不同基座及負(fù)載下的雙油缸同步控制

潘良高，黃 婧

● （1. 海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，江蘇 南京 210003; 2. 鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

不同基座及負(fù)載下的雙油缸同步控制

潘良高1，黃 婧2

● （1. 海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，江蘇 南京 210003; 2. 鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

在機(jī)械系統(tǒng)中，對(duì)于不同機(jī)座及不同負(fù)載下的雙油缸需要進(jìn)行同步控制，以保證負(fù)載移動(dòng)的同步性。通過對(duì)各同步方案的分析比較，獲得了滿足使用要求的最佳同步方式。

不同基座；不同負(fù)載；同步運(yùn)行

0 引言

不同基座情況下的雙油缸同步運(yùn)行在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中常常會(huì)出現(xiàn)。 通過兩個(gè)或兩個(gè)以上油缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如果不采取任何措施控制的話，在各液壓元器件的負(fù)載、效率等各類外因作用下會(huì)出現(xiàn)壓力不同和流量不同的結(jié)果，具有最低壓力要求的液壓油缸先行動(dòng)作，直到其運(yùn)行到行程終點(diǎn)或遇到更大負(fù)載時(shí)，才會(huì)驅(qū)動(dòng)下一個(gè)具有較低壓力的液壓油缸，也就是說，液壓油缸將先后順序動(dòng)作，直到所有動(dòng)作結(jié)束。這種工作模式不是我們希望的。本文對(duì)不同基座和負(fù)載下的雙油缸同步運(yùn)行進(jìn)行了一些探討。

1 問題提出

上海船舶設(shè)計(jì)研究院為交通運(yùn)輸部上海打撈局進(jìn)行氦氧飽和潛水工程作業(yè)而專門研究設(shè)計(jì)的 300m 飽和潛水作業(yè)支持船舶，簡(jiǎn)稱深潛水工作母船，由武昌造船廠(青島基地)建造。該船的功能齊全，各類設(shè)備比較多。因此，在船體布置上要求非常緊湊。武昌造船廠委托鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)廠作為該船配套設(shè)計(jì)和生產(chǎn)救生設(shè)備。

受空間布置要求，需要在較小的空間中能將救生艇架布置下去，在經(jīng)過各類方案比較后，最終鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)廠設(shè)計(jì)部門決定采取蓄能式救生艇架的方案。該方案能滿足在很小的空間中布置救生艇架的尺寸要求，利用油缸將吊臂推出舷外后再利用救生艇自身的重量將艇安全放到水面的工作原理。

根據(jù)深潛水工作母船工作人員的配比需求，救生艇必須選配為雙吊點(diǎn)全封閉救生艇，這就要求配備的救生艇架也是雙吊點(diǎn)形式，需要利用兩個(gè)油缸進(jìn)行倒出運(yùn)動(dòng)，即存在基座不同的現(xiàn)象。同時(shí)由于救生艇的布置原因(鑒于一般是救生艇的尾部布置發(fā)動(dòng)機(jī)和操作系統(tǒng)，尾部重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于首部重量)，兩個(gè)吊點(diǎn)的起吊的重量是不同的，即首尾負(fù)載也不同。

根據(jù)救生艇釋放要求，油缸在帶動(dòng)救生倒出舷外過程中需要進(jìn)行同步控制，將雙點(diǎn)倒出控制在一定的范圍內(nèi)，以保證救生艇內(nèi)乘員的舒適性和安全性。

本文試圖通過不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)不同基座和負(fù)載下的雙油缸同步運(yùn)行進(jìn)行一些探討。

2 方案選擇和比較

不同基座和負(fù)載下的雙油缸同步運(yùn)行設(shè)計(jì)一般有以下幾種方式。

1）剛性連接法。采取機(jī)械的方法，利用機(jī)械式的剛性方式將需要運(yùn)行的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。當(dāng)油缸動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)不同步的情況時(shí)，剛性體可通過“硬拖硬拽”的方法獲得同步。該方式需要?jiǎng)傂赃B接體具備一定的強(qiáng)度和剛度，同步精度比較差，由于需要進(jìn)行剛性連接，也需要比較大的空間要求。

2）利用液壓伺服系統(tǒng)，油缸帶反饋系統(tǒng)。利用液壓伺服系統(tǒng)，油缸帶反饋系統(tǒng)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制和力的控制，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)液壓元件有特殊要求，生產(chǎn)成本很高。

3）采取分流馬達(dá)技術(shù)。利用分流馬達(dá)技術(shù)解決不同基座、不同負(fù)載情況下雙油缸同步運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸的同步控制。

對(duì)上述三種方式的效果和費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。由表可以看出，采取分流馬達(dá)的方式在不增加很多成本的前提下，能有效提高兩個(gè)吊點(diǎn)的倒出同步性，因此，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用節(jié)流分流馬達(dá)技術(shù)。

表1 三種同步方式的效果和費(fèi)用比較

3 分流馬達(dá)技術(shù)設(shè)計(jì)

同步控制液壓原理圖見圖1。工作原理為：液壓泵輸出液壓油到操縱閥，操縱閥控制液壓油輸出給分流馬達(dá)，分流馬達(dá)是由兩個(gè)等排量的液壓馬達(dá)同軸連接，輸出相同流量的油分別供給兩個(gè)有效工作面積相等的液壓油缸，實(shí)現(xiàn)油缸的同步運(yùn)行。

圖1 同步控制液壓原理圖

設(shè)計(jì)選型為：通過對(duì)救生艇架的設(shè)計(jì)計(jì)算，油缸在額定負(fù)載時(shí)的工作推力為70kN，油缸在額定負(fù)載時(shí)拉力為70kN，另外根據(jù)設(shè)計(jì)需要，油缸的行程為3600mm，推出時(shí)間90s，倒入時(shí)間90s。

1）油缸設(shè)計(jì)選型。初選油缸型號(hào)為125/90-3600，其中，缸徑125mm，桿徑90mm，行程3600mm，則油缸推出時(shí)的壓力為：

油缸倒入時(shí)壓力：

式中：P缸推為油缸在額定負(fù)載時(shí)推力；P缸拉為油缸在額定負(fù)載時(shí)的拉力；S為油缸活塞桿受力面積；η缸為油缸效率；為油缸缸徑；d為油缸桿徑。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大壓力為19MPa，油缸選型滿足要求。

2）分流馬達(dá)計(jì)算。根據(jù)上述計(jì)算油缸工作時(shí)需要的油量。油缸推出所需最大油量為：

V缸推= π (D/2)2H=π (125/2)2× 3600

油缸倒入所需最大油量為：

式中：D為油缸缸徑；d為油缸桿徑；H為油缸行程。

分流馬達(dá)需要的流量：

3）分流馬達(dá)的選型

根據(jù)以上的計(jì)算和產(chǎn)品樣本（表2），選擇齒輪分流器FDRA.2025。

表2 同步分流馬達(dá)產(chǎn)品樣本

計(jì)算及選型對(duì)比見表3。由表可以看出，分流馬達(dá)的選型滿足要求。

表3 計(jì)算及選型參數(shù)對(duì)比

4 實(shí)際驗(yàn)證

深潛水工作母船救生設(shè)備項(xiàng)目圖紙取得了中國船級(jí)社審圖中心的認(rèn)可，2011年3月CCS船級(jí)社江蘇分社的工業(yè)產(chǎn)品檢驗(yàn)處在鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)廠組織進(jìn)行型式審核時(shí)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)及測(cè)量，該設(shè)備的雙點(diǎn)油缸的同步控制在30mm之內(nèi)，滿足了船級(jí)社的相關(guān)要求，產(chǎn)品取得了CCS船級(jí)社的型式認(rèn)可。據(jù)悉該船已經(jīng)于2012年7月底成功交付給船東，在產(chǎn)品的使用過程中，得到了船員的一致好評(píng)。

5 油缸反饋系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

油缸反饋系統(tǒng)工作原理見圖2。液壓油缸內(nèi)部安裝有位移傳感器，該位移傳感器能檢測(cè)油缸伸出的距離并提供反饋，再通過控制系統(tǒng)（一般可以通過PLC閥用可編程控制器），由PLC控制比例控制多路閥和開關(guān)量的輸出，再由比例控制多路閥調(diào)整油缸的油量輸出大小，從而調(diào)節(jié)油缸的伸出距離。詳細(xì)的同步電氣控制方框圖見圖3。

圖2 油缸反饋系統(tǒng)工作原理圖

圖3 同步電氣控制方框圖

在油缸反饋系統(tǒng)中，閥用可編程控制器（PLC）是該反饋系統(tǒng)中的核心技術(shù)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集—原始數(shù)據(jù)的建立和比較—反饋系統(tǒng)—控制系統(tǒng)—執(zhí)行系統(tǒng)的功能，其中數(shù)據(jù)采集由安裝在油缸內(nèi)部的位移傳感器完成，將數(shù)據(jù)差進(jìn)行采集。原始數(shù)據(jù)的建立和比較由PLC自帶，反饋系統(tǒng)也由PLC自帶，由PLC設(shè)計(jì)一個(gè)固定值，將采集值和固定值進(jìn)行比較，再分析判斷兩邊油缸的伸出值是否在控制范圍內(nèi)，否則需提供信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制比例閥控制多路閥的開口流量，控制執(zhí)行系統(tǒng)即油缸在同步控制范圍內(nèi)。

6 油缸反饋系統(tǒng)驗(yàn)證

浙江凱靈船廠改裝的某型號(hào)的醫(yī)療船，根據(jù)要求，需要配備21t工作艇收放裝置，受布置要求，必須采取不同基座和負(fù)載下的雙油缸同步控制。鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)廠根據(jù)任務(wù)要求，采取了利用液壓伺服系統(tǒng)，油缸帶反饋系統(tǒng)的方式。液壓系統(tǒng)工作原理圖見圖2，電氣控制原理方框圖見圖3。

1）油缸流量和壓力計(jì)算。通過機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算，油缸最大推力為800/2=400kN（雙油缸）；設(shè)備最大功率工況時(shí)，系統(tǒng)壓力22MPa，最大流量101L/min。初步選擇油缸型號(hào)為HSGK220/100-2511-1346×2130：變幅時(shí)間70s；缸徑220mm；桿徑100mm。

所需流量：Q1=π×0.222×1.15×103/(4×0.9)=44.7L/min

兩只油缸所需流量：Q1×2=89.4L/min≤101L/min

經(jīng)過計(jì)算，液壓系統(tǒng)流量和壓力設(shè)計(jì)滿足要求。

2）油缸的壓桿穩(wěn)定計(jì)算。

油缸的壓桿穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中，Pk為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷，N；n為末端條件系數(shù)，n=1；為活塞桿直徑，100mm=0.1m；L為活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，L=2130mm=2.13m。計(jì)算結(jié)果為：Pk=2236.2kN。油缸最大推力F=400kN。安全系數(shù)為Pk/F=5.5。計(jì)算后的結(jié)論是油缸壓桿穩(wěn)定滿足要求。

21t工作艇收放裝置已經(jīng)研制完成并已經(jīng)安裝完畢，所有設(shè)計(jì)均通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)檢驗(yàn)，該收放裝置的油缸同步精度控制在15mm以內(nèi)，達(dá)到了顧客的需要。

7 結(jié)語

利用分流馬達(dá)技術(shù)和油缸反饋系統(tǒng)均可以較好地解決不同基座和負(fù)載下的雙油缸同步運(yùn)行問題，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

[1] 雷天覺主編. 新編液壓工程手冊(cè)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005.

[2] 徐灝主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3] 王兆明主編. 電氣控制與 PLC 技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

Double Hydro-Cylinder Synchronous Control under Different Foundations and Loads

PAN Liang-gao1, HUANG Jing2
(1.Navy Representative Office at Aerospace Electrmechanical System in Nanjing District, Nanjing 210003, China; 2. Zhenjiang Marine Auxiliary Machinery Works, Zhenjiang 212006, China)

In mechanical system, double hydro-cylinders with different foundations and loads need to carry out the synchronization control to ensure the synchronization of the load moving. The best synchronization method to satisfy the operation requirement is obtained by analyzing the various synchronization projects.

different foundations; different loads; synchronization running

TH137

A

潘良高(1965-)，男，高級(jí)工程師。主要從事機(jī)電監(jiān)造和研究。