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410081;2.中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)

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［1］及刀盘驱动系统、某些升降举重机械设备的提升系统［2］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［3］，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PID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入手，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。

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16、19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22与23、A/D与D/A转换器 (图中未标出)、PLC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14与15、A/D转换器 (图中未标出)、PLC控制器、两高速开关阀17与18、两蓄能器20与21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16、19向上运动，液压缸16向上举升负载的运动速度由调速阀7调节，液压缸19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16的运动位移为基准，从动缸19跟随主动缸16运动。由两位移传感器22、23分别测量出两液压缸16、19的位移值并输入到PLC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19速度，使两缸位移差逐渐减小直至为零，从而实现从动缸19对主动缸16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14、15分别测量出两液压缸16、19的无杆腔压力值 (即载荷值)并输入到PLC控制器中，通过载荷均衡调节模块比较及运算后输出PWM(脉冲宽度调制)信号，控制两高速开关阀17、18通断，进而控制两蓄能器20、21的接通断开，改变两液压缸16、19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14、15检测到液压缸16载荷大于液压缸19载荷，则PLC输出相应PWM控制信号，此时高速开关阀18不工作、蓄能器21不接入系统油路，而高速开关阀17工作、蓄能器20接入液压缸16无杆腔油路，吸收能量以减少液压缸16无杆腔压力，并根据两缸压力差大小控制PWM信号占空比，调控经高速开关阀17输出到蓄能器20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16载荷小于液压缸19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［7］或采用高速开关阀先导控制锥阀［8］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17、18(工作油口B3和B4堵死)分别控制蓄能器20、21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。

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19的输入流量和速度，从而实现从动缸19对主动缸16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16和19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14、15检测到液压缸16载荷大于液压缸19载荷，则PLC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16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16载荷小于液压缸19载荷，则比例溢流阀6起作用使进入液压缸19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。

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。

图4 采用比例减压阀的液压同步系统

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17和18分别调控液压缸16和19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。

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