不同基座及負載下的雙油缸同步控制

潘良高，黃 婧

● （1. 海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，江蘇 南京 210003; 2. 鎮江船舶輔機廠，江蘇 鎮江 212006）

不同基座及負載下的雙油缸同步控制

潘良高1，黃 婧2

● （1. 海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，江蘇 南京 210003; 2. 鎮江船舶輔機廠，江蘇 鎮江 212006）

在機械系統中，對于不同機座及不同負載下的雙油缸需要進行同步控制，以保證負載移動的同步性。通過對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；不同負載；同步運行

0 引言

不同基座情況下的雙油缸同步運行在現代機械設計中常常會出現。 通過兩個或兩個以上油缸進行運動，如果不采取任何措施控制的話，在各液壓元器件的負載、效率等各類外因作用下會出現壓力不同和流量不同的結果，具有最低壓力要求的液壓油缸先行動作，直到其運行到行程終點或遇到更大負載時，才會驅動下一個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作，直到所有動作結束。這種工作模式不是我們希望的。本文對不同基座和負載下的雙油缸同步運行進行了一些探討。

1 問題提出

上海船舶設計研究院為交通運輸部上海打撈局進行氦氧飽和潛水工程作業而專門研究設計的 300m 飽和潛水作業支持船舶，簡稱深潛水工作母船，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。武昌造船廠委托鎮江船舶輔機廠作為該船配套設計和生產救生設備。

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，在經過各類方案比較后，最終鎮江船舶輔機廠設計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全封閉救生艇，這就要求配備的救生艇架也是雙吊點形式，需要利用兩個油缸進行倒出運動，即存在基座不同的現象。同時由于救生艇的布置原因(鑒于一般是救生艇的尾部布置發動機和操作系統，尾部重量遠遠大于首部重量)，兩個吊點的起吊的重量是不同的，即首尾負載也不同。

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

本文試圖通過不同的設計方法對不同基座和負載下的雙油缸同步運行進行一些探討。

2 方案選擇和比較

不同基座和負載下的雙油缸同步運行設計一般有以下幾種方式。

1）剛性連接法。采取機械的方法，利用機械式的剛性方式將需要運行的結構進行連接。當油缸動作時出現不同步的情況時，剛性體可通過“硬拖硬拽”的方法獲得同步。該方式需要剛性連接體具備一定的強度和剛度，同步精度比較差，由于需要進行剛性連接，也需要比較大的空間要求。

2）利用液壓伺服系統，油缸帶反饋系統。利用液壓伺服系統，油缸帶反饋系統，可以很方便地實現位置控制、速度控制和力的控制，缺點是系統復雜，對液壓元件有特殊要求，生產成本很高。

3）采取分流馬達技術。利用分流馬達技術解決不同基座、不同負載情況下雙油缸同步運行，可以實現對油缸的同步控制。

對上述三種方式的效果和費用進行對比，結果見表1。由表可以看出，采取分流馬達的方式在不增加很多成本的前提下，能有效提高兩個吊點的倒出同步性，因此，本產品設計采用節流分流馬達技術。

表1 三種同步方式的效果和費用比較

3 分流馬達技術設計

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，分流馬達是由兩個等排量的液壓馬達同軸連接，輸出相同流量的油分別供給兩個有效工作面積相等的液壓油缸，實現油缸的同步運行。

圖1 同步控制液壓原理圖

設計選型為：通過對救生艇架的設計計算，油缸在額定負載時的工作推力為70kN，油缸在額定負載時拉力為70kN，另外根據設計需要，油缸的行程為3600mm，推出時間90s，倒入時間90s。

1）油缸設計選型。初選油缸型號為125/90-3600，其中，缸徑125mm，桿徑90mm，行程3600mm，則油缸推出時的壓力為：

油缸倒入時壓力：

式中：P缸推為油缸在額定負載時推力；P缸拉為油缸在額定負載時的拉力；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。

液壓系統設計的最大壓力為19MPa，油缸選型滿足要求。

2）分流馬達計算。根據上述計算油缸工作時需要的油量。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。

分流馬達需要的流量：

3）分流馬達的選型

根據以上的計算和產品樣本（表2），選擇齒輪分流器FDRA.2025。

表2 同步分流馬達產品樣本

計算及選型對比見表3。由表可以看出，分流馬達的選型滿足要求。

表3 計算及選型參數對比

4 實際驗證

深潛水工作母船救生設備項目圖紙取得了中國船級社審圖中心的認可，2011年3月CCS船級社江蘇分社的工業產品檢驗處在鎮江船舶輔機廠組織進行型式審核時，經過反復試驗及測量，該設備的雙點油缸的同步控制在30mm之內，滿足了船級社的相關要求，產品取得了CCS船級社的型式認可。據悉該船已經于2012年7月底成功交付給船東，在產品的使用過程中，得到了船員的一致好評。

5 油缸反饋系統技術設計

油缸反饋系統工作原理見圖2。液壓油缸內部安裝有位移傳感器，該位移傳感器能檢測油缸伸出的距離并提供反饋，再通過控制系統（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量的輸出，再由比例控制多路閥調整油缸的油量輸出大小，從而調節油缸的伸出距離。詳細的同步電氣控制方框圖見圖3。

圖2 油缸反饋系統工作原理圖

圖3 同步電氣控制方框圖

在油缸反饋系統中，閥用可編程控制器（PLC）是該反饋系統中的核心技術，主要進行數據采集—原始數據的建立和比較—反饋系統—控制系統—執行系統的功能，其中數據采集由安裝在油缸內部的位移傳感器完成，將數據差進行采集。原始數據的建立和比較由PLC自帶，反饋系統也由PLC自帶，由PLC設計一個固定值，將采集值和固定值進行比較，再分析判斷兩邊油缸的伸出值是否在控制范圍內，否則需提供信號給控制系統，控制比例閥控制多路閥的開口流量，控制執行系統即油缸在同步控制范圍內。

6 油缸反饋系統驗證

浙江凱靈船廠改裝的某型號的醫療船，根據要求，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載下的雙油缸同步控制。鎮江船舶輔機廠根據任務要求，采取了利用液壓伺服系統，油缸帶反饋系統的方式。液壓系統工作原理圖見圖2，電氣控制原理方框圖見圖3。

1）油缸流量和壓力計算。通過機械設計計算，油缸最大推力為800/2=400kN（雙油缸）；設備最大功率工況時，系統壓力22MPa，最大流量101L/min。初步選擇油缸型號為HSGK220/100-2511-1346×2130：變幅時間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

經過計算，液壓系統流量和壓力設計滿足要求。

2）油缸的壓桿穩定計算。

油缸的壓桿穩定計算公式：

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，n=1；為活塞桿直徑，100mm=0.1m；L為活塞桿計算長度，L=2130mm=2.13m。計算結果為：Pk=2236.2kN。油缸最大推力F=400kN。安全系數為Pk/F=5.5。計算后的結論是油缸壓桿穩定滿足要求。

21t工作艇收放裝置已經研制完成并已經安裝完畢，所有設計均通過了試驗驗證，經檢驗，該收放裝置的油缸同步精度控制在15mm以內，達到了顧客的需要。

7 結語

利用分流馬達技術和油缸反饋系統均可以較好地解決不同基座和負載下的雙油缸同步運行問題，用戶可以根據實際需要進行選擇。

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

[2] 徐灝主編. 機械設計手冊[M]. 北京:機械工業出版社, 2003.

[3] 王兆明主編. 電氣控制與 PLC 技術[M]. 北京: 清華大學出版社, 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，高級工程師。主要從事機電監造和研究。