機(jī)械液壓同步回路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

黃忠華，溫玉倩

（廣東皓耘科技有限公司，佛山 528313）

1 前言

在機(jī)械學(xué)中，同步運(yùn)動(dòng)是指機(jī)械設(shè)備中的兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)機(jī)件，如轉(zhuǎn)軸、液壓油缸、液壓馬達(dá)等的輸出軸等具有相同的轉(zhuǎn)速、速度、位移、加速度等，其中最重要的同步標(biāo)志即位移（含角位移）相同、速度（含旋轉(zhuǎn)角速度）相同狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)或具備之一條件即速度同步或位移同步或位置同步狀態(tài)下完成它們工作過(guò)程。

機(jī)械傳動(dòng)最大特點(diǎn)之一，是有可靠確定的傳動(dòng)比，因而容易獲得同步傳動(dòng)，加之機(jī)械修正補(bǔ)償也可以獲得較高同步精度。但是機(jī)械傳力不易傳遞巨力或高力矩，同時(shí)不能無(wú)級(jí)變速。液壓傳動(dòng)是同步傳動(dòng)比較常用的方式。結(jié)合機(jī)械和液壓的各自優(yōu)點(diǎn)，采用液壓傳動(dòng)的設(shè)備常常采用機(jī)械液壓同步實(shí)現(xiàn)設(shè)備中機(jī)構(gòu)的大跨距或者特大負(fù)載的動(dòng)作。

2 機(jī)械液壓同步回路

機(jī)械液壓同步回路，就是機(jī)械構(gòu)件連接或機(jī)械方式限制，或機(jī)械構(gòu)件傳動(dòng)關(guān)系，使兩個(gè)或兩個(gè)以上的液壓執(zhí)行器如液壓缸同步運(yùn)動(dòng)。

液壓同步回路的同步精度取決于整機(jī)尤其是連接部分與接觸部分的剛性或者機(jī)械傳動(dòng)的精度，液壓尤其活塞桿及其組件剛度。筆者翻閱資料文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)如此常用的機(jī)械液壓同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，極少有量化分析計(jì)算而僅有一些定性分析論述，為了給后續(xù)設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)（剛度的安全系數(shù)過(guò)大）提供依據(jù)，本文著重定量分析此問(wèn)題。

3 機(jī)械液壓同步受力分析

常用的液壓機(jī)械同步機(jī)構(gòu)一般是兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間安裝油缸連接。如圖1 所示是常見(jiàn)機(jī)械液壓同步常見(jiàn)結(jié)構(gòu)之一。兩個(gè)油缸安裝在橫梁1 和橫梁2 之間，油缸的伸縮主要是為了實(shí)現(xiàn)橫梁1 和橫梁2 的相對(duì)位置變化，當(dāng)油缸1/2 伸出時(shí)橫梁2 在油缸的作用下下降，反之油缸縮回橫梁2 上升。

圖1 常見(jiàn)結(jié)構(gòu)

但是實(shí)際中，考慮到橫梁的密度不可能絕對(duì)均勻一致，油缸的內(nèi)靜/動(dòng)摩擦不可能完全一致等。根據(jù)液壓的相關(guān)理論可知，當(dāng)作用在油缸綜合負(fù)載較輕，則該油缸優(yōu)先動(dòng)作。當(dāng)其中一個(gè)油缸動(dòng)作后，兩油缸則出現(xiàn)不同步情況，且機(jī)架等作用在油缸上的力也發(fā)生變化進(jìn)而影響后續(xù)油缸的伸出情況。下述將對(duì)此進(jìn)行分析。

如圖2 所示，機(jī)械液壓同步的兩個(gè)油缸由一個(gè)閥同時(shí)控制，為了防止油缸伸出時(shí)因自重過(guò)快下降導(dǎo)致吸空，在有桿腔的回路增加了阻尼作為背壓使用，原理相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖2 原理圖和受力分析

因液壓閥與兩油缸的連接無(wú)流量控制閥等液壓調(diào)節(jié)控制元件，假設(shè)圖2 中的右側(cè)油缸綜合負(fù)載較輕，則當(dāng)液壓閥處于右側(cè)位置時(shí)油缸伸出會(huì)發(fā)生右側(cè)油缸首先伸出。假設(shè)右側(cè)油缸多伸出Δh 后，兩油缸連接的機(jī)架發(fā)生如圖2 所示的彈性變形之后并勻速運(yùn)動(dòng)后，對(duì)兩油缸的活塞桿進(jìn)行受力分析如圖2 所示，其中主要區(qū)別是機(jī)架彈性變形后對(duì)油缸的作用力方向有所不同，對(duì)右側(cè)油缸力的方向?yàn)榕c運(yùn)動(dòng)方向相反，對(duì)左側(cè)油缸力的方向?yàn)榕c運(yùn)動(dòng)方向相同。因?yàn)闄C(jī)架也同時(shí)處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)機(jī)架受力分析可得機(jī)架對(duì)兩油缸的力大小一致，力的大小與機(jī)架的彈性剛度和變形量有關(guān)。

由上述的受力分析可得，兩油缸的最終穩(wěn)定狀態(tài)下的行程誤差Δh 主要與作用在兩油缸上的偏載力、機(jī)架的剛度值有關(guān)。

下述將通過(guò)有限元軟件分析圖1 中支架的彈性剛度值。

根據(jù)圖1 的機(jī)械液壓同步結(jié)構(gòu)模型，首先建立如圖3所示的簡(jiǎn)化模型，并利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析。

圖3 有限元分析模型

如圖3 所示，對(duì)右側(cè)油缸活塞桿施加固定約束，并對(duì)左側(cè)油缸活塞桿施加10kN 的拉力，分析可得左側(cè)油缸Y 軸方向位移量為34.8mm，即該結(jié)構(gòu)的剛度為287 N/mm。

雖然液壓機(jī)械同步結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)形式各有差異，但是主體結(jié)構(gòu)基本一致。本文暫認(rèn)定該類型的結(jié)構(gòu)剛度數(shù)量級(jí)基本一致，下述將單獨(dú)分析剛度變化和偏載值大小對(duì)油缸同步誤差的影響。

4 機(jī)架剛度對(duì)同步精度的影響

根據(jù)圖2 的液壓原理圖，利用液壓仿真軟件建立如圖4 所示的仿真模型。其中右側(cè)油缸上方的彈簧模擬機(jī)架的整體彈性剛度。

圖4 液壓系統(tǒng)仿真模型

其中仿真模型的參數(shù)主要分為兩部分，一部分是參考實(shí)際情況設(shè)定后不再變化，如表1 所示。另一部分則是上文受力分析中得出的對(duì)同步精度起主要影響的偏載和彈簧剛度。在仿真模型中按照表1 設(shè)定好參數(shù)后，再采用批處理研究按照表2 中的序號(hào)1、2 分別研究這兩個(gè)參數(shù)的定量影響。

表1 仿真模型中主要參數(shù)（一致部分）

表2 仿真模型中研究的參數(shù)

仿真結(jié)果如圖5、圖6 和表3、表4 所示，（1）在機(jī)架在常規(guī)剛度287N/mm 下，油缸2 施加最大200kg 的質(zhì)量，即最大偏載150kg 時(shí)，兩油缸最大行程誤差為3.67mm；（2）在油缸2 施加100kg 質(zhì)量，機(jī)架剛度100N/mm 時(shí)，兩油缸最大行程誤差為4.47mm。

表3 不同偏載下的同步誤差

圖6 不同剛度的同步曲線

表4 不同剛度下的同步誤差

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械液壓同步的油缸可以實(shí)現(xiàn)1～3mm的同步控制精度，但是實(shí)際應(yīng)用中卻并不容易達(dá)到。主要原因是本文把油缸與橫梁的連接簡(jiǎn)化成了剛性體，而實(shí)際中主要采用的是插銷連接軸孔配合結(jié)構(gòu)（如圖1 所示）。實(shí)際動(dòng)作時(shí)，兩油缸要產(chǎn)生伸縮誤差后才能消除該類間隙與橫梁剛性連接到一起。所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮該類影響因素。