机械液压同步回路的设计要点

黄忠华，温玉倩

（广东皓耘科技有限公司，佛山 528313）

1 前言

在机械学中，同步运动是指机械设备中的两个或两个以上的运动机件，如转轴、液压油缸、液压马达等的输出轴等具有相同的转速、速度、位移、加速度等，其中最重要的同步标志即位移（含角位移）相同、速度（含旋转角速度）相同状态下运动或具备之一条件即速度同步或位移同步或位置同步状态下完成它们工作过程。

机械传动最大特点之一，是有可靠确定的传动比，因而容易获得同步传动，加之机械修正补偿也可以获得较高同步精度。但是机械传力不易传递巨力或高力矩，同时不能无级变速。液压传动是同步传动比较常用的方式。结合机械和液压的各自优点，采用液压传动的设备常常采用机械液压同步实现设备中机构的大跨距或者特大负载的动作。

2 机械液压同步回路

机械液压同步回路，就是机械构件连接或机械方式限制，或机械构件传动关系，使两个或两个以上的液压执行器如液压缸同步运动。

液压同步回路的同步精度取决于整机尤其是连接部分与接触部分的刚性或者机械传动的精度，液压尤其活塞杆及其组件刚度。笔者翻阅资料文献后，发现如此常用的机械液压同步传动机构，极少有量化分析计算而仅有一些定性分析论述，为了给后续设备轻量化设计（刚度的安全系数过大）提供依据，本文着重定量分析此问题。

3 机械液压同步受力分析

常用的液压机械同步机构一般是两相对运动构件之间安装油缸连接。如图1 所示是常见机械液压同步常见结构之一。两个油缸安装在横梁1 和横梁2 之间，油缸的伸缩主要是为了实现横梁1 和横梁2 的相对位置变化，当油缸1/2 伸出时横梁2 在油缸的作用下下降，反之油缸缩回横梁2 上升。

图1 常见结构

但是实际中，考虑到横梁的密度不可能绝对均匀一致，油缸的内静/动摩擦不可能完全一致等。根据液压的相关理论可知，当作用在油缸综合负载较轻，则该油缸优先动作。当其中一个油缸动作后，两油缸则出现不同步情况，且机架等作用在油缸上的力也发生变化进而影响后续油缸的伸出情况。下述将对此进行分析。

如图2 所示，机械液压同步的两个油缸由一个阀同时控制，为了防止油缸伸出时因自重过快下降导致吸空，在有杆腔的回路增加了阻尼作为背压使用，原理相对简单。

图2 原理图和受力分析

因液压阀与两油缸的连接无流量控制阀等液压调节控制元件，假设图2 中的右侧油缸综合负载较轻，则当液压阀处于右侧位置时油缸伸出会发生右侧油缸首先伸出。假设右侧油缸多伸出Δh 后，两油缸连接的机架发生如图2 所示的弹性变形之后并匀速运动后，对两油缸的活塞杆进行受力分析如图2 所示，其中主要区别是机架弹性变形后对油缸的作用力方向有所不同，对右侧油缸力的方向为与运动方向相反，对左侧油缸力的方向为与运动方向相同。因为机架也同时处于匀速运动状态，对机架受力分析可得机架对两油缸的力大小一致，力的大小与机架的弹性刚度和变形量有关。

由上述的受力分析可得，两油缸的最终稳定状态下的行程误差Δh 主要与作用在两油缸上的偏载力、机架的刚度值有关。

下述将通过有限元软件分析图1 中支架的弹性刚度值。

根据图1 的机械液压同步结构模型，首先建立如图3所示的简化模型，并利用有限元分析软件对其进行分析。

图3 有限元分析模型

如图3 所示，对右侧油缸活塞杆施加固定约束，并对左侧油缸活塞杆施加10kN 的拉力，分析可得左侧油缸Y 轴方向位移量为34.8mm，即该结构的刚度为287 N/mm。

虽然液压机械同步结构的实现形式各有差异，但是主体结构基本一致。本文暂认定该类型的结构刚度数量级基本一致，下述将单独分析刚度变化和偏载值大小对油缸同步误差的影响。

4 机架刚度对同步精度的影响

根据图2 的液压原理图，利用液压仿真软件建立如图4 所示的仿真模型。其中右侧油缸上方的弹簧模拟机架的整体弹性刚度。

图4 液压系统仿真模型

其中仿真模型的参数主要分为两部分，一部分是参考实际情况设定后不再变化，如表1 所示。另一部分则是上文受力分析中得出的对同步精度起主要影响的偏载和弹簧刚度。在仿真模型中按照表1 设定好参数后，再采用批处理研究按照表2 中的序号1、2 分别研究这两个参数的定量影响。

表1 仿真模型中主要参数（一致部分）

表2 仿真模型中研究的参数

仿真结果如图5、图6 和表3、表4 所示，（1）在机架在常规刚度287N/mm 下，油缸2 施加最大200kg 的质量，即最大偏载150kg 时，两油缸最大行程误差为3.67mm；（2）在油缸2 施加100kg 质量，机架刚度100N/mm 时，两油缸最大行程误差为4.47mm。

表3 不同偏载下的同步误差

图6 不同刚度的同步曲线

表4 不同刚度下的同步误差

5 结语

综上所述，机械液压同步的油缸可以实现1～3mm的同步控制精度，但是实际应用中却并不容易达到。主要原因是本文把油缸与横梁的连接简化成了刚性体，而实际中主要采用的是插销连接轴孔配合结构（如图1 所示）。实际动作时，两油缸要产生伸缩误差后才能消除该类间隙与横梁刚性连接到一起。所以实际设计时，要综合考虑该类影响因素。