液壓同步系統分析與應用

葉玉全，胡江平，張 鑫，陳 波

(1.湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208；2.三一重工 泵送事業部，湖南 長沙 410100)

0 引言

現代工業生產領域中，液壓同步控制技術是一項非常重要的工業技術。由于設備負載力很大或布局的關系，有時需要使用兩個或兩個以上的液壓缸或液壓馬達同時驅動一個工作部件，而且要求不管負載如何變化，多個執行元件都能以相同的位移或相同的速度運動。但由于執行元件存在負載不均衡、泄漏量不同、摩擦阻力不同和制造誤差等原因，將導致多個執行元件在工作過程中產生不同步的現象，從而影響機械設備的工作效果，因此，液壓同步控制技術顯得尤為重要[1，2]。液壓同步技術在液壓折彎機，垃圾壓縮中轉站的舉升設備，預制件生產線中模臺側翻、舉升以及一些升降機設備中都有著廣泛的應用。

1 液壓同步精度的描述

在業界內，通常用液壓同步精度來描述同步系統的好與壞。所謂同步精度是指多個執行元件之間運動速度和位移的誤差程度，其中，位置同步是指各執行元件在運動中或停止時的各個瞬間都保持相同的位移量；速度同步是指多個執行元件在運動過程中的各瞬間速度保持一致或成一定比例。當各執行元件在同時間并以相同速度運行時，速度同步和位移同步是一致的，由此可見，位置同步其實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的同步精度，一般可用同步誤差率δ來表示，其表達式如下[3]：

(1)

其中:QA為A執行元件流量；QB為B執行元件流量。

在工程實踐中，絕大多數工況都是位置同步。

在具有液壓同步控制系統的機械設備中，若液壓系統的同步精度達不到設計要求，則該機械設備就不能保證良好的工作性能，甚至成為不合格的機械設備。因此，在設計液壓同步控制系統時，最重要的就是保證液壓同步精度達到要求。液壓同步控制系統按輸出量是否進行反饋可分為開環液壓同步控制系統和閉環液壓同步控制系統[4，5]。

2 開環液壓同步控制系統

開環液壓同步控制系統由于沒有反饋系統，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。開環液壓同步回路分為機械式、容積式和流量式，回路一般結構簡單、費用較低。

2.1 機械式同步回路

機械式同步回路是采用剛性梁或齒輪齒條等機械零件，使兩個液壓缸的活塞桿間建立起剛性的運動關系來實現位移的同步，其回路如圖1所示。

油泵的壓力油經過換向閥1同時進入油缸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，導向套4的作用主要是導向，防止卡死。這種同步方式是在機械結構上使兩油缸同步，其同步精度與連接件的剛度有關，一般適用于各執行元件之間的跨距不大、負載差別不大，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行元件的液壓油的容積與執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外泄漏量。

2.2.1 多泵同步回路

多泵同步回路是用多個相同排量的液壓泵同軸串聯，在相同轉速下實現同步運行。這種同步回路要求每個液壓泵單獨控制一個執行元件，每個泵到執行元件都形成一個完整的回路，在行程終點消除累積誤差，每路換向閥可單獨動作。多泵同步回路如圖2所示。

圖2中，兩個油泵同軸連在電機1上，兩個油泵的壓力油分別通過兩個換向閥進入執行元件油缸，同時兩個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的小，而且從泵到執行元件所經過的回路元件比同步馬達到執行元件多，因此多泵同步回路的泄漏量相比同步馬達回路的大，其同步精度比同步馬達回路稍差。

1-換向閥;2，3-油缸; 1-電動機;2-溢流閥;3-換向閥; 4-導向套;5-剛性梁 4-油缸;5-油泵

2.2.2 分流馬達同步回路

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

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

為保證分流同步馬達在工作過程中不產生“憋壓”和“吸空”現象，需要在出口配置限壓和補油控制元件。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運動到位或卡死時出現“憋壓”而導致壓力無限增大的情況，從而保證回路中即使有一個執行元件提前運動到位或卡死時，其他執行元件仍然可以正常運動到位。溢流閥5的設定壓力值一般高于系統設定壓力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，運行速度最快的液壓缸運行到位后液壓馬達3不會發生吸空的現象。單向閥4的開啟壓力一般設為0.1 MPa，單向閥7的開啟壓力一般設為0.5 MPa，這樣，在液壓缸6縮回的過程中，就能保證每個液壓馬達3的進油口能維持一個大約0.4 MPa的壓力。

(3) 單向節流閥2的作用是在液壓缸6回程中，防止分流馬達按照最快的執行元件的速度來運行導致其他執行元件沒能及時跟上而吸空，譬如當執行元件在回程中存在負載時，回路中就需要這樣一個閥來穩定其速度。

齒輪同步馬達和柱塞同步馬達是最常見的兩種同步馬達。由于這兩種結構形式的同步馬達在低速時容易產生爬行和內泄漏，因此在系統設計及選型時，要保證同步馬達的轉速不低于1 000 r/min。齒輪同步馬達的同步誤差一般在(±1.5～±2.5)%，柱塞同步馬達的同步誤差一般在±1%以下。

2.3 節流式同步回路

節流式同步回路是利用壓力補償的原理來控制通過每路節流閥的流量不受負載的影響，從而達到同步的目的。壓力補償一般應用于穩態工況，在負載變化的瞬態過程中各路流量是不相等的，而且由于有節流孔的存在，節流閥都有壓力損失，因此節流式同步回路一般適用于工作過程中負載變化不大的工況。

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向兩個執行元件供油(分流)或回油(集流)。分流-集流閥一般按可調整方式分為固定式和可調式，其典型結構原理圖如圖4所示。

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

圖5中，油泵的壓力油經過換向閥1由分集流閥2將液壓油均分為兩路分別進入油缸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，而且其流量范圍較窄，當流量低于閥的公稱流量時，分流精度顯著降低。

2.3.2 調速閥同步回路

調速閥是由作為二通壓力補償器的定差減壓閥和節流閥串聯構成，其只能在單方向起到穩定流量的作用。典型的橋式整流調速閥同步回路如圖6所示。

圖6中，4個單向閥2和調速閥3組成橋式調速閥，這樣兩個油缸4在伸出和縮回時都可進行調速同步控制。由于調速閥具有流量穩定的特性，因此當負載發生變化時，其速度不會發生很大變化，但在過渡過程中可能產生正負幾個百分點的控制誤差。

另外，在開環液壓同步控制回路中，每次循環的終點都需要進行誤差修正，以消除各執行元件間的誤差，否則同步誤差將會累積。

3 閉環同步控制系統

與開環同步控制系統不同，閉環同步控制系統是在執行元件動作的過程中對執行元件的速度、位移和流量等信號進行實時反饋和比較，從而不間斷地修正同步誤差。根據控制元件的不同，閉環同步控制系統大致分為泵控式和閥控式兩種；根據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中多個執行元件將各自采集到的信號通過反饋元件進行反饋，并與一個理想的設定值進行比較跟蹤輸出，從而實現同步控制的一種方式，其控制系統框圖如圖7所示。

圖7 并行式同步控制系統框圖

并行控制方式也稱同等控制，其特點是每個被控對象是一個獨立的系統，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，根據每個執行元件輸出的反饋值同時調節各支路的控制泵，所以每一支路都需要可調的變量泵，因而系統的造價較高。閥控回路中，通過調節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，油泵的壓力油經過比例換向閥1進入油缸2，在兩個油缸運行過程中，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進行比較，得到實際與理想的偏差值e，從而根據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定一個執行元件的輸出為目標值，經過反饋比較，然后控制其他執行元件跟蹤這一輸出并達到同步的效果，其控制系統框圖如圖9所示。

圖9 主從式同步控制系統框圖

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。其誤差取決于從動側的跟蹤誤差，同步控制精度相對較高，適用于負載變化不大的場合。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，主動側只需要普通的電磁換向閥，從動側將輸出信號與主動側進行比較，從而調節從動側的比例閥，達到同步的目的。

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過電磁換向閥1和比例換向閥3進入油缸2。兩個油缸在運行過程中，從動側油缸將輸出信號y與主動側輸出信號x進行比較，得到偏差值exy，從動側根據偏差值來控制比例換向閥，使從動側油缸跟隨主動側油缸，從而達到兩油缸同步的目的。

閉環同步控制系統比較復雜，成本較高，但是同步控制精度非常高，誤差一般小于0.5%，所以閉環同步控制在許多高精度同步控制領域得到了廣泛的應用。

4 結語

本文首先對液壓同步系統的精度進行了定義，然后對常見的各種液壓同步系統進行了分析，并總結了各自的特點和應用場合：

(1) 開環控制的液壓同步系統完全依靠液壓控制元件本身的精度來控制執行元件的同步，精度不高，但成本低；閉環控制的液壓系統對執行元件的輸出進行檢測和反饋來構成閉環控制，系統組成復雜、造價高，但可獲得很高的同步精度。

(2) 機械式同步回路結構簡單、造價低，適用于各執行元件間跨距不大、負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，而節流式同步回路受負載變化影響較大，而且存在較大的壓力損失，不適用于低壓系統。

(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雜，兩者均適用于負載變化不大的場合。

綜上所述，在設計液壓同步回路時，應根據應用場合要求，制定合理、經濟而且實用的設計方案。有必要時，還可以把幾種同步回路混合使用，以提高同步精度。