墻板翻轉裝置多缸液壓同步系統優化改進

鄭 然，張一琦，丁 瑤，于 宇

(蚌埠凱盛工程技術有限公司，蚌埠 233010)

裝配式墻板建筑技術作為一種新型的建筑方式，因其具有施工機械化程度高、工期短、現場用工少、濕作業少、受季節影響小等優點，已在國外建筑制造中得到廣泛的應用，是一種具有廣泛應用前景的新型建筑技術。

墻板翻轉裝置作為裝配式垂直墻板生產線上的主要設備之一，需要實現對不同規格的工件進行翻轉作業。翻轉時支撐工件的框架為整體式鋼框架結構，為了適應不同規格的工件，翻轉框架長度尺寸超過8 m。由于工作負載高達數噸，若采用電機驅動，需要較大功率，而液壓傳動可以輸出較大推力及轉矩，且力矩慣量比大，調速范圍寬，更易實現低速大噸位的運動，因此墻板翻轉裝置采用液壓傳動系統來實現框架的翻轉。當工件輸送到翻轉裝置后，均布在翻轉框架上的多個液壓缸帶動翻轉框架及其上工件繞轉軸進行旋轉，為了實現工件的翻轉，框架最大翻轉角度超過90度。在翻轉過程中必須保證多個液壓缸的同步性，否則無法正常完成翻轉動作，甚至造成設備變形損壞，無法正常工作。

1 多缸同步方案分析及驗證

1.1 增加翻轉框架剛性方案

為了實現工件翻轉過程的多液壓缸同步性，我們在設備制造時，首先考慮提高翻轉框架的剛性來保證翻轉過程的同步性——即采用機械剛性同步法，通過將被驅動件制造成具有足夠剛度的結構，使其依靠自身較大的剛度來平衡多個液壓缸可能產生的不同步。

對于墻板翻轉裝置而言，整體式翻轉框架尺寸達到8 m多，總重量為750 kg左右。若提高翻轉框架的剛性，需要增大框架材料厚度或者選擇更大規格的材料來制作。在對框架制作進行工藝分析時，發現對于本設備的框架結構，增加材質厚度對框架的整體剛性提升不大，而采用更大規格材料制作的話，整個框架剛性增大效益也遠遠小于框架重量的增加成本，這樣不僅增加了框架的加工成本，也需要重新選擇更大承載能力的液壓缸來進行翻轉動作，與設計要求產生偏差，因而對于墻板翻轉設備而言，不易采用增加框架剛性的方式提高翻轉同步性。

1.2 液壓系統同步方案

經過上述分析，筆者確定選擇通過液壓系統自身來實現多個液壓缸的同步工作，保證設備平穩安全運行。為了實現多缸同步性能，液壓系統回路上主要有以下幾種實現方式：

方案一：節流調速同步

節流閥調節法原理示意圖如圖1所示，使用分流節流的方式，分別對各個液壓缸的進出口的流量進行調整，達到調整各液壓缸速度的目的，最終實現系統同步。特點是價格低廉，安裝調整方便，流量范圍大，由于管路長度差異、油缸加工精度差異及負載一致性等差異，節流閥調速同步精度不高，正常同步精度只能達到5%～10%。

對于墻板翻轉設備，工件規格尺寸繁多，不同規格工件放置位置也不一樣，工作負載偏載現象嚴重，若使用節流調節同步，在每一種規格時都需要重新對液壓缸出入口處節流閥進行同步調節，無法滿足實際的生產要求。

方案二：液壓伺服同步

假軸車輛一般是指在車輛原軸型的基礎上自行加裝車軸(一般為1組)的車輛。通常假軸車輛在行駛到收費站時，司機會將事先安裝好的帶有液壓裝置的假軸放下，以增加車輛的軸數和提高限載質量上限，從而通過稱重設備的檢測。這種行為會對高速公路的路基造成嚴重損害，增加高速公路運營及養護成本,且甄別難度很大，采用人工的方式甄別不僅費時費力，而且無法實現實時甄別。因此，對假軸車輛進行自動判別是收費稽查工作的重點和難點。

液壓伺服同步調節原理示意圖如圖2所示，采用伺服閥及位移傳感器組成一個閉合回路，體積小，結構緊湊，采用電腦程序控制，高速響應，動態調整，抗偏載能力強。通常同步精度可以控制在0.01%～0.5%。

此液壓伺服系統結構復雜，裝配調試困難，需要電氣工程師配合，如果在調試過程中增添及更換元件，操作難度大，生產使用中維護保養困難。并且關鍵部件依賴進口，價格極高，周期久，對于墻板翻轉裝置而言，設備翻轉同步精度要求不是特別嚴苛，使用伺服同步系統過大地增加了產品成本。

方案三：液壓同步馬達

液壓同步馬達同步原理如圖3所示，同步馬達又叫分流馬達或者液壓同步器，主要分為齒輪式同步馬達和柱塞式同步馬達，其中齒輪式可以達到5%以下的同步精度，柱塞式的同步精度可達到0.5%。液壓馬達同步性能好，抗偏載能力強，抗污染能力強，適用于中低壓情況，但是體積大，價格相對較高，尤其是柱塞式同步馬達，成本極高。

液壓同步馬達結構如圖4所示，在液壓同步馬達內部的每一條油路上，都有一個液壓溢流閥3.1 與單向閥3.2組成的閥組，當由于液壓缸加工精度、負載均勻度、液壓管路布置等因素造成各個液壓缸出現不同步運動時，溢流閥與單向閥組成的閥組將對各個出口進行流量調控，消除積累誤差，保證各路流量的均等，同步液壓馬達就是通過強制性的向各個出口分配相等的流量，保證液壓缸得到的進油相等，從而達到同步效果。

綜合考慮以上3種方案：

1)在生產制造成本方面伺服同步系統的價格遠遠大于其余兩種方式。

2)生產使用同步精度要求方面，實際生產時對同步性能的要求并非十分苛刻，只要滿足翻轉功能即可，若使用伺服同步系統，同步精度過高，比較浪費。而節流調速同步無法滿足多規格工件翻轉使用要求。

通過上述分析，最終確認采用方案三的液壓同步馬達同步方案，價格適中并且同步精度可以達到設備生產使用性能要求。

按照最終確認的液壓同步馬達同步方案進行了液壓系統設備制造，并在墻板翻轉設備裝配后對設備進行了多缸同步性能的分步驗證。

1)在設備裝配后，不連接翻轉框架，對各油缸進行了伸出及收回尺寸測試。

表1 不連接翻轉框架下對油缸的伸出及收回尺寸測試

2)將各液壓缸與翻轉框架連接，在不帶工件的情況下，對各油缸進行了伸出及收回尺寸測試。

表2 不帶工件的情況下對油缸進行伸出及收回尺寸測試

3)對翻轉設備進行帶載測試(使用350 kg工件，居中放置)，對各油缸進行了伸出及收回尺寸測試。

表3 對翻轉設備進行帶載測試(使用350 kg工件，居中放置)

4)對翻轉設備進行帶載測試(使用700 kg工件，偏載放置)，對各油缸進行了伸出及收回尺寸測試。

表4 對翻轉設備進行帶載測試(使用700 kg工件，偏載放置)

由上述調試記錄可以看出，在不同負載工況下，使用液壓同步馬達同步系統保持了較好的同步性能，同步精度均在3%以下，完全滿足墻板翻轉裝置使用性能要求。

2 翻轉穩定性分析及改進

為確保框架翻轉后的穩定性，液壓缸均配有液壓鎖實現保壓，但在設備調試過程中，我們發現當翻轉角度達到90度左右時，翻轉框架在運動過程中出現斷續的現象，整個框架有抖動與沖擊現象產生，并產生較大噪音。反復測試后，均無法避免該現象，若長此以往必將對設備造成損傷。

經過分析，當框架經過重心平衡點時，翻轉液壓缸推力拉力變化，液壓鎖的一側產生真空，液壓鎖的單向閥門關閉，活塞桿停止運動，在繼續供油后，工作腔壓力上升后再打開單向閥門，如此反復，使得液壓系統產生抖動現象。

筆者考慮使用液壓雙向平衡閥來替換系統中的液壓鎖，平衡閥是根據負載的大小(壓力)來決定開口的大小(開口流量)，平衡閥會在工作回路中建立一定的背壓，當產生負扭矩情況時，使得液壓缸或者液壓馬達不會在自重下滑的過程中產生負壓，因此不會發生液壓鎖那樣的沖擊與振動，可以進一步提高系統的穩定性。改進后的液壓系統原理如圖5所示。

3 結 論

墻板翻轉裝置是墻板生產線的主要設備之一，通過對其液壓同步系統分析驗證，及后續調試對其穩定性能的改進，有效地提升了設備穩定性及可靠性。