阅读说明：本技术 一种负载敏感分流阀、变速同步驱动系统及工作方法 (Load-sensitive flow divider valve, variable-speed synchronous driving system and working method ) 是由 丁海港 刘永状 赵继云 赵延斌 赵亮 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种负载敏感分流阀、变速同步驱动系统及工作方法,适用于液压同步控制领域中使用。其包括变速分流单元、流量补偿单元、压力补偿单元,这三个功能单元依次连接,变速分流单元的入口管路连接负载敏感变量泵,压力补偿单元的出口管路连接液压执行器,该分流阀具有分流、调速、负载敏感的功能。还公开了包含该分流阀的变速同步驱动系统与工作方法,可实现大偏载或时变负载工况下的高精度、宽范围、高效率变速同步驱动控制,且结构简单、成本低、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。(The invention discloses a load-sensitive flow divider valve, a variable-speed synchronous driving system and a working method, which are suitable for being used in the field of hydraulic synchronous control. The variable-speed flow divider comprises a variable-speed flow dividing unit, a flow compensation unit and a pressure compensation unit which are sequentially connected, wherein an inlet pipeline of the variable-speed flow dividing unit is connected with a load sensitive variable pump, an outlet pipeline of the pressure compensation unit is connected with a hydraulic actuator, and the flow dividing valve has the functions of flow dividing, speed regulating and load sensing. The variable-speed synchronous driving system comprises the flow divider, a speed-changing synchronous driving control unit and a control unit, wherein the speed-changing synchronous driving control unit is used for controlling the speed-changing synchronous driving control unit to control the speed-.)

一种负载敏感分流阀、变速同步驱动系统及工作方法

技术领域

本发明涉及一种负载敏感分流阀、变速同步驱动系统及工作方法，尤其适用于液压同步控制领域中使用。

背景技术

液压分流同步驱动是以分流元件(如分流阀、分流马达)为控制元件，通过等量分流原理实现多个液压执行器的速度同步。相对于采用伺服阀或比例阀的闭环同步驱动，液压分流同步驱动，是一种开环同步驱动方式，其不需要对执行器进行检测和反馈控制，具有结构简单、成本低、可靠性高、能恶劣环境适应等诸多优点，是大功率同步驱动的优选方案，广泛用于工程机械、航空航天、冶金机械中。但现有分流元件的结构和分流原理存在缺陷，导致液压分流同步驱动难以满足高精度的同步需求：(1)分流元件的抗大偏载能力差。例如现有分流阀和分流马达的分流精度分别为3％～5％和1％～3％，而且偏载越大，分流精度越低。(2)分流元件的流量范围较窄，在低流量下分流精度低，且不具备调速功能。(3)现有的分流同步驱动系统普遍采用定量泵供油，溢流损失大，且无法适应时变负载工况。2019年，发明人公开了发明专利《一种抗偏载可调速同步阀、同步控制系统及工作方法》(ZL201910812965.3)，但该新型同步阀包括四层结构，结构较复杂，压降较大，而且调速范围小，负载敏感性不强。因此，目前大偏载或时变负载工况下的高精度分流同步驱动仍是一大技术难题，还未找到较好的解决方案。

发明内容

针对上述技术的不足指出，提供一种负载敏感分流阀、变速同步驱动系统及其工作方法，可在大偏载或时变负载工况下实现高精度、高效率、宽范围的变速同步驱动。

为达到上述目的，本发明的负载敏感分流阀，其特征在于：它包括变速分流单元、流量补偿单元、压力补偿单元，这三个单元通过管路依次顺序连接，其中变速分流单元的入口为P口，压力补偿单元的出口分为A口和B口；

所述变速分流单元为三通阀结构，包括作为入口的P口和作为出口的左可控节流口、右可控节流口，泵源油液被左可控节流口和右可控节流口分成左右两个支路；左可控节流口和右可控节流口的开度大小始终保持相同，三通阀的阀芯在驱动装置的推动下移动，以改变上述两节流口的开度，从而调节分流的总流量，进而调节入口的液压同步速度；

其中流量补偿单元包括左右对称设置的阀套，阀套中设有补偿阀芯，补偿阀芯设有左中右三段柱塞，左右两段柱塞的顶端与阀套底部之间设有复位弹簧，复位弹簧作用于补偿阀芯两端，使补偿阀芯在阀套里对中，补偿阀芯的中间段柱塞与阀套左侧形成左节流口，与阀套右侧形成右节流口，左节流口和右节流口且均为正开口；

所述压力补偿单元包括并排设置的左压力补偿阀和右压力补偿阀，左压力补偿阀和右压力补偿阀的进油口分别与流量补偿单元中左节流口和右节流口的出口管路连接，左压力补偿阀和右压力补偿阀的出油口分别与两个驱动油缸连接，左压力补偿阀和右压力补偿阀还连接有梭阀，其中左压力补偿阀和右压力补偿阀的出油口分别与梭阀的左右进油口连接，左压力补偿阀和右压力补偿阀的液控口均与梭阀的出油口连接，梭阀的出油口为Ls口，采集整个负载敏感分流阀的最高负载压力。

所述左压力补偿阀和右压力补偿阀的型号均为BLF10，梭阀的型号为VU2P。

所示流量补偿单元中的左节流口和右节流口的开度变化趋势相反；左节流口的进口以及左弹簧腔连接变速分流单元中的左可控节流口的出口，左可控节流口中的油液经过左节流口才进入左压力补偿阀，而右节流口的进口以及右弹簧腔均连接变速分流单元中的右可控节流口的出口，右可控节流口中的油液经过右节流口才进入右压力补偿阀；补偿阀芯在弹簧力和液压力的作用下保持平衡，以改变左节流口和右节流口的开度，从而调节与之连接的左右支路的液阻，左节流口和右节流口的开度以依靠补偿阀芯的位移调节的，两节流口的开度一个增大，另一减小，变化趋势相反。

在变速分流单元的P口作为进油口通过管路连接有负载敏感变量泵，在压力补偿单元的A口和B口连接有左驱动油缸和右驱动油缸，A口和B口分别通过管路与左驱动油缸和右驱动油缸的有杆腔连接；压力补偿单元的负载压力反馈油口Ls口将最高负载压力反馈到负载敏感变量泵的压力反馈油口，利用梭阀将最高负载压力反馈到左压力补偿阀和右压力补偿阀以及变量泵，从而实现负载敏感控制。

变速同步驱动系统的压力反馈方式包括液压反馈、电反馈中的一种。

所述负载敏感变量泵的型号为A11VODRS。

一种负载敏感分流同步驱动的工作方法，以实现大偏载或时变负载工况下的高精度的等量分流，其过程为:

首先变速分流单元将负载敏感泵经过P口输入的油液通过分成左右两个支路并最终至左可控节流口和右可控节流口，利用左可控节流口和右可控节流口将左支路流量Q₁和右支路流量Q₂化为左侧压力P₁和右侧压力P₂；人为改变左可控节流口和右可控节流口的开度，从而改变该负载敏感分流阀的总流量，进而调节左驱动油缸和右驱动油缸的同步速度；

分流后的左侧压力P₁和右侧压力P₂的油液作用于补偿阀芯的两端以推动阀芯移动，以调节两支路的液阻大小，进而补偿两支路的流量偏差，使两支路的压力P₁＝P₂，流量Q₁＝Q₂；

利用左压力补偿阀和右压力补偿阀补偿作用于左驱动油缸和右驱动油缸的负载偏差，使偏载变均载，以彻底消除偏载对变速分流单元分流精度的影响，进而整个提高负载敏感分流阀的抗大偏载能力；

梭阀取系统的最高负载压力并通过负载反馈口反馈给负载敏感变量泵，通过负载敏感控制，以改变负载敏感变量泵的排量，使负载敏感变量泵输出与负载需求相一致的流量和压力，进而提高同步驱动系统的效率和抵抗负载变化的能力。

工作方法具体步骤如下：

a.变速分流：首先变速分流单元将负载敏感泵经过P口输入的油液通过分成左右两个支路并最终至左可控节流口和右可控节流口，利用左可控节流口和右可控节流口将左右两支路的流量Q₁和Q₂转化为压力P₁和P₂，左右两支路的流量为：式中，K是阀系数，Q₁和Q₂分别是左、右支路的流量，x_v1和x_v1分别是左右可控节流口的开度，且x_v1＝x_v2，P_s是P口的压力，P₁是左可控节流口的出口压力，P₂是右可控节流口的出口压力，通过改变左可控节流口和右可控节流口的开度，从而调节左右两支路的流量Q₁和Q₂，进而改变左驱动油缸和右驱动油缸的同步速度；

b.流量补偿：分流后的压力为P₁和P₂的两路油液分别通过管路作用于补偿阀芯的两端以推动补偿阀芯移动，以调节两支路中的油液液阻大小，最终补偿阀芯在两个复位弹簧弹簧力和液压力的共同作用下处于平衡状态；

平衡状态为：(P₁-P₂)A＝KΔx，式中，A是补偿阀芯左右柱塞两端的有效面积，K是复位弹簧的刚度，Δx是补偿阀芯的位移量，Δx与补偿阀芯的左节流口和右节流口的出口压力P₃和P₄的差别有关，当|P₃-P₄|越小时，则Δx越小，而P₁与P₂的差别越小，则使两支路的流量Q₁与Q₂越接近，则说明负载敏感分流阀的分流精度越高；

c.压力补偿：设不同的油缸的负载压力分别为P₅和P₆，且P₅≠P₆，梭阀取两支路的两负载压力中的最大值P_m＝max(P₅,P₆)；若左压力补偿阀和右压力补偿阀处于平衡状态，则左压力补偿阀和右压力补偿阀的进口压力基本相等，即P₃≈P₄＝P_m+P_k，其中P_k是平衡左压力补偿阀和右压力补偿阀的预设压力；由于压力补偿的作用，使|P₃-P₄|接近零，Δx很小，因此有P₁≈P₂，此时Q₁≈Q₂，可见通过压力补偿补偿使偏载变均载，彻底消除偏载对分流精度的影响，进而提高分流阀的抗大偏载能力；

d.负载敏感控制：梭阀取系统的最高负载压力P_m并通过负载反馈口反馈给负载敏感变量泵，在负载敏感控制的作用下，负载敏感变量泵改变排量，并输出的流量为两支路的总流量之和Q＝Q₁+Q₂，输出的压力与最高负载压力相适应，即P_s＝P_m+P_d，其中P_d是压力裕度，通过负载敏感控制可使泵源的压力与流量与负载需求相一致，以提高同步系统抵抗负载变化的能力，同时减少溢流损失，提高同步驱动系统的效率。

有益效果：

本发明利用变速分流原理，使分流阀具有调速功能和分流功能，可实现变速同步驱动；利用流量补偿和压力补偿原理，将偏载均化，可彻底消除偏载大小对分流精度的影响，实现大偏载下的高精度等量分流；分流阀具有负载敏感功能，其与负载敏感变量泵联合使用，可提高系统的效率，并抵抗时变负载的干扰。通过将分流同步驱动和负载敏感控制的结构与原理有机结合，从而实现大偏载或时变负载工况下的高精度、宽范围、高效率变速同步驱动控制，且结构简单、成本低、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是本发明负载敏感分流阀的结构示意图；

图2是采用本发明该负载敏感分流阀的变速同步驱动系统的结构示意图。

图中：1-变速分流单元，1.1-驱动装置，1.2-左可控节流口，1.3-右可控节流口，2-流量补偿单元，2.1-阀套，2.2-复位弹簧，2.3-补偿阀芯，2.4-左节流口，2.5-右节流口，3-压力补偿单元，3.1-左压力补偿阀，3.2-右压力补偿阀，3.3-梭阀，4-负载敏感变量泵，5-负载敏感分流阀，6-左驱动油缸，7-右驱动油缸。

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和2所示，本发明的一种负载敏感分流阀5，包括变速分流单元1、流量补偿单元2、压力补偿单元3，这三个单元通过管路依次顺序连接，其中变速分流单元1的入口为P口，压力补偿单元3的出口分为A口和B口；

所述变速分流单元1为三通阀结构，包括作为入口的P口和作为出口的左可控节流口1.2、右可控节流口1.3，泵源油液被左可控节流口1.2和右可控节流口1.3分成左右两个支路；左可控节流口1.2和右可控节流口1.3的开度大小始终保持相同，三通阀的阀芯在驱动装置1.1的推动下移动，以改变上述两节流口的开度，从而调节分流的总流量，进而调节入口的液压同步速度；

其中流量补偿单元2包括左右对称设置的阀套2.1，阀套2.1中设有补偿阀芯2.3，补偿阀芯2.3设有左中右三段柱塞，左右两段柱塞的顶端与阀套2.1底部之间设有复位弹簧2.2，复位弹簧2.2作用于补偿阀芯2.3两端，使补偿阀芯2.3在阀套2.1里对中，补偿阀芯2.3的中间段柱塞与阀套左侧形成左节流口2.4，与阀套右侧形成右节流口2.5，左节流口2.4和右节流口2.5且均为正开口；流量补偿单元2中的左节流口2.4和右节流口2.5的开度变化趋势相反；左节流口2.4的进口以及左弹簧腔连接变速分流单元1中的左可控节流口的出口，左可控节流口中的油液经过左节流口2.4才进入左压力补偿阀3.1，而右节流口2.5的进口以及右弹簧腔均连接变速分流单元1中的右可控节流口1.3的出口，右可控节流口中的油液经过右节流口2.5才进入右压力补偿阀3.2；补偿阀芯2.3在弹簧力和液压力的作用下保持平衡，以改变左节流口2.4和右节流口2.5的开度，从而调节与之连接的左右支路的液阻，左节流口2.4和右节流口2.5的开度以依靠补偿阀芯2.3的位移调节的，两节流口的开度一个增大，另一减小，变化趋势相反。

所述压力补偿单元3包括并排设置的左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2，左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的型号均为BLF10，梭阀3.3的型号为VU2P，左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的进油口分别与流量补偿单元2中左节流口2.4和右节流口2.5的出口管路连接，左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的出油口分别与两个驱动油缸连接，左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2还连接有梭阀3.3，其中左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的出油口分别与梭阀3.3的左右进油口连接，左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的液控口均与梭阀3.3的出油口连接，梭阀3.3的出油口为Ls口，采集整个负载敏感分流阀的最高负载压力。

一种该负载敏感分流阀的变速同步驱动系统，在变速分流单元1的P口作为进油口通过管路连接有负载敏感变量泵4，在压力补偿单元3的A口和B口连接有左驱动油缸6和右驱动油缸7，A口和B口分别通过管路与左驱动油缸6和右驱动油缸7的有杆腔连接；压力补偿单元3的负载压力反馈油口Ls口将最高负载压力反馈到负载敏感变量泵4的压力反馈油口，利用梭阀3.3将最高负载压力反馈到左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2以及变量泵4，从而实现负载敏感控制。变速同步驱动系统的压力反馈方式包括液压反馈、电反馈中的一种。所述负载敏感变量泵4的型号为A11VODRS。

一种负载敏感分流同步驱动的工作方法，以实现大偏载或时变负载工况下的高精度的等量分流,其过程为:

首先变速分流单元1将负载敏感泵4经过P口输入的油液通过分成左右两个支路并最终至左可控节流口1.2和右可控节流口1.3，利用左可控节流口1.2和右可控节流口1.3将左支路流量Q₁和右支路流量Q₂化为左侧压力P₁和右侧压力P₂；人为改变左可控节流口1.2和右可控节流口1.3的开度，从而改变该负载敏感分流阀5的总流量，进而调节左驱动油缸6和右驱动油缸7的同步速度；

分流后的左侧压力P₁和右侧压力P₂的油液作用于补偿阀芯的两端以推动阀芯移动，以调节两支路的液阻大小，进而补偿两支路的流量偏差，使两支路的压力P₁＝P₂，流量Q₁＝Q₂；

利用左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2补偿作用于左驱动油缸6和右驱动油缸7的负载偏差，使偏载变均载，以彻底消除偏载对变速分流单元1分流精度的影响，进而整个提高负载敏感分流阀5的抗大偏载能力；

梭阀3.3取系统的最高负载压力并通过负载反馈口反馈给负载敏感变量泵4，通过负载敏感控制，以改变负载敏感变量泵的排量，使负载敏感变量泵输出与负载需求相一致的流量和压力，进而提高同步驱动系统的效率和抵抗负载变化的能力。

具体步骤如下：

a.变速分流：首先变速分流单元1将负载敏感泵4经过P口输入的油液通过分成左右两个支路并最终至左可控节流口1.2和右可控节流口1.3，利用左可控节流口1.2和右可控节流口1.3将左右两支路的流量Q₁和Q₂转化为压力P₁和P₂，左右两支路的流量为：式中，K是阀系数，Q₁和Q₂分别是左、右支路的流量，x_v1和x_v1分别是左右可控节流口的开度，且x_v1＝x_v2，P_s是P口的压力，P₁是左可控节流口1.2的出口压力，P₂是右可控节流口1.3的出口压力，通过改变左可控节流口1.2和右可控节流口1.3的开度，从而调节左右两支路的流量Q₁和Q₂，进而改变左驱动油缸6和右驱动油缸7的同步速度；

b.流量补偿：分流后的压力为P₁和P₂的两路油液分别通过管路作用于补偿阀芯2.3的两端以推动补偿阀芯2.3移动，以调节两支路中的油液液阻大小，最终补偿阀芯2.3在两个复位弹簧2.2弹簧力和液压力的共同作用下处于平衡状态；

平衡状态为：(P₁-P₂)A＝KΔx，式中，A是补偿阀芯2.3左右柱塞两端的有效面积，K是复位弹簧2.2的刚度，Δx是补偿阀芯2.3的位移量，Δx与补偿阀芯的左节流口2.4和右节流口2.5的出口压力P₃和P₄的差别有关，当|P₃-P₄|越小时，则Δx越小，而P₁与P₂的差别越小，则使两支路的流量Q₁与Q₂越接近，则说明负载敏感分流阀5的分流精度越高；

c.压力补偿：设不同的油缸的负载压力分别为P₅和P₆，且P₅≠P₆，梭阀3.3取两支路的两负载压力中的最大值P_m＝max(P₅,P₆)；若左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2处于平衡状态，则左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的进口压力基本相等，即P₃≈P₄＝P_m+P_k，其中P_k是平衡左压力补偿阀3.1和右压力补偿阀3.2的预设压力；由于压力补偿的作用，使|P₃-P₄|接近零，Δx很小，因此有P₁≈P₂，此时Q₁≈Q₂，可见通过压力补偿补偿使偏载变均载，彻底消除偏载对分流精度的影响，进而提高分流阀的抗大偏载能力；

d.负载敏感控制：梭阀3.3取系统的最高负载压力P_m并通过负载反馈口反馈给负载敏感变量泵4，在负载敏感控制的作用下，负载敏感变量泵4改变排量，并输出的流量为两支路的总流量之和Q＝Q₁+Q₂，输出的压力与最高负载压力相适应P_s＝P_m+P_d，其中P_d是压力裕度，通过负载敏感控制可使泵源的压力与流量与负载需求相一致，以提高同步系统抵抗负载变化的能力，同时减少溢流损失，提高同步驱动系统的效率。

本发明将分流同步驱动和负载敏感控制的结构与原理有机结合，建立了负载-分流元件-泵源之间动态的工作机制，提出了一种负载敏感分流阀、变速同步控制系统及工作方法，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，可实现高精度、高效率、宽范围的变速同步驱动。