摘要：本文提出了一種泵控和閥控補(bǔ)償復(fù)合控制的新型同步系統(tǒng)，分析了閥結(jié)構(gòu)、控制方法、試驗(yàn)等問題，該系統(tǒng)有高同步精度、高能量利用率等優(yōu)點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：同步；閥控；補(bǔ)償；正開口

1　前言

　　多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)，幾乎都有同步運(yùn)行的技術(shù)要求。尤其在重載不平衡的工況下，同步要求更為突出：否則，即會(huì)引起設(shè)備性能低劣、失效，甚至?xí)?yán)重?fù)p壞。因此，對(duì)同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、控制方法、同步性能等方面的研究有重要的技術(shù)意義。
　　本文根據(jù)多年的實(shí)踐和試驗(yàn)，提出一種新型同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)在主油路上用泵控方式獲得較高同步性能的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助閥控補(bǔ)償系統(tǒng)。由于閥控補(bǔ)償系統(tǒng)的高控制精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)補(bǔ)償了主油路上因負(fù)載變化和不平衡以及泄漏等因素產(chǎn)生的同步誤差，從而使系統(tǒng)具有高同步精度和zui大功率利用系數(shù)。

2　設(shè)計(jì)方案及工作原理

　　新系統(tǒng)如圖1所示。在主油路（主系統(tǒng)）上，由泵元件分別輸入相同（或成比例）的流量到缸5及缸6，即用泵控方式實(shí)現(xiàn)了一定精度的同步動(dòng)作。同時(shí)，如改變泵元件的排量，即可改變油缸活塞速度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制（有關(guān)泵控同步運(yùn)行問題，已有論文敘述，這里不再詳細(xì)介紹）。

　　由泵源1、溢流閥2、控制閥3、單向閥 4等組成了閥控補(bǔ)償系統(tǒng)?？刂崎y3可選用比例閥、電液伺服或機(jī)液伺服閥等閥件，它的兩個(gè)輸出口A、B分別與主系統(tǒng)油路相接，向油缸5、6補(bǔ)償部分油液。當(dāng)兩缸因負(fù)載不平衡（泄漏及幾何尺寸誤差等因素，而出現(xiàn)不同步運(yùn)行時(shí)，則由傳感器、變換電路、比較電路等檢測(cè)及比較，得出的偏差值將作為控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制閥3的閥芯作微小位移（其傳遞路徑如圖上虛線所示），此時(shí)閥口A或閥口B有液壓油輸入缸5或缸6，補(bǔ)償兩油缸的同步誤差。因此，新系統(tǒng)是由泵控主系統(tǒng)和閥控輔助系統(tǒng)組成，是泵和閥復(fù)合控制的同步系統(tǒng)。
　　在主油路中，每個(gè)油缸能自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載力的變化，是“變壓式” 系統(tǒng)，其輸出流量?jī)H受容積效率的影響，不存在節(jié)流閥的“壓力—流量特性”，故其同步精度較高。而且，無“節(jié)流效應(yīng)”，它的功率利用系數(shù)zui高，理論上其效率系數(shù)可達(dá)η≈1 。另外，還應(yīng)注意到，由于泵的工作容積（總控制容積）大，液壓固有頻率低（見公式 ），響應(yīng)速度較低。又泵控流量增益在工作范圍內(nèi)近似為常數(shù)（僅由泵的變量擺角、幾何參數(shù)決定），由于泵控方式的流道簡(jiǎn)單、環(huán)節(jié)少，其泄漏系數(shù)較小，變化量亦小，泵控機(jī)構(gòu)可視作線性元件。
　　在補(bǔ)償系統(tǒng)中，采用閥控方式，控制容積較小，液壓固有頻率較高，響應(yīng)性能較好。但總存在壓力—流量系數(shù)的影響，即在負(fù)載的工作范圍內(nèi)變化時(shí)，由于閥組必然會(huì)受到節(jié)流特性限制，故非線性影響大。閥控方式還存在功率利用系數(shù)低的缺點(diǎn)。如在定量泵—溢流閥油源時(shí)，zui大效率僅為38%。
　　在新系統(tǒng)中，輔助閥控油路正好發(fā)揮了動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償靈敏的優(yōu)點(diǎn)，而主油路則有功率利用系數(shù)高，能量損失小的特點(diǎn)。例如，輔助補(bǔ)償系統(tǒng)的功率設(shè)計(jì)為全系統(tǒng)功率的10%，該系統(tǒng)的功率利用系數(shù)理論上可達(dá)93.8%?？梢?，用泵控和輔助閥控的復(fù)合控制方式的同步系統(tǒng)，在提高同步精度和合理利用能源方面都是十分有效的。

3　控制閥的選擇與分析

　　（1）零開口三通閥
　　如圖2所示，這類閥的特點(diǎn)是通過閥口A、B作單向補(bǔ)償，即根據(jù)同步誤差，由電液轉(zhuǎn)換或電磁轉(zhuǎn)換或機(jī)械轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)閥芯位移xv，向缸5或缸6補(bǔ)償液壓油。其補(bǔ)償流量為
　
其中：Cd—流量系數(shù)；　　W—面積梯度；
　　　xv—閥芯位移量；　ps—供油壓力；
　　　p1、Q1及p2、Q2—分別為在兩個(gè)主油路上的負(fù)載壓力和流量。
　　由此可見，其補(bǔ)償流量（Q1、Q2）與負(fù)載壓力（p1、p2）成非線性關(guān)系。實(shí)際上，零開口閥仍有極小的遮蓋量，存在較小死區(qū)，并且制造或改裝較困難。
　?。?）正開口三通閥

　　由于補(bǔ)償?shù)街饔吐返牧髁縌1、Q2是使兩油缸產(chǎn)生“差動(dòng)效應(yīng)”，所以實(shí)際補(bǔ)償?shù)街饔吐返牧髁繛閮砷y口流量之差值，定義為ΔQ，即

　　當(dāng)主油路兩缸負(fù)載相近時(shí)，即p1≈p2，則ps-p1≈ps-p2，則有，

　　對(duì)比式（1）和式（6），可知正開口閥的實(shí)際補(bǔ)償流量（當(dāng)xv為定植）為零開口閥的兩倍。由于負(fù)載壓力p1與p2經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相差不大的工況，所以正開口三通閥的補(bǔ)償靈敏度接近為零開口閥的兩倍。又由于正開口閥的節(jié)流口的差動(dòng)工作，非線性的互補(bǔ)作用較強(qiáng)，它的壓力—流量特性的線性度也將比零開口閥改善許多。

　　可以選用零開口或正開口的四通閥作為補(bǔ)償流量的控制閥，其特性與零開口或正開口的三通閥相似。但在工作時(shí)（xv≠0），即會(huì)出現(xiàn)對(duì)一個(gè)油缸供油，而另一油缸泄油（返回油箱）。泄油的油缸則起“放出”能量的作用 ，故能量利用率降低。克服的方法，是對(duì)閥芯實(shí)行改裝等方法，變?yōu)閷?shí)質(zhì)上的三通正開口或零開口閥。
　　負(fù)開口閥的死區(qū)大，不靈敏，且流量特性非線性，在補(bǔ)償系統(tǒng)中沒有必要選用。

4　控制信號(hào)

　　補(bǔ)償系統(tǒng)的油液輸出受控于同步運(yùn)行誤差信號(hào)，也就是檢測(cè)得出的誤差信號(hào)。但對(duì)于長(zhǎng)行程的油缸是難以實(shí)現(xiàn)的。原因是大量程傳感器難于制造及安裝。經(jīng)反復(fù)研究，用相對(duì)法檢測(cè)，能很好解決該難題。
　　如圖4所示，將光柵位移傳感器的定尺固定在缸1上，而滑尺則借助連桿固定于缸2上。運(yùn)行時(shí)，若兩缸是同步運(yùn)行，則定尺與滑尺沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，讀數(shù)頭無信號(hào)輸出；若兩缸不同步運(yùn)行，定尺與滑尺即有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，讀數(shù)頭即有位移誤差信號(hào)輸出。誤差信號(hào)經(jīng)變換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)按控制程序發(fā)出指令并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）及比例放大器輸入到伺服閥的電機(jī)轉(zhuǎn)換元件（如比例電磁鐵或力矩馬達(dá)），驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生流量輸出，對(duì)油缸運(yùn)行實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償作用。它們構(gòu)成了一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　用機(jī)械裝置檢測(cè)同步誤差，并進(jìn)行反饋、比較的同步補(bǔ)償控制原理如圖5所示。若兩缸出現(xiàn)位移誤差時(shí)，例如缸1運(yùn)行有微小的超前，彈簧的張緊力即通過鋼帶，使反饋桿繞支點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，導(dǎo)致伺服閥的閥芯上移，閥口A節(jié)流作用增大，輸出流量減小，缸1運(yùn)行速度減慢；而閥口B節(jié)流作用減小，輸出流量增大，缸2運(yùn)行速度增快，結(jié)果兩缸運(yùn)行趨于同步運(yùn)行。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，同步誤差可小于0.1mm。

　　用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)控制補(bǔ)償作用，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又可通過調(diào)整反饋桿的支點(diǎn)位置來改變反饋放大系數(shù)，達(dá)到*控制閥芯位移的目標(biāo)，其傳遞路線簡(jiǎn)捷，將檢測(cè)、反饋、比較等環(huán)節(jié)集結(jié)于一身。缺點(diǎn)是安裝空間會(huì)受到設(shè)備條件的限制，環(huán)境因素（如溫度影響、鋼帶變形）會(huì)降低其控制精度。

5　實(shí)驗(yàn)研究

　　新系統(tǒng)選擇極限環(huán)境條件下，進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期能zui大限度地把未能考慮到的因素都“加入”試驗(yàn)中。試驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖6所示。其中一組“對(duì)頂油缸”無加載，而第二組“對(duì)頂油缸”通過調(diào)整節(jié)流閥開口度來施加不同數(shù)值的負(fù)載，造成在大負(fù)載差的工況下反復(fù)運(yùn)行，并作出對(duì)比分析。

　　圖7是兩組“對(duì)頂油缸”壓力差為15MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線。可見盡管兩組油缸負(fù)載懸殊，但它們的運(yùn)動(dòng)曲線仍是十分平行的，即表明系統(tǒng)速度同步性能良好。缸1及缸2在負(fù)載產(chǎn)生很大變化時(shí)，由于實(shí)行閥控補(bǔ)償，兩缸的輸入流量仍然保持“等量”關(guān)系，幾乎不受負(fù)載變化、泄漏等因素影響，新系統(tǒng)的同步性能是較理想的。

　　圖8是加載壓力為15MPa實(shí)時(shí)檢測(cè)到的同步誤差曲線，其中zui大誤差為0.15mm，表明系統(tǒng)具有較理想的同步性能。同步相對(duì)誤差的計(jì)算公式為：

式中：n—采樣次序數(shù)（n=0,1,2,…,k）
　　　k—采樣總次數(shù)
　　　Δtn—第n次采樣時(shí)間間隔（采樣周期），
　　　Δtn=tn-tn-1
　　　xn—第n次采樣的無加載缸的位移
　　　yn—第n次采樣的加載缸的位移
　　　vt—理論速度
　　由實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，加載壓力為15MPa時(shí)，三次測(cè)量的系統(tǒng)相對(duì)同步誤差為Δ1=0.0377mm, Δ2=0.04mm,Δ3=0.0531mm。
　　上述試驗(yàn)系統(tǒng)中，如果將形成加載壓力的節(jié)流閥的開口度改用電控方式，按某一規(guī)律變化或隨機(jī)變化，產(chǎn)生變化的外負(fù)載，即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)同步試驗(yàn)。

6　結(jié)束語

　?。?）閥控補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制使系統(tǒng)獲得高同步精度，而主油路采用泵控方式，充分利用液壓能量，效率高。因此，復(fù)合控制方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值是顯著的。
　　（2）正開口閥，由于節(jié)流口的差動(dòng)工作，其靈敏度高，響應(yīng)快，且制造及改裝容易。盡量增大該閥的面積梯度，節(jié)流損失可以減小，有利于提高能量利用系數(shù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，為避免對(duì)油液清潔度的苛刻要求，采用電液比例閥為宜。
　?。?）用相對(duì)法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的值同步誤差檢測(cè)，避免了大量程傳感器研制及安裝的困難，而且為鑒別同步性能提供了有效的新方法。
　　（4）由于一個(gè)實(shí)用的生產(chǎn)系統(tǒng)，zui終還是靠“硬件”來實(shí)現(xiàn)，僅靠“仿真”研究是不可能把難以估計(jì)的因素都“加入”試驗(yàn)中，所以選擇極限環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究或模擬試驗(yàn)，其結(jié)果是zui為“逼真”，置信度zui高，設(shè)備可靠性，堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)研究對(duì)大型、重型系統(tǒng)更是至關(guān)重要的。

來源：機(jī)電與液壓