复合控制的液压同步系统研究.doc

复合控制的液压同步系统研究 吴百海 吴冉泉 张绍裘 吴小洪 肖体兵 摘要：本文提出了一种泵控和阀控补偿复合控制的新型同步系统，分析了阀结构、控制方法、试验等问题，该系统有高同步精度、高能量利用率等优点。 关键词：同步；阀控；补偿；正开口 1前言 多个执行机构的液压系统，几乎都有同步运行的技术要求。尤其在重载不平衡的工况下，同步要求更为突出：否则，即会引起设备性能低劣、失效，甚至会严重损坏。因此，对同步系统的设计方案、控制方法、同步性能等方面的研究有重要的技术意义。 本文根据多年的实践和试验，提出一种新型同步系统，该系统在主油路上用泵控方式获得较高同步性能的基础上，还设计了一个辅助阀控补偿系统。由于阀控补偿系统的高控制精度和快速动态响应补偿了主油路上因负载变化和不平衡以及泄漏等因素产生的同步误差，从而使系统具有高同步精度和最大功率利用系数。 2设计方案及工作原理 新系统如图1所示。在主油路(主系统)上，由泵元件分别输入相同(或成比例)的流量到缸5及缸6，即用泵控方式实现了一定精度的同步动作。同时，如改变泵元件的排量，即可改变油缸活塞速度，实现调速控制(有关泵控同步运行问题，已有论文叙述，这里不再详细介绍)。 图1 由泵源1、溢流阀2、控制阀3、单向阀 4等组成了阀控补偿系统。控制阀3可选用比例阀、电液伺服或机液伺服阀等阀件，它的两个输出口A、B分别与主系统油路相接，向油缸5、6补偿部分油液。当两缸因负载不平衡(泄漏及几何尺寸误差等因素，而出现不同步运行时，则由传感器、变换电路、比较电路等检测及比较，得出的偏差值将作为控制信号，驱动控制阀3的阀芯作微小位移(其传递路径如图上虚线所示)，此时阀口A或阀口B有液压油输入缸5或缸6，补偿两油缸的同步误差。因此，新系统是由泵控主系统和阀控辅助系统组成，是泵和阀复合控制的同步系统。 在主油路中，每个油缸能自动适应负载力的变化，是“变压式” 系统，其输出流量仅受容积效率的影响，不存在节流阀的“压力—流量特性”，故其同步精度较高。而且，无“节流效应”，它的功率利用系数最高，理论上其效率系数可达η≈1 。另外，还应注意到，由于泵的工作容积(总控制容积)大，液压固有频率低(见公式)，响应速度较低。又泵控流量增益在工作范围内近似为常数(仅由泵的变量摆角、几何参数决定)，由于泵控方式的流道简单、环节少，其泄漏系数较小，变化量亦小，泵控机构可视作线性元件。 在补偿系统中，采用阀控方式，控制容积较小，液压固有频率较高，响应性能较好。但总存在压力—流量系数的影响，即在负载的工作范围内变化时，由于阀组必然会受到节流特性限制，故非线性影响大。阀控方式还存在功率利用系数低的缺点。如在定量泵—溢流阀油源时，最大效率仅为38%。 在新系统中，辅助阀控油路正好发挥了动态响应快、补偿灵敏的优点，而主油路则有功率利用系数高，能量损失小的特点。例如，辅助补偿系统的功率设计为全系统功率的10%，该系统的功率利用系数理论上可达93.8%。可见，用泵控和辅助阀控的复合控制方式的同步系统，在提高同步精度和合理利用能源方面都是十分有效的。 3控制阀的选择与分析 (1)零开口三通阀 如图2所示，这类阀的特点是通过阀口A、B作单向补偿，即根据同步误差，由电液转换或电磁转换或机械转换，驱动阀芯位移xv，向缸5或缸6补偿液压油。其补偿流量为 图2 或 其中：Cd—流量系数；W—面积梯度； xv—阀芯位移量；ps—供油压力； p1、Q1及p2、Q2—分别为在两个主油路上的负载压力和流量。 由此可见，其补偿流量(Q1、Q2)与负载压力(p1、p2)成非线性关系。实际上，零开口阀仍有极小的遮盖量，存在较小死区，并且制造或改装较困难。 (2)正开口三通阀 如图3所示，图上u为正开口量，此时， 图3 由于补偿到主油路的流量Q1、Q2是使两油缸产生“差动效应”，所以实际补偿到主油路的流量为两阀口流量之差值，定义为ΔQ，即 当主油路两缸负载相近时，即p1≈p2，则ps-p1≈ps-p2，则有， 对比式(1)和式(6)，可知正开口阀的实际补偿流量(当xv为定植)为零开口阀的两倍。由于负载压力p1与p2经常会出现相差不大的工况，所以正开口三通阀的补偿灵敏度接近为零开口阀的两倍。又由于正开口阀的节流口的差动工作，非线性的互补作用较强，它的压力—流量特性的线性度也将比零开口阀改善许多。 (3)四通阀 可以选用零开口或正开口的四通阀作为补偿流量的控制阀，其特性与零开口或正开口的三通阀相似。但在工作时(xv≠0)，即会出现对一个油缸供油，而另一油缸泄油(返回油箱)。泄油的油缸则起“放出”能量的作用 ，故能量利用率降低。克服的方法，是对阀芯实行改装等方法，变为实质上的三通正开口或零开口阀。