CN111734698A - 一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统，属于液压同步控制领域。包括负载敏感变量泵、比例方向阀、分流马达，压力补偿阀、换向阀、执行元件，并依次连接，而分流马达具有多联，每一联的出油口连接一个执行器支路，实现多个液压执行器的变速同步驱动，还公开了变速同步系统的工作方法，其经过变速、分流、压力补偿、负载敏感控制四个环节，可实现大偏载或时变负载工况下的高精度、高效率变速同步驱动控制，且结构简单、可靠性高，尤其适用于恶劣环境下的同步驱动，可彻底消除偏载对分流精度的影响，并可抵抗时变负载的干扰。

Description

一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统及工作方法
技术领域
本发明涉及一种分流马达变速同步系统及工作方法，尤其适用于一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统及工作方法，属于液压同步控制领域。
背景技术
重型装备的负载巨大，需要多个液压执行机构同步驱动。分流马达由加工精度较高、尺寸相同的若干个液压马达通过刚性轴连接而成，可实现多达12个液压执行器的同步动作。与分流阀相比，目前分流马达的分流误差较小，其分流误差为1％-3％。但分流马达的抗偏载能力不强，当支路间的负载偏差增大时，其分流误差将进一步增加。例如，意大利VIVOIL的RV系列分流马达在均载下的分流误差是1.5％左右，而在10MPa偏载下的分流误差达8％。因此，为保证分流马达的精度，一般建议其偏载不超过7MPa。可见，目前分流马达还难以在时变大偏载工况下获得较高的精度同步控制。另外，目前分流马达同步系统的同步速度不可调，导致启动制动压力冲击大，难以用于精细作业，而且该系统普遍采用定量泵供油，溢流损失不可避免，造成系统发热且危及系统寿命。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种可在大偏载或时变负载工况下实现高精度、高效率的分流马达变速同步驱动，结构简单，油液大偏载下的高精度等量分流的抗时变大偏载的分流马达变速同步系统及工作方法。
为达到上述目的，本发明的抗时变大偏载的分流马达变速同步系统，包括顺序连接的负载敏感变量泵、比例方向阀和多台多联设置的分流马达，比例方向阀为三通结构，其进油口通过管路与负载敏感泵的出油口连接，其回油口与油箱连接，每台分流马达的出油口管路通过一个执行器支路与一个液压执行器连接，从而实现多个液压执行器的变速同步驱动；
所述的执行器支路包括一端与分流马达的出油口连接的溢流补油回路，溢流补油回路通过压力补偿阀连接有换向阀；其中溢流补油回路包括分别设置在管路上的溢流阀和单向阀，二者并联在分流马达的出油口，其回油口联通油箱，溢流阀可消除终点误差，单向阀用于补油，压力补偿阀的入口连接分流马达的出口，压力补偿阀的出口管路连接换向阀的进油口，所有压力补偿阀的Ls口连通并接入负载敏感变量泵。
所述的分流马达是柱塞式分流马达或齿轮式分流马达。
所述换向阀为两位四通电磁换向阀，换向阀的出口与液压执行器的两腔连接，用于改变执行器运行的方向；
一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统的工作方法，步骤为：
1)维持比例方向阀的压降基本恒定，改变比例方向阀的开口大小，调节进入分流马达的油液总流量，进而控制各个液压执行器的同步速度；
2)驱动各个液压执行器的油液总流量由负载敏感变量泵泵入多个比例方向阀经分流马达分为多个支路流量；
3)利用压力补偿阀补偿液压执行器的负载偏差，使偏载变均载，以彻底消除偏载对分流马达平均分配给各执行器支路油液流量的影响，进而提高分流马达的抗大偏载能力；
4)压力补偿阀采集整个分流马达变速同步系统的最高负载压力并反馈给负载敏感变量泵，通过最高负载压力的负载敏感控制使负载敏感变量泵输出的油液与负载需求相一致的流量和压力，进而提高各个控制液压执行器的效率和抵抗负载变化的能力。
利用公式：
Figure BDA0002568331260000021
计算通过比例方向阀的油液总流量Q，式中，K是阀系数，xv是比例方向阀的开度，Ps是比例方向阀的进口压力，也是负载敏感变量泵的出口压力，Pv是比例方向阀的出口压力，也是分流马达的进口压力，ΔPv是比例方向阀的压降；通过改变比例方向阀的开度xv，来调节整个分流马达变速同步系统的油液总流量Q，并通过各执行器支路上的换向阀输入的油液流量最终控制与执行器支路对应的执行器的运行速度。
利用公式：Q＝∑Qi，计算各执行器支路中油液流量之和通过比例方向阀的油液总流量Q，式中，Qi是经分流马达均分为多个个执行器支路i的流量，i＝1-n,n≥2，n为执行器支路的数量。
设任意执行器支路i的负载压力为PLi，负载压力PLi作用于对应执行器支路i上的压力补偿阀的出油口，由于所有压力补偿阀的Ls口连通，取执行器支路i最高负载压力Pm＝max(PLi)，该最高负载压力反馈到执行器支路i中压力补偿阀的弹簧腔，并与弹簧腔产生的弹簧力Pki一起作用于压力补偿阀的阀芯，此时压力补偿阀处于稳态时；
利用公式：Pci＝Pm+Pki计算当压力补偿阀处于稳态时，其进口的压力Pci，由于各执行器支路中使用相同的压力补偿阀，其弹簧腔的弹簧力Pki相等，因此进口的压力Pci也相等；因此虽然各支路的负载压力PLi不同，但分流马达各联出口压力Pci却基本相等，油液总流量Q被分流马达平均分配，使各执行器支路的流量相等，即，Qi＝Q/n，采用压力补偿阀实现补偿各支路液压执行器负载的偏差，使偏载变均载，彻底消除偏载对分流精度的影响，进而提高分流马达的抗大偏载能力，实现各执行器支路的偏载补偿。
压力补偿阀采集整个分流马达变速同步系统的最高负载压力Pm并通过管路反馈给负载敏感变量泵，在负载敏感变量泵的负载敏感控制下，负载敏感变量泵的流量为油液总流量Q，为避免溢流损失，负载敏感变量泵的出口压力为Ps＝Pm+Pd，Pd为负载敏感泵的压力裕度，为2-3MPa；可见当负载敏感变量泵的出口流量、压力与负载相适应时可提高同步驱动系统的效率和抵抗负载变化的能力；
比例方向阀与分流马达的总压降为Ps-Pci＝Pd-Pki＝ΔPv+ΔPmi＝恒值，式中，ΔPmi是分流马达i联的压降，维持恒值，ΔPv是比例方向阀的压降，在负载变化时通过维持比例方向阀的压降ΔPv，使同步系统的调速特性不受负载变化的影响。
有益效果：本发明利用压力补偿原理，可补偿支路间的负载偏差，使分流马达各联的出口压力均相等，以彻底消除偏载大小对分流马达输出各执行器支路分流精度的影响，实现大偏载下的高精度等量分流；通过比例阀调节系统流量，可实现变速同步控制；通过负载敏感控制，可提高同步系统的效率，并抵抗时变负载的干扰。通过本发明将分流马达同步驱动和负载敏感控制的结构与原理有机结合，可实现大偏载或时变负载工况下的高精度、高效率变速同步驱动控制，且结构简单、可靠性高，尤其适用于恶劣环境下的同步驱动，并可取代常规环境下一部分闭环同步控制。
附图说明
图1是本发明抗时变大偏载的分流马达变速同步系统的结构示意图。
图2是本发明抗时变大偏载的分流马达变速同步系统中一个执行器支路的结构示意图。
图中：1-负载敏感变量泵，2-比例方向阀，3-分流马达，4-溢流补油回路，4.1-溢流阀，4.2-单向阀，5-压力补偿阀，6-换向阀，7-液压执行器
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明抗时变大偏载的分流马达变速同步系统，包括顺序连接的负载敏感变量泵1、比例方向阀2和多台多联设置的分流马达3，比例方向阀2为三通结构，其进油口通过管路与负载敏感泵1的出油口连接，其回油口与油箱连接，每台分流马达3的出油口管路通过一个执行器支路与一个液压执行器7连接，从而实现多个液压执行器的变速同步驱动；
所述比例方向阀2，优选为两位三通式，其P口连接负载敏感泵1的出油口，T口连接油箱，A口连接分流马达3的进油口，分流马达3为柱塞式或齿轮式分流马达，其每一联的出口连接一个执行器支路。
如图2所示，所述的执行器支路包括一端与分流马达3的出油口连接的溢流补油回路4，溢流补油回路4通过压力补偿阀5连接有换向阀6；其中溢流补油回路4包括分别设置在管路上的溢流阀4.1和单向阀4.2，二者并联在分流马达3的出油口，其回油口联通油箱，溢流阀4.1可消除终点误差，单向阀4.2用于补油，压力补偿阀5的入口连接分流马达3的出口，而其出口连接换向阀6的P口，所有压力补偿阀5的LS口连通并接入负载敏感变量泵1，压力补偿阀5的出口管路连接换向阀6的进油口，所有压力补偿阀5的Ls口连通并接入负载敏感变量泵1。所述换向阀6，为两位四通电磁换向阀，其出口连接液压执行器7的两腔，用于改变执行器7运行的方向；所述液压执行器7为液压缸或液压马达。
一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统的工作方法，包括变速、分流、偏载补偿、负载敏感控制四个环节，以实现大偏载或时变负载工况下的高精度、高效率变速同步驱动，
具体步骤为：
1)变速：维持比例方向阀的压降基本恒定，改变比例方向阀2的开口大小，调节进入分流马达3的油液总流量Q，进而控制各个液压执行器7的同步速度；
利用公式：
Figure BDA0002568331260000041
计算通过比例方向阀2的油液总流量Q，式中，K是阀系数，xv是比例方向阀的开度，Ps是比例方向阀的进口压力，也是负载敏感变量泵1的出口压力，Pv是比例方向阀的出口压力，也是分流马达3的进口压力，ΔPv是比例方向阀的压降；通过改变比例方向阀2的开度xv，来调节整个分流马达变速同步系统的油液总流量Q，并通过各执行器支路上的换向阀6输入的油液流量最终控制与执行器支路对应的执行器7的运行速度；
2)分流：驱动各个液压执行器7的油液总流量Q由负载敏感变量泵1泵入多个比例方向阀2经分流马达3分为多个支路流量；
利用公式：Q＝∑Qi，计算各执行器支路中油液流量之和通过比例方向阀2的油液总流量Q，式中，Qi是经分流马达3均分为多个个执行器支路i的流量，i＝1-n,n≥2，n为执行器支路的数量。
3)偏载补偿：利用压力补偿阀5补偿液压执行器7的负载偏差，使偏载变均载，以彻底消除偏载对分流马达3平均分配给各执行器支路油液流量的影响，进而提高分流马达3的抗大偏载能力；
设任意执行器支路i的负载压力为PLi，负载压力PLi作用于对应执行器支路i上的压力补偿阀5的出油口，由于所有压力补偿阀5的Ls口连通，取执行器支路i最高负载压力Pm＝max(PLi)，该最高负载压力反馈到执行器支路i中压力补偿阀5的弹簧腔，并与弹簧腔产生的弹簧力Pki一起作用于压力补偿阀5的阀芯，此时压力补偿阀5处于稳态时；
利用公式：Pci＝Pm+Pki计算当压力补偿阀5处于稳态时，其进口的压力Pci，由于各执行器支路中使用相同的压力补偿阀5，其弹簧腔的弹簧力Pki相等，因此进口的压力Pci也相等；因此虽然各支路的负载压力PLi不同，但分流马达3各联出口压力Pci却基本相等，油液总流量Q被分流马达3平均分配，使各执行器支路的流量相等，即，Qi＝Q/n，采用压力补偿阀5实现补偿各支路液压执行器7负载的偏差，使偏载变均载，彻底消除偏载对分流精度的影响，进而提高分流马达3的抗大偏载能力，实现各执行器支路的偏载补偿。
4)负载敏感控制：压力补偿阀5采集整个分流马达变速同步系统的最高负载压力并反馈给负载敏感变量泵1，通过最高负载压力的负载敏感控制使负载敏感变量泵1输出的油液与负载需求相一致的流量和压力，进而提高各个控制液压执行器7的效率和抵抗负载变化的能力；
压力补偿阀5采集整个分流马达变速同步系统的最高负载压力Pm并通过管路反馈给负载敏感变量泵1，在负载敏感变量泵1的负载敏感控制下，负载敏感变量泵1的流量为油液总流量Q，为避免溢流损失，负载敏感变量泵1的出口压力为Ps＝Pm+Pd，Pd为负载敏感泵1的压力裕度，为2-3MPa；可见当负载敏感变量泵1的出口流量、压力与负载相适应时可提高同步驱动系统的效率和抵抗负载变化的能力；
比例方向阀2与分流马达3的总压降为Ps-Pci＝Pd-Pki＝ΔPv+ΔPmi＝恒值，
式中，ΔPmi是分流马达3对i联执行器支路的压降，维持恒值，ΔPv是比例方向阀的压降，在负载变化时通过维持比例方向阀的压降ΔPv，使同步系统的调速特性不受负载变化的影响。

Claims (8)

1.一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统，其特征在于：它包括顺序连接的负载敏感变量泵(1)、比例方向阀(2)和多台多联设置的分流马达(3)，比例方向阀(2)为三通结构，其进油口通过管路与负载敏感泵(1)的出油口连接，其回油口与油箱连接，每台分流马达(3)的出油口管路通过一个执行器支路与一个液压执行器(7)连接，从而实现多个液压执行器的变速同步驱动；
所述的执行器支路包括一端与分流马达(3)的出油口连接的溢流补油回路(4)，溢流补油回路(4)通过压力补偿阀(5)连接有换向阀(6)；其中溢流补油回路(4)包括分别设置在管路上的溢流阀(4.1)和单向阀(4.2)，二者并联在分流马达(3)的出油口，其回油口联通油箱，溢流阀(4.1)可消除终点误差，单向阀(4.2)用于补油，压力补偿阀(5)的入口连接分流马达(3)的出口，压力补偿阀(5)的出口管路连接换向阀(6)的进油口，所有压力补偿阀(5)的Ls口连通并接入负载敏感变量泵(1)。
2.根据权利要求1所述的抗时变大偏载的分流马达变速同步系统，其特征在于：所述的分流马达(3)是柱塞式分流马达或齿轮式分流马达。
3.根据权利要求1所述的抗时变大偏载的分流马达变速同步系统，其特征在于：所述换向阀(6)为两位四通电磁换向阀，换向阀(6)的出口与液压执行器(7)的两腔连接，用于改变执行器(7)运行的方向。
4.一种抗时变大偏载的分流马达变速同步系统的工作方法，其特征在于步骤为：
1)维持比例方向阀的压降基本恒定，改变比例方向阀(2)的开口大小，调节进入分流马达(3)的油液总流量Q，进而控制各个液压执行器(7)的同步速度；
2)驱动各个液压执行器(7)的油液总流量Q由负载敏感变量泵(1)泵入多个比例方向阀(2)经分流马达(3)分为多个支路流量；
3)利用压力补偿阀(5)补偿液压执行器(7)的负载偏差，使偏载变均载，以彻底消除偏载对分流马达(3)平均分配给各执行器支路油液流量的影响，进而提高分流马达(3)的抗大偏载能力；
4)压力补偿阀(5)采集整个分流马达变速同步系统的最高负载压力并反馈给负载敏感变量泵(1)，通过最高负载压力的负载敏感控制使负载敏感变量泵(1)输出的油液与负载需求相一致的流量和压力，进而提高各个控制液压执行器(7)的效率和抵抗负载变化的能力。
5.根据权利要求4所述的同步工作方法，其特征在于：
利用公式：
Figure FDA0002568331250000011
计算通过比例方向阀(2)的油液总流量Q，式中，K是阀系数，xv是比例方向阀的开度，Ps是比例方向阀的进口压力，也是负载敏感变量泵(1)的出口压力，Pv是比例方向阀的出口压力，也是分流马达(3)的进口压力，ΔPv是比例方向阀的压降；通过改变比例方向阀(2)的开度xv，来调节整个分流马达变速同步系统的油液总流量Q，并通过各执行器支路上的换向阀(6)输入的油液流量最终控制与执行器支路对应的执行器(7)的运行速度。
6.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：利用公式：Q＝∑Qi，计算各执行器支路中油液流量之和通过比例方向阀(2)的油液总流量Q，式中，Qi是经分流马达(3)均分为多个个执行器支路i的流量，i＝1-n,n≥2，n为执行器支路的数量。
7.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：设任意执行器支路i的负载压力为PLi，负载压力PLi作用于对应执行器支路i上的压力补偿阀(5)的出油口，由于所有压力补偿阀(5)的Ls口连通，取执行器支路i最高负载压力Pm＝max(PLi)，该最高负载压力反馈到执行器支路i中压力补偿阀(5)的弹簧腔，并与弹簧腔产生的弹簧力Pki一起作用于压力补偿阀(5)的阀芯，此时压力补偿阀(5)处于稳态时；
利用公式：Pci＝Pm+Pki计算当压力补偿阀(5)处于稳态时，其进口的压力Pci，由于各执行器支路中使用相同的压力补偿阀(5)，其弹簧腔的弹簧力Pki相等，因此进口的压力Pci也相等；因此虽然各支路的负载压力PLi不同，但分流马达(3)各联出口压力Pci却基本相等，油液总流量Q被分流马达(3)平均分配，使各执行器支路的流量相等，即，Qi＝Q/n，采用压力补偿阀(5)实现补偿各支路液压执行器(7)负载的偏差，使偏载变均载，彻底消除偏载对分流精度的影响，进而提高分流马达(3)的抗大偏载能力，实现各执行器支路的偏载补偿。
8.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：压力补偿阀(5)采集整个分流马达变速同步系统的最高负载压力Pm并通过管路反馈给负载敏感变量泵(1)，在负载敏感变量泵(1)的负载敏感控制下，负载敏感变量泵(1)的流量为油液总流量Q，为避免溢流损失，负载敏感变量泵(1)的出口压力为Ps＝Pm+Pd，Pd为负载敏感泵(1)的压力裕度，为2-3MPa；可见当负载敏感变量泵(1)的出口流量、压力与负载相适应时可提高同步驱动系统的效率和抵抗负载变化的能力；
比例方向阀(2)与分流马达(3)的总压降为Ps-Pci＝Pd-Pki＝ΔPv+ΔPmi＝恒值，式中，ΔPmi是分流马达对i联执行器支路的压降，维持恒值，ΔPv是比例方向阀的压降，在负载变化时通过维持比例方向阀的压降ΔPv，使同步系统的调速特性不受负载变化的影响。
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