一种航空作动器往复密封多工况综合模拟试验系统

摘要

本发明公开了一种航空作动器往复密封多工况综合模拟试验系统。包括试验作动器、与试验作动器的活塞杆连接的往复驱动加载系统以及连接到缸体进出油口的液压系统，试验作动器包括端盖、活塞杆和缸体，往复驱动系统包括电动缸、传动轴、传动隔振装置、力传感器和LVDT传感器，传动轴通过传动隔振装置与力传感器相连接，液压系统包括泵源模块、增压模块、保压模块和管路加热器。本发明能够有效模拟航空作动器的高压、宽温、变速和机载振动等多工况综合条件，并能在各工况下准确测量单个活塞杆多种型式轴密封的摩擦力特性和多次往复后泄漏量，具有使用方便、运转平稳、测试准确、寿命长等特点。

说明书

技术领域

本发明属于航空液压往复密封技术领域，具体涉及了一种航空作动器往复 密封多工况综合模拟试验系统，用以测试航空作动器往复密封的性能。

背景技术

近年来随着我国大航空项目的兴起，相关的配套研究试验工作也已经陆续 开始展开，航空作动器作为大航空上的主要执行器，其往复密封的性能直接关 系到航空的可靠性。为了更好的研究航空作动器的往复密封性能、建立相关的 试验标准，迫切需要研制能够模拟航空作动器真实工况的试验系统。

航空作动器的工况主要包括：高压、宽温(-55～135℃)、变速和频繁的机 载振动，其中高压又包括压力脉冲，压力脉冲有正弦波、三角波、梯形波和水 锤波等多种形式，已有的航空作动器往复密封工况模拟试验系统并没有综合模 拟航空作动器的各种工况，都只片面的研究了一部分，尤其是模拟机载振动这 一真实存在工况，国内目前仍未有人涉足。

发明内容

为了克服已有试验系统的不足、更加真实的模拟航空作动器往复密封的复 杂工况、综合模拟包括机载振动在内的工况条件(速度、压力、温度、振动)， 本发明提出了一种航空作动器往复密封多工况综合模拟试验系统，既能够模拟 航空作动器的高压、宽温、变速和环境振动等工况条件，又能够隔离振动对往 复加载系统等外界环境的影响，此外，该试验系统能够测量作动器活塞杆密封 的摩擦力特性和多次往复后的泄漏量，进而研究各种工况和它们之间的耦合作 用对密封性能的影响。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括试验作动器以及与试验作动器的活塞杆连接的往复驱动加载系 统，试验作动器包括端盖、活塞杆和缸体，缸体为单一容腔，缸体侧部设有进 出油口，活塞杆的两端穿过缸体和缸体端面的端盖，活塞杆一端穿过端盖后通 过力传感器连接法兰与力传感器的一端同轴连接；试验作动器两端部通过作动 器支座固定在振动台面上，试验作动器和振动台面固联为一个整体置于高低温 环境箱内部，高低温环境箱固定安装在振动平台上，并由振动仪控制振动平台 振动进而带动试验作动器上下振动。

所述的往复驱动系统包括电动缸、传动轴、传动隔振装置、力传感器和LVDT 传感器，电动缸通过电动缸支撑块水平固定在电动缸安装台面上，电动缸推杆 通过电动缸连接法兰与传动轴的一端同轴相连，传动轴的两端部均通过轴承支 座水平安装在电动缸安装台面上，传动轴的两端部通过直线轴承套在轴承支座 中；传动轴另一端通过传动隔振装置与力传感器的另一端相连接。

所述的传动轴的正下方设有LVDT传感器LVDT传感器通过LVDT传感器 夹具水平固定在电动缸安装台面，LVDT传感器的铁芯通过LVDT传感器连杆 连接到传动轴侧壁，使得LVDT传感器的铁芯与传动轴同步往复运动。

所述的端盖与活塞杆之间的接触面装有刮尘圈、试验密封圈和支承环，两 端的端盖侧面均开有径向布置的漏油口用以收集漏液。

所述的传动隔振装置包括滑轨安装法兰、滑轨、滑块，传动轴另一端通过 滑轨安装法兰与滑轨的一端面固定相连，滑轨沿上下竖直方向，滑块一端嵌入 在滑轨内上下移动，滑块另一端与力传感器固定连接，嵌入在滑轨内的滑块中 部水平套有滑块轴，滑块轴贯穿滑块的两端通过滚动轴承套装有滚轮，滚轮嵌 入在滑轨两侧竖直的条形凹槽中，滚轮随滑块上下振动时在条形凹槽中滚动； 滑块上下方的滑轨内壁设有用于滑块移动限位的限位螺钉，

所述的滚轮采用耐磨材料。

还包括连接到缸体进出油口的液压系统，液压系统包括提供液压系统液压 源的泵源模块、用以产生压力脉冲的增压模块、保压模块和管路加热器，增压 模块和泵源模块均与管路加热器连接，增压模块和泵源模块之间连接有保压模 块，保压模块连接到缸体进出油口。

所述的泵源模块提供液压系统的液压源，包括油箱、安装在油箱内部的空 气滤清器、从油箱接出的吸油过滤器和接入到油箱的回油过滤器，吸油过滤器 的出油口依次经手动截止阀、柱塞泵、单向阀、管路过滤器后连接到管路加热 器的输入端，伺服电机连接柱塞泵带动柱塞泵旋转；管路过滤器的出油口设有 电子式压力传感器、温度传感器和机械式压力传感器，管路过滤器的出油口和 进油口分别经比例溢流阀和安全阀后连接到散热器输入端，散热器输出端连接 到回油过滤器的进油口，散热器连接有比例流量阀，散热器与安全阀之间的管 路设有温度传感器，并引出连接到保压模块。

所述的增压模块包括伺服阀，伺服阀的P口和T口分别经各自的换向截止 阀连接到管路加热器和保压模块，伺服阀的A口和B口分别连接到增压缸的低 压腔和中间腔，伺服阀的A口和B口与增压缸内腔之间的管路上均设有电子式 压力传感器和温度传感器，增压缸的高压腔连接到油箱，高压腔处设有电子式 压力传感器，高压腔经换向截止阀连接到保压模块。

所述的保压模块包括多个换向截止阀和蓄能器，蓄能器连接到管路加热器 的出口，蓄能器和管路加热器之间的管路连接有出口流量计，蓄能器连接有电 子式压力传感器、温度传感器和机械式压力传感器；其中两个换向截止阀反向 串联后一端连通到所述增压模块伺服阀和所述泵源模块之间的管路上，另一端 作为连接到缸体侧部的出油口；其中另外两个换向截止阀反向串联后一端连通 到管路加热器的出口，另一端经最后一个换向截止阀连接到缸体侧部的进油口， 同时另一端连接到所述增压模块。

本发明具有的有益效果是：

本发明克服了已有试验系统的不足，能够综合模拟航空作动器的高压、宽 温、变速和环境振动的复杂工况条件，通过管路加热器、散热器和高低温环境 箱的配合实现作动器在-55～135℃范围内变化的油液温度和环境温度模拟；通过 增压回路产生多种波形(梯形波、三角波、正弦波和水锤波等)的0～42MPa压 力脉冲；通过电动缸带动活塞杆往复运动实现任意方式的变速；通过振动平台 带动作动器缸体上下振动模拟作动器径向振动；并且能够有效隔离振动、温度 等条件对往复加载系统等试验作动器以外的环境的影响，提高了系统的寿命和 可靠性。

本发明具有使用方便、运转平稳、测试准确、寿命长等特点，能够测量多 种型式密封圈的性能。

附图说明

图1是本发明的试验系统整体图。

图2是本发明的试验作动器和往复驱动系统结构立体示意图。

图3是本发明的试验作动器和往复驱动系统结构装配示意图。

图4是本发明的试验作动器的结构放大图。

图5是本发明的传动隔振装置的放大图。

图6是本发明的传动隔振装置的结构立体示意图。

图7是本发明的传动隔振装置的局部剖视图。

图8是本发明的液压系统的整体结构图。

图9是本发明的泵源模块的原理图。

图10是本发明的增压模块的原理图。

图11是本发明的保压模块的原理图。

图中：100.试验作动器；110.端盖；111.刮尘圈；112.试验密封圈；113.支承 环；114.漏油口；120.活塞杆；130.作动器支座；140.振动台面；150.缸体；151. 进、出油口；200.往复驱动加载系统；210.电动缸；211.电动缸推杆；212.电动 缸支撑块；220.电动缸连接法兰；230.电动缸安装台面；240.传动隔振装置；241. 滑块；242.滑轨；243.滚轮；244.滚动轴承；245.滑块轴；246.滑轨安装法兰；247. 限位螺钉；250.力传感器连接法兰；260.LVDT传感器夹具；261.LVDT传感器； 262.LVDT传感器连杆；270.力传感器；280.传动轴；281.直线轴承；282.轴承支 座；300.液压系统；320.泵源模块；321.吸油过滤器；322.手动截止阀；323.变频 电机；324.柱塞泵；325.单向阀；326.管路过滤器；327.温度传感器；328.压力传 感器；329.比例溢流阀；330.安全阀；331.比例流量阀；332.散热器；333.回油过 滤器；334.油箱；335.空气滤清器；340.增压模块；341.换向截止阀；342.伺服阀； 343.增压缸；360.保压模块；361.流量计；380.管路加热器；390.蓄能器；400.高 低温环境箱；500.振动平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，本发明包括试验作动器100、与试验作动器100的活塞杆 120连接的往复驱动加载系统200以及液压系统300，本发明的试验系统能够综 合模拟航空作动器高压0～35MPa、宽温(-55～135℃)、变速和机载振动0～40g的 复杂工况条件，并且各工况间互不影响，能够同时加载。

如附图2～图4所示，试验作动器100包括端盖110、活塞杆120和缸体 150，缸体150两端面均设有端盖110，缸体150内无活塞，腔体连通，为单一 容腔，缸体150侧部设有进出油口151，活塞杆120的两端穿过缸体150和缸体 150端面的端盖110，活塞杆120一端穿过端盖110后通过力传感器连接法兰250 与力传感器270的一端同轴连接，在往复驱动加载系统200带动下做往复运 动；试验作动器100两端部通过作动器支座130固定在振动台面140上，试验 作动器100和振动台面140固联为一个整体置于高低温环境箱400内部，高低 温环境箱400固定安装在振动平台500上，并由振动仪控制振动平台500振动 进而带动试验作动器100上下振动，高低温环境箱400通过调节箱内气温来模 拟环境温度，振动平台500和高低温环境箱400外形上集成一体，结构上高低 温环境箱400在上、振动平台500在下，两者功能上相互分离、互不影响。

如附图2～图3所示，往复驱动系统200包括电动缸210、传动轴280、传 动隔振装置240、力传感器270和LVDT传感器261，电动缸210通过电动缸支 撑块212水平固定在电动缸安装台面230上，电动缸推杆211通过电动缸连接 法兰220与传动轴280的一端同轴相连，传动轴280的两端部均通过轴承支座 282水平安装在电动缸安装台面230上，传动轴280的两端部通过直线轴承281 套在轴承支座282中，电动缸推杆211带动传动轴280往复运动，传动轴280 一方面能够准确传动轴向运动，另一方面能够避免试验作动器100的振动等工 况对电动缸210的影响，传动轴280由直线轴承281导向，直线轴承281安装 在轴承支座282上，内涂有润滑脂，用以减少磨损；传动轴280另一端通过传 动隔振装置240与力传感器270的另一端相连接。

如图3所示，传动轴280的正下方设有LVDT传感器261LVDT传感器261 通过LVDT传感器夹具260水平固定在电动缸安装台面230，LVDT传感器261 与传动轴280相平行，LVDT传感器261的铁芯通过LVDT传感器连杆262连 接到传动轴280侧壁，使得LVDT传感器261的铁芯与传动轴280同步往复运 动，LVDT传感器261测量获得传动轴120的位移和速度，并作为活塞杆120 的位移和速度。

如图4所示，端盖110与活塞杆120之间的接触面装有刮尘圈111、试验密 封圈112和支承环113，两端的端盖110侧面均开有径向布置的漏油口114用以 收集漏液，支承环113起着支撑和导向作用，试验密封圈112有多种型式，用 以测试不同密封圈的密封性能。

如图5～图7所示，传动隔振装置240包括滑轨安装法兰246、滑轨242、 滑块241，传动轴280另一端通过滑轨安装法兰246与滑轨242的一端面固定相 连，滑轨242沿上下竖直方向，滑块241一端嵌入在滑轨242内上下移动，滑 块241另一端与力传感器270固定连接，嵌入在滑轨242内的滑块241中部水 平套有滑块轴245，滑块轴245贯穿滑块241的两端通过滚动轴承244套装有滚 轮243，滚轮243采用耐磨材料，滚轮243嵌入在滑轨242两侧竖直的条形凹槽 中，滚轮243随滑块241上下振动时在条形凹槽中滚动；滑块241位于滑轨242 中部，滑块241上下方的滑轨242内壁设有用于滑块241移动限位的限位螺钉 247，限位螺钉247用以防止滑块241垂直振动时位移过大脱离滑轨242，

滑块241的垂直振动一部分被滚轮243的滚动摩擦吸收，另一部分则直接 被卸掉，无法传递给滑轨242，从而实现隔振，滚轮243与滑轨242两侧内表面 紧密接触，将滑轨242的轴向运动准确传递给滑块241。

如图8所示，液压系统300包括泵源模块320、增压模块340、保压模块360 和管路加热器380，增压模块340和泵源模块320均与管路加热器380连接，增 压模块340和泵源模块320之间连接有保压模块360，保压模块360连接到缸体 150进出油口，泵源模块320提供液压系统300的液压源，增压模块340用以产 生多种波形的压力脉冲，保压模块340保持试验作动器100内压力恒定。液压 系统300可调节系统的压力和流量，通过增压模块340和保压模块的切换实现 0～35MPa压力的保持和0～42MPa范围内变化的压力脉冲，并通过管路加热器 380和散热器332的配合控制系统的油液温度。

如图9所示，泵源模块320提供液压系统300的液压源，包括油箱334、安 装在油箱内部的空气滤清器335、从油箱334接出的吸油过滤器321和接入到油 箱334的回油过滤器333，吸油过滤器321的出油口依次经手动截止阀322、柱 塞泵324、单向阀325、管路过滤器326后连接到管路加热器380的输入端，伺 服电机323连接柱塞泵324带动柱塞泵324旋转；管路过滤器326的出油口设 有电子式压力传感器328、温度传感器327和机械式压力传感器，管路过滤器 326的出油口和进油口分别经比例溢流阀329和安全阀330后连接到散热器332 输入端，散热器332输出端连接到回油过滤器333的进油口，散热器332连接 有比例流量阀331，散热器332与安全阀330之间的管路设有温度传感器327， 并引出连接到保压模块360。

柱塞泵324由伺服电机323驱动，通过控制伺服电机323的转速实现系统 的流量的匹配，实现节能，安全阀330调定压力高于比例溢流阀329，比例溢流 阀329调节系统压力，散热器332防止回油箱油液温度过高，影响柱塞泵324 的工作性能。

如图10所示，增压模块340包括伺服阀342，伺服阀342的P口和T口分 别经各自的换向截止阀341连接到管路加热器380和保压模块360，伺服阀342 的A口和B口分别连接到增压缸343的低压腔和中间腔，伺服阀342的A口和 B口与增压缸343内腔之间的管路上均设有电子式压力传感器和温度传感器， 增压缸343的高压腔连接到油箱，高压腔处设有电子式压力传感器，高压腔经 换向截止阀341连接到保压模块360。

通过伺服阀342控制增压缸343中间腔和低压腔的压力差带动增压缸343 活塞正向或反向运动挤压或拉伸油液从而实现压力脉冲，增压缸343反行程时 泄漏油液通过油箱经单向阀补充。

如图11所示，保压模块360包括多个换向截止阀341和蓄能器390，蓄能 器390连接到管路加热器380的出口，蓄能器390和管路加热器380之间的管 路连接有流量计361，蓄能器390连接有电子式压力传感器328、温度传感器 327和机械式压力传感器；其中两个换向截止阀341反向串联后一端连通到所述 增压模块340伺服阀342T口的换向截止阀341和所述泵源模块320的比例溢流 阀329之间的管路上，另一端作为连接到缸体150侧部的出油口；其中另外两 个换向截止阀341反向串联后一端连通到管路加热器380的出口，另一端经最 后一个换向截止阀341连接到缸体150侧部的进油口，同时另一端连接到所述 增压模块340高压腔出口的换向截止阀341。

蓄能器390作为辅助动力源用以补充泄漏维持压力恒定，流量计361用以 观察蓄能器390的作用。

本发明的液压系统300通过闭合不同的换向截止阀341，可实现增压模块 340和保压模块360的切换，从而实现系统0～42MPa压力脉冲和0～35MPa保压 功能的切换。

管路加热器380加热高压油液，散热器332以冷却水循环方式吸收回油热 量，高低温环境箱400控制试验作动器100环境温度，它们三者的配合能够实 现油液温度和环境温度在-55～135℃范围内给定曲线的跟踪变化。

如附图5～图7所示，滑块241相对滑轨242上下频繁振动，但由于滑轨 241在垂直方向上对滑块241基本无约束，所以滑块241的振动无法传递给滑轨 242，实现了隔振的作用。并且，滚轮243与滑轨242径向上刚性接触，滚轮 243又安装在滑块241上，滑轨242的水平轴向运动可准确传递，即电动缸210 的轴向往复运动可以准确传递到活塞杆120，滑块241与滑轨242不直接接触， 通过滚轮243将滑动摩擦转成滚动摩擦，减小了摩擦力，降低了磨损；滑块241 相对滑轨242的位移通过限位螺钉247限制，防止滑块241位移过大，脱离滑 轨242。

振动台面140置于高低温环境箱400中，振动平台500与振动台面140连 接部分采用柔性隔热材料，有效阻止高低温条件对振动平台500的影响；振动 平台500和高低温环境箱400通过不同的装置固定到地面，阻止振动传递到高 低温环境箱400。

本发明的实施工作过程是：

如附图1、2和3所示，为有效模拟航空作动器往复密封的真实工况，实施 中将电动缸推杆211、传动轴280、传动隔振装置240和活塞杆120同轴连接， 要求传动隔振装置240安装后开口方向必须与振动方向一致，即滑轨及其条形 凹槽的方向与上下振动的方向一致，通过控制电动缸推杆211轴向运动速度带 动活塞杆120往复匀速运动，因为当活塞杆120匀速运动时，活塞杆120受力 平衡，这活塞杆120所受的拉力就等于密封件(缸体及其缸体上的刮尘圈111、 试验密封圈112和支承环113)对它的摩擦力，这样就可以测量活塞杆动密封的 摩擦力特性。

试验作动器100固定在振动台面140上一起置于高低温环境箱400内部， 高低温环境箱400通过控制箱内气温来模拟环境温度；振动平台500与振动台 面100固联，带动试验作动器100单向振动，试验作动器100的振动通过活塞 杆120向外传递，传动隔振装置240与活塞杆120同轴连接，直接隔离该振动， 避免该振动对电动缸210的影响。

如附图8、9和11所示，保压试验前，开启柱塞泵324，系统充液，油液从 油箱334依次流过柱塞泵324、管路加热器380、换向截止阀Z3和Z4，流入试 验作动器100，再从试验作动器流出经换向截止阀Z7和Z8、散热器332和回油 过滤器333流回油箱，待管路加热器380、试验作动器100和系统管路等排气干 净后，调定比例溢流阀329设定系统压力，当作动器容腔压力与系统压力一 致，蓄能器390处于稳态，关闭泵源320，关闭换向截止阀Z1、Z2、Z7和Z8， 打开换向截止阀Z3、Z4、Z6，开始保压；保压试验时，作动器油液的外泄露由 蓄能器390补充，蓄能器作为辅助动力源，和比例溢流阀协调作用，保证系统 工作压力恒定。

如附图8、9和10所示，压力脉冲试验时，泵源一直工作，通过比例溢流 阀调定系统压力，打开换向截止阀Z1、Z2、Z5和Z6，关闭Z3、Z4、Z7和Z8， 开始压力脉冲试验；压力脉冲试验时，油液从蓄能器和泵源流出经伺服阀342 流进增压缸343低压腔或中间腔，再从增压缸腔中间腔或低压腔流出经伺服阀 流回油箱；试验时，通过控制伺服阀阀口的开度，进而改变增压缸低压腔和中 间腔的压差、从而产生推力、带动增压缸活塞移动，由于增压缸高压腔与作动 器容腔及其连通部分都闭死，增压缸活塞的运动会挤压或拉伸高压腔油液，进 而改变油液的压力；换向截止阀Z4和Z7用于防止压力脉冲对泵源的反向冲击， 换向截止阀Z3和Z8则用于切断保压模块、防止泵源输出油液直接流入试验作 动器。

实施中通过泵源模块调节系统压力和流量，通过增压模块实现0～42MPa多 种波形压力脉冲，通过高低温环境箱、管路加热器和散热器的配合共同模拟油 液温度和环境温度的变化，通过振动平台带动试验作动器单向振动实现机载振 动的模拟，通过调节电动缸不同的往复速度实现变速度的模拟，并且整个试验 系统使用方便、运转平稳、测试准确、寿命长等特点，能够测量多种型式密封 圈的性能，由此可见本发明具体有其显著的技术效果。