多马达液压同步控制系统设计及试验研究.pdf

2 0 1 3年 6月 第4 1 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u n e 2 01 3 Vo l | 4 1 No ． 1 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 0 2 多马达液压 同步控制 系统设计及试验研究 王才 东 ，王立权 ，赵冬岩 1 ．郑州轻工业学院，河南郑州 4 5 0 0 0 2；2 ．哈 尔滨工程大学，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 ； 3 ．海洋石油工程股份有限公司，天津 3 0 0 4 5 1 摘要在介绍水下石油管道法兰连接机具的工作原理的基础上，设计了螺母库的多马达同步控制系统。采用同步阀与 同步分流器组合方式实现了2 0个马达的速度同步。分析了影响液压系统同步精度的主影响因素，并提出了相应的解决方 法。在管道法兰连接机具样机上进行马达转速同步性试验，试验结果表明马达的同步精度可达0 ． 0 4 4 7 ，能较好地满足法 兰连接机具对马达同步控制要求。 关键词多马达液压控制系统 ；同步控制；同步分流器 中图分类号T H1 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 0 0 5 5 De s i g n a n d Ex p e r i me nt al St u dy o f M ul t i - m o t o r s Hy dr a u l i c S y n c h r o n i z a t i o n Co n t r o l S y s t e m W ANG Ca i d o n g ， W ANG L i q u a n ， Z HAO Do n g y a n 1 ． Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y o f L i g h t I n d u s t r y ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 0 2 ，C h i n a ；2 ． H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e rsi t y ， Ha r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a ；3 ． O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e mu l t i - mo t o r s s y n c h r o n i z a t i o n d r i v i n g c o n t r o l s y s t e m u s e d i n n u t s ma g a z i n e wa s d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f t h e w o r k p r i n c i p l e o f fl a n g e c o n n e c t i o n t o o l o f u n d e r w a t e r p e t r o l e u m p i p e l i n e ． T h e 2 0 mo t o r s s p e e d s y n c h r o n i z a t i o n w a s a c h i e v e d b y the c o mb i n a t i o n s o f s y n c h r o n i z i n g v a l v e a n d s y n c h r o n i z a t i o n s h u n t ． Th e ma i n i n fl u e n c i n gc t o rs a ff e c t i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n a c c u r a c y we r e a n a l y z e d ， a n d t h e c o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n s we r e p r o p o s e d ． T h e mo t o r s p e e d s y n c h r o n o u s t e s t wa s c a r r i e d wi t h t h e fla n g e c o n n e c t i o n t o o l p r o t o t y p e ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e 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 mu l t i mo t o r s h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m i s 0 ． O 4 4 7， w h i c h c a n me e t s the d e ma n d o f t h e fl a n g e c o n n e c t i o n t o o 1 ． Ke y wo r d s Mu l t i - mo t o r s h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m； S y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l ； S y n c h r o n i z a t i o n s h u n t 随着海上油田开采方式和技术的发展，海底管道 已广泛应用 于海上油 田的开发 。大于 3 0 0 m水深 的海 底石油管道需要依靠水下管道法兰连接机具完成连 接 。管道法兰连接机具主要 由螺栓库、螺母库、 拉伸模块、机架 、控制系统构成。螺栓库将螺栓插入 管道法兰螺栓孑 L ，螺母库将螺母拧入螺栓，拉伸器拉 伸螺栓至指定长度，螺母库将螺母拧紧，完成管道的 连 。 螺母库是法兰连接机具的关键部件，其主要功能 是携带螺母 ，并将多个螺母 同时拧入螺栓。1 4英寸 的海底石油管道 由 2 0个螺 栓进 行连接 。设计 的法 兰 连接机具螺母库的螺母套筒扳手旋转是 由2 0个马达 独立驱动的，在螺母旋转的同时螺母库带动螺母轴向 运动，使螺母沿螺栓作螺旋运动。若某一马达转速过 快 ，螺母螺旋运动的直线速度大于螺母库的轴向运动 速度时，螺母会脱离套筒扳手 ，从而导致马达无法带 动螺母旋转，使螺栓引入螺母失败。若某一螺母套筒 旋转速度过慢 ，螺母就会与套筒扳手后端面接触，产 生轴向力，螺母 出现 “ 卡死”状态，导致螺母库无 法前进。因此要求2 0个马达的旋转速度相同，同步 旋转。基于此 ，作者设计螺母库的马达液压同步控制 系统，对系统的同步控制性能进行分析与试验研究。 1 套筒马达同步液压系统的工作原理 马达的同步转动需要由液压同步回路实现。按构 成回路的控制元件的不同，液压同步回路主要有流量 控制和体积控制两大类；按控制方式的不同，液压同 步控制 系 统可 分 为开 环控 制 系统 和 闭环 控 制 系 统 。闭环控制系统的同步精度高，但系统伺服控 制元件多，系统复杂，需电气控制，不适宜水下作 业。根据法兰自动连接机具的实际作业需求 ，采用开 环控制系统。开环液压同步控制系统有节 流阀同步回 路、调速阀同步回路、分流阀同步回路、同步分流器 同步分流马达同步回路、并联泵同步回路。 螺栓的螺纹长度为2 8 5 m m，在螺栓引入螺母的 收稿 日期 2 0 1 2 0 91 3 基金项目国家 8 6 3计划资助项 目 2 0 0 6 A A 0 9 A 1 0 5 4 ；河南省高校科技创新团队支持计划 2 0 1 2 I R T S T H N 0 1 3 作者简介王才东 1 9 8 3 一 ，男 ，博士，副教授，主要研究方向为机电一体化技术、水下作业技术与装备。Ema i l v wa n g c a i d o n g 1 6 3 ． c o m。 6 机床与液压 第 4 1 卷 过程中，螺母库轴向运动 2 7 0 m m。为了降低对液压 同步系统同步精度的要求，在套筒扳手里安装弹簧， 补偿 由于 2 0个马达转动速 度不 同步所 导致 的螺母螺 旋进给位移偏差 。弹簧的最大压缩量为2 0 m m，即 允许2 0个螺母旋转不同步所引起 的螺旋进给位移最 大偏差为2 0 m m。因此 2 0个马达的同步精度应不大 于 _0 - 0 7 4 。 齿轮式同步分流器又称同步马达 ，是由加工精度 较高、尺寸相同的若干个液压马达组成。由于每个马 达具有相同的尺寸和较高的加工精度，使得通过每一 个液压马达的流量或排量基本相同，因此其同步精度 较高，可达 0 ． 5 ％ ～土 2 ． 5 ％ 。采用分流阀进行 同步设计 ，需 5 1 个分流阀，成本昂贵，并且经过多 级分流其同步精度会急剧降低。该方法把马达考虑成 理想状态 ，仅控制流人 马达 的液压油流量 ，没有考虑 马达的泄漏量和机械摩擦对转速 的影 响。用调速阀控 制 的同步 回路 系统 简单 ，用 其 控制 2 0个 马 达 同步 ， 需逐个调整每个阀的流量，调试过程繁琐 ，且精度较 低，不能满足螺栓引入过程对马达的同步性要求。综 合对比分析上述几种同步回路的同步精度和实现方式 的难易程度 ，采用齿轮式 同步分 流器实 现 2 0个 液压 马达转速的同步 ，其同步精度最高可达 0 ． 5 ％。但 目前 同步分流马达最多 只有 1 2联 的 ，因此采用 1 个 同步阀和 2个 l O联的同步分流器实现 2 0个马达 的速 度同步。马达液压同步控制回路原理图如图 1所示。 分流阀的同步精度为3 ％，同步分流器的同步精度为 1 ． 2 ％，由概率理论可得马达的同步精度为 1一 1 0 ． 0 1 2 10 ． 0 3 0 ． 0 4 1 6 满足螺栓引入过程对马达的同步性要求。 设计的液压同步回路如图 1 所示。液压同步分流 器内部的每一条油路上，都有一个由溢流阀1和单向 阀 2组成 的安全及补油阀组。溢流 阀 1的作用是 防止 在马达出口由于压力放大现象而产生过高压力 ，起过 载保护作用，从而保证当有一个螺母贴紧法兰端面 时，其对应的马达停止转动 ，其他的马达仍然可以正 常完成其工作行程。单向阀2 具有向同步油路补油的 功能，当其中某个齿轮马达油液多了，经过溢流阀流 回；某个齿轮马达油液不足时 ，由单 向阀进行补充 ， 这样就可以实现同步功能。同步阀3的的作用是向 2 个同步分流器提供相等的流量。单向阀 8的作用是保 证分流器的每腔室都能维持一个大约0 ． 4 M P a的最小 压力，保证系统的最小工作压力。保证系统最小压力 是非常重要的，当其中转速较快的马达驱动螺母到达 法兰端面时，分流器仍然在为其他速度较慢的马达继 续供油。这时，系统的最小压力就保证了管路间相 通 ，保证速度 最快 的马达不会发生吸空现象 。单 向调 速阀4的作用是在马达正转带动螺母转动时，控制流 人同步分流器 的总流量 ，调定马达的转速 ；在 马达反 转时，当高压油从泵流人马达时，分流器的任务是收 集液压缸的回油并保证流量的一致性 ，这时阀4的作 用就是 防止分流器按照最快 的液压缸的速度来运行 而 导致其他马达没能及时跟上。当所有的马达都以相同 速度运行时，分流器则仅仅起到一个 “ 收集器”的 作用。当所有螺母都拧紧后 ，所有马达堵转，系统压 力升高，压力继电器6 发出信号给 P L C，P L C控制电 磁阀 5动作 ，使马达停止转 动。 1 一 溢 流 阀 2 、8 _ _ 单 向阀 3 一 同步 阀 4 - - 单向调速阀 卜电磁 阀 压力 继 电器 7 一减 压 阀 图 1 马达液压同步控制 回路 减压阀7调定系统的工作压力。根据能量守恒定 动该分流器所需的功率。即 律，齿轮同步分流器的进口压力和流量的乘积等于所P i n q p g p q ⋯ p 。 。 q 。 p q 有各单元联所需的出口压力和流量乘积的和，加上驱 式中 p i 为进口压力； 第 1 1 期 王才东 等 多马达液压同步控制系统设计及试验研究 7 q为进 口总流量 q q q 2 ⋯q 1 0 ； P ， ，P ，⋯，p ， 。 分别为各单元联 1 ，2 ，⋯，1 0 的出 口压力 ； q ，q ，⋯，g 。 分别为各单元联 1 ，2 ，⋯，l 0 的输 出流量 ； P 为驱动齿轮同步分流器的初始压力。 将式 1 化简，可得齿轮同步分流器的进 口压 力 。 P rP 2 n 一 z 将马达 和齿轮 同步分 流器 的相关 参数代 人式 2 ，可得 P 6 ． 3 M P a 。 2 影响液压 同步误差的主要因素及解决措施 设计的液压同步回路理论上可以保证马达运转同 步性。尽管选用同一厂家生产的马达和齿轮同步分流 器，但2 0个马达和齿轮同步分流器各联间性能不可 避免存在差异。分析设计的液压同步回路 ，可以得到 影响液压同步误差的主要因素有 液压马达初始液阻 由液压马达的加工精度决定 、负载的均匀性和动 作的连续性、液压管道的布置和介质中气体的含量 、 液压介质不洁度等 。在 现场调试 的过 程 中，发现液压 马达的初始液阻、负载均匀性对2 0 个液压马达的同步 系统影响较大。经过现场维修调试 ，问题得到了解决。 2 ． 1 液压 马达初 始 液 阻影 响 液压马达是螺母库拧紧螺母的动力执行元件 ，选 用的是轴向配油摆线液压马达。因加工装配误差使得 马达具 有一定的摩擦阻力 ，表现为具有一定 的启 动液 压 压力 ，即马达 自身具有一定 的液 阻。马达 的初始液 阻作为影响套筒转速同步性 的主要 因素，必须将 2 0 个液压马达的初始液阻控制在一定的范围内。根据马 达相关专家的建议 ， 2 0个液压马达的初始液阻偏差 应控制在 0 ． 1 5 MP a以内。 2 ． 1 ． 1 试验 系统的组成 试验 系统 主要包括 液压泵站 、电磁换 向阀、调速 阀、减压 阀 、溢流 阀、压 力 表 、2 0个 液 压 马达 、油 管及接头 。试验 系统原 理图如图 2 所示 。 LL _ J 图2 马达液阻测定试验液压原理图 2 ． 1 ． 2 试验内容及步骤 1 将 2 0个马达编 号 ，按照试验 系统原理 图连 接各元件； 2 启动液压源，给 1号马达供油，通过减压 阀将压力调至 5 MP a ，先让马达分别正、反转 5 m i n 后停止 ； 3 马达正转 ，调节压力阀并观察压力表及马 达运转情况 ，测出马达刚好 能够连续稳定运转时 的临 界压力 ，记 录数据 ； 4 马达反转 ，调节压力阀并观察压力表及马 达运转情况，测出马达刚好能够连续稳定运转时的临 界压力，记录数据； 5 依次将其余马达接入试验系统油路 中，重 复步骤 2 一 4 ，记录相关数据；根据试验数 据 ，进行试 验分析。 2 ． 1 ． 3 试验结果 根据试验记录数据 ，绘制各个马达的液阻图表 ， 如图 3 所示。马达正转液阻与反转液阻差别可以忽 略，因此仅给出马达正转初始液阻图表。 霸 出 稃 但 与 达 编 号 图 3 马达启动压力图表 调整前 图 3中 ，局部转动表示在一定压力下 ，马达输 出 轴仅在一定角度范围内可以转动；带死点周转表示在 马达整周转动中，每周都存在一个特定的死点 ，在该 点马达停转 。 2 ． 1 ． 4 数据分析及结论 由图3可以看出大部分液压马达的液阻集中在 0 ． 9～ 1 ． 1 M P a 之间 ，而第 6 、7 、1 1 、1 9号马达液 阻 偏大，可通过维修调整马达机械本体来降低液阻至要 求的偏差范围内；而第 5 、1 5 、1 8号马达液阻偏差明 显偏高，需返厂维修或更换。修配后马达初始启动压 力如图 4所示，可 以看 出马达之 间的差值小 于 0 ． 1 5 MP a ，满足使用要求。 日1 ． 2 皇 1 ．1 0． 9 0． 8 马达 编号 图4 马达启动压力图表 调整后 8 机床与液压 第4 1 卷 2 ． 2 负载均匀性对同步性影响 螺母套筒扳手的机械摩擦是影响螺母套筒旋转同 步性的又一重要因素。由于已完成每组螺母套筒扳手 的液压马达自身液阻的测定 ，因此通过测定各个模块 在空载条件下的启动压力，减去该模块对应的液压马 达初始液阻即可得到克服机械摩擦所损耗的液压压 力。根据试验结果，将摩擦阻力偏差大的模块的机械 部分进行修配，以降低其摩擦阻力对马达 同步性的 影 响。 螺母套筒扳手的机械摩擦主要有3 个方面齿轮 间啮合摩擦、螺母套筒与主体板安装孔间摩擦以及螺 母套筒与限位挡板间的摩擦。对于摩擦阻力偏大的模 块 ，需要分析上述何种因素起主要作用 ，以便进行不 同形式的修配。因为齿轮间啮合摩擦阻力无法直接测 量，因此试验中首先联合测量齿轮啮合摩擦和螺母套 筒与主体板安装孔间摩擦 简称联合测量 ，然后测 量整体摩擦 简称整体测量 ，两次测量的差值即为 螺母套筒与其两端限位挡板间的摩擦值。 联合测量试验可测出套筒扳手运转临界压力 ，将 其与马达初始液阻测定试验中更换马达后的各马达液 阻值做差，即可得到各套筒扳手的齿轮啮合摩擦及螺 母套筒与主体板安装孔间摩擦之和，如图5所示。对 于启动压力较大的模块 8 、1 2 、1 6 、1 9 ，需修配对应 的齿轮及套筒直径尺寸至符合要求为止。 套 筒扳手 编 号 图 5 联合摩擦产生的压力损失 整体测量可得到各套筒扳手连续运转临界压力， 将其与调整后的各模块的联合摩擦临界压力值做差， 即可得到套筒扳手与前后限位挡板间的机械摩擦 ，如 图6所示。对于摩擦较大的套筒扳手 1 、6 、9 、1 4 、 1 7等，对其前后挡板局部进行机械修配 ，直至满足 设计要求。 通过两次测量试验的数据图表可知，套筒扳手与 前后限位挡板间的机械摩擦在螺母套筒扳手的机械摩 擦中起主要作用，其对应的压力损耗约为0 ． 4 MP a 左 右，而前两种摩擦损耗约为 0 ． 2 5 MP a ，螺母套筒扳 手的整体机械摩擦约为0 ． 6 M P a ，其对应波动范围约 图6 套筒与挡板间摩擦产生的压力损失 3马达同步控制试验及分析 在保证螺母套筒扳手的2 0个马达初始液阻和机 械摩擦 基本一致 的情况下 ，通过调节调速阀控制流人 齿轮式同步分流器的总流量 ，齿轮式同步分流器再将 液压油等量输出分配给各个马达，控制马达转速的同 步性 。为 了测试螺母 套筒的转速 ，设计 了测速杆 。测 速杆一端插入螺母套筒 ，随螺母套筒旋转，另一侧加 工锥孔。测速试 验 时 ，测 速计 的测 速端 头 与锥 孔 接 触 ，测速计可实 时显示 马达 的转速 。测速试 验如 图7 所示。 图7 测速试验 在测速时，通过调整调速阀的调节旋钮控制马达 的转 速 至 3 0 r ／ m i n 。调 速 阀选 用 华 德 液 压 公 司 的 2 F R M1 0 - 2 1 B ／ 3 5 L ，该阀带压力补偿器 ，控制流量基 本恒定，不受压力和温度的影响。但由于压力补偿器 调节弹簧的性能差异，使得每次启动调速阀时，流量 会产生波动，导致马达转速产生一定偏差。为了观测 调速阀的每次启动流量是否稳定 ，满足马达转速同步 性要求，进行了5次调速试验。调节调速阀的流量， 通过测速计检测马达转速，待马达转速到预定值 3 0 r ／ m i n时，让其稳定运转 1 0 m i n 。停机一段时间，重 新启动 ，再次测马达转速，并记录结果。反复进行 5 次试验 ，试验测试数据如表 1 所示，马达速度变化关 系如图 8所示。 为_} l里 l B d 苫、 攥 坦酶世辎 忤鞲 l O 0 O O 0 d ．I I ’ I 、 R幽 水辎 斑 第 1 1期 王才东 等多马达液压同步控制系统设计及试验研究 9 表 1 马达 转速同步试验转速值 r ／ m i n ．皇 暑 瑙 口 P 图 8 马达转速 由图 8 可 以看 出 2 0个 马达 的转 速 基本 稳定 在 3 0 r ／ m i n附近 ，最 大 为 3 0 ． 7 5 r ／ m i n ，最 小 为 2 9 ． 2 2 r ／ m i n 。为了更直观地 观测 马达 转 速 同步性 误 差 ，将 实 际测得 的马达 转速 与设定 的马达 转速 3 0 r ／ m i n 做差值 ，绘制马达转速误差图，如图9所示 。 图9 马达转速误差 由图 9可 得 马达 转 速 的最 大 正 偏 差 为 0 ． 7 6 r ／ m i n ，发生在 1 4号马达的第 1 次试验，最小负偏差 为 0 ． 7 8 r ／ m i n ，发生在 l 7号 马达 的第 2次试验 ；6 、 l 4 、1 7号马达转速度值最分散 ，速度偏差较大，运 转不稳定 ，这是由于6 、1 4 、1 7号马达的套筒与挡板 的摩擦矩较大 见图 6 ，每次启动时摩擦力矩不 同 所致 。 分析图9数据，将每次试验所得马达转速最大值 和最小值相减，可得到每次试验马达转速的最大不同 步误差 。最大不 同步误差与设定转速的 比值 ，即为马 达转 速 同步 性误 差 率 ，马 达 同步 误差 率 最 大 为 0 ． 0 4 7 3 ，最小为 0 ． 0 4 1 ，其平均值为 0 ． 0 4 4 7 。由第 1 节可知，由于弹簧可补偿的位移有限，2 0个马达的 同步精度应小于 0 ． 0 7 4 。试 验测定 的马达 同步误 差率 平均值为 0 ． 0 4 4 7 ，略高于同步误差 的理论分析值 0 ． 0 4 1 6 ，满足管道法兰 自动连接机具的作业要求。 4结论 对螺母库的套筒液压马达 同步控制系统进行设 计 ，采用同步阀与多联齿轮泵组合方式 ，实现了多马 达的 同步运动 。在试 验样 机上进行 了液压 系统 的同步 性试 验 ，试 验 结 果 表 明 马 达 的 同 步 精 度 达 到 0 ． 0 4 4 7 ，满足管道连接机具 2 0个 螺母 同时拧入螺 栓 的需求。文中提出的多马达控制系统结构简单，采用 开环控制系统实现了较高的同步精度 ，可有效解决多 马达的同步性问题 ，具有一定的实际应用意义。 参考文献 【 1 】王立权， 王文明， 何宁， 等． 深海管道法兰连接机具的设 计与仿真分析[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报， 2 0 1 0 ， 3 1 5 5 5 95 6 3 ． 【 2 】A L L I O T V， F R A Z E R I ． T i e i n S y s t e m U s e s L o w ． c o s t F l a n ． g e s o n D e e p w a t e r G i r a s s o l D e v e l o p m e n t [ J ] ． O i l G a s J o u r n a l ， 2 0 0 2 ， 1 0 0 1 8 9 6 1 0 4 ． 【 3 】 王才东． 深水管道法兰 自 动连接机具关键技术研究及样 机研制[ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学， 2 0 1 1 2 1 2 5 ． 【 4 】连帅梅， 余愚 ， 王利平， 等． 同步缸同步回路系统改进设 计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2， 4 0 8 9 5 9 6 ． 【 5 】罗艳蕾． 液压 同步 回路及 同步控制系统实现的方法 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 4 4 6 5 6 8 ． 【 6 】王立权 ， 王才东， 赵冬岩， 等． 水下螺栓组连接引入装置 动力学仿真及试验研究 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 1 1 ， 2 2 1 1 1 2 7 81 2 8 3 ． ’ 【 7 】u K e ， C HE N J i a n ， X I A O Z i y u a n ， e t a 1 ． F u z z y C o n t r o l l e r De s i g n f o r S y n c h r o n o u s Mo t i o n i n a Du a l - c y l i n d e r E l e c t r o - h y d r a u l i c S y s t e m[ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 8 ， 1 6 6 5 86 7 3 ． 【 8 】 陈德 国， 李慧忠 ， 柏峰． 多流液压同步马达应用研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 8 5 55 8 ． 9 6 3 O 7 4 1 8 5 如 如 0 勰 勰