架橋機(jī)對(duì)稱升降液壓缸的同步性研究

王莉　鐘浩

摘要：文章針對(duì)架橋機(jī)對(duì)稱升降液壓缸的同步問題，簡(jiǎn)要介紹了其裝置的工作原理，對(duì)其液壓缸不同步原因進(jìn)行了深入研究，提出采用同步馬達(dá)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除誤差，從而提高系統(tǒng)的同步精度，使其滿足工作需求。

關(guān)鍵詞：架橋機(jī)；對(duì)稱升降液壓缸；同步流量；同步馬達(dá)

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）02-0022-03

1 概述

在架橋機(jī)中，1、2、3號(hào)柱體都是生根于車體上的用于支撐機(jī)臂的結(jié)構(gòu)體，其通過套筒的伸縮來調(diào)節(jié)主機(jī)的高度，套筒伸縮的動(dòng)力則來源于與其相并的液壓缸，因而柱體升降的好與壞很大程度上取決于液壓缸，相對(duì)于對(duì)稱柱體的升降，液壓缸的同步動(dòng)作將顯得尤為重要，若不同步則會(huì)有支撐結(jié)構(gòu)傾斜，使機(jī)臂接觸放置不穩(wěn)，影響吊梁運(yùn)梁很好工作，同時(shí)也使機(jī)構(gòu)在連接

處橫向力增大，將影響其壽命，以下將做分析。

2 柱體升降油缸的工作原理及不同步分析

2.1 單向節(jié)流閥很難調(diào)整到同流量

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、調(diào)整方便，但單向節(jié)流閥的精度相當(dāng)?shù)?，很難將單向節(jié)流閥調(diào)整到同流量，只能通過觀察液壓缸的動(dòng)作情況，粗略地調(diào)整開口量。而且在一段時(shí)間的運(yùn)行之后，由于流體對(duì)閥芯的磨損程度不同，造成原先調(diào)整的單向節(jié)流閥的節(jié)流口斷面發(fā)生變化，其流量也發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致液壓缸不同步。尤其在大流量的系統(tǒng)中，節(jié)流閥的細(xì)微變化就會(huì)引起系統(tǒng)流量的大幅度變化。僅靠調(diào)整流量閥的開口量來實(shí)現(xiàn)液壓缸的同步工作，工作難度相當(dāng)大，而且同步精度很低。

2.2 受單向節(jié)流閥性能特點(diǎn)的影響

圖1為單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)圖和圖形符號(hào)，它把節(jié)流閥芯分成上閥芯和下閥芯兩部分。當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí)，其節(jié)流過程與節(jié)流閥是一樣的；當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實(shí)現(xiàn)流體的反向自由流動(dòng)。

1.頂蓋 2.導(dǎo)套 3.上閥芯 4.下閥芯 5.閥體 6.復(fù)位彈簧 7.底蓋

圖1 單向節(jié)流閥

現(xiàn)將單向節(jié)流閥的性能特點(diǎn)做一分析：

節(jié)流閥的流量特性方程：

Qv＝KA△Pm

式中：

K——由節(jié)流口形狀、流體特征、流體性質(zhì)等因素確定的系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得出。

A——節(jié)流口的通流面積（m2）

△P——節(jié)流口前后的壓差（MPa）

m——節(jié)流口形狀決定的指數(shù)（0.5≤m≤1）

節(jié)流閥流量特性曲線如圖2所示：

圖2 節(jié)流閥流量特性曲線

由圖2可知，節(jié)流閥的穩(wěn)定性與節(jié)流口形狀、節(jié)流口壓差等因素有關(guān)，穩(wěn)定性差。其他條件一定的情況下，當(dāng)各液壓缸的負(fù)載不同時(shí)，節(jié)流口的前后壓差就發(fā)生變化。由液壓流體力學(xué)的中油液流經(jīng)閥口時(shí)的流量公式：

（L/min）

式中：

Cq——流量系數(shù)

At——節(jié)流閥開口面積（mm2）

ρ——油液密度（kg/mm2）

△P——節(jié)流閥的壓力差（MPa）

上式中，當(dāng)At調(diào)定后，At、Cq、ρ是不變的，壓力差△P的變化導(dǎo)致通過各個(gè)節(jié)流閥的流量發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起液壓缸不同步。

2.3 系統(tǒng)的泄漏

系統(tǒng)泄漏主要是液壓缸的內(nèi)泄漏，為了定性分析，其泄漏的形式可假設(shè)為通過偏心環(huán)狀間隙的流量，其流量公式為：

式中：

d——液壓缸活塞直徑（mm）

h——缸內(nèi)徑與活塞的間隙量（mm）

?——液壓油的動(dòng)力粘度（P·s）

l——活塞與缸體配合長(zhǎng)度（mm）

△P1——缸兩腔壓力差（MPa）

ε——相對(duì)偏心率（ε＝）

e——偏心量（mm）

從式中可以看出，不僅負(fù)載不同導(dǎo)致各缸壓力差△P1的不同，而且d、h和e對(duì)各缸也有微差，油溫的變化也會(huì)引起?的變化，這些都會(huì)引起各缸泄漏量△Q的不同，因此，若液壓缸的密封條件變差，其泄漏量就會(huì)變大且不相同，會(huì)使其同步精度進(jìn)一步下降。

2.4 管路布置不合理

在同樣的條件下，管道越長(zhǎng)，損失的能量就越大，即沿程損失。當(dāng)這種壓力損失與負(fù)載偏置疊加在一起，就將在管道內(nèi)產(chǎn)生較大的壓差，這種壓差也會(huì)導(dǎo)致單向節(jié)流閥的流量發(fā)生變化。

2.5 人為操作原因

對(duì)稱油缸同步升降是通過人為操作的，當(dāng)人的兩只手同步放下去缸同時(shí)升降，會(huì)因操作用力不均等而使缸的運(yùn)行速度不一致。

從理論上講，只要油缸的活塞有效面積相同，輸入流量也相同，它們之間應(yīng)該做出同步運(yùn)動(dòng)。但是，柱體同步活動(dòng)除受以上因素的影響外，還因?yàn)樨?fù)載的不均、摩擦阻力的不等、桿機(jī)構(gòu)的制造、安裝誤差等都不可避免地會(huì)使液壓缸間的運(yùn)動(dòng)不同步，易造成液壓缸運(yùn)動(dòng)阻滯、速度不平穩(wěn)和液壓缸、被傳動(dòng)件偏載加劇等現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致液壓缸或被傳動(dòng)件過早地毀壞。綜上說明，以上回路的同步問題需改進(jìn)。

3 研究與措施

液壓同步回路具有多樣性，大致可分為流量同步回路、容積同步回路、伺服同步回路三大類，不論用哪種方法，完全同步難以實(shí)現(xiàn)，只能盡可能地提高同步精度，達(dá)到使用要求即可。介于對(duì)柱體液壓同步問題的分析，考慮到工程實(shí)際、成本造價(jià)等方面，提出采用容積同步即使用同步馬達(dá)具有一定的可行性，可以柱體同步的要求。

液壓同步馬達(dá)又叫液壓分流馬達(dá)。液壓同步馬達(dá)是由加工精度較高、規(guī)格相同、性能參數(shù)基本相近的若干個(gè)液壓馬達(dá)組成。相近的性能參數(shù)和較高的加工精度，使得通過每一個(gè)液壓馬達(dá)的流量基本保持一致，由于液壓缸的規(guī)格相同、性能參數(shù)相近、進(jìn)排油量一致，從而實(shí)現(xiàn)速度同步。我們經(jīng)常見到和使用的液壓分流馬達(dá)一般有兩種結(jié)構(gòu)類型：齒輪式和徑向柱塞式。這兩種結(jié)構(gòu)形式都是屬于高速類元件，在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行和內(nèi)泄漏，排量精度都是在一定的轉(zhuǎn)速以上才能得到保證，因此它適用于大流量的系統(tǒng)中。一般來講，徑向柱塞式可以做得同步精度更高一些。

1.溢流閥 2.單向閥 3.單向節(jié)流閥 4.液壓鎖 5.同步馬達(dá) 6.油缸 7.換向閥

圖3 液壓同步馬達(dá)控制的新液壓回路圖

如圖3所示，是一個(gè)液壓同步馬達(dá)控制的新液壓回路。溢流閥1相當(dāng)于安全閥，其作用是防止在液壓缸出口由于壓力放大現(xiàn)象而產(chǎn)生過高壓力，由于此閥的設(shè)置，即使回路中有一只液壓缸已經(jīng)提前完成了整個(gè)行程，其他液壓缸仍然可以繼續(xù)上升，直至所有液壓缸完成工作行程；單向閥2的作用是保證同步馬達(dá)的每腔分配室都能維持一定的壓力。保證系統(tǒng)最小壓力是非常重要的，當(dāng)其中一只液壓缸運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，同步馬達(dá)仍然在為其他速度稍慢的液壓缸運(yùn)行提供動(dòng)力，這時(shí)，系統(tǒng)的最小壓力就能保證速度稍快的液壓缸不會(huì)發(fā)生吸空現(xiàn)象；單向節(jié)流閥3的作用也非常重要，除了可以調(diào)節(jié)液壓缸的上升速度外，下降時(shí)也可以產(chǎn)生一定的背壓。當(dāng)液壓缸下降時(shí)，同步馬達(dá)的任務(wù)是收集液壓缸的回油并保證流量的一致，這時(shí)單向節(jié)流閥3的作用是防止同步馬達(dá)按照最快液壓缸的速度運(yùn)行而導(dǎo)致其他稍慢的液壓缸沒有及時(shí)跟上，當(dāng)然當(dāng)所有液壓缸都以相同的速度運(yùn)行時(shí)，同步馬達(dá)僅僅起到一個(gè)收集器的作用。當(dāng)液壓缸回程存在負(fù)載時(shí)，單向節(jié)流閥3的作用就顯得更為重要。

同步馬達(dá)的加工精度固然很高，但不可能完全一樣，每一個(gè)液壓馬達(dá)的排量肯定也不完全一樣，最終導(dǎo)致油路上的總流量不一樣。流量大的總是流量大，即產(chǎn)生同步精度的累計(jì)誤差。尤其是液壓執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)是在行程范圍之內(nèi)，這種累計(jì)誤差就更大了。

由圖3可以看出，在液壓同步馬達(dá)內(nèi)部的每一流油路上，均有一個(gè)溢流閥1和一個(gè)單向閥2組成的閥組，這個(gè)閥組就是消除位置不同步誤差所設(shè)置的。如果出現(xiàn)一個(gè)液壓缸較快的到達(dá)終點(diǎn)，那么先到終點(diǎn)液壓缸的馬達(dá)，會(huì)被與其他馬達(dá)相同的一根軸帶動(dòng)，繼續(xù)供油，從而壓力上升直至溢流閥1發(fā)生溢流，實(shí)現(xiàn)同步功能。同時(shí)單向閥2也可以向同步油路補(bǔ)油，這樣多了溢流閥1溢流，少了單向閥2補(bǔ)油，就能實(shí)現(xiàn)液壓缸的同步要求。由此可以看出，采用溢流閥和單向閥的同步馬達(dá)控制回路可以消除每一步同步誤差，這樣當(dāng)所有液壓缸都完成自己的行程，就可以消除同步馬達(dá)的累計(jì)誤差。

此外，液壓管路的合理布置和液壓缸的密封也極為重要。所以，我們應(yīng)盡可能地將遠(yuǎn)近距離、彎管形式、管道的通徑等管道配置成一樣，所有液壓缸的密封件也最好定期地更換。

4 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)架橋機(jī)柱體同步問題的深入研究，分析在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)液壓缸不同步的原因，結(jié)合工程實(shí)際，提出采用同步馬達(dá)對(duì)同步回路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，讓液壓缸動(dòng)作具備同步性，使工作性能大為改善，同時(shí)也為同步馬達(dá)的正確使用提供了范例。

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（責(zé)任編輯：王書柏）