随着机电装备向大型化、重型化发展，需要多个执行器以相同的速度或位移同步驱动重型负载．高精度、高可靠性和高效率的液压同步驱动一直是液压领域的重要研究课题和难题[1-3]．根据是否对执行元件进行检测和反馈，液压同步驱动分为开环和闭环两种控制方式．分流同步驱动是开环同步驱动的主要形式[4-5]，其以分流元件(如分流阀、分流马达)为控制元件，通过分流原理实现多执行器的速度同步．相对于闭环同步驱动[6]，分流同步驱动不须要对执行器进行检测和反馈控制，具有结构简单、成本低(约是闭环控制的1/10或更低)、可靠性高及环境适应性强等诸多优点，尤其适用于煤矿井下等恶劣环境下的同步驱动．但目前分流同步驱动的最大问题是同步精度较低，尤其是在大偏载、时变负载或流量变化等工况下．分流元件主要包括分流阀和分流马达两类，其中分流阀应用最为广泛[7-8]，其分流误差为3%～5%，导致其难以适用于高精度场合．在分流同步驱动过程中，分流是因，而同步是果．现有分流阀的分流原理存在缺陷[9]，其按照静偏载设计，不能适应动偏载或时变负载工况，而且分流精度易受流量变化的影响，导致分流阀的分流精度难以提高．另外，现有的分流同步系统普遍采用恒压供油，无法适应时变负载，而且溢流损失较大，导致系统发热和低效率．负载偏差和流量变化是影响分流同步驱动精度的两大主要因素，对时变偏载和变流量工况下高精度分流机理有待进一步研究[10]．针对以上问题，本研究将分流同步驱动和负载敏感控制的结构原理进一步融合，提出一种新型分流阀和新型分流同步驱动原理，即负载敏感分流阀及负载敏感变速分流同步驱动原理，并在时变偏载和变速工况下研究了该新型同步系统的同步驱动特性，实现了高精度分流和同步驱动．本研究将为开发多功能高精度分流阀奠定理论基础，为恶劣环境下重型装备的高性能同步驱动提供解决方案，并有望取代常规环境下一部分价格昂贵、维护困难的闭环同步驱动系统．1 分流同步驱动系统设计如图1所示，负载敏感变速分流同步驱动系统主要由负载敏感变量泵、负载敏感分流阀、左右驱动缸组成．在该系统中，负载敏感分流阀是核心元件，其融合了自调式分流阀和LUDV负载敏感阀的结构和功能，主要包括三个功能单元，即变速分流单元、流量补偿单元和偏载补偿单元．10.13245/j.hust.210601.F001图1负载敏感变速同步系统液压原理变速分流单元由两个可控节流口组成，节流口开度可以通过手动、先导压力或比例电磁铁驱动，且始终保持相同．这使得该新型分流阀既具有流量分配的功能，又具有流量调节的功能．流量补偿单元主要由补偿阀芯组成，采用全周正开口，阀芯与阀套之间构成可变节流口．在分流过程中，补偿阀芯移动以改变左右支路液阻的大小，从而保证左右两支路的流量相等．偏载补偿单元由梭阀和两个压力补偿阀组成．梭阀取两支路的最高负载压力，反馈到压力补偿阀的弹簧腔及负载敏感变量泵的变量机构．采用压力补偿阀对负载偏差进行补偿[11]，使偏载变为均载，以基本消除负载偏差对分流误差的影响．实际上该新型分流阀是一种特殊的负载敏感多路阀[12]，兼具分流、变速、负载反馈的功能．该新型同步驱动系统也是一种特殊的负载敏感控制系统，其通过负载反馈，建立了泵源-分流元件-执行器的动态工作机制，使分流阀与变量泵协同工作，其中分流阀用于分流和调速，而变量泵则输出与负载需求相适应的压力和流量，以加快系统动态响应．2 分流同步驱动原理新型同步驱动系统按照“变速分流-偏载补偿-负载敏感”的原理工作，详述如下．左右两支路的流量为q1=CdA1(ps-p1)/ρ;q2=CdA2(ps-p2)/ρ, (1)式中：A1和A2分别为左右可控节流口的节流面积，且A1=A2；ps，p1，p2分别为节流口的出口压力；Cd为流量系数；ρ为油液密度．分流误差e1是衡量分流阀分流性能的主要技术指标，e1=2∆q/q=2(q1-q2)/(q1+q2)，(2)式中：∆q为两支路q1和q2的流量差，∆q=q1-q2；q为进入分流阀的总流量，q=q1+q2；由式(1)和(2)可知：e1主要取决于p1和p2的偏差，若二者越接近，e1越小，则分流精度越高．除了具有流量调节的功能外，可控节流口还具有流量检测的作用，其把流量信号q1和q2转换为压力信号p1和p2，并反馈到流量补偿单元的阀芯两端．忽略液动力和摩擦力的影响，当补偿阀芯处于平衡状态时，其平衡方程为(p1-p2)A=2kxv，(3)式中：A为补偿阀芯的有效面积；k为弹簧刚度；xv为弹簧变化量，也就是阀芯的位移．当负载不相等时，xv与p3-p4成正比．可见：若减少p3与p4的差值，就可减少p1与p2的差值，从而提高分流精度．忽略驱动缸的背压，驱动缸的动态平衡方程为mx¨1+bx˙1+F1=pL1Ac;mx¨2+bx˙2+F2=pL2Ac, (4)式中：m为驱动质量;x1和x2分别为左右缸位移；b为油缸阻尼；Ac为有效作用面积；F1和F2分别为左右缸外负载；pL1和pL2为由此产生的负载压力．在偏载补偿单元中，梭阀采集最高负载压力pm=max(pL1,pL2)，并分别反馈到压力补偿阀的弹簧腔和负载敏感变量泵．当压力补偿阀处于稳态时，有如下平衡方程p3=Fk1/A3+pm;p4=Fk2/A4+pm, (5)式中：A3和A4分别为左右压力补偿阀的阀芯作用面积，且A3=A4；Fk1和Fk2分别为设定弹簧力．由于Fk1≈Fk2，因此p3≈p4．可见利用压力补偿单元可把偏载变成均载，基本消除偏载对分流误差的影响．在压力补偿单元和流量补偿单元的作用下，即使两负载存在较大的偏差，补偿阀芯的位移量Δx接近于0，使p1≈p2，从而q1≈q2，所以该新型分流阀可以在大偏载下实现高精度的等量分流．负载敏感分流阀和负载敏感变量泵构成负载敏感控制系统，变量泵的输出流量和流量与负载需求相适应，即qs=q/ηv;ps=pm+pd, (6)式中：qs，ηv为变量泵输出流量和容积效率；pd为变量泵的压力裕度，一般为1.5~2.0 MPa．与传统的同步系统相比，该新型同步系统能够适应时变负载，且可避免溢流损失和发热，系统效率高．综上所述，本研究提出的“变速分流-偏载补偿-负载敏感”新型分流同步驱动原理，从原理性误差补偿的角度提高分流阀及同步系统抵抗时变偏载和流量变化的能力．3 分流与同步特性分析分流元件的精度是以分流误差来衡量，而分流同步系统的精度则用同步误差衡量．同步误差为e2=2(x1-x2)/(x1+x2)．(7)同步驱动系统的额定流量为70 L/min，额定压力为31.5 MPa，驱动缸的最大行程为1 600 mm．对左右驱动缸采用静载和动载两种加载方式，设置两缸的静偏载为20 MPa，动偏载大小为20sin(πt/2) MPa(见图2)．10.13245/j.hust.210601.F002图2左右驱动缸的时变负载分别在静偏载恒速、动偏载恒速、静偏载变速和动偏载变速四种工况下，分析负载敏感分流阀的分流特性及其同步系统的同步特性．3.1　静偏载恒速工况由表1可见：在20 MPa的静偏载恒速工况下，新型同步系统的分流误差为0.154%，新型同步系统的同步误差为1.601%，分流和同步精度较传统分流阀及其同步系统分别提高了21.5倍和2.5倍．10.13245/j.hust.210601.T001表1静偏载恒速下新型和传统同步系统的性能参数对比型式Δx/mmΔp/kPae1/%e2/%传统-0.698-24.63.4635.585新型-0.094-1.60.1541.601在传统同步系统中，负载直接作用于分流阀的出口，没有对负载偏差进行压力补偿．当负载偏差越大时，阀芯位移∆x越大，节流口后压力p1和p2的差值也越大，最终会导致两支路的流量误差越大，这就是传统同步系统无法抵抗大偏载的根本原因．但在新型同步系统中，通过压力补偿将偏载变成均载，以减小补偿阀芯的位移，进而减小了p1-p2的差值，从而大幅度提高了分流精度，这就是新型分流阀及其同步系统能够抵抗大偏载的原因所在．3.2　动偏载恒速工况如图3和图4及表2所示，在动偏载恒速下，同步系统的分流误差e1及同步误差e2呈周期性时变，传统分流同步系统的分流误差及同步误差均较大，分别为-3.5%～6.1%和2.8%～5.2%；新型同步系统的分流误差及同步误差较小，分别为-0.2%～0.3%和0.1%～1.3%，可见在时变偏载下新型同步系统具有较高的分流和同步精度．究其原因为在时变偏载下，相比传统分流阀，新型分流阀的阀芯位移及出口压差较小且较稳定．10.13245/j.hust.210601.F003图3动偏载恒速工况下传统分流同步系统的特性曲线10.13245/j.hust.210601.F004图4动偏载恒速工况下新型分流同步系统的特性曲线10.13245/j.hust.210601.T002表2动偏载恒速下新型和传统同步系统的性能参数对比型式Δx/mmΔp/kPae1/%e2/%传统-0.698～0.029-40.6～23.5-3.495～6.0482.829～5.157新型-0.094～0.001-3.2～2.2-0.238～0.3210.120～1.3453.3　静偏载变速工况在20 MPa静偏载下，当泵的出口流量分别为80，60，40和20 L/min时，自调式分流阀的e1分别为2.6%，4.8%，11.2%和46.5%．可见传统分流阀可以在大流量下保持较高的分流精度，随流量的减小其分流精度大幅度降低，流量范围较窄，难以适用于变速工况，这大幅限制了分流阀的应用范围．如图5所示，新型分流阀的分流误差受流量的影响较小且精度较高，在不同的流量下，e1稳定在0.14%左右，且e2稳定于1.37%左右．如图6所示，当可控节流口开度r变化时(r=0表示阀口关闭，r=1表示阀口全开)，左右驱动缸的速度v1和v2基本呈线性变化，可见新型分流阀具有较好的调速特性．其原因在于利用负载敏感的压力补偿原理，使阀口总压降pd保持稳定(其包括可控节流口压降pd1与流量补偿节流口压降pd2之和)，处于1.09～1.17 MPa，进而保证在流量大范围变化时可控节流口的压降dp1基本保持稳定．10.13245/j.hust.210601.F005图5静偏载变速工况下新型分流同步系统的特性曲线10.13245/j.hust.210601.F006图6变速工况下负载敏感分流阀的调速曲线3.4　变偏载变速工况如图7所示，在变偏载变速工况下，传统分流易受流量和负载变化的影响，尤其在小流量状态，基本丧失分流的功能，无法使用．10.13245/j.hust.210601.F007图7变偏载变速下传统分流同步系统的特性曲线如图8所示，在变偏载变速工况下，新型分流阀依然具有较高的调速特性和分流精度，e1为-0.23%～0.14%，e2为0.14%～1.54%，说明在恶劣工况下该同步系统可实现高精度的变速分流同步驱动．究其原因在于基于“变速分流-偏载补偿-负载敏感”的分流同步原理，从原理性误差补偿的角度提高了分流元件及同步系统抵抗偏载和流量变化的能力，而泵源-分流元件-执行器之间全局性动态的工作机制进一步加快了系统的动态响应．10.13245/j.hust.210601.F008图8变偏载变速下新型分流同步系统的特性曲线4 结论本研究提出了一种新的分流同步驱动原理，对比分析了传统和新型的分流元件、同步系统的特性，获得了如下结论．a. 所提出的负载敏感分流阀是一种多功能流量控制阀，可基本消除负载偏差和流量变化对分流精度的影响，具有高精度的分流功能，还具有大范围流量调节的功能及负载反馈功能，这拓展了分流阀的功能和适用范围．b. 基于“变速分流-偏载补偿-负载敏感”的分流同步驱动原理，建立了泵源-分流元件-执行器协同工作机制，从原理性误差补偿的角度提高了分流元件及同步系统抵抗偏载和流量变化的能力，同时开拓了负载敏感控制在多执行器高精度同步驱动方面的应用．c. 新型分流同步驱动系统具有同步精度高、动态响应快、系统效率高及成本低的优点，可为恶劣环境和工况下高性能的同步驱动提供解决方案．