采用簡單元件實現(xiàn)兩液壓缸高精度同步

張福波，陳興華，焦明木，李楠

(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽 110819)

根據(jù)液壓介質(zhì)被控方式的不同，液壓同步回路可分為節(jié)流同步和容積同步兩大類。節(jié)流同步通常采用節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流集流閥、比例閥或伺服閥等作為同步控制元件，容積同步則以采用等排量的多聯(lián)液壓泵或多聯(lián)液壓馬達作為同步控制元件的回路比較常見。與節(jié)流同步相比，容積同步?jīng)]有節(jié)流損失和溢流損失，因此具有較高的回路效率。但由于組成多聯(lián)泵或多聯(lián)馬達各單元的實際排量及容積效率不完全相同，各泵或馬達與液壓缸之間容腔的體積也不可能完全一致，再加上液壓缸的泄漏以及偏載等因素的影響，常規(guī)容積同步回路的實際同步精度往往只能控制在5%左右。雖然以比例閥或伺服閥作為同步控制元件的液壓同步回路能夠取得令人滿意的同步精度［1－2］，但由于大量節(jié)流損失的存在，致使回路效率低下，并不太適用于高壓大流量等大功率輸出的場合。為此，許多學(xué)者將容積同步和伺服同步相結(jié)合，在等容泵控雙泵同步的基礎(chǔ)上，加上由機液伺服閥或比例閥、小流量高壓泵等組成的伺服補油回路，使兩個液壓缸的同步精度得到大幅度提高［3－4］。

考慮到液壓伺服系統(tǒng)本身的造價高、抗污染能力差以及對使用和維護的要求非常高等實際問題的存在，提出采用常規(guī)液壓元件和電氣元件實現(xiàn)兩個液壓缸的高精度同步。該方法已成功應(yīng)用于某加熱爐上料設(shè)備的推進系統(tǒng)中，并連續(xù)運行了近兩年時間。實踐表明:該方法簡單、可靠，具有實用性。

1 液壓同步原理

如圖1所示，兩個等排量的液壓泵3和4同軸連接，由于兩泵的轉(zhuǎn)速相同，兩泵所輸出的流量也相等。如果溢流閥1和2的設(shè)定壓力都高于最大負載壓力 (溢流閥用作安全閥)，那么當(dāng)三位四通換向閥9、10同時換向動作時，兩泵所輸出的等流量壓力油分別經(jīng)單向閥5、6和三位四通換向閥9、10供給液壓缸11和12，使兩個液壓缸的活塞桿同時伸出或縮回。如果兩個液壓缸的活塞直徑和活塞桿直徑都相同，那么兩個液壓缸在相同流量液壓油的驅(qū)動下，運動速度也相同。

圖1 具有阻尼孔流量精調(diào)功能的雙泵同步系統(tǒng)原理圖

用兩個等流量的泵分別給兩個等尺寸的液壓缸供油，理論上可以實現(xiàn)兩液壓缸的位移同步。實際上，若要求較高的同步精度，需要同時保證液壓管路的對稱布置、較高的負載均勻性以及較高的泵單元加工精度。而較高的液壓管路布置對稱性及負載均勻性，因受復(fù)雜的現(xiàn)場條件及工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)要求等因素的制約，在實際應(yīng)用中往往無法實現(xiàn);精密泵單元加工需要昂貴的機械加工費用，且隨著泵單元的逐漸磨損而難以保證。

為實現(xiàn)兩液壓缸的高精度同步，設(shè)置了由固定阻尼孔13、14和二位四通換向閥15、16組成的同步微調(diào)支路。當(dāng)兩液壓缸發(fā)生不同步時，使二位四通換向閥15或16換向，通過固定阻尼孔13或14泄油，使速度快的液壓缸降速，從而使兩缸的運動趨于同步。固定阻尼孔采用圖2所示的插裝式結(jié)構(gòu)，安裝在二位四通換向閥的P油口內(nèi)部，其通流面積由下式計算［5］

式中:A為阻尼孔通流面積，m2;qv為通過阻尼孔的流量，m3/s;Cd為流體系數(shù);ρ為流體的密度，kg/m3;Δp為阻尼孔前后兩端的壓差，Pa。

通過阻尼孔的流量按單泵流量的5%～10%選取。在阻尼孔設(shè)計時，h=(3～4)d，則Cd=0.8～0.82。Δp根據(jù)液壓缸在一個動作循環(huán)中的時間加權(quán)平均負載壓力選取。

圖2 插裝式阻尼孔

2 同步微調(diào)控制系統(tǒng)

2.1 同步誤差的檢測

圖3為某加熱爐上料設(shè)備的液壓缸布置及誤差檢測機構(gòu)示意圖。液壓缸的活塞桿通過銷軸與推頭相連，推頭上面固定有兩個導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿可在導(dǎo)向套內(nèi)前后滑動，以保證推頭平直推行，同時可減輕不均勻負載對液壓缸的損傷。在兩個液壓缸的推頭上各安裝一個滾輪。鋼絲繩一端固定在加熱爐一側(cè)的基礎(chǔ)上，另一端繞過兩個滑輪，分別與固定在液壓缸尾部基礎(chǔ)上的彈簧和反饋杠桿相連接并拉緊。反饋杠桿安裝在轉(zhuǎn)軸上。反饋杠桿弧形擋板的弧度應(yīng)與以轉(zhuǎn)軸為圓心、以轉(zhuǎn)軸中心至弧形端外表面的距離為半徑的圓弧相一致，以便在反饋杠桿擺動時，弧形擋板的任意一點均在圓弧上運動。在兩個液壓缸的活塞桿完全縮回的狀態(tài)下調(diào)整反饋杠桿，使其與液壓缸的軸線相垂直。在反饋杠桿弧形擋板的兩端相對轉(zhuǎn)軸的方向，各安裝一個磁性開關(guān)。仔細調(diào)整磁性開關(guān)的安裝位置，使磁性開關(guān)能夠檢測反饋杠桿的輕微擺動。

圖3 液壓缸布置及誤差檢測示意圖

2.2 同步微調(diào)控制原理

如圖4所示，同步微調(diào)電氣控制裝置主要由中間繼電器、開關(guān)等簡單電氣元件組成。當(dāng)開關(guān)SB1閉合時，電磁鐵DT1和DT3得電，此時兩個三位四通換向閥同時打開，處于左位狀態(tài)，兩液壓缸的活塞桿伸出。同時中間繼電器ZKM1得電，其輔助動合觸點ZKM1-1和ZKM1-2閉合。若此時圖1中左側(cè)液壓缸運行速度快 (即其推頭位置超前)，則彈簧收縮，拉動反饋杠桿繞轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動，從而使反饋杠桿弧形擋板遠離下方磁性開關(guān)HK2。由于失去鐵磁性材料的遮擋，而觸發(fā)磁性開關(guān) HK2閉合，由 HK2、ZKM1-1、DT5組成的電路接通，使圖1中的二位四通閥15動作，通過阻尼孔排放掉進入左側(cè)油缸的一部分液壓油，左側(cè)液壓缸因而降速運行，兩液壓缸趨于同步。當(dāng)兩液壓缸同步后，反饋杠桿回到初始位置，磁性開關(guān)斷開電路，二位四通閥15復(fù)位。反之，反饋杠桿繞轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動，則HK1閉合，DT6得電，二位四通閥16動作，右側(cè)液壓缸降速使兩液壓缸趨于同步。

當(dāng)開關(guān)SB2閉合時，電磁鐵DT2和DT4得電，兩個三位四通換向閥處于右位狀態(tài)，兩液壓缸的活塞桿縮回。同時中間繼電器ZKM2得電，其輔助動合觸點ZKM2-1和ZKM2-2閉合。當(dāng)左側(cè)液壓缸運行速度慢于右側(cè)液壓缸時，彈簧收縮，拉動反饋杠桿繞轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動，從而使反饋杠桿弧形端遠離下方磁性開關(guān)HK2。由于失去鐵磁性材料的遮擋，而觸發(fā)磁性開關(guān)HK2閉合，由HK2、ZKM2-1、DT6組成的電路接通，使圖1中的二位四通閥16動作，通過阻尼孔排放掉進入右側(cè)油缸的部分液壓油，右側(cè)液壓缸因而降速運行，于是兩液壓缸趨于同步。當(dāng)兩液壓缸同步后，反饋杠桿回到初始位置，磁性開關(guān)斷開電路，二位四通閥16復(fù)位。反之，反饋杠桿繞轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動，則HK1閉合，DT5得電，二位四通閥15動作，右側(cè)液壓缸降速運行，使兩液壓缸趨于同步。

圖4 同步微調(diào)控制原理

3 應(yīng)用舉例

圖3所示的某加熱爐送料設(shè)備采用兩個液壓缸將由上料輥道來的鋼坯推入加熱爐中進行加熱。送料過程中，必須保證兩個液壓缸具有較好的同步性，否則會造成刮爐或翻鋼等事故。該設(shè)備的液壓推進系統(tǒng)采用了圖1所示的液壓同步回路，主要元器件如表1所示。

表1 加熱爐送料設(shè)備主要液壓元件表

3.1 試驗條件及結(jié)果

阻尼孔的大小按10 MPa壓差下通過單泵流量的5%(約3 L/min)設(shè)計，流量系數(shù)取0.8，根據(jù)式(1)計算阻尼孔的通流面積。據(jù)此計算得阻尼孔的內(nèi)徑d=0.72 mm，取d=0.8 mm。液壓缸行程1 250 mm，溢流閥的設(shè)定壓力16 MPa。同步誤差測量方法:在液壓缸的活塞桿運動到不同位置時，停機測量多次，取最大值。試驗結(jié)果如下:

(1)平均推進速度75.7 mm/s，平均退回速度156.5 mm/s;

(2)推進時系統(tǒng)壓力12.5 MPa，回退時系統(tǒng)壓力3.5 MPa;

(3)同步微調(diào)投入前，絕對同步誤差25 mm，相對誤差2%;

(4)同步微調(diào)投入后，絕對同步誤差4 mm，相對誤差0.32%。

3.2 試驗結(jié)果討論

(1)阻尼孔的內(nèi)徑大小對同步精度的影響較大。尺寸太小，放油緩慢，不能完全消除誤差;尺寸過大，會出現(xiàn)液壓缸忽快忽慢的不穩(wěn)定現(xiàn)象。根據(jù)同步微調(diào)投入前兩液壓缸實際誤差的大小來確定阻尼孔的泄油流量，所計算出來的阻尼孔尺寸更加有利于同步誤差的減小;

(2)對同步精度影響較大的另一個因素是誤差檢測機構(gòu)的靈敏度。選用高靈敏度的磁性開關(guān)并適當(dāng)增大反饋杠桿的放大比有利于提高誤差檢測的靈敏度。

(3)同步微調(diào)投入前，最大同步誤差出現(xiàn)在液壓缸行程終點附近，這是由于同步誤差的不斷累積所致;同步微調(diào)投入后，最大同步誤差出現(xiàn)在液壓缸啟動時的1～2 s時間段內(nèi)，這主要是由三位四通換向閥的換向特性和液壓缸的啟動沖擊等原因所引起。

4 結(jié)論

(1)所提出的雙缸同步方案具有較高的同步精度，能夠滿足許多高壓大流量場合下的同步需要。

(2)整個系統(tǒng)沒有溢流損失，主回路沒有節(jié)流損失。雖然同步微調(diào)功能是通過泄油實現(xiàn)的，但由于其相對于主回路的流量而言很小，因此系統(tǒng)具有較高的效率。

(3)全部液壓元件和電氣元件都是簡單元器件，系統(tǒng)工作可靠、造價低廉。

(4)未選用伺服閥、比例閥等對介質(zhì)清潔度要求過分嚴格的元件，使用和維護方便。

【1】陳彪，姜新生.多缸同步液壓伺服控制系統(tǒng)在線圈壓床的應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2011，47(4):50 －51.

【2】侯繼偉，李世倫，陳鷹，等.高大空間火災(zāi)模擬及探測平臺電液同步驅(qū)動控制［J］.機械工程學(xué)報，2010，46(14):154－160.

【3】張紹裘，吳冉泉，吳小洪，等.帶液壓伺服補償?shù)牡攘髁侩p泵同步系統(tǒng)的研究［J］.液壓氣動與密封，2000(2):16－17.

【4】劉建忠，吳百海，吳小洪，等.泵控與閥控補償?shù)母呔韧较到y(tǒng)的探討［J］.機械開發(fā)，1998(4):15－17.

【5】聞幫椿.機械設(shè)計手冊:第4卷［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:22－35.