CN111783247B - 液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法及系统。该方法包括：确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力；所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力；所述动力机构工况包括液压缸无杆腔进油工况和液压缸有杆腔进油工况；根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度；根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。本发明适用于一般工况的液压阀控缸系统动力机构与负载匹配，亦可实现液压阀控马达/摆缸系统动力机构与负载匹配。

Description

液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法及系统

技术领域

本发明涉及液压技术领域，特别是涉及一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法及系统。

背景技术

液压技术是现代传动与控制的关键技术之一，其广泛应用于运载设备、重载机器人和飞行器等移动装备，对其轻量化不仅可提高装备的续航能力、机动性能和承载能力，还可实现节能减排。液压伺服控制系统主要分为节流控制的阀控缸系统和容积控制的泵控系统，虽然泵控系统较阀控缸系统的能量利用率更高、发热量更小，但阀控缸系统的动态性能优于泵控系统。因此，在动态性能要求高的液压系统中，阀控缸系统具有不可替代的地位。

液压阀控缸系统的驱动部分由液压控制阀和液压缸组成，简称动力机构或动力元件。设计阀控缸系统的主要任务之一是：对动力机构与负载进行匹配，即根据液压系统的负载特性(包括负载力和负载速度)计算动力机构的参数(包括液压控制阀空载流量和液压缸活塞面积，当测试条件一定的情况下，液压控制阀空载流量取决于液压控制阀通油面积)。现有技术中，针对对称型动力机构(其液压缸为对称型液压缸)和无回油背压的阀控缸系统，动力机构与负载匹配的传统方法为：在负载的最大功率点匹配计算动力机构参数，以使动力机构最大输出功率点与负载最大功率点重合。该匹配方法存在以下2点局限性：

①该匹配方法不具备一般性，其仅适用于无回油背压情况下的对称型动力机构与负载的匹配，不能解决存在回油背压情况下的非对称型动力机构与负载的匹配；

②该匹配方法的指标单一，即无论系统的负载特性如何，均采用动力机构最大输出功率点与负载最大功率点重合，匹配计算动力机构的参数；其未能根据系统实际的负载需求，在动力机构与负载的不同功率点进行匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法及系统，以适用于一般工况的液压阀控缸系统动力机构与负载匹配，通过本发明同样可实现液压阀控马达/摆缸系统动力机构与负载匹配。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法，包括：

确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力；所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力；所述动力机构的工况包括液压缸无杆腔进油工况和液压缸有杆腔进油工况；

根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率(液压控制阀P口功率)和动力机构的速度平方刚度(动力机构输出力与其速度平方的比值)；

根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

可选的，所述确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力，具体包括：

根据所述动力机构的工况，确定所述动力机构的液压缸输出力；

根据所述动力机构的液压缸输出力，确定液压控制阀的压降；

根据所述液压控制阀的压降，确定所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量；

根据所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定所述动力机构液压缸活塞的速度；

根据所述动力机构的液压缸输出力和所述动力机构液压缸活塞的速度，确定所述动力机构的输出功率；

确定使所述动力机构的输出功率最大时的所述动力机构的负载压力；

根据所述动力机构最大输出功率时的负载压力确定所述液压阀控缸系统的系统有效压力。

可选的，所述根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度，具体包括：

确定所述动力机构的最大供给功率；

根据所述动力机构液压缸活塞的速度确定所述动力机构液压缸活塞速度平方；

根据所述动力机构液压缸活塞速度平方对所述动力机构的液压缸输出力取导数，取倒数后确定所述动力机构的速度平方刚度。

可选的，所述根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标，具体包括：

利用公式

确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

其中，J_f为动力机构与负载匹配的性能指标，α_f为与动力机构最大供给功率相关的参数，β_f为与动力机构速度平方刚度相关的参数，α_f+β_f＝1；N_P为动力机构的最大供给功率，

P_s为液压阀控缸系统的系统压力，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，A₂为动力机构液压缸有杆腔面积，V_L为负载速度，x_v为液压控制阀阀芯位移，x_v≥0表示液压缸无杆腔进油工况，x_v＜0液压缸有杆腔进油工况；/>

为动力机构的速度平方刚度，/>

ρ为液压油密度，C_d为液压控制阀节流口流量系数，A_v为液压控制阀通油面积，n为动力机构液压缸两腔面积比，n＝A₂/A₁。

可选的，所述基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数，具体包括：

获取动力机构负载特性；所述动力机构负载特性为

其中，F_L为负载力，t为时间，f(t)为负载力关于时间的函数，v(t)为负载速度关于时间的函数；

确定动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线的切点位置，动力机构参数及负载压力系数为：

其中，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，t₁为切点位置处的时间，P_n为液压阀控缸系统的系统有效压力；A_v为液压控制阀通油面积，ρ为液压油密度，n为动力机构液压缸两腔面积比，C_d为液压控制阀节流口流量系数；k为负载压力系数；

对每个切点位置的动力机构最大供给功率和速度平方刚度进行量化；

根据量化后的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，利用所述动力机构与负载匹配的性能指标计算每个切点位置处的性能指标值；

将性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，确定为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

本发明还提供一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统，包括：

系统有效压力确定模块，用于确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力；所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力；所述动力机构的工况包括液压缸无杆腔进油工况和液压缸有杆腔进油工况；

动力机构最大供给功率和速度平方刚度确定模块，用于根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度；

动力机构与负载匹配的性能指标确定模块，用于根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

动力机构参数求解模块，用于基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

可选的，所述系统有效压力确定模块具体包括：

动力机构液压缸输出力确定单元，用于根据所述动力机构的工况，确定所述动力机构的液压缸输出力；

液压控制阀压降确定单元，用于根据所述动力机构的液压缸输出力，确定液压控制阀的压降；

液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定单元，用于根据所述液压控制阀的压降，确定所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量；

动力机构液压缸活塞的速度确定单元，用于根据所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定所述动力机构液压缸活塞的速度；

动力机构的输出功率确定单元，用于根据所述动力机构的液压缸输出力和所述动力机构液压缸活塞的速度，确定所述动力机构的输出功率；

动力机构的负载压力确定单元，用于确定使所述动力机构的输出功率最大时的所述动力机构的负载压力；

系统有效压力确定单元，用于根据所述动力机构最大输出功率时的负载压力确定所述液压阀控缸系统的系统有效压力。

可选的，所述动力机构最大供给功率和速度平方刚度确定模块，具体包括：

最大供给功率确定单元，用于确定所述动力机构的最大供给功率；

动力机构液压缸活塞速度平方确定单元，用于根据所述动力机构液压缸活塞的速度确定所述动力机构液压缸活塞速度平方；

动力机构的速度平方刚度确定单元，用于根据所述动力机构液压缸活塞速度平方对所述动力机构的液压缸输出力取导数，确定所述动力机构的速度平方刚度。

可选的，所述动力机构与负载匹配的性能指标确定模块，具体包括：

性能指标确定单元，用于利用公式

确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

其中，J_f为动力机构与负载匹配的性能指标，α_f为与动力机构最大供给功率相关的参数，β_f为与动力机构速度平方刚度相关的参数，α_f+β_f＝1；N_P为动力机构的最大供给功率，

P_s为液压阀控缸系统的系统压力，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，A₂为动力机构液压缸有杆腔面积，V_L为负载速度，x_v为液压控制阀阀芯位移，x_v≥0表示液压缸无杆腔进油工况，x_v＜0液压缸有杆腔进油工况；/>

为动力机构的速度平方刚度，/>

ρ为液压油密度，C_d为液压控制阀节流口流量系数，A_v为液压控制阀通油面积，n为动力机构液压缸两腔面积比，n＝A₂/A₁。

可选的，所述动力机构参数求解模块，具体包括：

动力机构负载特性获取单元，用于获取动力机构负载特性；所述动力机构负载特性为

其中，F_L为负载力，t为时间，f(t)为负载力关于时间的函数，v(t)为负载速度关于时间的函数；

动力机构参数及负载压力系数确定单元，用于确定动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线的切点位置，动力机构参数及负载压力系数为：

其中，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，t₁为切点位置处的时间，P_n为液压阀控缸系统的系统有效压力；A_v为液压控制阀通油面积，ρ为液压油密度，n为动力机构液压缸两腔面积比，C_d为液压控制阀节流口流量系数；k为负载压力系数；

量化单元，用于对每个切点位置的动力机构最大供给功率和速度平方刚度进行量化；

切点位置处的性能指标值计算单元，用于根据量化后的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，利用所述动力机构与负载匹配的性能指标计算每个切点位置处的性能指标值；

动力机构参数确定单元，用于将性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，确定为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明具备一般性，其为针对存在回油背压情况下的非对称型动力机构与负载的匹配，将传统无回油背压情况下的对称型动力机构与负载的匹配，作为本发明匹配方法中的一个特例。而且，本发明采用性能指标进行匹配，性能指标中包含表征动力机构质量和性能的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，避免了传统匹配方法仅考虑功率的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，通过本发明同样可实现液压阀控马达/摆缸系统的动力机构与负载的匹配，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法的流程示意图；

图2为本发明液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统的结构示意图；

图3为本发明具体实施案例的流程图；

图4为无杆腔进油的动力机构油液流向及压力分布原理图；

图5为有杆腔进油的动力机构油液流向及压力分布原理图；

图6为负载功率随负载压力变化的无因次曲线；

图7为本发明具体实施案例中动力机构与负载匹配图；

图8为图7局部放大图；

图9为本发明具体实施案例中动力机构性能指标曲线。

图中：1-恒压油源，2-液压控制阀，3-非对称液压缸，4-油箱，P_s为液压阀控缸系统的系统压力，P₀为液压阀控缸系统回油背压力，P₁为非对称液压缸无杆腔压力，P₂为非对称液压缸有杆腔压力，A₁为非对称液压缸无杆腔面积，A₂为非对称液压缸有杆腔面积，F为非对称液压缸输出力，V为非对称液压缸活塞杆速度，F_L为负载力，V_L为负载速度，P_L为液压阀控缸系统负载压力，n＝A₂/A₁为非对称液压缸两腔面积比，N_L为动力机构输出功率，C_d为液压控制阀节流口流量系数，w为液压控制阀面积梯度，x_v为液压控制阀阀芯位移，ρ为液压油密度，P_n为系统有效压力，J_f为动力机构与负载匹配的性能指标，α_f和β_f为J_f的参数，N_P为动力机构最大供给功率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，通过本发明同样可实现液压阀控马达/摆缸系统的动力机构与负载的匹配。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法的流程示意图。如图1所示，本发明液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法包括以下步骤：

步骤100：确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力。对于非对称型动力机构，其包括2种工况：液压缸无杆腔进油工况，定义为工况1，此时液压控制阀阀芯位移大于零；液压缸有杆腔进油工况，定义为工况2，此时液压控制阀阀芯位移小于零。所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力。具体过程如下：

Step1：根据动力机构的工况，确定动力机构的液压缸输出力。动力机构液压缸输出力为：

其中

/>

式(1)-(4)中：F为动力机构液压缸输出力，P_L为动力机构负载压力，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，P₁为动力机构液压缸无杆腔压力，A₂为动力机构液压缸有杆腔面积，P₂为动力机构液压缸有杆腔压力，x_v为液压控制阀阀芯位移，n＝A₂/A₁为动力机构液压缸两腔面积比，P_s为液压阀控缸系统的系统压力，P₀为液压阀控缸系统的回油背压，ΔP₁为液压控制阀与液压缸无杆腔相通边的压降，ΔP₂为液压控制阀与液压缸有杆腔相通边的压降。

Step2：根据动力机构的液压缸输出力，忽略泄漏和油液压缩性，确定液压控制阀的压降。液压控制阀双边压降满足：

结合式(1)-(5)，液压控制阀压降可表示为

Step3：根据液压控制阀的压降，确定液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量。通过液压控制阀进入液压缸无杆腔流量为

式(7)中：Q₁为经液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量，C_d为液压控制阀节流口流量系数，w为液压控制阀面积梯度，x_v为液压控制阀阀芯位移，ρ为液压油密度。

Step4：根据液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定动力机构液压缸活塞的速度。动力机构液压缸活塞的速度为：

式(8)中：V为动力机构液压缸活塞速度。

Step5：根据动力机构的液压缸输出力和动力机构液压缸活塞的速度，确定动力机构的输出功率。动力机构的输出功率为：

N_L＝FV (9)

结合式(1)(8)(9)，动力机构输出功率也可表示为

对式(10)进一步变形，得

Step6：确定使动力机构的输出功率最大时的动力机构的负载压力。将式(10)动力机构输出功率对动力机构负载压力P_L取导数，并令其等于零，得

即

得

由式(14)可以看出，在工况1情况下，动力机构负载压力为P_s-nP₀的三分二时，动力机构的输出功率最大；在工况2情况下，动力机构负载压力为nP_s-P₀的三分二时，动力机构的输出功率最大。

Step7：根据动力机构最大输出功率时的负载压力确定液压阀控缸系统的系统有效压力。由式(14)可知，无论工况1或2，动力机构负载压力为三分之二的某个压力时，动力机构的输出功率最大，该压力即为系统有效压力，即系统有效压力为：

根据式(14)(15)可知，在对称型动力机构且无背压情况下，系统有效压力等于系统压力；同时，当负载压力等于三分之二系统压力时，动力机构的输出功率最大。由此表明，本发明内容具备普遍性，包含对称型动力机构在无背压情况下的特殊工况。

步骤200：根据液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度。具体过程为：

Step1：确定动力机构的最大供给功率。动力机构的最大供给功率为

式(16)中：V_L为负载速度。

Step2：根据动力机构液压缸活塞的速度确定动力机构液压缸活塞速度平方。根据式(1)(7)(8)，动力机构液压缸活塞速度平方为：

其中，A_v为液压控制阀通油面积：

A_v＝wx_v (18)

Step3：根据动力机构液压缸活塞速度平方对动力机构的液压缸输出力取导数，确定动力机构的速度平方刚度。将式(17)对F取导数，得

则动力机构速度平方刚度为

步骤300：根据动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定动力机构与负载匹配的性能指标。传统液压阀控缸系统动力机构与负载匹配，仅将功率作为匹配的唯一指标，而液压系统的性能同样是系统重要指标之一。动力机构的质量和性能可分别采用动力机构的最大供给功率和刚度表征，且当动力机构参数确定后，其最大供给功率和速度平方刚度同样唯一确定。因此，本发明提出兼顾动力机构质量和性能的动力机构与负载匹配性能指标为

式(21)中：N_P为动力机构最大供给功率，α_f为与动力机构最大供给功率相关的参数，β_f为与动力机构速度平方刚度相关的参数。

考虑不同工况，根据式(16)(20)(21)，兼顾动力机构质量和性能的动力机构与负载匹配性能指标具体表达式为

/>

其参数满足α_f+β_f＝1，且可根据负载需求不同调整参数比例，得到不同的动力机构。其中，传统匹配方法获得的动力机构是本发明得到动力机构中的一个特例。

步骤400：基于性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。具体过程如下：

Step1：获取动力机构负载特性。动力机构负载特性为已知的，表示为：

式中：F_L为负载力，t为时间，f(t)为负载力关于时间的函数，v(t)为负载速度关于时间的函数；

Step2：确定动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线的切点位置的动力机构参数及负载压力系数。若动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线在c点相切，且此时时间为t₁，则在该点的动力机构需满足条件为

结合式(1)(8)(20)，式(24)可表达为

其中

P_L＝kP_n (26)

式(26)中：k为负载压力系数，表示在切点c时，负载压力与系统有效压力的比值，该值在0至1之间。

根据式(25)(26)，得到切点为c时，动力机构参数及负载压力系数为

Step3：对每个切点位置的动力机构最大供给功率和速度平方刚度进行量化。根据式(24)(27)可知，动力机构输出特性曲线与负载轨迹在不同点相切，均会得到一组参数确定的动力机构，再根据负载需求确定性能指标中的参数，从而通过性能指标衡量各参数下动力机构的优劣，得到满足轻量化要求的液压阀控缸系统动力机构。

假设选取i个不同切点，计算得到各动力机构最大供给功率和速度平方刚度如下

综合考虑各动力机构最大供给功率和速度平方刚度，并将其量化到0至100范围内

Step4：根据量化后的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，利用所述动力机构与负载匹配的性能指标计算每个切点位置处的性能指标值。根据式(22)(29)，得到经量化后各动力机构性能指标为

Step5：将性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，确定为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。通过轻量化液压阀控缸系统的动力机构与负载匹配方法，计算得到的动力机构性能指标满足

J_fopt＝max(J_fj)(j＝1,2,3,…,i) (31)

根据式(31)可知，性能指标值最大的动力机构，即为通过液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法计算得到的动力机构，其参数通过式(27)计算得到。因此性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，即为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

对应图1所示的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法，本发明还提供一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统。图2为本发明液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统的结构示意图。如图2所示，本发明液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统包括以下结构：

系统有效压力确定模块201，用于确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力；所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力；所述动力机构的工况包括液压缸无杆腔进油工况和液压缸有杆腔进油工况。

动力机构最大供给功率和速度平方刚度确定模块202，用于根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度。

动力机构与负载匹配的性能指标确定模块203，用于根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标。

动力机构参数求解模块204，用于基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

作为另一实施例，本发明的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统中，所述系统有效压力确定模块201具体包括：

动力机构液压缸输出力确定单元，用于根据所述动力机构的工况，确定所述动力机构的液压缸输出力。

液压控制阀压降确定单元，用于根据所述动力机构的液压缸输出力，确定液压控制阀的压降。

液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定单元，用于根据所述液压控制阀的压降，确定所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量。

动力机构液压缸活塞的速度确定单元，用于根据所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定所述动力机构液压缸活塞的速度。

动力机构的输出功率确定单元，用于根据所述动力机构的液压缸输出力和所述动力机构液压缸活塞的速度，确定所述动力机构的输出功率。

动力机构的负载压力确定单元，用于确定使所述动力机构的输出功率最大时的所述动力机构的负载压力。

系统有效压力确定单元，用于根据所述动力机构最大输出功率时的负载压力确定所述液压阀控缸系统的系统有效压力。

作为另一实施例，本发明的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统中，所述动力机构最大供给功率和速度平方刚度确定模块202，具体包括：

最大供给功率确定单元，用于确定所述动力机构的最大供给功率。

动力机构液压缸活塞速度平方确定单元，用于根据所述动力机构液压缸活塞的速度确定所述动力机构液压缸活塞速度平方。

动力机构的速度平方刚度确定单元，用于根据所述动力机构液压缸活塞速度平方对所述动力机构的液压缸输出力取导数，取倒数后确定所述动力机构的速度平方刚度。

作为另一实施例，本发明的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统中，所述动力机构与负载匹配的性能指标确定模块203，具体包括：

性能指标确定单元，用于利用公式

确定所述动力机构与负载匹配的性能指标。

其中，J_f为动力机构与负载匹配的性能指标，α_f为与动力机构最大供给功率相关的参数，β_f为与动力机构速度平方刚度相关的参数，α_f+β_f＝1；N_P为动力机构的最大供给功率，

P_s为液压阀控缸系统的系统压力，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，A₂为动力机构液压缸有杆腔面积，V_L为负载速度，x_v为液压控制阀阀芯位移，x_v≥0表示液压缸无杆腔进油工况，x_v＜0液压缸有杆腔进油工况；/>

为动力机构的速度平方刚度，/>

ρ为液压油密度，C_d为液压控制阀节流口流量系数，A_v为液压控制阀通油面积，n为动力机构液压缸两腔面积比，n＝A₂/A₁。

作为另一实施例，本发明的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统中，所述动力机构参数求解模块204，具体包括：

动力机构负载特性获取单元，用于获取动力机构负载特性；所述动力机构负载特性为

其中，F_L为负载力，t为时间，f(t)为负载力关于时间的函数，v(t)为负载速度关于时间的函数。

动力机构参数及负载压力系数确定单元，用于确定动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线的切点位置，动力机构参数及负载压力系数为：

其中，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，t₁为切点位置处的时间，P_n为液压阀控缸系统的系统有效压力；A_v为液压控制阀通油面积，ρ为液压油密度，n为动力机构液压缸两腔面积比，C_d为液压控制阀节流口流量系数；k为负载压力系数。

量化单元，用于对每个切点位置的动力机构最大供给功率和速度平方刚度进行量化。

切点位置处的性能指标值计算单元，用于根据量化后的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，利用所述动力机构与负载匹配的性能指标计算每个切点位置处的性能指标值。

动力机构参数确定单元，用于将性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，确定为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

下面提供一个具体实施案例，进一步说明本发明的上述方案。

本具体实施案例的负载特性为

系统压力P_s＝21MPa，回油背压力P₀＝0.5MPa，非对称液压缸两腔面积比n＝0.5，液压控制阀节流口流量系数C_d＝0.43，液压油密度ρ＝890kg/m³，性能指标J_f的参数α_f＝0.9、β_f＝0.1。

图3为本发明具体实施案例的流程图。如图3所示，本发明具体实施案例包括以下步骤：

步骤1，确定工况及系统有效压力。

根据的负载特性可知，负载力和负载速度满足

结合图4-图5可知，满足工况2。如图6所示，负载压力为系统有效压力的三分之二时，动力机构的输出功率最大。

根据式(15)可知，系统有效压力为

P_n＝P_s-nP₀＝20.75MPa (32)

步骤2，建立本发明的性能指标。

根据式(21)(22)，得到实施例工况的性能指标为

步骤3，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

3.1计算满足负载需求的动力机构参数

选取切点对应的时间满足

t_i＝0.32+0.02i(i＝1,2,3,…,17) (34)

根据式(25)(26)(27)，得到如图7-图8所示动力机构与负载匹配图，且各动力机构参数及负载压力系数为

3.2确定满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数

根据式(16)(20)，得到各动力机构最大供给功率和速度平方刚度如下

根据式(29)(36)，将各动力机构最大供给功率和速度平方刚度量化到0至100范围内

根据式(29)(37)，得到如图9所示动力机构性能指标曲线，且经量化后各动力机构性能指标值为

根据式(31)(38)和图9，得到动力机构性能指标满足

J_fopt＝J_f13＝98.44 (39)

根据式(35)(39)可知，通过本发明获得性能指标值最大的动力机构参数为

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，如可通过本发明实现液压阀控马达/摆缸系统的动力机构与负载的匹配。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法，其特征在于，包括：

确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力；所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力；所述动力机构的工况包括液压缸无杆腔进油工况和液压缸有杆腔进油工况；

根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度；具体包括：

所述最大供给功率为：

V_L为负载速度，N_P为动力机构的最大供给功率，P_s为液压阀控缸系统的系统压力，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，A₂为动力机构液压缸有杆腔面积，x_v为液压控制阀阀芯位移，x_v≥0表示液压缸无杆腔进油工况，x_v＜0液压缸有杆腔进油工况；

根据所述动力机构液压缸活塞的速度确定所述动力机构液压缸活塞速度平方；

根据所述动力机构液压缸活塞速度平方对所述动力机构的液压缸输出力取导数，再取倒数后确定所述动力机构的速度平方刚度；

根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数；具体包括：

获取动力机构负载特性；所述动力机构负载特性为

其中，F_L为负载力，t为时间，f(t)为负载力关于时间的函数，v(t)为负载速度关于时间的函数；

确定动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线的切点位置，动力机构参数及负载压力系数为：

其中，t₁为切点位置处的时间，P_n为液压阀控缸系统的系统有效压力；A_v为液压控制阀通油面积，ρ为液压油密度，n为动力机构液压缸两腔面积比，C_d为液压控制阀节流口流量系数；k为负载压力系数；

为力-速度平方平面上负载轨迹在t₁时刻的斜率；

对每个切点位置的动力机构最大供给功率和速度平方刚度进行量化；

根据量化后的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，利用所述动力机构与负载匹配的性能指标计算每个切点位置处的性能指标值；

将性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，确定为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

2.根据权利要求1所述的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法，其特征在于，所述确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力，具体包括：

根据所述动力机构的工况，确定所述动力机构的液压缸输出力；

根据所述动力机构的液压缸输出力，确定液压控制阀的压降；

根据所述液压控制阀的压降，确定所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量；

根据所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定所述动力机构液压缸活塞的速度；

根据所述动力机构的液压缸输出力和所述动力机构液压缸活塞的速度，确定所述动力机构的输出功率；

确定使所述动力机构的输出功率最大时的所述动力机构的负载压力；

根据所述动力机构最大输出功率时的负载压力确定所述液压阀控缸系统的系统有效压力。

3.根据权利要求1所述的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配方法，其特征在于，所述根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标，具体包括：

利用公式

确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

其中，J_f为动力机构与负载匹配的性能指标，α_f为与动力机构最大供给功率相关的参数，β_f为与动力机构速度平方刚度相关的参数，α_f+β_f＝1；

为动力机构的速度平方刚度，

ρ为液压油密度，C_d为液压控制阀节流口流量系数，n＝A₂/A₁。

4.一种液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统，其特征在于，包括：

系统有效压力确定模块，用于确定动力机构不同工况下，液压阀控缸系统的系统有效压力；所述系统有效压力为液压阀控缸系统可为动力机构提供的最大有效压力；所述动力机构的工况包括液压缸无杆腔进油工况和液压缸有杆腔进油工况；

动力机构最大供给功率和速度平方刚度确定模块，用于根据所述液压阀控缸系统的系统有效压力，确定动力机构的最大供给功率和动力机构的速度平方刚度；具体包括：

最大供给功率确定单元，用于确定所述动力机构的最大供给功率；所述最大供给功率为：

V_L为负载速度；N_P为动力机构的最大供给功率，P_s为液压阀控缸系统的系统压力，A₁为动力机构液压缸无杆腔面积，A₂为动力机构液压缸有杆腔面积，x_v为液压控制阀阀芯位移，x_v≥0表示液压缸无杆腔进油工况，x_v＜0液压缸有杆腔进油工况；

动力机构液压缸活塞速度平方确定单元，用于根据所述动力机构液压缸活塞的速度确定所述动力机构液压缸活塞速度平方；

动力机构的速度平方刚度确定单元，用于根据所述动力机构液压缸活塞速度平方对所述动力机构的液压缸输出力取导数，再取倒数后确定所述动力机构的速度平方刚度；

动力机构与负载匹配的性能指标确定模块，用于根据所述动力机构的最大供给功率和速度平方刚度，确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

动力机构参数求解模块，用于基于所述性能指标，求解满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数；具体包括：

动力机构负载特性获取单元，用于获取动力机构负载特性；所述动力机构负载特性为

其中，F_L为负载力，t为时间，f(t)为负载力关于时间的函数，v(t)为负载速度关于时间的函数；

动力机构参数及负载压力系数确定单元，用于确定动力机构输出特性曲线与负载轨迹曲线的切点位置，动力机构参数及负载压力系数为：

其中，t₁为切点位置处的时间，P_n为液压阀控缸系统的系统有效压力；A_v为液压控制阀通油面积，ρ为液压油密度，n为动力机构液压缸两腔面积比，C_d为液压控制阀节流口流量系数；k为负载压力系数；

为力-速度平方平面上负载轨迹在t₁时刻的斜率；

量化单元，用于对每个切点位置的动力机构最大供给功率和速度平方刚度进行量化；

切点位置处的性能指标值计算单元，用于根据量化后的动力机构最大供给功率和速度平方刚度，利用所述动力机构与负载匹配的性能指标计算每个切点位置处的性能指标值；

动力机构参数确定单元，用于将性能指标值最大的切点位置对应的动力机构参数，确定为满足轻量化液压阀控缸系统的动力机构参数。

5.根据权利要求4所述的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统，其特征在于，所述系统有效压力确定模块具体包括：

动力机构液压缸输出力确定单元，用于根据所述动力机构的工况，确定所述动力机构的液压缸输出力；

液压控制阀压降确定单元，用于根据所述动力机构的液压缸输出力，确定液压控制阀的压降；

液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定单元，用于根据所述液压控制阀的压降，确定所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量；

动力机构液压缸活塞的速度确定单元，用于根据所述液压控制阀进入液压缸无杆腔的流量确定所述动力机构液压缸活塞的速度；

动力机构的输出功率确定单元，用于根据所述动力机构的液压缸输出力和所述动力机构液压缸活塞的速度，确定所述动力机构的输出功率；

动力机构的负载压力确定单元，用于确定使所述动力机构的输出功率最大时的所述动力机构的负载压力；

系统有效压力确定单元，用于根据所述动力机构最大输出功率时的负载压力确定所述液压阀控缸系统的系统有效压力。

6.根据权利要求4所述的液压阀控缸系统动力机构与负载轻量化匹配系统，其特征在于，所述动力机构与负载匹配的性能指标确定模块，具体包括：

性能指标确定单元，用于利用公式

确定所述动力机构与负载匹配的性能指标；

其中，J_f为动力机构与负载匹配的性能指标，α_f为与动力机构最大供给功率相关的参数，β_f为与动力机构速度平方刚度相关的参数，α_f+β_f＝1；

为动力机构的速度平方刚度，

ρ为液压油密度，C_d为液压控制阀节流口流量系数，A_v为液压控制阀通油面积，n为动力机构液压缸两腔面积比，n＝A₂/A₁。/>

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