積下進行工作。舉例來說，如果某一轉(zhuǎn)子斜置(tiltrotor)的航空器的額定液壓系統(tǒng)工作壓力為3000psi，兩級安全閥103的第二級115將系統(tǒng)壓力降低30％，即降低到2100psi。通過這種方式，第二級115就避免了將熱交換器111的尺寸擴大化以防止因泵補償器故障而引起的額外熱量，但可以使液壓系統(tǒng)在減少的容積下發(fā)揮作用。
下面，參考圖6A-6D，在一系列代表不同操作階段的剖視圖中，示出了本發(fā)明中兩級安全閥201的一種可行的機械結(jié)構(gòu)。在圖6A-6D所示的實例中，安全閥201用于額定工作壓力為大約3000psi的航空器液壓系統(tǒng)中。
安全閥201包括供應(yīng)口203，返回口205，滑閥(spool)207，彈簧209，流阻器(restrictor)211，第一級流量通道210，第二級流量通道212和其他的流量通道網(wǎng)絡(luò)213。液壓流體經(jīng)由供應(yīng)口203被引入安全閥201，并經(jīng)過流量通道210、212、213，然后經(jīng)由返回口205返回到液壓流體罐(未示出)。滑閥207被選擇性地配置成在滑閥207沿著縱向軸線214在軸向上來回移動時打開和關(guān)閉特定的流量通道?；y207的運動受彈簧209約束。彈簧209最好是預(yù)載從而與液壓系統(tǒng)的額定工作壓力例如3000psi相匹配。
在圖6A中，安全閥201處于額定工作模式中，即處于第一級和第二級均閉合的模式，也就是流量通道210、212被關(guān)閉。在該狀態(tài)，液壓系統(tǒng)工作壓力大約為3000psi。如圖所示，滑閥207被彈簧209偏壓到關(guān)閉位置，滑閥207底靠著法蘭215。在該關(guān)閉位置上，系統(tǒng)液壓流體充滿第一腔217，但是卻不能從供應(yīng)口203經(jīng)由安全閥201到返回口205。液壓系統(tǒng)的壓力增加到3000psi以上會導(dǎo)致彈簧209的壓縮和滑閥207移動到左側(cè)，但卻不會打開第一級流量通道210。液壓系統(tǒng)的壓力增加到3650psi以上會使彈簧209的壓縮和滑閥207充分移動到左側(cè)以打開第一級流量通道210。
在圖6B中，安全閥201處于第一級泄壓打開模式，其中第一級流量通道210打開，但是第二級流量通道212卻被滑閥207所封閉。這種狀態(tài)表示液壓系統(tǒng)壓力升高到一個選定極限的，在該狀態(tài)大約為3650psi。這種升高的系統(tǒng)壓力條件表示液壓泵補償器在全開位置失效。第一腔217內(nèi)的液壓流體的壓力增量和彈簧209的彈力相反并使滑閥207移動到左側(cè)。這就使第一級流量通道210打開，使液壓流體流經(jīng)返回口205流到液壓罐內(nèi)，從而防止對與液壓系統(tǒng)相連的液壓致動器造成損壞。第一級流量通道210的尺寸和結(jié)構(gòu)可以在液壓系統(tǒng)極限壓力下適應(yīng)流量的需求。
在圖6C中，安全閥201處于第二級泄壓打開模式，其中第一級流量通道210打開，而第二級流量通道212正在開始打開。如果3650psi極限壓力保持1秒的預(yù)定期限，就會產(chǎn)生這種位置情況。流阻器211作為一個定時器設(shè)置在限流通道221內(nèi)用以保證任何升高的系統(tǒng)壓力不是因為壓力上的短暫階躍。如果壓力階躍的期限短于預(yù)定時間，則流阻器211會阻止第二級流量通道212完全打開，滑閥207也會返回到這樣的一個位置，即第一級流量通道210和第二級流量通道212被關(guān)閉的位置。此外，如果壓力階躍的期限長于上述預(yù)定時間，則流阻器211和流量通道221就會使第二腔223充滿液壓流體，滑閥207繼續(xù)打開到這樣的一個位置，即第二級流量通道212完全打開的位置。
在圖6D中，所示的安全閥201處于第二級泄壓打開模式下，其中第一、第二級流量通道210、212均完全打開。如果在供應(yīng)口203處的液壓系統(tǒng)壓力超過極限壓力(在該實例中為3650psi)的期限大于預(yù)定時間1秒，就會出現(xiàn)這種狀態(tài)。由于液壓系統(tǒng)201的壓力是液壓流體的流量和流量限制的函數(shù)，所以液壓系統(tǒng)的壓力可以通過對第一、第二級流量通道210和212，流阻器211和滑閥207的尺寸和形狀進行調(diào)節(jié)而調(diào)整。
當?shù)诙?23開始充滿液壓流體時，液壓系統(tǒng)的壓力下降到減小的工作壓力。在優(yōu)選實施例中，在額定工作壓力之下，這會將工作壓力減小大約30％。在目前的實例中，上述減小的工作壓力大約為2100psi。只要安全閥201的第一、第二級保持打開，則液壓系統(tǒng)就可以在減小的工作壓力下進行操作。在航空器液壓系統(tǒng)實例中，減小的工作壓力為2100～2400psi，足以操作諸如著陸齒輪升降器等液壓部件，以及某些受限的起飛控制功能。
可以理解的是，圖6A-6D中所述的機械結(jié)構(gòu)僅僅是本發(fā)明中兩級安全閥中的一種可行的結(jié)構(gòu)。盡管參考航空器的液壓系統(tǒng)已經(jīng)敘述了本發(fā)明的主題，但是應(yīng)該理解的是本發(fā)明還可以應(yīng)用到需要定制泄壓壓力的任何液壓系統(tǒng)中，不需要使用螺線管操作的安全閥和/或大尺寸的熱交換器。
明顯的是，已經(jīng)描敘并示出了具有顯著特點的本發(fā)明。盡管本發(fā)明僅僅被示出了幾種形式，但是并不限于這些形式，在不偏離本發(fā)明的精神下還可以有不同的變化和更改。
權(quán)利要求
1.一種航空器的液壓系統(tǒng)，包括液壓泵，用以在額定工作壓力下將液壓流體泵送經(jīng)由液壓系統(tǒng)；液壓罐，用以存放液壓流體；兩級安全閥，包括第一級，用以對超過額定工作壓力的液壓系統(tǒng)壓力增量進行補償，補償?shù)揭粋€選定的極限壓力；和第二級，用以根據(jù)超過上述極限壓力的工作壓力增量，將液壓系統(tǒng)壓力降低到一個減小的選定工作壓力，該減小的工作壓力低于上述額定工作壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，進一步包括，用以將液壓流體冷卻的可選熱交換器。
3.如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，進一步包括，可與第二級操作相連的定時裝置，用以延遲第二級的整個操作。
4.如權(quán)利要求3所述的液壓系統(tǒng)，其特征在于，上述定時裝置為流阻器。
5.如權(quán)利要求3所述的液壓系統(tǒng)，其特征在于，上述定時裝置允許在第二級打開之前在液壓系統(tǒng)的壓力中產(chǎn)生短暫階躍。
6.如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，其特征在于，上述極限壓力比額定工作壓力大約高出22％。
7.如權(quán)利要求1所述的液壓系統(tǒng)，其特征在于，上述減小的選定工作壓力比額定工作壓力大約低30％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于液壓系統(tǒng)的兩級安全閥。該兩級安全閥包括第一級和第二級，第一級用以減小超過額定工作壓力的液壓系統(tǒng)壓力增量，并減小到選定極限壓力，第二級用以根據(jù)超過上述極限壓力的工作壓力增量，將液壓系統(tǒng)壓力降低到減小的選定工作壓力，該減小的工作壓力低于上述額定工作壓力。
文檔編號F04B49/24GK1894503SQ200480036502
公開日2007年1月10日 申請日期2004年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者卡洛斯·A·芬尼, 達雷爾·B·布賴恩, 戴維·P·舒爾茨 申請人:貝爾直升機泰克斯特龍公司