几种可消除偏载影响的液压同步系统设计.pdf

2 0 1 4年 6月 第4 2卷 第 1 1 期 机床 与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 3 0 几种可消除偏载影响的液压同步系统设计 金耀 ，夏毅敏 ，兰浩 ，康辉梅 1 ．湖南师范大学工程与设计学院，湖南长沙 4 1 0 0 8 1 ； 2 ．中南大学机电工程 学院，湖南长沙 4 1 0 0 8 3 摘要针对液压同步系统在偏载工况下同步精度与载荷不均衡之间的矛盾 ，提出运动同步控制和载荷均衡调节协调控 制的思想，即在传统运动同步控制回路之外，专门设计载荷均衡调节回路调控系统压力以从根本上消除偏载影响。在此基 础上设计了基于高速开关阀控蓄能器、基于比例阀控蓄能器、基于比例溢流阀、以及基于比例减压阀这4种可消除偏载影 响的液压双缸同步举升系统，并对比分析了其结构组成和工作过程。该研究为偏载工况下实现较高同步精度的液压同步运 动提供了新思路。 关键词液压同步系统；偏载；同步精度；载荷均衡调节 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 1 1 0 7 4 De s i g n o f Hy dr a ul i c S y nc hr O n i z a t i O n S y s t e ms El i mi na t i n g Bi a s Lo a d Ef f e c t J I N Ya o ，XI A Yi mi n ，L A N Ha o ，KANG Hu i me i 1 ． C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n ， H u n a n N o r m a l U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t c o n t r a d i c t i o n b e t we e n t h e u n b a l a n c e d l o a d a n d s y n c h r o n i z a t i o n p r e c i s i o n o f t h e h y d r a u l i c s y n c h r o n i z a t i o n d riv e s t e m u n d e r t h e w o r k i n g c o n d i t i o n o f b i a s l o a d，t h e i d e a o f c o o r d i n a t e d c o n t r o l of s y n c h r o n o u s mo t i o n c o n t r o l a n d l o a d b a l a n c e r e g u l a t i o n i s p u t f o r w a r d ．T h e i d e a i s t h a t a l o a d b a l a n c e r e gul a t i o n l o o p i s s p e c i a l l y d e s i g n e d t o e l i mi n a t e b i a s l o a d e f f e c t b e s i d e s t h e t r a d i t i o n a l s y n c h r o n o u s mo t i o n c o n t r o l l oop ．F o u r k i n d s o f h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s l i f t i n g s y s t e ms c a p a b l e o f e l i mi n a t i n g b i a s l o a d e ff e c t w i t h d o u b l e c y l i n d e r w e r e d e s i g n e d e s p e c i a l l y b e s i d e s t h e t r a d i t i o n al s y n c h r o n o u s mo t i o n c o n t r o l c i r c u i t b a s e d o n a c c u mu l a t o r c o n t r o l l e d b y h i g h - s p e e d o n o ff v alv e ，a c c u mu l a t o r c o n t r o l l e d b y p r o p o r t i o n al v alv e ，p r o p o rt i o n a l r e l i e f v a l v e a n d p r o p o rt i o n al p r e s s u r e r e d u c i n g v alv e r e s p e c t i v e l y ，a n d t h e n t h e i r f o r m o f s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p ri n c i p l e w e r e als o c o mp a r e d wi t h a n aly s i s ．T h e s t u d y p r o v i d e s a n e w wa y f o r hi g h e r pr e c i s i o n o f hy d r a u l i c s y nc h r o n o us mo v e me n t i n t he b i a s l o a d c o n di t i o n s ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m； Bi a s l o a d ； S y n c h r o n i z a t i o n p r e c i s i o n； L o a d b ala n c e r e g u l a t i o n 液压同步系统 ，是 由两个 或更多个 液压 缸／ 液压 马达同时驱动一个负载，主要应用于工业中重型负载 的提升、推拉 、旋转场合 ，比如修建地铁所用盾构挖 掘机的推进 系统⋯及刀盘驱动系统 、某些升降举重机 械设备的提升系统 等。这种多执行器同步驱动系 统，由于各执行元件所承受载荷、摩擦阻力 、泄漏、 制造安装等因素的不同，一般会导致运动位移或速度 的不同步。尤其在工作环境复杂 、载荷变化大、载荷 不均衡或偏载严重的大功率液压驱动场合 ，同步精度 与载荷不均匀的矛盾更 为突出 ，典型 的案例 比如盾构 掘进机在挖掘推进 工作 中 ，必然会遭遇 到不均匀 的岩 土地层 j ，导致不可避免的偏载，这种偏载是影响其 同步精度的主要因素。 近些年来已有一些针对偏载工况的电液闭环系统 同步控制报 道 ，具体涉及液压 同步 回路结构 、同步控 制方式和控制算法，均取得了一定效果。文献[ 1 ] 采用主从式 P I D同步控制方式和压力 、流量复合控制 策略 ，消 除盾构机在挖掘岩 土中伴 随载荷变化产生 的 偏载对同步推进运动的影响。文献[ 4 ]针对双缸同 步举 升系统 的变载 荷 、偏载工况 ，设计 了一种 由外环 和内环组成 的二级非线性 系统控 制器 。文献[ 5 ]应 用负载口独立控制阀组技术进行载荷不均衡情况下的 两液压缸同步控制。文献[ 6 ]提出流量均衡和功率 匹配的控制策略，并结合免疫算法进行并联双马达速 度同步控制 ，抑制 载荷不 均衡及 负载干扰对 同步精度 的影响。 针对载荷不均衡条件下的液压同步驱动问题 ，认 为直接消除或抑制负载不均衡对同步精度的影响不失 收稿 日期 2 0 1 3 0 51 7 基金项目湖南省自然科学基金 1 0 J J 3 0 7 8 ；中南大学博士后基金 8 9 3 4 0 作者简介金耀 1 9 7 2 一 ，男，在站博士后，副教授，主要研究方向为汽车主动悬架、工程机械臂等机电液一体化系统设 计与控制 。E ma i l j i n y a o 2 0 0 4 1 6 3 ． C O rn。 1 0 8 机床与液压 第4 2卷 为一个 根本 且 简捷 的解 决措 施 。为 此 ，提 出运 动 同 步控制 和载荷均衡调节协调控制 的思 想 ，从液压 回路 结构与同步控制方式人手，在传统的位移反馈同步控 制 回路之外针对偏 载专 门设计 载荷均衡调节 回路 ，当 载 荷不均衡 即偏 载发生 时 ，由载荷均衡调节 回路调控 不同液压缸或液压马达的工作压力使之趋于一致，从 而抑制或消除偏载对同步精度的不利影响 。为此 ，设 计 了基于 高速 开关 阀控 蓄能 器 、基 于 比例 阀控 蓄 能 器 、基 于 比例溢 流阀 、以及基 于比例减压 阀这 4种 可 消除偏载影响的液压同步系统，从根本上消除偏载引 起的同步误差，同时抑制包括偏载在内的各种因素造 成的同步误差，为提高载荷不均衡情况下的液压同步 运动精度提供新的有效手段。 1 基于高速开关阀控蓄能器消除偏载影响的液压 同步系统 1 ． 1 系统组 成 以一 个液压双 缸 同步举 升 系统 为 例 ，提 出基 于 高速开关阀控蓄能器消除偏载影 响的液压 同步系 统 ，见图 1 。 1 、4 -- 电动机2 、5 一液压泵3 、6 - - 溢流 阀卜 调速 阀8 、9 - --电磁换 向阀l 0 、l 1 一液压锁l 2 、l 3 一平衡阀l 4 、l s 一压力传感器1 6 、1 9 一 液压缸1 7 、l 8 一高速 开关阀2 0 、2 l 一 蓄能器2 2 、2 3 一位 移传感器 图 1 采用高速开关阀控蓄能器的液压同步系统 液压 同步 系统 包括 液压 传 动 回路 和 电液控 制 系 统，实现在偏载严重情况下仍保持较高同步精度的两 液压缸同步举升运动。液压传动 回路驱动两液压缸 1 6 、l 9向上运动 ，由液压缸及其驱动系统组成，液 压缸驱动系统包括液压泵 、溢流阀、三位四通电磁换 向阀、液压锁、平衡阀等元器件。电液控制系统由基 于液压缸位移反馈的位移同步控制回路和基于液压缸 无杆腔压力反馈 的载荷均衡调节 回路组成 。位移 同步 控制回路主要包括两个位移传感器 2 2与 2 3 、A ／ D与 D ／ A转换器 图中未标 出 、P L C控制器、变频器 等，其作用是通过该反馈控制回路实现运动位移 同 步。载荷均衡调节回路主要包括两个压力传感器 l 4 与 1 5 、A ／ D转换器 图中未标出 、P L C控 制器 、两 高速开关阀 1 7与 1 8 、两蓄能器 2 0与 2 1 等 ，其作用 是调控两液压缸压力使之趋于一致亦 即载荷均衡 。 1 ． 2工作原理 要实现 图 1 所示系统在偏载情况下的 同步举升运 动，需液压传动回路和电液控制系统相互协调、共同 作用 。 液压传动回路提供动力驱动两液压缸 1 6 、1 9向 上运动，液压缸 1 6向上举升负载的运动速度由调速 阀 7调节 ，液压缸 1 9的运 动速度 、位移调 节 由电液 控制系统中位移同步控制回路实现。在两液压缸同时 向上举升过程 中 ，当运 动位移不 同步 时 ，由电液控 制 系统 中基 于液压缸位移反馈 的位移 同步控制 回路来 保 证 同步 。该 回路采用主从 同步控制方式 ，即以主动缸 l 6的运动位 移 为基 准 ，从 动缸 1 9跟 随 主动 缸 l 6运 动。由两位移传感器 2 2 、2 3分别 测量出两液压 缸 1 6 、1 9的位移值并输入到 P L C控制器中，通过位移 同步控制模块 比较和计算后输出控制信号，控制变频 器调节电机4频率以改变电机转速 ，进而改变液压泵 5输出流量 和从 动缸 1 9速度 ，使 两缸 位移 差 逐渐 减 小直至为零 ，从而实现从动缸 1 9对主动缸 1 6的位移 跟踪 同步 ，使两缸 同步举升 。 当两液压缸 载荷不 均衡 时 ，由电液控制 系统中基 于液压缸无杆 腔压力反馈的载荷均衡调节 回路来调控 两液压缸压力趋 于一致以消除或抑制偏载影响 。两压 力传感器 1 4 、1 5分别测量出两液压缸 1 6 、1 9的无杆 腔压力值 即载荷值并输入到 P L C控制器中，通 过 载荷均衡调节 模块 比较 及运 算后 输 出 P WM 脉 冲 宽度调制信号，控制两高速开关阀 1 7 、1 8通断， 进而控制两蓄能器 2 0 、2 1的接通断开，改变两液压 缸 l 6 、1 9无杆腔压力，使两液压缸压力差逐渐减小 直至为零 ，亦即两液压缸的输出推力／ 负载达到均衡， 从而消除偏载引起的同步误差。具体而言，若举升过 程中两压力传感器 1 4 、1 5检测到液压缸 1 6载荷大于 液压缸 1 9载荷 ，则 P L C输出相应 P WM控制信号， 此时高速开关阀 1 8不工作、蓄能器 2 1 不接入系统油 路，而高速开关阀 1 7工作、蓄能器2 0接入液压缸 1 6 无杆腔油路，吸收能量以减少液压缸 1 6 无杆腔压力 ， 并根据两缸压力差大小控制 P WM信号占空比，调控 经高速开关阀 1 7输 出到 蓄能器 2 0的流量 ，最终 使压 力 差趋于零 ，实现两液压缸载荷一致 ，消除偏载引起 的同步误差 。若 举升过程 中液 压缸 1 6载荷 小于 液压 缸 l 9载荷 ，则上述调节过程相反。 1 ． 3 关于流 量 匹配的 讨论 图 1 所示系统实现载荷均衡的关键在于采用高速 第 1 1 期 金耀 等几种可消除偏载影响的液压同步系统设计 1 0 9 开关 阀控制输 出到蓄能器的流量来 调节液压缸无 杆腔 压力值。如果单个高速开关阀的通流能力不能满足较 大流量要求时，则可采用几个高速开关阀并联 或采 用高速开关阀先导控制锥阀 的方式加以解决。此外， 蓄能器选择也需同样考虑容量与流量 的匹配关系。 2 基于比例 阀控蓄能器消除偏载影响的液压 同步 系统 基于 图 1 液压 同步系统 中位移 同步控制和载荷均 衡调节协调兼顾的思想，衍生出图2所示采用比例阀 控制蓄能器来消除偏 载影响的液压 同步系统。两者在 结构组成 、工作原理上基本 相同 ，主要 区别之处在 于 载荷均衡调节方式不同。图 2是基于 电液 比例控制技 术 ，即采用二位 四通 比例 方 向 阀 1 7 、1 8 工 作 油 口 B 3和 B 4堵死分别控制蓄能器 2 0 、2 l以实现两液 压缸之间压力均衡 ，而图 1 是基于高速开关阀数字控 制技术，即采用高速开关阀控制蓄能器。 2 20- ⋯⋯⋯⋯⋯一 ⋯一⋯⋯⋯一⋯⋯⋯一 0 23 1 、4 一 电动机2 、S 一授压泵3、6 --溢 溅网7 _调运 阀8 、9 一电磁抉 向阀l 0 、l l 一液压锁l 2 、l 3 一平衡阀1 4 、1 5 _ _ 压力传感器l 6 、l 9 一 液压缸l 7 、1 8 一二位四通比例方向阀 2 0 、2 1 一蓄能器2 2 、2 卜 位移 传感器 图2 采用比例阀控蓄能器的液压同步系统 3 基于比例溢流 阀消除偏载影响的液压同步系统 图 3为采用比例溢流阀调控系统压力以实现载荷 均衡、消除偏载影响的液压同步系统。它和图 1 系统 一 样，仍采用位移同步控制和载荷均衡调节协调控制 的策略，但其同步控制手段和载荷均衡调节方式不 同。图 3中位移 同步控制 回路是利用三位 四通 比例方 向阀 9来调节 液压缸 1 9的输 入流量 和速度 ，从 而实 现从动缸 1 9 对主动缸 1 6的位移跟踪同步控制。图 3 中载荷均衡调节回路是利用比例溢流阀3和6分别调 控液压缸 1 6和 1 9的工作压力，在两缸之间实现压力 一 致，从根本上消除偏载对运动同步的不利影响。具 体而言，若举升过程中两压力传感器 1 4 、1 5检测到 液压缸 1 6载荷大于液压缸 1 9载荷 ，则 P L C中载荷均 衡调节模块输出相应控制信号并经比例放大器放大， 使比例溢流阀 3的设定压力减小 ，减小进入液压缸 1 6的油液工作压力 ，使两缸压力差减小并最终趋于 零，实现两液压缸载荷一致。若举升中液压缸 l 6载 荷小于液压缸 1 9载荷 ，则 比例 溢流 阀 6起作 用使 进 入液压缸 1 9的油液工作压力减少 ，最终使两液压缸 载荷趋于均衡 ，从而消除偏载引起的同步误差。 2 2 ‘ _ ⋯一 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯一 一 ． o 2 3 1 、4 一 电动 机2 、s 一液压泵3 、6 一 比例溢 流阀7 一 调速阀8 一 电磁 换向阀9 一比例方向阀1 0 、l 1 一液压锁l 2 、l 卜 平衡阀l 4 、1 5 一压 力传感器l 6 、l 9 一液压缸 2 2 、2 卜 位移传感器 图3 采用比例溢流阀的液压同步系统 4 基于比例压力阀消除偏载影响的液压 同步系统 图4为采用比例减压阀调节系统压力以实现载荷 均衡、消除偏载影响的液压同步系统，它和图3系统 的主要区别在于载荷均衡调节方式不相同。 2 2 0 - - - - -- - - - - - - - - - - -- - - 一r - - -- - - - - - - - - - - - - - - - -- - o 2 3 1 、4 一电动机2 、 一液压泵 3 、6 一比例溢流阀 7 一调速阀 8 一电磁 换向阀 9 _ _ 比例方向阀1 O 、l 1 一液压锁l 2 、l 卜 平衡阀l 4 、l 5 一压 力传感器l 6 、l 9 _ - 液压缸1 7 、1 8 - --比例减压阀 2 2 、2 3 一位移传感器 图4 采用比例减压阀的液压同步系统 - 1 1 0 机床与液压 第 4 2卷 图 4中载荷均衡 调节 回路是利用 串联在油路 中的 比例减压阀 1 7和 l 8分别调控液压缸 l 6和 1 9的工作 压力 ，而 图 3中载荷 均衡 调节是利用并联在油路中 的 两个比例溢流阀3和 6 来实现的，两者具体的载荷均 衡调节过程类似 ，此处不再赘述 。 5结语 针对液压同步系统在偏载工况下同步精度与载荷 不均衡之 间的矛盾 ，提 出了运 动同步控制 和载荷均衡 调节协调控制 的思想 ，即在传统运动 同步控 制回路 之 外 ，专 门设计载荷均衡调节 回路来调控液压 缸之间的 压力均衡 以消除或抑制偏 载影 响。以双缸液 压同步举 升 系统 为例 ，设计 了基 于高速 开关 阀控蓄能器 、基 于 比例 阀控 蓄能器 、基 于 比例溢 流阀 、以及基 于 比例 减 压阀这 4种可调节系统压力、消除偏载影响的液压同 步 回路 ，并进行 了相应 的理论 分析 和研究 。 必须指出 ，用来 消除偏载影响的载荷均衡调节 回 路 虽然在一定 程度 上增 加 了系 统 的复杂 度 视 需 同 步控制 的执 行 器 数 量 多少 而 定 ，但对 于载 荷 差 异 大、偏载严重、同步精度要求较高的大功率液压缸或 液压马达同步驱动场合，仍不失为一种可能的有效新 途径。另外 ，该 研究虽然为偏 载工况下实现较高同步 精度的液压同步系统设计提供了新思路，但尚有待于 在实验和应用中进一步验证和完善。 参考文献 [ 1 ] Y A N G H u a y o n g ， S H I H u ， G O N G G u o f a n g ， e t a 1 ． E l e c t r o - h y d r a u l i c P r o p o r t i o n a l C o n t r o l o f T h r u s t S y s t e m f o r S h i e l d T u n n e l i n g Ma c h i n e [ J ] ． A u t o m a t i o n i n C o n s t ruc t i o n ， 2 0 0 9 ， 1 8 7 9 5 0 9 5 6 ． [ 2 ]倪敬， 项占琴， 潘晓弘， 等． 多缸同步提升电液系统建模 和控制[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 1 1 8 1 8 7 ． [ 3 ]赵勇， 王皓， 余海东， 等． 基于刚度匹配的盾构掘进机械 系统顺应性评价方法[ J ] ． 中国科学 技术科学 ， 2 0 1 2 ， 4 2 1 0 1 2 2 81 2 3 7 ． [ 4 ]S U N H o n g ， C H I U G e o r g e T C ． Mo t i o n S y n c h r o n i z a t i o n fo r Du al c y l i n d e r El e c t r o h y d r a u l i c L i ft S y s t e m 『J] ．I EE E T r a n s a c t i o n s o n M e c h a t r o n i c s ， 2 0 0 2 ， 7 2 1 7 1 1 8 1 ． [ 5 ]L I U Y i n g j i e ， X U B i n g ， Y A N G Hu a y o n g ， e t a 1 ． S i m u l a t i o n o f Se p a r a t e Me t e r I n a n d Se pa r a t e Me t e r Out Va l v e Ar r a ng e - me n t U s e d for S y n c h r o n i z e d C o n t r o l o f t w o C y l i n d e r s [ C] ． 2 0 0 9 I E EE ／ AS ME I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n A d v a n c e d I n t e l l i g e n t Me c ha t r o n i c s， S i ng a p o r e， 2 0 09， 1 66 5 1 6 70． [ 6 ]吴保林 ， 祁晓野， 唐志勇， 等． 基于免疫系统的并联双马 达速度同步控制研究 [ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 8 ， 3 0 5 1 4 ， 8 ． [ 7 ]张志义 ， 孙蓓 ， 黄元峰． 高速开关阀位置控制方法[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 5 1 2 61 2 8 ． [ 8 ]刘 忠 ， 刘灯 ， 金耀 ， 等． 工程机 械臂 新型液 压驱动 技术研 究与仿真 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 1 2 ， 2 3 2 3 2 8 3 0 28 3 5． 上接第 1 5 9页 0 删 蛊 誉 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 时 间， s 图8 减压系统出气 口排出的气体机械能的变化曲线 通过仿真曲线可以看出，在于外界环境有充足热 交换的情况下 ，减压气缸缸径的变化对减压系统的减 压效果影 响较小 。 3结论 利用 A ME S i m对容积式高压气体减压系统进行仿 真 ，根据仿真结果得出如下结论 1 利用容积式高压气体减压系统对储存在储 气罐内的气体进行减压，随着储气罐内的气体不断排 出、气体压力逐渐减小的情况下，减压后的气体都能 维 持在一定范围内 。 2 气体在膨胀减压后温度会降低 ，在减压过 程中使气体通过气缸与外界进行热交换，可以提高气 体温度 ，增加气体的可用功。 3 通过仿真研究，可以为合理的设计减压系 统的元件提供理论依据 。 参考文献 [ 1 ]王燕， 谢蕊蕊． 能源环境约束下中国区域工业效率分析 [ J ] ． 中国人口 资源与环境， 2 0 1 2 ， 2 2 5 1 1 41 1 9 ． [ 2 ]贾光政． 高压气动减压理论及其在气动汽车上应用的关 键技术研究 [ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ]贾光政， 王宣银， 刘吴 ， 等． 气动汽车高压气体减压过程 的能量分析与动力特性研究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 4 ， 1 5 1 4 1 2 9 41 2 9 8 ． [ 4 ]周杰， 王建华． 气动汽车高压气体减压过程中的能量损 失与补偿[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 ， 7 2 8 3 0 ． [ 5 ]左承基， 钱叶剑， 欧阳明高， 等． 气动发动机能量转移系 统分析[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 7 8 7 08 7 3 ． [ 6 ]蔡茂林， 香川 I 利春． 气动系统的能量消耗评价体系及能 量损失分析[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7， 4 3 9 6 9 7 4 ． [ 7 ]丁卫华． 气动汽车动力系统能耗分析[ D] ． 杭州 浙江大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ]付永领 ， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 9 ]刘昊 ， 陈鹰， 陶国良_ 两级膨胀气动发动机建模及仿真研 究[ J ] ． 浙江大学学报， 2 0 0 5 ， 3 9 5 6 2 3 6 2 7 ．