顧海濤，孫常新，朱文杰

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000)

0 前言

液壓同步系統(tǒng)，是由兩個或多個液壓缸/液壓馬達作為執(zhí)行器，共同驅(qū)動同一負載，運動過程中各執(zhí)行器速度同步。影響同步的因素主要包括各執(zhí)行器所承受載荷、摩擦阻力、泄漏、管路、制造安裝等。在液壓同步系統(tǒng)中，除特殊情況外，一般各執(zhí)行器型號規(guī)格一致，因此各執(zhí)行器的速度同步主要通過液壓回路保證執(zhí)行器的有效流量相同而實現(xiàn)。根據(jù)流量控制方式的不同，液壓同步回路可分為節(jié)流同步和容積同步兩大類，節(jié)流同步通常采用節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流集流閥、比例閥、伺服閥等作為控制元件，容積同步則以采用等排量的多聯(lián)液壓泵作為控制元件比較常見，具體采用的控制元件與回路設(shè)計依據(jù)工況需求而定。

1 兩缸同步開環(huán)控制系統(tǒng)分析

國內(nèi)某風洞中的機構(gòu)中較多采用兩缸/多缸同步。以噴管段側(cè)壁為例，每塊側(cè)壁由2只油缸驅(qū)動，沿輪軌橫向運動，側(cè)壁與噴管段合攏到位后，由上下2排螺栓緊固。側(cè)壁輪軌無精確導向能力，而為保證側(cè)壁運動過程中不發(fā)生側(cè)偏，主要依靠2只驅(qū)動油缸同步運動。側(cè)壁打開/合攏運行頻次較低，只有在定期維修或噴管段其他機構(gòu)等遇到故障時，才需動作，動作時保證兩缸同步至關(guān)重要，以避免軌道別卡的險情或?qū)к壖皞?cè)壁結(jié)構(gòu)損傷的風險。

原兩缸同步系統(tǒng)原理如圖1所示，油源與噴管段上下壁板32只并聯(lián)油缸共用1套低壓油源，噴管段上下壁板32只并聯(lián)油缸采用“低壓成型、高壓鎖緊”的運行模式，即各液壓缸動作時采用低壓，到位后采用高壓進行鎖緊。油源包括高壓和低壓共2套，其中低壓油源與側(cè)壁液壓系統(tǒng)油源共用。系統(tǒng)壓力通過先導式溢流閥3設(shè)定為3 MPa，壓力油通過三位四通電磁換向閥4.1供往側(cè)壁兩油缸，油缸6.1的進回油路設(shè)置回油節(jié)流閥5.1、5.2，油缸6.2的進回油路設(shè)置回油節(jié)流閥5.3、5.4，兩缸同步主要通過節(jié)流閥與溢流閥構(gòu)成的回油節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)保證，運動速度約5 mm/s。由于節(jié)流閥的流量不僅取決于節(jié)流口面積的大小，還與節(jié)流口前后壓差有關(guān)，閥的剛度較小，受負載變化影響較大。在風洞投入使用之初，尚能滿足兩油缸500 mm全行程同步誤差10 mm的同步能力；隨著使用年限的增加，側(cè)壁載荷分布與驅(qū)動油缸的負載特性均發(fā)生一定變化，導致油缸同步性越來越差，且反復優(yōu)化節(jié)流開度效果有限，在近年幾次側(cè)壁運動的過程中，均出現(xiàn)了由于油缸運行不同步(前后兩只油缸位移差約20 mm)導致側(cè)壁與軌道別卡的險情。

圖1 原側(cè)壁液壓系統(tǒng)原理

作者綜合對比了兩缸液壓同步的幾種改進方案：

(1)以調(diào)速閥為主要控制元件，構(gòu)建同步回路。調(diào)速閥是由定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)而成的組合閥，增加了節(jié)流前后的壓力補償，使節(jié)流閥前后壓差保持定值，剛度優(yōu)于節(jié)流閥。但此系統(tǒng)壓力較低，調(diào)速閥進、出油腔最小壓差受限，同時隨著使用磨損增大，內(nèi)泄漏量增加風險較高，可能會影響到最小穩(wěn)定流量，以調(diào)速閥為主要控制元件的同步效果在此低壓小流量場合可能受限。

(2)以分流集流閥為主要控制元件，構(gòu)建同步回路。分流集流閥是一種同步控制閥，是利用負載壓力反饋的原理，來補償因負載壓力變化而引起流量變化的一種流量控制閥，其作用是按一定的流量比例同時向兩個液壓缸或液壓馬達供油(分流)或接收回油(集流)。但分流集流閥通?？梢赃_到的同步精度為4%～5%，且壓力補償特點與調(diào)速閥的問題相同，同步效果在此低壓小流量場合可能受限。

(3)以比例閥或伺服閥為主要控制元件，構(gòu)建同步回路。通常基于比例閥或伺服閥，結(jié)合油缸位移傳感器構(gòu)建電液閉環(huán)系統(tǒng)，通過合理的控制策略、控制算法，能夠獲得較高的同步精度。但考慮到此類系統(tǒng)造價高、抗污染能力差以及對使用和維護的要求較高等實際問題，與此工況需求的契合度較低。

(4)以等排量的多聯(lián)液壓泵作為控制元件，構(gòu)建容積同步回路。由于組成多聯(lián)泵的實際排量及容積效率不完全相同，各泵與液壓缸之間容腔的體積也不可能完全一致，再加上液壓缸的泄漏以及偏載等因素的影響，常規(guī)容積同步回路的實際同步精度往往只能控制在5%左右，且如果采用此方案，還涉及對共用低壓油源的改造，與此工況需求的契合度較低。

此外，液壓同步方案還包括由節(jié)流調(diào)速或容積調(diào)速基本回路衍生的一些同步方案以及節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速相結(jié)合的方案等。如前文介紹，此系統(tǒng)運行頻次低，使用維護成本要求盡可能小，但兩缸速度平穩(wěn)性要求較高且需同步，因此作者重點考慮了基于液壓同步馬達的開環(huán)控制方案。

液壓同步馬達是由加工精度較高、尺寸相同的若干個液壓馬達組成。相同的尺寸和較高的加工精度,使得通過每一個液壓馬達的流量(排量)近似相同；再者,由于液壓執(zhí)行器的截面積(或排量)相同,從而實現(xiàn)速度同步。液壓同步馬達精度較高,但實際使用中還存在著明顯的誤差,其同步精度主要受以下一些因素的影響:液壓馬達及液壓執(zhí)行器的加工精度;負載的均勻程度;液壓管道的布置;介質(zhì)中氣體的含量、泄漏等。

2 改進的同步方案

此系統(tǒng)兩油缸規(guī)格相同，缸徑200 mm，桿徑100 mm，運行速度約5 mm，要求兩油缸500 mm全行程的同步誤差不超過10 mm，即有效流量的開環(huán)控制精度需達到2%以內(nèi)。

液壓馬達選擇齒輪式同步馬達，它能夠在較低系統(tǒng)壓力下工作，且具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)部壓損小、工藝性好、對油污染不敏感以及成本低廉等優(yōu)勢，同步誤差為±1.5%～±2%。對于兩聯(lián)齒輪分流馬達，分流時的同步誤差跟各聯(lián)馬達的內(nèi)泄漏有關(guān)，且正比于兩出油口壓差。此系統(tǒng)油源壓力通過溢流閥調(diào)定為3 MPa，兩油缸工作壓力通過排氣測壓接頭測得分別為2.0、1.9 MPa，同步馬達兩出油口壓差工況較好，同步誤差能達到±2%以內(nèi)。通過查閱產(chǎn)品樣本，選用HANSA的9RV-02A27，馬達排量為4.3 mL/r，計算可得油缸以5 mm/s速度運行時，齒輪轉(zhuǎn)速在2 200 r/min左右，同步馬達處于在此工作區(qū)間流量控制能力很好，基本滿足需求。同步馬達特性曲線見圖2。

圖2 同步馬達特性曲線

考慮到作為執(zhí)行器的油缸，其加工精度已無法改變，只能通過適當維護盡量提高其摩擦、泄漏等性能一致性，閥組的布局限制也決定了管路長短有別，側(cè)壁板的負載分布又只能適應現(xiàn)狀。因此，改進的同步方案主要利用齒輪式同步馬達對供往兩只油缸的主路流量進行等分，旁路采用小流量精密單向調(diào)速閥進行流量補償以保證同步效果。

需要補償?shù)南到y(tǒng)流量(機泵組流量)：

=··=0.025×970×0.85=20.6 L/min

單缸以5 mm/s速度運行的流量需求：

Δ=·=10.3×2%=0.21 L/min

Δ′=′·=9.42×2%=0.19 L/min

同步馬達出油口的流量波動：0.19～0.21 L/min。

更換密封件維保后兩油缸內(nèi)泄漏量通過量杯實測分別為

=0.4 L/min

=0.5 L/min

因此旁路單向調(diào)速閥需要補償?shù)牧髁繛?.29～0.71 L/min。再綜合考慮管路長短差異的影響，選用2FRM-5小流量精密型單向調(diào)速閥，最大流量1.2 L/min，該閥特性曲線如圖3所示。通過查閱產(chǎn)品樣本，其小流量輸出受壓差變化影響較小，性能非常穩(wěn)定。

圖3 2FRM-5型調(diào)速閥特性曲線

通過在旁路采用此小流量精密單向調(diào)速閥預置開度進行流量補償，相較于通過電磁閥根據(jù)反饋信號自動進行旁路補油，對油缸速度穩(wěn)定性更加有利。

改進的同步方案中油源、油缸沿用之前設(shè)備，以新的液壓同步回路替換原節(jié)流調(diào)速回路，并在各油缸進、回油路增設(shè)截止閥以完善單點油缸調(diào)節(jié)功能。圖4為改進后的液壓原理圖。新的液壓同步回路由手動換向閥、液壓同步馬達、單向調(diào)速閥、單向閥、截止閥等組成。液壓同步馬達共兩只，同步馬達3.1的兩個出油口分別經(jīng)單向閥4.1、4.2，截止閥5.1、5.2與兩油缸6.1、6.2無桿腔連通，單向調(diào)速閥2.1、2.2與液壓同步馬達3.1并聯(lián)，分別經(jīng)截止閥5.1、5.2與兩油缸6.1、6.2無桿腔連通；同步馬達3.2的兩個出油口分別經(jīng)單向閥4.3、4.4，截止閥5.3、5.4與兩油缸6.1、6.2有桿腔連通，單向調(diào)速閥2.3、2.4與液壓同步馬達3.2并聯(lián)，分別經(jīng)截止閥5.3、5.4與兩油缸6.1、6.2有桿腔連通。換向閥為手動，減少對電氣依賴程度，并設(shè)置2只，提高系統(tǒng)冗余度。

圖4 改進的液壓系統(tǒng)原理

當側(cè)壁需要運動時，將上下兩排緊固螺栓松脫，啟動低壓油源。兩油缸伸桿時，現(xiàn)場手動將換向閥切換至左位，壓力油經(jīng)過換向閥供往單向調(diào)速閥2.1、2.2和同步馬達3.1，同步馬達在同一轉(zhuǎn)軸的帶動下以相同流量分別供往油缸6.1、6.2的無桿腔，驅(qū)動油缸伸桿運動。同時同步馬達內(nèi)部每一條油路上都含有一個溢流閥和單向閥，當某一油缸出現(xiàn)別卡或首先到位時，油路壓力升高至溢流閥設(shè)定值時，溢流閥開啟溢流保證安全；而當管路中出現(xiàn)吸空趨勢時，通過單向閥自動補油提高穩(wěn)定性。同步馬達3.1通向油缸6.1、6.2的無桿腔兩路輸出雖然流量相同，但油缸的速度還受油缸摩擦、泄漏等性能差異、管路長度不同、負載不均等影響，此時單向調(diào)速閥2.1或2.2會從旁路為油缸6.1或6.2的無桿腔進行流量補償(單向調(diào)速閥為預置開度，具體開度通過調(diào)試確定)，最終保證兩油缸無桿腔有效流量相同進而實現(xiàn)同步伸桿。此時油缸6.1、6.2的有桿腔回油通過單向調(diào)速閥2.3、2.4中的單向閥與換向閥的回油路連通，在單向閥4.3、4.4的作用下，回油不經(jīng)過同步馬達3.2，不會造成擾動。當兩油缸縮桿時，現(xiàn)場手動將換向閥切換至右位，壓力油經(jīng)過換向閥供往單向調(diào)速閥2.3、2.4和同步馬達3.2，同步馬達在同一轉(zhuǎn)軸的帶動下以相同流量分別供往油缸6.1、6.2的有桿腔，驅(qū)動油缸縮桿運動。此時單向調(diào)速閥2.3或2.4會從旁路為油缸6.1或6.2的有桿腔進行流量補償(單向調(diào)速閥為預置開度，具體開度通過調(diào)試確定)，最終保證兩油缸有桿腔有效流量相同進而實現(xiàn)同步縮桿。此時油缸6.1、6.2的無桿腔回油通過單向調(diào)速閥2.1、2.2中的單向閥與換向閥的回油路連通，在單向閥4.1、4.2的作用下，回油不經(jīng)過同步馬達3.1，不會造成擾動。

3 同步方案調(diào)試注意事項

改進的方案在調(diào)試初期，單向調(diào)速閥不工作時，同步馬達實現(xiàn)兩缸全行程同步誤差12 mm，然后對應反復優(yōu)化單向調(diào)速閥開度，最終兩缸全行程同步誤差3 mm。調(diào)試過程中，需實時檢測兩缸速度，運動過程中，遇到超差過大時(超過10 mm)及時停止運動，通過關(guān)閉截止閥5.1、5.3或5.2、5.4，位置追回一致后，匹配單向調(diào)速閥開度，開展下一輪調(diào)試。

兩缸到達行程末端后，換向閥繼續(xù)保持當前工位，增加延時5 s，消除累積誤差。溢流壓力的調(diào)定需要與負載匹配，若壓力設(shè)置很高，影響消除同步誤差;若壓力設(shè)置很低，負載大的液壓缸尚未啟動就因升壓而溢流，影響同步效果。一般來說，溢流閥的調(diào)定壓力比負載液壓缸工作壓力高約2 MPa，此回路中，油缸工作壓力為3 MPa，溢流閥調(diào)定壓力為5 MPa。液壓介質(zhì)中含有氣體會影響同步精度，所以新系統(tǒng)安裝后調(diào)試前首先需進行排氣操作。此系統(tǒng)通過油缸上的排氣閥進行排氣操作。同時需注意調(diào)試過程中油溫控制在15～50 ℃，降低油液在高溫下泄漏性能變化的影響。

4 應用效果

此系統(tǒng)同步回路閥組布置在原閥組位置，手動換向閥設(shè)置在閥組上方洞體橫梁處，便于操作。同時為了提高后期使用的安全性，為新系統(tǒng)增設(shè)一套狀態(tài)檢測系統(tǒng)，主要由PLC模塊、拉繩編碼器、顯示屏等組成。拉繩編碼器檢測油缸位移，通過數(shù)字量輸入模塊進行采集，通過總線接口與PLC模塊連接，油缸運行狀態(tài)信息直接反饋到現(xiàn)場顯示屏，當兩油缸出現(xiàn)同步超差時能夠及時給出報警指示，如圖5所示。兩只拉繩編碼器分別安裝在兩個洞體立柱上，在編碼器與側(cè)壁外框架法向相交處焊接拉繩掛孔，拉繩通過掛鉤連接，確保采集值與油缸運行位移量一致。

圖5 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

同步控制系統(tǒng)完成安裝、清洗、排氣后，首先單獨動作，通過機械測量與拉繩編碼器反饋信號進行校核，然后通過檢測10、40、70、100 s四個時間標記點對應的兩油缸位移差，開展10輪反復調(diào)試優(yōu)化。最終兩缸全行程同步差在3 mm以內(nèi)。將單向調(diào)速閥調(diào)節(jié)量固化后，又進行了5個全行程往復動作驗證，同步效果比較穩(wěn)定，完全達到預期要求。摘選的首次與末次調(diào)試數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 首次位移調(diào)試數(shù)據(jù) 單位:mm

表2 末次位移調(diào)試數(shù)據(jù) 單位:mm

改進工作2019年完成，現(xiàn)場實物如圖6所示。調(diào)試完成后，為兼顧工程實用性，狀態(tài)檢測系統(tǒng)的超差報警值由原10 mm提高到5 mm。在近兩年的數(shù)次側(cè)壁打開/合攏運行中，同步效果比較穩(wěn)定，兩缸全行程同步差始終在3 mm以內(nèi)，實用效果得到較高認可。風洞中其余幾套類似需求的系統(tǒng)正在籌備推廣采用此種同步方式。

圖6 改進后的液壓同步系統(tǒng)

5 結(jié)論

某風洞兩缸同步液壓系統(tǒng)，主要是基于齒輪式同步馬達的同步能力，再合理配置單向調(diào)速閥進行流量補償構(gòu)建開環(huán)同步回路，取得良好了實用效果，為風洞試驗安全順利進行提供有力保障。實際使用證明：在油源壓力較低的工況下，液壓馬達的同步能力，相比其他預置型流量調(diào)節(jié)閥具有一定優(yōu)勢；再根據(jù)具體系統(tǒng)的實際情況，合理配置流量補償回路，能夠達到很高的同步精度，且速度穩(wěn)定性較好。當然，后期使用過程中載荷及油缸特性等可能發(fā)生變化，開環(huán)同步回路需根據(jù)運行情況，靈活調(diào)整流量補償元件的設(shè)定值，以保證同步效果。