高性價比多缸同步問題的探討

季錚越

摘要：針對多缸同步方法分析與探討，比較開環(huán)同步和閉環(huán)同步等方法的優(yōu)缺點，實現(xiàn)多同步方式的綜合應(yīng)用，從高性價比的角度提出小型系統(tǒng)多缸同步可行方案。

關(guān)鍵詞：多缸同步；半閉環(huán)控制；抗衡閥；自調(diào)同步閥

目前隨著控制理論和和微電子技術(shù)的突飛猛進，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)算法、相關(guān)學(xué)習(xí)算法、比例積分算法和模糊控制器在大型液壓同步系統(tǒng)中得以充分應(yīng)用，但是對于控制精度要求不高和預(yù)算緊張的中小型液壓系統(tǒng)，機械同步結(jié)合液壓回路同步方案則是高性價比和高可靠性的不二選擇。

1.機械強制同步

機械連接同步方式是同步精度要求不高時最經(jīng)濟的方法，而且也是最可靠和最原始的同步方式，如圖1。但由于屬于被動同步，所以不但消耗了大量的無用功，而且抗偏載不強對機械結(jié)構(gòu)的損耗也相當可關(guān)。尤其在其中一個執(zhí)行器卡死的情況下，強制連接的機械結(jié)構(gòu)可能受到液壓執(zhí)行器的作用力F=Pmax·S，在系統(tǒng)安全閥未動作的瞬間，機械系統(tǒng)所承受破壞力甚至可達到液壓系統(tǒng)崩潰前的最大輸出。我廠就出現(xiàn)過鋼結(jié)構(gòu)桁架變形達結(jié)構(gòu)尺寸0.1的嚴重后果。

2.液壓回路同步

流量控制是液壓同步的基本原理，因此流量閥、同步馬達和同步分流器是同步回路中的主要執(zhí)行元件。本文結(jié)合本廠實際應(yīng)用情況對幾種典型的液壓同步回路應(yīng)用進行分析和探討。

2.1.節(jié)流同步回路和自平衡同步回路

2.1.1節(jié)流調(diào)速同步系統(tǒng)是流量控制的基本手段，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于對同步精度要求不高的場合，故我廠最初也使用最簡單的節(jié)流同步系統(tǒng)，原理見圖2。然而由于單向節(jié)流閥既沒有壓力補償，也沒有溫度補償，在油液壓力脈動和升溫情況下流量分配變化，而且節(jié)流閥開度確定后，當系統(tǒng)工況改變時其同步效果改變。

2.1.2由于節(jié)流閥一旦調(diào)整完畢執(zhí)行器速度就被確定，而我廠液壓設(shè)備的負載是變化的，為了對系統(tǒng)進行負載控制，故我廠在公共油路上設(shè)置了平衡閥，系統(tǒng)同時應(yīng)用了自平衡同步回路，如圖3。然而由于公共管道較長自動平衡閥距離執(zhí)行器都很遠，故負載控制效果滯后，同步效果有限。

2.2.串聯(lián)缸同步回路

我廠使用液壓設(shè)備對同步精度要求最高、負載工況最復(fù)雜的是一對雙齒條式180℃回轉(zhuǎn)擺動缸，由于該缸的作動器實際為2個等面積無桿雙作用直線缸，所以同步擺動缸的最簡單方式就是4缸串聯(lián)（擺動缸本身雙缸串聯(lián)，再將成對擺動缸串聯(lián)）。

然而這種方法帶來很多問題：

2.2.1串聯(lián)油缸一個無法回避的問題就是損耗功率，雙齒條擺動缸提供的功率瞬間降低約0.6左右，無法滿足系統(tǒng)功率要求；

2.2.2油缸及系統(tǒng)的內(nèi)泄漏問題導(dǎo)致油缸同步不可靠，響應(yīng)也比較慢；

2.2.3同步執(zhí)行器相距甚遠且距離不對稱分布，由于油管長短相差太大、管內(nèi)油液的可壓縮性及氧化產(chǎn)物作用（含水、空氣及膠質(zhì)等雜質(zhì)）和系統(tǒng)壓力脈動、溫升及油路受振動變形等環(huán)境變量導(dǎo)致同步不可靠；

2.3.同步馬達和同步分配器同步回路

擺動缸同步回路流量很大，大流量同步回路普遍采用的同步馬達回路，如圖6。該回路采用相同結(jié)構(gòu)和相同排量的液壓馬達作為等流量分流元件，調(diào)速閥、單向閥和多個溢流閥調(diào)整支路流量和壓力，其同步精度比節(jié)流控制更高，但由于一般要用容積效率較高的柱塞式馬達所以費用較高。

2.4.分流集流同步回路和互鎖負載控制

在小流量同步回路中分流集流閥經(jīng)常使用，雙齒條擺動缸的結(jié)構(gòu)形式特殊（具有4個等有效面積的無桿腔）。本廠試驗多次后小流量系統(tǒng)采用同步閥（分流集流閥）回路同步，而雙擺動缸回路則使用雙抗衡閥實現(xiàn)負載同步控制。

同步閥回路適用于小流量同步回路，分流集流閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，對負載變化也不敏感，如SUN品牌的固定式同步閥同步精度就能達到最大流量時50%±2.5%、最小流量50%±4.5%；而由于本廠設(shè)備負載是交變和脈動的，顯然固定式同步閥已不足以滿足要求，故我廠選用了ZEUS品牌自調(diào)式分流集流閥同步精度達1%～3%。

2.5.蓄能器在同步回路中的作用

其實，蓄能器同步作用并不明顯，僅在系統(tǒng)已存在較可靠的被動同步和負載同步的情況下起到補償流量和穩(wěn)定壓力的作用。但是蓄能器的輔助作用在流量變化大、油液方向頻繁改變的情況下非常明顯，對同步系統(tǒng)起到重要的作用（保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行、改善其動態(tài)品質(zhì)、降低其噪聲和提高其壽命等），故我廠在系統(tǒng)載荷交變的情況下使用了NXQ型囊式蓄能器，當然其充氣壓力和容積都是根據(jù)流量變化頻率和幅度、執(zhí)行器同步和響應(yīng)精度、壓力變化區(qū)間、油液流向變化頻率及沖擊性質(zhì)等計算出來的。

3.結(jié)束語

綜上所述，本廠工況最復(fù)雜、同步精度要求最高的液壓系統(tǒng)使用的是機械同步+分集流閥同步+平衡閥同步。毫無疑問，機械同步是最可靠和高精度的被動同步，但其耐偏載能力有限且會使執(zhí)行器出現(xiàn)磨損。而分集流閥同步是最常用的主動同步，尤其自調(diào)式同步閥同步效果相當明顯，當然其對負載荷的響應(yīng)就不那么及時了。因此，可調(diào)平衡閥對負載控制比較有優(yōu)勢，故我廠綜合使用雙平衡閥并輔以傳感器+PLC+無泄漏閥的機制進行反饋。同步回路的經(jīng)典應(yīng)用還有很多種方案，但上述的半閉環(huán)控制方案確實是我廠摸索出的一套比較高性價比同步方案，而且應(yīng)用該方案的若干系統(tǒng)已正常投入使用。

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