負(fù)載敏感變速同步驅(qū)動(dòng)原理與特性研究

丁海港，劉永狀，趙繼云

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221006； 2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221006)

引言

液壓同步驅(qū)動(dòng)分為閉環(huán)和開環(huán)兩種控制方式。閉環(huán)同步驅(qū)動(dòng)主要采用比例閥或伺服閥為控制元件，利用閉環(huán)反饋控制，可以在時(shí)變負(fù)載或大偏載下獲得較高的同步精度[1-2]，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，控制及維護(hù)難度大，主要用于環(huán)境良好且控制精度要求較高的場合。目前，分流同步驅(qū)動(dòng)是開環(huán)同步的主要形式，其以分流元件(如分流閥、分流馬達(dá))為控制元件，通過等量分流原理實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行器的同步驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、可適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。但目前分流同步驅(qū)動(dòng)的最大問題是同步精度較低，尤其在大偏載或時(shí)變負(fù)載等工況下同步精度顯著降低，甚至失去同步控制功能。

現(xiàn)代工業(yè)裝備對(duì)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(tái)的舉升機(jī)構(gòu)、海上鉆井平臺(tái)的鉆桿同步舉升機(jī)構(gòu)、雷達(dá)天線的液壓翻轉(zhuǎn)舉升機(jī)構(gòu)等。在工作過程中，這些同步機(jī)構(gòu)的油缸負(fù)載具有時(shí)變、偏載或突變的特點(diǎn)。采用閉環(huán)同步驅(qū)動(dòng)可以獲得較高的控制精度，但成本太高，通常是開環(huán)控制的10～20倍，甚至更高；采用分流同步驅(qū)動(dòng)可以降低成本，但控制精度和動(dòng)態(tài)性能往往難以滿足要求。另外，目前分流元件不具備調(diào)速功能，不能在同步過程中改變執(zhí)行器的速度，無法實(shí)現(xiàn)變速同步，這進(jìn)一步限制了分流同步驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍。

針對(duì)上述問題，本研究創(chuàng)新分流同步驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和控制原理，提出一種具有負(fù)載敏感功能的高精度分流閥及負(fù)載敏感變速同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開展時(shí)變負(fù)載及大偏載下雙缸變速同步控制機(jī)理的研究。

1 負(fù)載敏感變速同步系統(tǒng)原理

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

(1) 壓力補(bǔ)償單元和流量補(bǔ)償單元可對(duì)負(fù)載偏差進(jìn)行補(bǔ)償，以消除偏載對(duì)分流精度的影響;

(2) 可控節(jié)流口由同一個(gè)閥芯控制，節(jié)流口開度始終相等，改變節(jié)流口開度可以調(diào)節(jié)分流閥的總流量，進(jìn)而控制執(zhí)行器速度，以實(shí)現(xiàn)變速同步控制;

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

1.負(fù)載敏感變量泵 2.負(fù)載敏感分流閥 3.可控分流口4.流量補(bǔ)償單元 5.壓力補(bǔ)償單元 6.梭閥7.液壓缸 8.電動(dòng)機(jī)圖1 負(fù)載敏感變速同步系統(tǒng)原理圖

在圖1中，pL1和pL2分別為液壓缸1，2的負(fù)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(tǒng)壓力，pLS為梭閥反饋的最高負(fù)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(jié)流口1,2的通流面積

ρ—— 油液密度

C—— 流量系數(shù)，一般為0.6～0.8

對(duì)負(fù)載偏差采用閥后壓力補(bǔ)償[9]，通過梭閥取最高負(fù)載壓力pLS,并與彈簧力Fs共同作用于壓力補(bǔ)償單元一端，而壓力補(bǔ)償單元的另一端連接進(jìn)口。設(shè)pL1

(p3-pL2)A3=Fs1

(3)

壓力補(bǔ)償單元2的力平衡方程為:

(p4-pL2)A4=Fs2

(4)

式中，A3，A4為壓力補(bǔ)償單元1，2的閥芯面積，且A3=A4。

由式(3)和式(4)知，當(dāng)彈簧力和閥芯面積相同時(shí)，可以保證p3=p4,壓力補(bǔ)償單元實(shí)際上起到了負(fù)荷均衡器的作用。但是，由于負(fù)載壓力不同，故2個(gè)壓力補(bǔ)償進(jìn)出口壓差有很大的差別，導(dǎo)致壓力補(bǔ)償單元的彈簧力不同，故有p3≈p4，所以壓力補(bǔ)償器并不能完全使偏差負(fù)載變?yōu)榫d。若p3和p4直接作用在可控節(jié)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(dǎo)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(jié)流口和壓力補(bǔ)償單元之間設(shè)置一個(gè)流量補(bǔ)償單元，以進(jìn)一步減小p3和p4的差別對(duì)p1和p2的影響。忽略液動(dòng)力和摩擦力，流量補(bǔ)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)高精度的等量分流。

2 仿真建模

根據(jù)負(fù)載敏感變速同步系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及受力分析，在AMESim仿真平臺(tái)上建立其仿真模型，如圖2所示。除給定的參數(shù)設(shè)定外，其余的參數(shù)均為默認(rèn)數(shù)值，系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。在仿真模式下設(shè)置采樣間隔為0.01 s，仿真時(shí)間為60 s，運(yùn)行仿真并創(chuàng)建結(jié)果曲線。

圖2 負(fù)載敏感變速同步系統(tǒng)模型

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

3 仿真分析

為模擬變速、時(shí)變負(fù)載、大偏載的工況，設(shè)置負(fù)載1為恒定負(fù)載，其值為10 MPa；負(fù)載2為時(shí)變負(fù)載，呈正弦規(guī)律變化，均值為20 MPa，幅值為10 MPa，頻率為0.5 Hz；兩負(fù)載的最大偏差為20 MPa；負(fù)載敏感變量泵補(bǔ)償壓力為2 MPa。在雙缸驅(qū)動(dòng)的同時(shí)改變可控分流口的開度，以調(diào)節(jié)同步的驅(qū)動(dòng)速度。

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

圖3 負(fù)載壓力和變量泵出口壓力

流量補(bǔ)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(bǔ)償單元起到了均衡負(fù)載的作用，分流節(jié)流口的出口壓力基本一致，但其差值隨著節(jié)流口開度的增大而增大。同時(shí)，壓力補(bǔ)償單元的進(jìn)口壓力最大有0.16 MPa的偏差，由于流量補(bǔ)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(bǔ)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(biāo)[11]，即2個(gè)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(shí)變負(fù)載、大偏載的惡劣工況下，分流閥的分流誤差小于1‰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)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(fù)載的液壓缸1的速度隨節(jié)流孔開度增大而增大，且波動(dòng)較?。欢哂袝r(shí)變負(fù)載的液壓缸2的速度呈明顯的發(fā)散趨勢，波動(dòng)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(shí)變負(fù)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(fù)載敏感同步控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單泵驅(qū)動(dòng)多執(zhí)行器的同步控制，使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在時(shí)變負(fù)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(tǒng)效率。

圖8 液壓缸位移及位移誤差

4 結(jié)論

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