一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统

技术领域

本发明属于液压传动与控制领域，具体涉及一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统。

背景技术

在液压传动领域，对试验装置执行机构的响应特性以及电液控制算法等进行测试验证时，需要尽可能的模拟试验设备的实际工况条件，通过机械加载或者液压加载方式模拟执行机构面对的负载。液压负载模拟就是通过给液压缸或者液压马达特定阻力或扭矩来模拟执行机构如被测液压缸或者液压马达的负载值，以模拟和验证执行机构在复杂多变外部负载情况下的响应与自我调控性能。

在直线运动中，液压负载模拟主要通过负载模拟液压缸与比例溢流阀、比例节流阀或者平衡阀组合，通过设置阀口开度以形成一定背压来模拟负载力，设定的被压大小可通过外部电信号控制。当使用比例溢流阀时，通过外部电信号可以设置比例溢流阀的开启压力，可以以此开启压力作为负载模拟力。当使用比例节流阀时，通过外部信号可以控制节流阀的开度，不同开度对应不同流体阻力，以模拟外部负载力大小。

在直线运动中，现有的液压负载模拟方式，均是被动加载方式，即通过负载模拟液压缸与比例溢流阀、比例节流阀或者平衡阀组合，基于液阻控制原理，通过设置阀口开度以形成一定背压来模拟负载力，其负载模拟液压缸均是被动型的，即负载模拟液压缸不能主动出力伸出或缩回，不能主动产生并施加负载加载力。只有当外部执行机构的主动力施加于负载液压缸上，负载模拟液压系统才可以通过比例溢流阀、比例节流阀或者平衡阀形成一定的负载力，当外部执行机构无主动力施加于负载模拟液压缸，负载模拟无法反向施加负载作用力，无法完成负载模拟功能。

总的来说，当出现以下几种工况需求时，传统的负载模拟方式失效：

(1)正负载工况1，即外部执行机构的主动力为推力，且要求负载模拟缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相反的负载作用力时即主动伸出，传统的负载模拟方式由于没有主动液压加载动力源，且液压流体方向无法改变，故不能实现主动加载工况1。

(2)正负载工况2，即外部执行机构的主动力为拉力，且要求负载模拟缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相反的负载作用力时即主动缩回，传统的负载模拟方式由于没有主动液压加载动力源，且液压流体方向无法改变，故不能实现主动加载工况2。

(3)负负载工况1，即外部执行机构的主动力为推力，且要求负载模拟缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相同的负载作用力时即主动缩回，传统的负载模拟方式由于没有主动液压加载动力源，且液压流体方向无法改变，故不能实现负负载工况1。

(4)负负载工况2，即外部执行机构的主动力为拉力，且要求负载模拟缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相同的负载作用力时即主动伸出，传统的负载模拟方式由于没有主动液压加载动力源，且液压流体方向无法改变，故不能实现负负载工况2。

除此之外，传统的负载模拟方式仅能完成单一工况的加载，不能同时完成多种工况的负载模拟加载方式，这对于多工况的模拟加载试验需求，具有很大的局限性。

发明内容

鉴于传统液压负载模拟加载系统，仅仅能够实现被动加载，无法实现主动加载；仅仅可以进行正负载载工况模拟，无法实现负负载工况的模拟；仅仅可以实现单一工况的模拟，无法满足多工况的模拟加载试验需求。本发明针对传统液压负载模拟加载系统的缺陷，提出一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统，本发明基于三通比例减压溢流阀，以加载液压泵、补油泵、负载模拟液压缸和三通比例减压溢流阀组为主体的负载模拟液压系统，不仅可以实现传统负载模拟的被动加载，还可以实现负载模拟的主动加载，并且可以进行正负载与负负载工况模拟。本发明提出的液压负载模拟主被动、多工况加载方法，主要由加载液压泵、补油泵、三通比例减压溢流阀组、负载模拟液压缸、执行液压缸、电机、三位四通换向阀、溢流阀、卸荷阀、单向阀以及油箱等组成的液压系统来实现。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统，所述系统包括油箱、加载泵、补油泵、三位四通换向阀、第一三通比例减压溢流阀、第二三通比例减压溢流阀、执行液压缸、负载模拟液压缸、溢流阀和卸荷阀；

所述加载泵和补油泵的吸油口与油箱相连，三位四通换向阀的P口与加载泵的出油口与相连，三位四通换向阀的T口与油箱相连，三位四通换向阀的A口和B口分别于第一三通比例减压溢流阀的A口和第二三通比例减压溢流阀的A口相连，第一三通比例减压溢流阀的T口和第二三通比例减压溢流阀的T口与油箱相连，

负载模拟液压缸的有杆腔油口和无杆腔油口分别与第一三通比例减压溢流阀的B口和第二三通比例减压溢流阀的B口相连；

补油泵出口经第二单向阀和第三单向阀分别与第一三通比例减压溢流阀的A口和第二三通比例减压溢流阀的A口相连；

执行液压缸通过铰接机构与负载模拟液压缸的活塞杆相连接；溢流阀和卸荷阀并联组成安全阀组，安全阀组一端与油箱相连，另一端与加载泵出口相连。

本发明还提供了一种基于所述液压系统的主被动、多工况加载方法，该方法通过第一三通比例减压溢流阀和第二三通比例减压溢流阀的减压与溢流两种模式，以及加载泵与补油泵组合供油，实现液压负载模拟的主动加载与被动加载两种方式；

其中，在被动加载方式下，三通比例减压溢流阀为反向流通状态，处于溢流模式，通过调定三通比例减压溢流阀的设定压力以改变负载模拟作用力，进行被动加载；此时液压系统的加载液压泵关闭，负载模拟液压缸不能主动伸出与缩回，补油泵开启用以补充负载模拟液压缸所需油液；

在主动加载方式下，三通比例减压溢流阀为正向流通状态，处于减压模式，通过调定三通比例减压溢流阀的设定压力，以改变负载模拟液压缸的主动伸出与主动缩回压力，实现主动加载，进而可以实现正负载工况1、正负载工况2、负负载工况1、负负载工况2四种工况模拟；

进一步的，模拟正负载工况1时，通过加载液压泵和和调节负载模拟液压缸无杆腔油路的第二三通比例减压溢流阀出口压力来完成工况模拟；

模拟正负载工况2时，通过加载液压泵和调节负载模拟液压缸有杆腔油路的第一三通比例减压溢流阀出口压力来完成工况模拟。

模拟负负载工况1时，通过通过加载液压泵和调节负载模拟液压缸有杆腔油路的第一三通比例减压溢流阀压力来完成工况模拟；

模拟负负载工况2时，通过加载液压泵和调节负载模拟液压缸无杆腔油路的第二三通比例减压溢流阀压力来完成工况模拟。

与现有技术相比，本发明提出液压负载模拟主被动、多工况加载方法，通过三通比例减压溢流阀的减压与溢流两种模式，以及加载泵与补油泵组合供油，可以有效实现液压负载模拟的主动加载与被动加载两种方式。除此之外，在主动加载方式下，可以通过调节负载模拟液压缸的主动伸出与主动缩回，并且主动伸出与主动缩回压力可由三通比例减压溢流阀调定，可以实现正负载工况1、正负载工况2、负负载工况1、负负载工况2等四种工况模拟。

附图说明

图1为本发明液压系统的原理图。

1-油箱，2-加载泵，3-三相电机Ⅰ，4-第一单向阀，5-卸荷阀，6-溢流阀，7-三位四通换向阀，8-补油泵，9-三相电机Ⅱ，10-第二单向阀，11-第三单向阀，12-第一三通比例减压溢流阀，13-第二三通比例减压溢流阀，14-铰接机构，15-执行液压缸，16-负载模拟液压缸。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统的原理图，液压系统主要包括油箱1、加载泵2、三相电机Ⅰ3、第一单向阀4、卸荷阀5、溢流阀6、三位四通换向阀7、补油泵8、三相电机Ⅱ9、第二单向阀10、第三单向阀11、第一三通比例减压溢流阀12、第二三通比例减压溢流阀13、铰接机构14、执行液压缸15、负载模拟液压缸16。

加载泵2和补油泵8的吸油口与油箱1相连，三位四通换向阀7的7P口与加载泵2的出油口与相连，三位四通换向阀7的7T口与油箱1相连，三位四通换向阀7的7A口和7B口分别于第一三通比例减压溢流阀12的12A口和第二三通比例减压溢流阀13的13A口相连，第一三通比例减压溢流阀12的12T口和第二三通比例减压溢流阀13的13T口与油箱相连，负载模拟液压缸16的有杆腔油口16A和无杆腔油口16B分别与第一三通比例减压溢流阀12的12B口和第二三通比例减压溢流阀13的13B口相连。补油泵8出口的第二单向阀4和第三单向阀11分别与第一三通比例减压溢流阀12的12A口和第二三通比例减压溢流阀13的13A口相连。执行液压缸15通过铰接机构14与负载模拟液压缸16的活塞杆相连接。溢流阀6和卸荷阀5并联组成的安全阀组并联在加载泵2的高压主油路上，即安全阀组一端与油箱相连，另一端与加载泵出口相连。需要注意的是，溢流阀6的设定压力要高于系统限制最大压力以保护液压系统的正常工作，补油泵2的出口压力一般设置不超过2.5Mpa，系统未工作时，卸荷阀5的电磁铁1DT、三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT和右端电磁铁3DT均处于断电状态。

需要说明的是，本发明所附的液压系统原理图1中使用的第一三通比例减压溢流阀和第二三通比例减压溢流阀13是先导式三通比例减压溢流阀，其也可以用直动式三通比例减压阀来替换，也在本发明的保护范围之内。

本发明不仅可以实现传统负载模拟的被动加载，还可以实现负载模拟的主动加载，并且可以进行正负载与负负载工况模拟。

本发明提出的一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统，其被动加载方法，可以通过调节第一三通比例减压溢流阀和第二三通比例减压溢流阀的设定压力以改变负载模拟作用力，进而进行被动加载。此时液压系统的加载液压泵关闭，负载模拟液压缸不能主动伸出与缩回，补油泵用以补充负载模拟液压缸所需油液。

本发明提出的液压负载模拟主被动、多工况加载方法，其主动加载方法，可以完成正负载工况与负负载工况模拟。(1)正负载工况1，即外部执行机构的主动力为推力，且要求负载模拟液压缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相反的负载作用力时，此时可以通过加载液压泵和和调节负载液压缸无杆腔油路的第二三通比例减压溢流阀出口压力来完成该工况模拟。(2)正负载工况2，即外部执行机构的主动力为拉力，且要求负载模拟液压缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相反的负载作用力时，此时可以通过加载液压泵和调节负载液压缸有杆腔油路的第一三通比例减压溢流阀出口压力来完成该工况模拟。(3)负负载工况1，即外部执行机构的主动力为推力，且要求负载模拟液压缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相同的负载作用力时，此时可以通过加载液压泵和调节负载液压缸有杆腔油路的第一三通比例减压溢流阀压力来完成该工况模拟。(4)负负载工况2，即外部执行机构的主动力为拉力，且要求负载模拟液压缸需要主动施加与外部执行机构运动方向相同的负载作用力时，此时可以通过加载液压泵和调节负载液压缸无杆腔油路的第二三通比例减压溢流阀压力来完成该工况模拟。

本发明的第一三通比例减压溢流阀和第二三通比例减压溢流阀有进油口、出油口以及溢流口，其既有减压功能，又有溢流功能。进油口接高压主油路，出油口接工作油路，溢流口接油箱。通过内部调节装置，进口高压主油路压力调节减至出油口所需的减压压力，同时具备从出油口到溢流口的全流量溢流功能。当液流反向流通时，如果出油口压力小于调定的所需压力时，也具备出油口到进油口的反向流通。出油口与溢流口之间的压力降可由外部控制信号设置调节。

下面结合液压系统原理图1对本发明提出的一种液压负载模拟主被动、多工况加载方法及液压系统进行进一步说明：

(1)液压系统负载模拟被动加载方法

当执行液压缸15的主动力为推力，并通过铰接机构14作用于负载模拟液压缸16的活塞杆上并对其形成推作用力时，被动加载方法对负载模拟液压缸16提供一个被动的、方向与执行液压缸伸出方向相反的负载加载力。具体地，加载泵2处于关闭状态，补油泵8处于开启状态，液压系统卸荷阀5的电磁铁1DT得电使其油路断开，三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT断电、右端电磁铁3DT得电使其7P口与7B口接通，7A口与7T口接通。在执行液压缸15的推力作用下，负载模拟液压缸16向右缩回，其有杆腔的油液通过补油泵8补充，其无杆腔的油液经过16B口流向第二三通比例减压溢流阀13，此时第二三通比例减压溢流阀13为反向流通状态，油液经过13B口流向13A口，由于13A口出口与油箱不相连，此时会导致13A口和13B口的压力越来越高。当13B口的压力升高到第二三通比例减压溢流阀13的调定压力时，13B口与13T口接通并溢流，13A口与13B口断开，此时第二三通比例减压溢流阀13处于溢流模式，形成设定负载模拟压力，以达到被动加载目的。需要注意的是，对于第二三通比例减压溢流阀13，当13B口的压力小于外部设定压力时，13B口与13A口相通，当13B口的压力大于外部设定压力时，其13B口13T口接通开启溢流模式。第二三通比例减压溢流阀13的调定压力可以通过外部控制信号设定。

当执行液压缸15的主动力为拉力，并通过铰接机构14作用于负载模拟液压缸16的活塞杆上并对其形成拉作用力时，被动加载方法对负载模拟液压缸16提供一个被动的、方向与执行液压缸缩回方向相反的负载加载力。具体地，加载泵2处于关闭状态，补油泵8处于开启状态，液压系统卸荷阀5的电磁铁1DT得电使其油路断开，三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT得电、右端电磁铁3DT断电使其7P口与7A口接通，7B口与7T口接通。在执行液压缸15的拉力作用下，负载模拟液压缸16向左伸出，其无杆腔的油液通过补油泵8补充，其有杆腔的油液经过16A口流向第一三通比例减压溢流阀12，此时第一三通比例减压溢流阀12为反向流通状态，油液经过12B口流向12A口，由于12A口出口与油箱不相连，此时会导致12A口和12B口的压力越来越高。当12B口的压力升高到三通比例减压溢流阀Ⅰ12的调定压力时，12B口与12T口接通并溢流，12A口与12B口断开，此时第一三通比例减压溢流阀12处于溢流模式，形成设定负载模拟压力，以达到被动加载目的。需要注意的是，对于第一三通比例减压溢流阀12，当12B口的压力小于外部设定压力时，12B口与12A口相通，当12B口的压力大于外部设定压力时，其12B口13T口接通开启溢流模式。第一三通比例减压溢流阀12的调定压力可以通过外部控制信号设定。

(2)液压系统负载模拟主动加载方法

a、正负载工况1

当执行液压缸15的主动力为推力，并通过铰接机构14作用于负载模拟液压缸16的活塞杆上并对其形成推作用力时，主动加载方法对负载模拟液压缸16提供一个主动的、方向与执行液压缸伸出方向相反的负载加载力，此时可以模拟正负载工况1。具体地，加载泵2处于开启状态，补油泵8处于开启状态，液压系统卸荷阀5的电磁铁1DT得电使其油路断开，三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT断电、右端电磁铁3DT得电使其7P口与7B口接通，7A口与7T口接通。加载泵2出口的高压油通过三位四通换向阀7的7P口经过7B流向第二三通比例减压溢流阀13的13A口，高压油从13A进口流入，从13B出口流出，此时第二三通比例减压溢流阀13为正向流通状态，出口压力由第二三通比例减压溢流阀13的调定压力决定，减压后的压力油从13B口经过16B口流向负载模拟液压缸16的无杆腔，对负载模拟液压缸16形成一个向左的主动伸出负载加载力，以抵抗执行液压缸15的主动力。需要注意的是，如果第二三通比例减压溢流阀13的出口减圧圧力大于执行液压缸15的主动力时，负载模拟液压缸16向左伸出，执行液压缸15被迫向左缩回；如果第二三通比例减压溢流阀13的出口减圧圧力小于执行液压缸15的主动力时，负载模拟液压缸16被迫向右缩回，此时为了防止负载模拟液压缸16的有杆腔吸空，补油泵8通过第二单向阀10给负载模拟液压缸16的有杆腔补油。

b、正负载工况2

当执行液压缸15的主动力为拉力，并通过铰接机构14作用于负载模拟液压缸16的活塞杆上并对其形成拉作用力时，主动加载方法对负载模拟液压缸16提供一个主动的、方向与执行液压缸缩回方向相反的负载加载力，此时可以模拟正负载工况2。具体地，加载泵2处于开启状态，补油泵8处于开启状态，液压系统卸荷阀5的电磁铁1DT得电使其油路断开，三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT得电、右端电磁铁3DT断电使其7P口与7A口接通，7B口与7T口接通。加载泵2出口的高压油通过三位四通换向阀7的7P口经过7A流向第一三通比例减压溢流阀12的12A口，高压油从12A进口流入，从12B出口流出，此时第一三通比例减压溢流阀12为正向流通状态，出口压力由第一三通比例减压溢流阀12的调定压力决定，减压后的压力油从12B口经过16A口流向负载模拟液压缸16的有杆腔，对负载模拟液压缸16形成一个向右的主动缩回负载加载力，以抵抗执行液压缸15的主动力。需要注意的是，如果第一三通比例减压溢流阀12的出口减圧圧力大于执行液压缸15的主动力时，负载模拟液压缸16向右缩回，执行液压缸15被迫向右伸出；如果第一三通比例减压溢流阀12的出口减圧圧力小于执行液压缸15的主动力时，负载模拟液压缸16被迫向左伸出，此时为了防止负载模拟液压缸16的无杆腔吸空，补油泵8通过第三单向阀11给负载模拟液压缸16的无杆腔补油。

c、负负载工况1

当执行液压缸15的主动力为推力，并通过铰接机构14作用于负载模拟液压缸16的活塞杆上并对其形成推作用力时，主动加载方法对负载模拟液压缸16提供一个主动的、方向与执行液压缸缩回方向相同的负载加载力，此时可以模拟负负载工况1。具体地，加载泵2处于开启状态，补油泵8处于开启状态，液压系统卸荷阀5的电磁铁1DT得电使其油路断开，三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT得电、右端电磁铁3DT断电使其7P口与7A口接通，7B口与7T口接通。加载泵2出口的高压油通过三位四通换向阀7的7P口经过7A流向三通比例减压溢流阀Ⅰ12的12A口，高压油从12A进口流入，从12B出口流出，此时第一三通比例减压溢流阀12为正向流通状态，出口压力由第一三通比例减压溢流阀12的调定压力决定，减压后的压力油从12B口经过16A口流向负载模拟液压缸16的有杆腔，对负载模拟液压缸16形成一个向右的主动缩回负载加载力，此时负载加载力方向与主动力方向一致，形成负负载工况1。需要注意的是，由于主动执行缸15和负载模拟液压缸16的力方向一致，会导致负载模拟液压缸16急速向右缩回，为了防止负载模拟液压缸16由于急速缩回而产生吸空，补油泵8通过第二单向阀10给负载模拟液压缸16的有杆腔补油以避免吸空。

d、负负载工况2

当执行液压缸15的主动力为拉力，并通过铰接机构14作用于负载模拟液压缸16的活塞杆上并对其形成拉作用力时，主动加载方法对负载模拟液压缸16提供一个主动的、方向与执行液压缸缩回方向相同的负载加载力，此时可以模拟正负载工况2。具体地，加载泵2处于开启状态，补油泵8处于开启状态，液压系统卸荷阀5的电磁铁1DT得电使其油路断开，三位四通换向阀7的左端电磁铁2DT断电、右端电磁铁3DT得电使其7P口与7B口接通，7A口与7T口接通。加载泵2出口的高压油通过三位四通换向阀7的7P口经过7B流向第二三通比例减压溢流阀13的13A口，高压油从13A进口流入，从13B出口流出，此时第二三通比例减压溢流阀13为正向流通状态，出口压力由第二三通比例减压溢流阀13的调定压力决定，减压后的压力油从13B口经过16B口流向负载模拟液压缸16的无杆腔，对负载模拟液压缸16形成一个向左的主动伸出负载加载力，此时负载加载力方向与主动力方向一致，形成负负载工况2。需要注意的是，由于主动执行缸15和负载模拟液压缸16的力方向一致，会导致负载模拟液压缸16急速向左伸出，为了防止负载模拟液压缸16由于急速伸出而产生吸空，补油泵8通过第三单向阀11给负载模拟液压缸16的无杆腔补油以避免吸空。

由上述介绍可知，本发明所述三通比例减压溢流阀有进油口、出油口以及溢流口，其既有减压功能，又有溢流功能。进油口接高压主油路，出油口接工作油路，溢流口接油箱。通过内部调节装置，进口高压主油路压力调节减至出油口所需的减压压力，同时具备从出油口到溢流口的全流量溢流功能。当液流反向流通时，如果出油口压力小于调定的所需压力时，也具备出油口到进油口的反向流通。出油口与溢流口之间的压力降可由外部控制信号设置调节。

两个三通比例减压溢流阀分别连接在负载模拟液压缸的有杆腔和无杆腔油路，可以分别对三通比例减压溢流阀进行压力设定，以控制负载模拟液压缸的主动伸出力和主动缩回力。

本发明提供了加载泵和补油泵的组合，开启和关闭根据工况需要，自由切换。当进行主动加载时，需要开启加载泵，当进行被动加载时，需要关闭加载泵。本发明增加补油泵以防止负载模拟液压缸的吸空，补油泵设置在三位四通换向阀工作油口和三通比例减压阀进油口的油路上，补油泵根据负载模拟液压缸的工况模式，适时开启，以防止负载模拟液压缸的吸空。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。