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，比較開環同步和閉環同步等方法的優缺點，實現多同步方式的綜合應用，從高性價比的角度提出小型系統多缸同步可行方案。

關鍵詞：多缸同步；半閉環控制；抗衡閥；自調同步閥

目前隨著控制理論和和微電子技術的突飛猛進，神經網絡自適應算法、相關學習算法、比例積分算法和模糊控制器在大型液壓同步系統中得以充分應用，但是對于控制精度要求不高和預算緊張的中小型液壓系統，機械同步結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構的損耗也相當可關。尤其在其中一個執行器卡死的情況下，強制連接的機械結構可能受到液壓執行器的作用力F=Pmax·S，在系統安全閥未動作的瞬間，機械系統所承受破壞力甚至可達到液壓系統崩潰前的最大輸出。我廠就出現過鋼結構桁架變形達結構尺寸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行元件。本文結合本廠實際應用情況對幾種典型的液壓同步回路應用進行分析和探討。

2.1.節流同步回路和自平衡同步回路

2.1.1節流調速同步系統是流量控制的基本手段，該系統廣泛應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流同步系統，原理見圖2。然而由于單向節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，而且節流閥開度確定后，當系統工況改變時其同步效果改變。

2.1.2由于節流閥一旦調整完畢執行器速度就被確定，而我廠液壓設備的負載是變化的，為了對系統進行負載控制，故我廠在公共油路上設置了平衡閥，系統同時應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行器都很遠，故負載控制效果滯后，同步效果有限。

2.2.串聯缸同步回路

我廠使用液壓設備對同步精度要求最高、負載工況最復雜的是一對雙齒條式180℃回轉擺動缸，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（擺動缸本身雙缸串聯，再將成對擺動缸串聯）。

然而這種方法帶來很多問題：

2.2.1串聯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，無法滿足系統功率要求；

2.2.2油缸及系統的內泄漏問題導致油缸同步不可靠，響應也比較慢；

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

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。該回路采用相同結構和相同排量的液壓馬達作為等流量分流元件，調速閥、單向閥和多個溢流閥調整支路流量和壓力，其同步精度比節流控制更高，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常使用，雙齒條擺動缸的結構形式特殊（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，分流集流閥結構簡單，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，對同步系統起到重要的作用（保證系統穩定運行、改善其動態品質、降低其噪聲和提高其壽命等），故我廠在系統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流量變化頻率和幅度、執行器同步和響應精度、壓力變化區間、油液流向變化頻率及沖擊性質等計算出來的。

3.結束語

綜上所述，本廠工況最復雜、同步精度要求最高的液壓系統使用的是機械同步+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行器出現磨損。而分集流閥同步是最常用的主動同步，尤其自調式同步閥同步效果相當明顯，當然其對負載荷的響應就不那么及時了。因此，可調平衡閥對負載控制比較有優勢，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。同步回路的經典應用還有很多種方案，但上述的半閉環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，而且應用該方案的若干系統已正常投入使用。

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