負載敏感變速同步驅動原理與特性研究

丁海港，劉永狀，趙繼云

(1.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221006； 2.江蘇省礦山智能采掘裝備協同創新中心，江蘇 徐州 221006)

引言

液壓同步驅動分為閉環和開環兩種控制方式。閉環同步驅動主要采用比例閥或伺服閥為控制元件，利用閉環反饋控制，可以在時變負載或大偏載下獲得較高的同步精度[1-2]，但是系統結構復雜，成本昂貴，控制及維護難度大，主要用于環境良好且控制精度要求較高的場合。目前，分流同步驅動是開環同步的主要形式，其以分流元件(如分流閥、分流馬達)為控制元件，通過等量分流原理實現多執行器的同步驅動，具有結構簡單、成本低、可靠性高、可適應惡劣環境等優點[3-5]。但目前分流同步驅動的最大問題是同步精度較低，尤其在大偏載或時變負載等工況下同步精度顯著降低，甚至失去同步控制功能。

現代工業裝備對于高精度、高可靠性、低成本的液壓同步控制有廣泛需求[6-7]，如大型液壓卸車平臺的舉升機構、海上鉆井平臺的鉆桿同步舉升機構、雷達天線的液壓翻轉舉升機構等。在工作過程中，這些同步機構的油缸負載具有時變、偏載或突變的特點。采用閉環同步驅動可以獲得較高的控制精度，但成本太高，通常是開環控制的10～20倍，甚至更高；采用分流同步驅動可以降低成本，但控制精度和動態性能往往難以滿足要求。另外，目前分流元件不具備調速功能，不能在同步過程中改變執行器的速度，無法實現變速同步，這進一步限制了分流同步驅動的應用范圍。

針對上述問題，本研究創新分流同步驅動的結構和控制原理，提出一種具有負載敏感功能的高精度分流閥及負載敏感變速同步驅動系統，開展時變負載及大偏載下雙缸變速同步控制機理的研究。

1 負載敏感變速同步系統原理

如圖1所示，負載敏感變速同步系統主要由負載敏感變量泵、負載敏感分流閥、液壓缸等組成。其中，負載敏感分流閥是一種新型的具有負載敏感功能的高精度分流閥，其由可控節流口、流量補償單元、壓力補償單元、梭閥組成。該同步系統具有以下特點：

(1) 壓力補償單元和流量補償單元可對負載偏差進行補償，以消除偏載對分流精度的影響;

(2) 可控節流口由同一個閥芯控制，節流口開度始終相等，改變節流口開度可以調節分流閥的總流量，進而控制執行器速度，以實現變速同步控制;

(3) 通過梭閥取兩負載的最高壓力并反饋到負載敏感變量泵，在負載敏感控制[8]的作用下，變量泵輸出系統所需的壓力和流量。

1.負載敏感變量泵 2.負載敏感分流閥 3.可控分流口4.流量補償單元 5.壓力補償單元 6.梭閥7.液壓缸 8.電動機圖1 負載敏感變速同步系統原理圖

在圖1中，pL1和pL2分別為液壓缸1，2的負載壓力，p1和p2分別為可控分流口1，2的出口壓力，ps為系統壓力，pLS為梭閥反饋的最高負載壓力，兩支路的流量分別為：

(1)

(2)

式中,Q1,Q2—— 支路1,2的流量

A1,A2—— 節流口1,2的通流面積

ρ—— 油液密度

C—— 流量系數，一般為0.6～0.8

對負載偏差采用閥后壓力補償[9]，通過梭閥取最高負載壓力pLS,并與彈簧力Fs共同作用于壓力補償單元一端，而壓力補償單元的另一端連接進口。設pL1

(p3-pL2)A3=Fs1

(3)

壓力補償單元2的力平衡方程為:

(p4-pL2)A4=Fs2

(4)

式中，A3，A4為壓力補償單元1，2的閥芯面積，且A3=A4。

由式(3)和式(4)知，當彈簧力和閥芯面積相同時，可以保證p3=p4,壓力補償單元實際上起到了負荷均衡器的作用。但是，由于負載壓力不同，故2個壓力補償進出口壓差有很大的差別，導致壓力補償單元的彈簧力不同，故有p3≈p4，所以壓力補償器并不能完全使偏差負載變為均載。若p3和p4直接作用在可控節流口的出口，則p3和p4的差值就是p1和p2的差值，由式(1)和式(2)知，將導致Q1和Q2有較大的差別，影響分流精度[10]。

為解決此問題，在可控節流口和壓力補償單元之間設置一個流量補償單元，以進一步減小p3和p4的差別對p1和p2的影響。忽略液動力和摩擦力，流量補償單元閥芯的力平衡方程為：

(p1-p2)A5=kΔx

(5)

式中,A5—— 同步閥閥芯截面積

Δx—— 左腔和右腔的彈簧壓縮量之差

k—— 彈簧剛度

由式(5)知，流量補償單元的左右腔的彈簧壓縮量之差接近于0，即Δx≈0，故p1≈p2。由式(1)和式(2)知，Q1≈Q2，從而可在任意偏載下實現高精度的等量分流。

2 仿真建模

根據負載敏感變速同步系統的原理、結構及受力分析，在AMESim仿真平臺上建立其仿真模型，如圖2所示。除給定的參數設定外，其余的參數均為默認數值，系統的主要參數見表1。在仿真模式下設置采樣間隔為0.01 s，仿真時間為60 s，運行仿真并創建結果曲線。

圖2 負載敏感變速同步系統模型

表1 系統主要參數

3 仿真分析

為模擬變速、時變負載、大偏載的工況，設置負載1為恒定負載，其值為10 MPa；負載2為時變負載，呈正弦規律變化，均值為20 MPa，幅值為10 MPa，頻率為0.5 Hz；兩負載的最大偏差為20 MPa；負載敏感變量泵補償壓力為2 MPa。在雙缸驅動的同時改變可控分流口的開度，以調節同步的驅動速度。

負載壓力和變量泵出口壓力曲線，如圖3所示，負載敏感泵的輸出壓力ps始終比最高負載pL2高出一個恒定值pd，pd為負載敏感泵的補償壓力 2 MPa，與理論分析的結果相符。

圖3 負載壓力和變量泵出口壓力

流量補償單元、可控分流口的出口壓力及差值曲線分別如圖4、圖5所示，可以看出，壓力補償單元起到了均衡負載的作用，分流節流口的出口壓力基本一致，但其差值隨著節流口開度的增大而增大。同時，壓力補償單元的進口壓力最大有0.16 MPa的偏差，由于流量補償閥的作用，p1和p2的差值Δp1,2比p3和p4的差值Δp3,4要小的多，故兩支路的流量更為接近。

圖4 流量補償單元出口壓力及差值

圖5 可控分流口的出口壓力及差值

分流誤差ε為分流閥的主要性能指標[11]，即2個工作支路的流量Q1,Q2之差ΔQ與通過分流閥的總流量Qp的比值：

(6)

兩支路流量和流量誤差曲線，如圖6所示，在變速、時變負載、大偏載的惡劣工況下，分流閥的分流誤差小于1‰，遠遠低于現有分流閥的誤差。液壓缸速度及差值曲線如圖7所示，具有恒定負載的液壓缸1的速度隨節流孔開度增大而增大，且波動較小；而具有時變負載的液壓缸2的速度呈明顯的發散趨勢，波動較大。

圖6 支路流量和流量誤差

圖7 液壓缸速度及差值

液壓缸位移及位移誤差曲線，如圖8所示，在變速、時變負載、大偏載的惡劣工況下，兩液壓缸的位移誤差e小于1.4%，同步精度較高。利用負載敏感同步控制技術能夠實現單泵驅動多執行器的同步控制，使各個執行機構在時變負載、大偏載的惡劣工況下保持高同步精度并保持較高的系統效率。

圖8 液壓缸位移及位移誤差

4 結論

本研究提出了負載敏感變速同步原理，介紹了負載敏感分流閥的結構和抗偏載原理，并基于AMESim平臺建立了系統的仿真模型，在變速、時變負載、大偏載的復雜工況下，考察了新型分流閥的分流誤差及其同步系統的同步特性。仿真表明：在變速、變載、大偏載的復雜工況下，新型分流閥具有較高的分流精度，負載敏感變速同步系統也具有較高的同步精度和系統效率。本研究所提出的負載敏感變速同步原理，將有望解決時變負載和大偏載惡劣工況下的雙缸變速同步驅動的難題，可取代一部分價格昂貴的閉環同步驅動，豐富液壓同步驅動的形式和理論。