非對稱液壓缸EHA專用流量匹配閥的設計與分析

王鑫，王海波，2，鄒懷靜

(1.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031；2.軌道交通運維技術與裝備四川省重點實驗室，四川成都 610031)

0 前言

液壓控制技術因具有結構緊湊、功率密度高、輸出力大和環境適應性強等技術優勢，廣泛應用于各類工程裝備、礦山裝備、海洋工程裝備、航空航天裝備、林業和農業機械等領域。電動靜液作動器(Electro-Hydrostatic Actuator, EHA)作為液壓控制技術集成一體化化的體現，具有質量輕、效率高、可靠性高、可維修性好等優點，近年來發展尤為迅速。由于泵控系統主要通過控制液壓泵的排量與轉速進而控制執行器，消除了節流損失，提高了系統效率，因而普遍應用于EHA系統中。根據工作原理的不同，EHA可分為定排量變轉速、變排量定轉速和變排量變轉速3種。由于定排量變轉速EHA具有結構簡單、效率高等優勢，頗受青睞。液壓缸作為EHA的執行元件之一，有對稱缸和非對稱兩種方式。非對稱液壓缸具有輸出力矩大、密封性能良好、節省系統空間和制造成本低等優點，多集成在EHA中。然而，由于非對稱液壓缸兩端作用面積不同而導致的流量不匹配問題影響了泵控EHA的發展，也是目前泵控非對稱液壓缸EHA深入研究的主要方向。

目前，國內外學者在泵控非對稱液壓缸的流量不匹配問題上做了大量研究，主要有三類方案：一種是通過改變液壓泵的結構來實現液壓缸兩腔流量的平衡；另一種是改變泵的工作模式，使用雙泵或多泵結合的方式以達到彌補液壓缸兩端流量的目的；還有一種是采用液控單向閥或電磁閥來補償液壓缸兩腔的流量差。國內，趙斌等人設計出一種可平衡非對稱液壓缸流量的三配流窗口流量自平衡液壓泵，達到液壓泵與液壓缸的流量在結構上一致的目的，平穩驅動液壓缸；2003年，權龍等人提出應用兩臺變轉速泵復合控制的方式，實現差動缸位置的閉環控制，對控制回路自動補償；馬艷斌等通過增加流量補償單元和大流量液控單向閥實現不對稱流量的平衡，并對四象限工況能耗特性進行對比分析；YAO等通過控制兩個高速開關閥，解決了非對稱電動靜液作動器流量不平衡問題。國外，LODEWYKS通過采用液壓變壓器和兩臺變量泵兩種方案實現非對稱液壓缸兩腔壓力的平衡；RAHMFELD用兩個液控單向閥解決了非對稱液壓缸流量不匹配問題。

雖然近年來國內外為了解決非對稱液壓缸兩腔流量平衡的問題做了大量研究工作，但主要是通過改進變排量泵的設計進行的，而對采用定排量泵的EHA研究較少。為了滿足這一應用需求，研制一種應用于泵控非對稱液壓缸EHA的流量匹配閥。該閥具有結構緊湊、布局靈活、體積小、質量輕的優點，并且開啟壓力小，能夠在液壓泵正反轉的工況下正常運行。通過建立EHA的AMESim模型，分析了該閥在四象限工況下和不同負載條件下對系統性能的影響，并與液控單向閥進行性能對比研究，對泵控非對稱液壓缸EHA系統設計具有借鑒意義。

1 流量匹配閥結構及工作原理

1.1 流量匹配閥結構

圖1為流量匹配閥的結構，主要由兩個對稱的內外閥芯、復位彈簧、限位擋圈和閥體組成，閥體端面上有3個油口孔，兩側孔和中間孔，兩側孔為控制油口，中間油口為油箱孔。在流量匹配閥的兩個內閥芯上設置與外閥芯對應的限位裝置，用來推動外閥芯達到工作位置切換的目的。兩個外閥芯容腔安裝波形彈簧，實現內閥芯的復位，以切斷油箱口與工作口的接通。流量匹配閥與蓄能器配合使用，以平衡系統的流量。

圖1 流量匹配閥結構

相較于使用液控單向閥等其他輔助元件匹配液壓缸流量的方案，此閥結構簡單，安裝、調試方便，可以達到顯著簡化液壓系統油路的目的，尤其是應用在高度集成化的EHA上，有利于簡化系統整體結構和減少質量，具有高度集成化的優點。雖然采用增加液控單向閥和其他輔助元件的方案可以實現非對稱液壓缸系統的流量平衡，但由于采用多個輔助元件，增加了輔助元件本身性能參數等條件限制，相對于采用流量匹配閥的方案，其通用性差。流量匹配閥在對非對稱液壓缸進行流量平衡的同時，簡化系統的油路，從而減少局部壓力損失，總體上可提高系統的傳動效率。

該閥在解決非對稱液壓缸EHA流量不匹配的同時，減小了系統整體質量，優化了系統的結構布局。

1.2 流量匹配閥工作原理

圖2為簡單的閉式容積調節系統，交流電機驅動定量泵，將高壓油輸送到液壓缸的無桿腔，同時也進入流量匹配閥左側A口的控制容腔，油液推動流量匹配閥的左側內外閥芯，外閥芯通過錐面密封阻斷左側油口與油箱相連，內閥芯則在壓力油的作用下向右移動，進而推動與左側內閥芯同軸的右側內閥芯。右側內閥芯向右移動一小段距離，直到其端面的限位密封圈與外閥芯接觸；由于復位彈簧的彈性系數很小，閥口開啟壓力只有2 N左右。右側外閥芯同時向右移動，此時流量匹配閥右側B口打開，與蓄能器相連。油液通過流量匹配閥對有桿腔的流量進行補償，達到非對稱液壓缸流量平衡的目的，電機反轉同理。

圖2 閉式容積調節系統

2 泵控非對稱液壓缸EHA四象限工況運行原理

EHA主要由電機、液壓泵、液壓缸、蓄能器以及液壓閥等元器件組成，圖3為泵控非對稱液壓缸EHA原理。EHA主要是由控制器通過控制電機的轉速和轉向，進而驅動定量泵工作，實現液壓缸方向與速度的控制。

圖3 泵控非對稱液壓缸EHA原理

在EHA運行的過程中，根據外負載力是否阻礙液壓缸的伸出和縮回運動，可將其分為4種工況。圖4為4種工況下的四象限分布圖，其中為負載，為流量。當外負載阻礙液壓缸的伸出和縮回運動時對應圖4中一、三象限。其中，第一象限為液壓泵驅動液壓缸伸出動作，無桿腔壓力大于有桿腔，由于有桿腔一端面積小，流回到定量泵的流量少，需要蓄能器對有桿腔流量進行補償；第三象限為液壓泵驅動液壓缸縮回動作，此時有桿腔壓力大于無桿腔，蓄能器與無桿腔相連，使多余的油液流回蓄能器，實現系統流量的平衡。當外負載的方向與液壓缸動作一致時為圖4中二、四象限。第二象限中，由于外負載的作用，有桿腔處為高壓油，蓄能器通過流量匹配閥為無桿腔補油，達到非對稱液壓缸兩端流量平衡的目的；相反，第四象限中，無桿腔為高壓油，推動流量匹配閥，使無桿腔與蓄能器相連，使兩腔流量平衡。

圖4 EHA四象限工況圖

3 AMESim建模仿真及分析

3.1 AMESim模型的建立

為了分析流量匹配閥對EHA系統動態特性的影響，建立AMESim系統模型，通過分析在四象限工況下非對稱缸的動態特性，以及不同載荷條件對非對稱液壓缸運行狀態的影響，對流量匹配閥的特性及EHA系統運行狀況進行研究。圖5為所搭建的AMESim非對稱液壓缸EHA模型，其中液壓泵、溢流閥、單向閥、過濾器等其他元件從已有的液壓庫中調用，流量匹配閥、液壓缸通過HCD、機械庫建立。

圖5 AMESim系統模型

主要參數設置見表1。

表1 系統仿真主要參數

3.2 四象限工況下性能分析

為了研究流量匹配閥在四象限工況下對EHA系統性能的影響，對非對稱液壓缸施加大小相等、方向相反的負載，通過觀察液壓缸容腔的壓力變化及液壓桿伸出、縮回動作時的狀態，分析EHA系統的整體性能。

電機參數設置為轉速在0.1 s內由0線性增加到3 000 r/min，持續10 s，外負載的大小為40 kN，通過AMESim仿真得到液壓缸在四象限工況下容腔壓力及位移變化曲線見圖6。由于在第一象限工況下液壓油在定量泵的作用下流向無桿腔，而無桿腔相對于有桿腔容積大，需要的流量多，因此液壓缸達到最大行程所需時間最長。在第一、三象限工況下，液壓缸在外負載的作用下，由于油液的壓縮、泄漏會有一小段反向位移，之后在定量泵的作用下穩定運行。在第二、四象限工況下，即負負載工況下，液壓缸的速度方向與所受負載力方向一致，不會有反向位移。分析圖6可知液壓缸在四象限工況下伸出和縮回時運行平穩，無卡頓、爬坡現象，系統性能穩定。

圖6 液壓缸位移曲線

在第一象限工況下，定量泵向液壓缸無桿腔供油，流量匹配閥左位工作，與有桿腔相連；而在第三象限工況下，流量匹配閥在高壓油的作用下與無桿腔相連。由圖7可知，兩象限的液壓缸在位移未達到最大行程時存在小于0.02 MPa的壓力振幅，而此時流量匹配閥的內閥芯位移變化曲線如圖7(b)所示，通過分析可知這是由于內閥芯有輕微的振動造成的。但在第一象限工況下，液壓缸壓力變化幅度更小，系統穩定性更強。

圖7 第一、三象限工況

在第二象限工況下，液壓缸的速度方向與所受負載方向一致，相對于負載工況下，液壓缸運行時間有所縮短。由于在負載的作用下，液壓缸處于伸出狀態，有桿腔為高壓腔，無桿腔為低壓，蓄能器自動為無桿腔補油以平衡系統流量。在第四象限工況下，液壓缸處于縮回狀態，無桿腔為高壓，有桿腔為低壓，油箱通過流量匹配閥對有桿腔補油，實現系統流量的平衡。同時，定量泵通過流量匹配閥與蓄能器連通，補償系統泄漏損失，防止氣穴現象和空氣滲入系統。圖8為第二、四象限液壓缸與流量匹配閥相連容腔的壓力，在第二象限工況下，與流量匹配閥相連的無桿腔在開始時有較大幅度的振動，通過對比兩象限內閥芯位移曲線可以看出，流量匹配閥在四象限時運行更穩定。

圖8 第二、四象限工況

通過對比流量匹配閥在4個象限內閥芯的位移變化曲線(圖9)，可以看出內閥芯在第一、四象限時波動較小，系統穩定性強。再對比一、四象限內閥芯速度變化曲線(圖10)，發現在第一象限工況下內閥芯速度振幅更小，達到穩定所用時間更短。綜上可知，流量匹配閥在第一象限工況下運行狀態良好，系統運行顯著平穩。

圖9 四象限內閥芯位移變化曲線 圖10 內閥芯速度變化曲線

3.3 不同負載下系統性能分析

第一象限工況為液壓行業中最廣泛的運行狀態。為了探究不同負載條件下流量匹配閥對系統特性的影響，以第一象限工況為依托，通過改變外負載的大小，在電機相同的運行狀態下，分析系統特性。圖11(a)為外負載分別為40、60、80 kN時無桿腔壓力變化曲線：隨著負載的增大，無桿腔內壓力整體在0.09～0.105 MPa內波動，變化趨勢無明顯區別。由圖11(b)可知：隨著負載壓力的增大，內閥芯的振幅都在0.3 mm左右波動。流量匹配閥在不同負載條件下運行穩定，系統壓力無明顯波動，系統整體運行良好。

圖11 不同負載下系統性能變化

3.4 方案對比

為探究流量匹配閥整體特性，與采用液控單向閥的方案進行對比。通過AMESim建立液控單向閥的EHA模型，仍以第一象限工況為依托，外負載為40 kN。模型中兩個控制閥閥口開啟壓力大小設置一致，且保證其他元器件及其參數不變。觀察圖12可知：相對于液控單向閥，使用流量匹配閥時系統壓力穩態用時縮短53.1%，行程最大時壓力損失有效減少35.9%。在要求EHA能夠快速穩定且需長時間保持負載穩定狀態的工況下，流量匹配閥具有明顯優勢。

圖12 無桿腔內壓力變化曲線

4 結論

(1)針對非對稱液壓缸帶來的液壓系統流量不匹配的問題，提出采用流量匹配閥的解決方案。該閥在高壓油作用下通過切換工作位置實現系統流量的平衡。其結構簡單，安裝、調試方便，為解決泵控非對稱液壓缸EHA的設計提供了一種思路。

(2)建立該閥在EHA系統中的AMESim仿真模型，仿真結果表明：在四象限工況下，液壓缸伸出和縮回運行平穩，無卡頓、爬坡現象，EHA系統運行平穩。

(3)通過仿真對比四象限工況下液壓缸容腔內壓力變化曲線和流量匹配閥內閥芯位移變化曲線，可知第一象限工況下流量匹配閥振動幅度最小，系統穩定性最強。且在第一象限工況下，外負載變化時，系統壓力都在0.01 MPa左右波動，因此負載變化對系統穩定性無顯著影響。

(4)與采用液控單向閥方案相比，系統壓力達到穩態用時縮短53.1%，最大行程時壓力損失有效減少35.9%。