液壓同步系統(tǒng)分析與應(yīng)用

葉玉全，胡江平，張 鑫，陳 波

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208；2.三一重工 泵送事業(yè)部，湖南 長沙 410100)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，液壓同步控制技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的工業(yè)技術(shù)。由于設(shè)備負(fù)載力很大或布局的關(guān)系，有時(shí)需要使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)工作部件，而且要求不管負(fù)載如何變化，多個(gè)執(zhí)行元件都能以相同的位移或相同的速度運(yùn)動(dòng)。但由于執(zhí)行元件存在負(fù)載不均衡、泄漏量不同、摩擦阻力不同和制造誤差等原因，將導(dǎo)致多個(gè)執(zhí)行元件在工作過程中產(chǎn)生不同步的現(xiàn)象，從而影響機(jī)械設(shè)備的工作效果，因此，液壓同步控制技術(shù)顯得尤為重要[1，2]。液壓同步技術(shù)在液壓折彎機(jī)，垃圾壓縮中轉(zhuǎn)站的舉升設(shè)備，預(yù)制件生產(chǎn)線中模臺(tái)側(cè)翻、舉升以及一些升降機(jī)設(shè)備中都有著廣泛的應(yīng)用。

1 液壓同步精度的描述

在業(yè)界內(nèi)，通常用液壓同步精度來描述同步系統(tǒng)的好與壞。所謂同步精度是指多個(gè)執(zhí)行元件之間運(yùn)動(dòng)速度和位移的誤差程度，其中，位置同步是指各執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)中或停止時(shí)的各個(gè)瞬間都保持相同的位移量；速度同步是指多個(gè)執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)過程中的各瞬間速度保持一致或成一定比例。當(dāng)各執(zhí)行元件在同時(shí)間并以相同速度運(yùn)行時(shí)，速度同步和位移同步是一致的，由此可見，位置同步其實(shí)就是速度同步的一種類型，有位置同步就必有速度同步，反之則不一定。

為了更好地描述系統(tǒng)的同步精度，一般可用同步誤差率δ來表示，其表達(dá)式如下[3]：

(1)

其中:QA為A執(zhí)行元件流量；QB為B執(zhí)行元件流量。

在工程實(shí)踐中，絕大多數(shù)工況都是位置同步。

在具有液壓同步控制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備中，若液壓系統(tǒng)的同步精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則該機(jī)械設(shè)備就不能保證良好的工作性能，甚至成為不合格的機(jī)械設(shè)備。因此，在設(shè)計(jì)液壓同步控制系統(tǒng)時(shí)，最重要的就是保證液壓同步精度達(dá)到要求。液壓同步控制系統(tǒng)按輸出量是否進(jìn)行反饋可分為開環(huán)液壓同步控制系統(tǒng)和閉環(huán)液壓同步控制系統(tǒng)[4，5]。

2 開環(huán)液壓同步控制系統(tǒng)

開環(huán)液壓同步控制系統(tǒng)由于沒有反饋系統(tǒng)，因此同步精度一般不高，其同步精度主要靠液壓元器件自身的精度來保證。開環(huán)液壓同步回路分為機(jī)械式、容積式和流量式，回路一般結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用較低。

2.1 機(jī)械式同步回路

機(jī)械式同步回路是采用剛性梁或齒輪齒條等機(jī)械零件，使兩個(gè)液壓缸的活塞桿間建立起剛性的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)位移的同步，其回路如圖1所示。

油泵的壓力油經(jīng)過換向閥1同時(shí)進(jìn)入油缸2和油缸3的有桿腔或無桿腔，兩油缸的活塞桿在剛性梁5的作用下同步伸出或縮回，導(dǎo)向套4的作用主要是導(dǎo)向，防止卡死。這種同步方式是在機(jī)械結(jié)構(gòu)上使兩油缸同步，其同步精度與連接件的剛度有關(guān)，一般適用于各執(zhí)行元件之間的跨距不大、負(fù)載差別不大，且對同步精度要求不高的場合。

2.2 容積式同步回路

容積式同步回路是利用流入或流出執(zhí)行元件的液壓油的容積與執(zhí)行元件位移量成正比的原理，其同步精度主要取決于同步控制元件的容積效率，偏載所造成的壓差只影響液壓油的壓縮量和內(nèi)外泄漏量。

2.2.1 多泵同步回路

多泵同步回路是用多個(gè)相同排量的液壓泵同軸串聯(lián)，在相同轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。這種同步回路要求每個(gè)液壓泵單獨(dú)控制一個(gè)執(zhí)行元件，每個(gè)泵到執(zhí)行元件都形成一個(gè)完整的回路，在行程終點(diǎn)消除累積誤差，每路換向閥可單獨(dú)動(dòng)作。多泵同步回路如圖2所示。

圖2中，兩個(gè)油泵同軸連在電機(jī)1上，兩個(gè)油泵的壓力油分別通過兩個(gè)換向閥進(jìn)入執(zhí)行元件油缸，同時(shí)兩個(gè)回路分別裝有溢流閥。一般來說，油泵的容積效率比液壓馬達(dá)的小，而且從泵到執(zhí)行元件所經(jīng)過的回路元件比同步馬達(dá)到執(zhí)行元件多，因此多泵同步回路的泄漏量相比同步馬達(dá)回路的大，其同步精度比同步馬達(dá)回路稍差。

1-換向閥;2，3-油缸; 1-電動(dòng)機(jī);2-溢流閥;3-換向閥; 4-導(dǎo)向套;5-剛性梁 4-油缸;5-油泵

2.2.2 分流馬達(dá)同步回路

液壓分流馬達(dá)同步回路的同步精度主要是靠分流馬達(dá)來保證，分流馬達(dá)是由高精度的若干排量相同的液壓馬達(dá)通過剛性軸連接而成，如圖3所示。

1-換向閥;2-單向節(jié)流閥;3-液壓馬達(dá);4，7-單向閥;5-溢流閥;6-液壓缸

為保證分流同步馬達(dá)在工作過程中不產(chǎn)生“憋壓”和“吸空”現(xiàn)象，需要在出口配置限壓和補(bǔ)油控制元件。溢流閥5和單向閥4一般集成在分流同步馬達(dá)上。各閥件的主要作用如下：

(1) 溢流閥5的作用是防止液壓缸6運(yùn)動(dòng)到位或卡死時(shí)出現(xiàn)“憋壓”而導(dǎo)致壓力無限增大的情況，從而保證回路中即使有一個(gè)執(zhí)行元件提前運(yùn)動(dòng)到位或卡死時(shí)，其他執(zhí)行元件仍然可以正常運(yùn)動(dòng)到位。溢流閥5的設(shè)定壓力值一般高于系統(tǒng)設(shè)定壓力0.5 MPa～2 MPa。

(2) 單向閥4和7的作用是保證液壓缸6在縮回過程中，運(yùn)行速度最快的液壓缸運(yùn)行到位后液壓馬達(dá)3不會(huì)發(fā)生吸空的現(xiàn)象。單向閥4的開啟壓力一般設(shè)為0.1 MPa，單向閥7的開啟壓力一般設(shè)為0.5 MPa，這樣，在液壓缸6縮回的過程中，就能保證每個(gè)液壓馬達(dá)3的進(jìn)油口能維持一個(gè)大約0.4 MPa的壓力。

(3) 單向節(jié)流閥2的作用是在液壓缸6回程中，防止分流馬達(dá)按照最快的執(zhí)行元件的速度來運(yùn)行導(dǎo)致其他執(zhí)行元件沒能及時(shí)跟上而吸空，譬如當(dāng)執(zhí)行元件在回程中存在負(fù)載時(shí)，回路中就需要這樣一個(gè)閥來穩(wěn)定其速度。

齒輪同步馬達(dá)和柱塞同步馬達(dá)是最常見的兩種同步馬達(dá)。由于這兩種結(jié)構(gòu)形式的同步馬達(dá)在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行和內(nèi)泄漏，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型時(shí)，要保證同步馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不低于1 000 r/min。齒輪同步馬達(dá)的同步誤差一般在(±1.5～±2.5)%，柱塞同步馬達(dá)的同步誤差一般在±1%以下。

2.3 節(jié)流式同步回路

節(jié)流式同步回路是利用壓力補(bǔ)償?shù)脑韥砜刂仆ㄟ^每路節(jié)流閥的流量不受負(fù)載的影響，從而達(dá)到同步的目的。壓力補(bǔ)償一般應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)工況，在負(fù)載變化的瞬態(tài)過程中各路流量是不相等的，而且由于有節(jié)流孔的存在，節(jié)流閥都有壓力損失，因此節(jié)流式同步回路一般適用于工作過程中負(fù)載變化不大的工況。

2.3.1 分流-集流閥同步回路

分流-集流閥能按一定比例同時(shí)向兩個(gè)執(zhí)行元件供油(分流)或回油(集流)。分流-集流閥一般按可調(diào)整方式分為固定式和可調(diào)式，其典型結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

由于分流-集流閥只能分兩條支路，因此只適用于兩個(gè)執(zhí)行元件的同步回路。分流-集流閥同步回路如圖5所示。

圖5中，油泵的壓力油經(jīng)過換向閥1由分集流閥2將液壓油均分為兩路分別進(jìn)入油缸3和油缸4的無桿腔。由于分流-集流閥存在較大的壓力損失，效率較低，不適用于低壓系統(tǒng)，而且其流量范圍較窄，當(dāng)流量低于閥的公稱流量時(shí)，分流精度顯著降低。

2.3.2 調(diào)速閥同步回路

調(diào)速閥是由作為二通壓力補(bǔ)償器的定差減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)構(gòu)成，其只能在單方向起到穩(wěn)定流量的作用。典型的橋式整流調(diào)速閥同步回路如圖6所示。

圖6中，4個(gè)單向閥2和調(diào)速閥3組成橋式調(diào)速閥，這樣兩個(gè)油缸4在伸出和縮回時(shí)都可進(jìn)行調(diào)速同步控制。由于調(diào)速閥具有流量穩(wěn)定的特性，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，其速度不會(huì)發(fā)生很大變化，但在過渡過程中可能產(chǎn)生正負(fù)幾個(gè)百分點(diǎn)的控制誤差。

另外，在開環(huán)液壓同步控制回路中，每次循環(huán)的終點(diǎn)都需要進(jìn)行誤差修正，以消除各執(zhí)行元件間的誤差，否則同步誤差將會(huì)累積。

3 閉環(huán)同步控制系統(tǒng)

與開環(huán)同步控制系統(tǒng)不同，閉環(huán)同步控制系統(tǒng)是在執(zhí)行元件動(dòng)作的過程中對執(zhí)行元件的速度、位移和流量等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和比較，從而不間斷地修正同步誤差。根據(jù)控制元件的不同，閉環(huán)同步控制系統(tǒng)大致分為泵控式和閥控式兩種；根據(jù)控制策略的不同又可分為并行控制和主從控制兩種。

1-換向閥;2-分集流閥; 1-換向閥;2-單向閥;3，4-油缸 3-調(diào)速閥;4-油缸

3.1 并行式同步控制

并行式同步控制是指液壓系統(tǒng)中多個(gè)執(zhí)行元件將各自采集到的信號通過反饋元件進(jìn)行反饋，并與一個(gè)理想的設(shè)定值進(jìn)行比較跟蹤輸出，從而實(shí)現(xiàn)同步控制的一種方式，其控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 并行式同步控制系統(tǒng)框圖

并行控制方式也稱同等控制，其特點(diǎn)是每個(gè)被控對象是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，控制算法簡單，同步控制精度相對較低。并行式同步回路分為泵控同步回路和閥控同步回路兩種。泵控回路中，根據(jù)每個(gè)執(zhí)行元件輸出的反饋值同時(shí)調(diào)節(jié)各支路的控制泵，所以每一支路都需要可調(diào)的變量泵，因而系統(tǒng)的造價(jià)較高。閥控回路中，通過調(diào)節(jié)各支路中的控制閥來保證各回路間的同步。使用比例換向閥的并行式同步回路如圖8所示。

1-比例換向閥;2-油缸

圖8中，油泵的壓力油經(jīng)過比例換向閥1進(jìn)入油缸2，在兩個(gè)油缸運(yùn)行過程中，反饋元件將油缸輸出信號r傳遞給各自的比較器，并與理想信號y進(jìn)行比較，得到實(shí)際與理想的偏差值e，從而根據(jù)偏差值來控制各自的比例換向閥，使兩油缸跟隨理論值，從而達(dá)到兩油缸同步的目的。

3.2 主從式同步控制

主從式同步控制是指設(shè)定一個(gè)執(zhí)行元件的輸出為目標(biāo)值，經(jīng)過反饋比較，然后控制其他執(zhí)行元件跟蹤這一輸出并達(dá)到同步的效果，其控制系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 主從式同步控制系統(tǒng)框圖

主從控制方式也稱跟蹤控制，該控制相比于并行控制要少一套控制元件，成本更低。其誤差取決于從動(dòng)側(cè)的跟蹤誤差，同步控制精度相對較高，適用于負(fù)載變化不大的場合。主從式同步回路也分為泵控同步回路和閥控同步回路兩種。圖10為使用比例換向閥控制的主從式同步回路。在這種回路中，主動(dòng)側(cè)只需要普通的電磁換向閥，從動(dòng)側(cè)將輸出信號與主動(dòng)側(cè)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)從動(dòng)側(cè)的比例閥，達(dá)到同步的目的。

1-電磁換向閥;2-油缸;3-比例換向閥

圖10中，油泵的壓力油分別經(jīng)過電磁換向閥1和比例換向閥3進(jìn)入油缸2。兩個(gè)油缸在運(yùn)行過程中，從動(dòng)側(cè)油缸將輸出信號y與主動(dòng)側(cè)輸出信號x進(jìn)行比較，得到偏差值exy，從動(dòng)側(cè)根據(jù)偏差值來控制比例換向閥，使從動(dòng)側(cè)油缸跟隨主動(dòng)側(cè)油缸，從而達(dá)到兩油缸同步的目的。

閉環(huán)同步控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，但是同步控制精度非常高，誤差一般小于0.5%，所以閉環(huán)同步控制在許多高精度同步控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文首先對液壓同步系統(tǒng)的精度進(jìn)行了定義，然后對常見的各種液壓同步系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并總結(jié)了各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場合：

(1) 開環(huán)控制的液壓同步系統(tǒng)完全依靠液壓控制元件本身的精度來控制執(zhí)行元件的同步，精度不高，但成本低；閉環(huán)控制的液壓系統(tǒng)對執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測和反饋來構(gòu)成閉環(huán)控制，系統(tǒng)組成復(fù)雜、造價(jià)高，但可獲得很高的同步精度。

(2) 機(jī)械式同步回路結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，適用于各執(zhí)行元件間跨距不大、負(fù)載差別不大而且對同步精度要求不高的場合。

(3) 容積式同步回路相比于節(jié)流式同步回路具有更高精度。容積式同步回路的同步精度主要取決于同步控制元件的容積效率，而節(jié)流式同步回路受負(fù)載變化影響較大，而且存在較大的壓力損失，不適用于低壓系統(tǒng)。

(4) 主從式同步回路相比于并行式同步回路，其成本相對較低，同步控制精度較高，但控制算法相對較復(fù)雜，兩者均適用于負(fù)載變化不大的場合。

綜上所述，在設(shè)計(jì)液壓同步回路時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合要求，制定合理、經(jīng)濟(jì)而且實(shí)用的設(shè)計(jì)方案。有必要時(shí)，還可以把幾種同步回路混合使用，以提高同步精度。