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液 压 气 动 与 密 封 / 2 01 3年 第 0 6期 液压系统流一 压互补同步回路仿真研究 邹学新 , 廖金军 , 李 欣 。 1 . 第二炮兵工程大学 士官学院, 山东 青州2 6 2 5 0 0 ; 2 . 中国铁建重工集团有限公司, 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 ; 3 . 湖北大学 知行学院 , 湖北 武汉4 3 0 0 2 0 摘要 液压同步 回路是液压系统 中重要的和运 用最广泛 的回路之一, 然而 , 高精度液压 同步 回路 的实现 , 往往对 同步元件 、 执行机构或 控制装置的性能要求 高. 实现成本较高 . 这在一定程度上成为 了制约高精度液压同步 回路应用 的主要 因素之一 。通过建立流一 压互补同 步 回路 系统 的仿真模 型。 分析了系统 的理论 同步精度 , 比较了负载、 同步阀分流精度等不同参数对 系统 同步精 度的影响 , 掌握 了系统 回 路 工作特性 . 并验证 了流一 压互补 同步回路实现高精度同步要求 的可行性 关键词 液压 系统 ; 分流 阀; 同步 回路 ; 流压互补 中图分类号 T H1 3 7 . 9 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 0 6 0 0 2 6 0 5 Re s e a r c h o n S i mul a t i o n o f Hy d r a u l i c S y s t e m F l o w Pr e s s ur e Co mp l e me n t a t i o n S y nc h r o n ou s Ci r c u i t Z O U Xu e - x i n , L I AO J i n - j u n z , L I X i n 1 . T h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y O f f i c e r C o l l e g e , Q i n g z h o u 2 6 2 5 0 0 , C h i n a ; 2 . C h i n a Ra i l wa y Co n s t r u c t i o n He a v y I n d u s t ry Co . , L t d . , C h a n g s h a 4 1 01 0 0, C h i n a ; 3 . Z h i x i n g C o l l e g e o f Hu b e i U n i v e r s i t y , Wu h a n 4 3 0 0 2 0 , C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s y s t e m i s c o n s i d e r e d a s o n e o f a v e r y i mp o r t a n t a n d mo s t c o mmo n h y d r a u l i c c i r c u i t s , h o w e v e r , i t i s h i g h c o s t a n d b e e n h a r d r e c o mme n d e d f o r s y n c h r o n i z e r , a c t u a t o r a n d c o n t r o l g e a r t o g e t t h e h i g h s y n c h r o n o u s p r e c i s i o n , wh a t , t o a c e r t a i n d e g r e e , a l s o i s r e g a r d e d a s t h e f a c t o r o f i n fl u e n c i n g t h e a p p l i c a t i o n o f h i g h p r e c i s e l y h y d r a u l i c s y n c h r o n i z a t i o n c i r c u i t . B y mo d e l i n g t h e h y d r a u l i c fl o w - p r e s s u r e c o mp l e me n t a t i o n s y n c h r o n o u s c i r c u i t , a n d ma k i n g the mo d e l s i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o f s y s t e m s y n c h ron o u s p r e c i s i o n i n the o ry, a l s o , the i n f l u e n c i n g for s y s t e m s y n c h r o n o u s p r e c i s i o n i s c o n s i d e r e d b y c o mp a rin g wi t h t h e d i f f e r e n t p ara me t e rs o f s y s t e m l o a d , d i v e r s i o n a c c u r a c y o f b y p a s s . T h e n , t h e c h a r a c t e r i s ti c s o f s y s t e m c i r c u i t i s o b t a i n e d , a n d , the a b i l i t i e s o f h i g h a c c u r a c y a c h i e v i n g b y fl o w- p r e s s u r e c o mp l e me n t a t i o n s y n c h ron o u s c i r c u i t i s v e ri f i e d . Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m; d i v i d i n g v a l v e ; s y n c h r o n o u s c i r c u i t ; fl o w- p r e s s u r e c o mp l e me n t a t i o n O 引言 液压 同步 回路是液压系统 中重要和运用最广泛 的 回路之一 。 然而 , 高精度液压 同步 回路的实现 , 往往对 同步元件 、 执行机构或控制装置 的性能要求高 , 实现成 本较高 到 目前为止 , 依然没有很好地解决液压同步精 度与成本的问题【 1 ] . 这在一定程度上成为了制约高精度 液压 同步回路应用的主要因素之一 液压同步 回路主要分为机械 、 节流调速 、 液压缸 串 联、 同步阀、 同步缸、 同步马达 、 泵控式和比例伺服控制 以及数字阀控 同步回路等 。其 中机械、 节流调速 、 液压 缸串联式同步 回路结构简单 。 易于实现 . 但往往适用于 同步精度 要求较低的场合 同步阀、 同步缸和 同步马达 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 7 作者简介 邹学新 1 9 7 1 一 , 男 , 江苏邳州人, 讲师 , 本科 , 研究方向为工程 机 械流体传动与控制。 26 式 同步回路的同步精度较前者高 , 但成本也随之上升 ; 比例伺服控制和数字阀控制 同步回路可实现高精度同 步要求 . 使用在对系统 同步要求高的场合 。 其实现成本 昂贵[2 ] 。 目前 . 使用者针对以上常见的液压同步系统, 已进行 过相关的分析和研究。本文主要以同步阀同步回路为研 究对象 . 以刘贤贵在论文[1 1 中提出的流压互补同步回路和 金胜秋论文回 的同步阀模型为基础 . 通过模型仿真 . 对流 压互补同步回路进行系统工况仿真分析。此外 , 何润生嘲 研究了系统负载和流量对分流阀分流精度 的影响.随着 系统负载的增加 , 分流阀分流精度将降低 , 系统 流量的 增大将提高分流阀分流精度 岑豫皖 对分流阀动态特 性进行了研究和分析 .建立了分流阀动态性数学模型 . 并考虑了液动力对阀芯的作用 . 明确了阀芯定位弹簧刚 度 、 动态调节时间和曲线对分流精度的影响。 倪兆明同 等 对分流阀动、 静态工作特性 、 分流阀设计 和影响分流阀 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s& S e a l s / No .O 6 . 2 0 1 3 分流精度等因素进行 了分析和研究 。 1 模 本文参考 的分流阀原理模型和以此 阀控制的流压 互补同步回路系统如 图 1 和图 2所示 。图 2中, 同步阀 人 口与三位 四通换 向阀 A 口连接 .同步阀两个 出口分 别通过一个三通接头与液压缸 1 1和二 位三通换 向阀 6 连接。通过控制切换二位三通换向阀 6的工作位置可 实现液压缸 1 1各 自单独工作或液压缸 1 1 . 1无杆腔与 液压缸 1 1 . 2有杆腔联通 . 及液压缸 l 1 . 2无杆腔与液压 缸 1 1 . 1有杆腔联通 的工作状态 .后者 即为流压互补同 步 回路 的一种形式。为了叙述方便 , 下文将两个液压缸 单独工作的同步状态简称状态 1 . 流压互补 同步状态简 称状态 2 。 状态 1下 。 控制信号 1 . 3和 1 . 4分别控制二位 三通换 向阀 1 0 . 1和 1 0 . 2得 电. 二位三通换 向阀 1 0 . 1 和 1 0 . 2工作在左位 反之 ,状态 2下 ,二位三通换 向阀 1 0 . 1和 1 0 . 2工作在右位。 1 3 L - _ 一] A 1 .4 厂 ; ■ 酿一 二 j 7 4 啪 8 . 6 8 8 . 28 1 一 控制信号2 一 电机3 一 油箱4 一 液压泵5 一 溢流阀 6 一 三位四通换向阀7 一 同步阀内节流口8 - 同步阀内部容腔 9 一 同步阀阀芯 1 O 一 二位三通换向阀 1 1 一 液压缸 图2 流压互补 同步 回路 系统原 理图 2 同步精度 流压互补 同步 回路其最大的特点为不完全依赖 同 步阀来控制系统 同步 .而主要依靠油路的流量和压力 补偿来提高同步精度 .从而实现多执行元件较高同步 精度 。从系统同步回路油路连接可以看出, 流压互补同 步回路不仅能有效提高同步精度 .而且还能提高整机 系统的能源利用率。即在状态 l时 . 可增加执行元件的 有效推力 . 可以有效应对系统瞬时超载的工况。 分流 阀的分 流精度一般多为 2 % 5 %左右[ 63 . 当由 该分流 阀与双液压缸组成流压同步系统回路时 .系统 同步误差为 j f ㈩ 式 中 系统 同步精度 液压缸无杆腔、 有杆腔面积比 同步阀分流流量 比 当流压互补 回路 中流量与分流阀正 常工作范围以 内时 . 流压互补回路同步精度 与常规 回路的同步精度 具有如下关系 o 6 等 、 / 2 根据文献[ 1 ] 提供 的数据 , 式 2 所描述的流压互补回 路与常规 回路同步精度之间的关系可由图 3直观表示 图 3常 规 回 路 与 流 压 互 补 回 路 同 步 精 度 关 系 图 3 计算实例 根据 图 2所示流压互补 同步 回路原理 图模型 , 按 表 1参数设置系统元件模型。分别针对液压同步 系统 状态 1和状态 2 . 在不同工况条件下的同步精度进行对 比分析 。其 中. 考虑 了负载 、 分流 阀 自身同步精度等 因 素对系统同步精度 的影 响 3 . 1 流压互补与常规同步回路分析 系统仿真运行 4 0 s . 时间步长为 0 . O 0 1 s 。液压泵总 流量如图 4所示 .在系统启动 4 s 后系统流量达到最大 值 9 0 L / m i n 。 系统 回路按状态 1和状态 2分别进行仿真 其余 参数设置一致 。 下同 , 由图 5可知 , 在系统启动时 , 同 步阀阀芯位移存在一个小的冲击 . 在达到 2 ram时 图中 森Ⅻ 避 液 压 气 动 与 密 封 / 2 0 1 3年 第 0 6期 符号为负 ,即与图 2中阀芯质量的箭头方 向相反 , 缓 慢减少。状态 1 下 , 阀芯位移稳定在 1 . 9 2 ram处 ; 状态 2 下 , 阀芯位移稳定在 1 . 9 0 ra m处。 表 1 系统模 型仿真参数 图 4 液压泵输出流量 如 图 5同步阀阀芯位移 如图 6 、图 7所示 ,状态 1下 ,两液压缸位移为 4 0 0 m m时 , 同步误差 约为 5 . 7 7 ; 状态 2下 , 两液压缸位 移为 4 0 0 m m时。 同步误差约为 2 . 7 8 mm。 一 非流压互补时 1 1 1 缸位移 [ m ] ⋯ 非流压互补时 1 1 .2缸位移 [ m ] O4 O O 3 5 g 0 3 0 0O 5 0 -0 0 5 图 6液压缸活塞位移 一 流压互补时 1 1 1 缸位移 【 m 】 ⋯ 流压互补时 1 l 2 缸位移 [ m ] O 8 O O 7 O 口 0 6 0 \0 5 O 0 1 0 O 一 0 1 O 1 1 1 2 f 2 2 2 2 f 2 x 0 v 1 卸 v 2 4 2 1 4 7 4 s 图 7液压缸活塞位移 3 。 2 分流阀分流精度对同步精度的影响 当设定分流阀分流精度约为 4 % 5 %, 系统负载为 2 5 0 0 0 0 N时. 状态 1和状态 2的仿真结果如 图 8 、 图 9 、 和 图 1 0所 示 。 02 O O 1 O O O 1 O - 02 O - 0.3 O -04 0 图 8同步阀阀芯位 移 此时 , 分流阀阀芯的位移如图 8所示 , 状态 2相 比 状态 1 下 . 分流阀阀芯位移在系统启动阶段有一个较为 大的调节过程 , 并最终稳定在约 O . 1 mm处 , 状态 1 下 , 阀 芯在启动阶段调整幅度小 . 最终稳定在约 0 . 0 4 ra m处。 ⋯ 流压互补时 1 1 . 1 缸位移 【 m】 ⋯一 非流压互补时 1 1 2缸位移 【 m 】 图 9 液压缸活塞位移 ⋯ 流压互补时l 1 . 1 缸位移 [ m 】 ⋯ 非流压互补时 1 1 2 缸位移 【 m ] / 一 / / / _/ 。 . I 图 1 0液压缸活塞位移 该条件下 ,在液压缸活塞运行 4 0 0 ram时 .状态 1 中, 两液压缸同步误差约为 1 5 . 9 5 ra m; 状态 2中, 两液压 缸同步误差约为 5 . 3 2 ram 3 . 3负载对系统同步精度的影响 在考虑分流阀同步精度约为 4 %~ 5 %. 分流流量大 一 端液压缸负载为 2 5 0 0 0 0 N和分流流量小一端液压缸 负载为 5 0 00 0 0 N时 .系统同步效果如 图 1 1 ~ 图 1 3所 示 g曷、 涣翠搀 星 O O O O O 0 5 7 9●3 5 11l 2 2 2 一 一 一 一 一 一 I I I g\ 搀 b_} 1 /卿 们 间 一 一 一 一 ~ ∞∞ ∞如∞妁加 0m O 0 0 O O O O O O O g\ 卫 } Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s& S e a l s / NO . 0 6 . 2 0 1 3 g \ 狳 趟 蟮 吕 g \ 趔 韬 庭 图 1 1 同步 阀阀芯位移 图 1 2 液压缸活塞位移 一 流压互补时 1 1 1 缸位移 【 m] ⋯ 非流压互补时 l l 2缸位移 [ m】 3 /‘ 一 /’ / . . i 1 x 0 1 、 y 1 0 1 1 y 2 0 f 2 1 21 5 8 7 f 2 、 Y 1 0 4 0 6 1 9 9 f 2 y 2 0 3 9 81 0 3 2 - 1 x 2 1 . 5 8 7 2 一 1 l 0 4 0 6 1 9 9 2 一 1 _ 2 O 3 9 8 1 0 3 t/ s 图 1 3 液压缸活塞位移 图 1 1中所示 . 该 条件下分流阀阀芯在系统启动时 存在突然动作 . 并最终稳定在 1 . 9 ra m处。 状态 1 和状态 2下 . 阀芯运动位移基本一致 , 即阀芯调节过程较平稳。 该条件下 。状态 1的系统同步状态如图 1 2所示 , 当液 压 缸 活塞 运 行 约 4 0 0 m m 时 ,双 缸 同步 误差 为 2 1 . 5 3 mm 状态 2的系统 同步状态如 图 l 3所示 , 当液压 缸活塞运行约 4 0 0 mm时 . 双缸同步误差为 8 . 1 O m m。 在考虑分流阀同步精度约为 4 % 5 %, 分流流量大一 端液压缸负载为 5 0 0 0 0 0 N和分流流量小一端液压缸负 载为 2 5 0 0 0 0 N时 . 系统 同步效果如图 1 4 ~ 图 1 6所示。 图 1 4中所示 . 该条件下分流阀阀芯在系统启动时 存在突然动作 . 并最终稳定在反 向 1 . 9 ram处 。 状态 1和 状态 2下 . 阀芯运动位移基本一致 , 即阀芯调节过程较 平稳。 该条件下 .状态 1的系统 同步状态如 图 1 5所示 , 当液 压缸 活 塞运 行 约 4 0 0 ra m 时 ,双缸 同步 误 差 为 1 0 . 5 2 r n m; 状态 2的系统 同步状态如图 1 6所示 , 当液压 缸活塞运行约 4 0 0 m m时 , 双缸同步误差为 2 . 6 5 m m。 - 0 1 1 2 - 2 图 1 4同步阀阀芯位移 _-_ 非流压互补时 1 1 . 】 缸位移 [ m】 ⋯一 非流压互补时 l 1 2缸位移 [ m ] O4 5 04 0 0 3 5 O 3 0 登 培 O . 1 5 O 1 O O . O 5 O - 0O 5 图 1 5液压 缸活塞 位移 ⋯ 流压互补时 I 1 1 缸位移 f m 】 ⋯ 流压互补时 l l 2 缸位移 【 r r1 ] 曼 登 疆8 O 一0 / / / / I f 1 、 o 1 Y 1 0 f l 1 2 0 f 2 1 x 2 I 4 7 4 f 2 1 y 1 0 . 4 O1 03 8 2 2 0 . 3 9 8 3 9 2 2 一 1 2 1 4 7 4 2 一 1 1 O4 0 1 0 3 8 2 . 1 0 . 3 9 8 3 9 2 t / s 图 1 6液压缸活塞位移 4 结果分析 在分流阀分流精度和系统负载一致的情况下 . 通过 对常规与流压互补同步回路的分析 . 得到了以上两种 同 步回路的同步精度 . 从数据分析可知 . 在外负载和内部 元件参数一致的情况下 . 活塞运动位移为 0 . 4 m时 . 流压 互补同步 回路的同步精度仅为常规同步 回路的 4 8 . 2 %. 且随着活塞位移的增加 。 其 比值将进一步减小。 在外负载和内部元件参数一致时 . 仅考虑分流阀分 流精度为 4 %~ 5 %的情况下 .通过分析常规和流压互补 回路系统的同步精度可知 . 活塞运动位移为 0 . 4 m时. 流 压 互补 同步 回路 的 同步 精 度仅 为常 规 同 步 回路 的 3 3 . 4 %。 且随着活塞位移的增加 , 其 比值将进一步减小。 在考虑分流 阀同步精度约为 4 %~ 5 %,并且分流流 H 口 \濑迥梅墅 液 压 气 动 与 密 封 / 2 0 1 3年 第 0 6期 量大一端液压缸负载为2 5 00 0 0 N. 分流流量小一端液压 缸负载为 5 0 0 O 0 0 N时 .和分流流量大一端液压缸负载 为 5 0 0 O 0 0 N,分流流量小一端液压缸负载为 2 5 0 0 0 0 N 时 , 通过分别对以上两种工况的分析得出 . 活塞运动位 移为 0 . 4 m时 , 流压互补 同步回路与常规同步回路 的同 步误差之 比分别为 3 1 . 7 3 %和 2 5 . 1 9 %. 且都将随着活塞 位移的增加 。 比值将进一步减小 5 结论 根据对 常规和流压 互补 同步 回路 系统 的仿 真分 析 , 得到了常规和流压互补同步回路系统在不 同负载 、 同步阀不同分流精度下 的系统同步精度 。通过对系统 同步精度不同影响因素 的对 比分析 .可清晰地得 出以 下结论 1 在 系统和元件参数一致的情况下 . 采用流压互 补式同步 回路较 常规同步回路优势 明显 .具有更好 的 系统同步精度 ,且系统同步精度随着液压缸无杆腔与 有杆腔面积 比的减小而增加 .随着分流阀的分流精度 的提高而提高 2 在采用 同步 阀的常规 同步 回路和流压互补 同 步 回路中 , 通 常在 同步阀精度不高 精度为 2 %~ 5 % 的 情况下 ,流压互补式同步回路通过流量和压力互补方 式可提高同步阀的同步精度 ,使其分流流量更趋于理 论值 3 在同步 阀存在分流误差 , 同步液压缸存在负载 差异 偏载 时 , 若分流流量大一侧 负载大于分流流量 小一侧负载时 ,系统能获得较好 的系统 同步精 度 . 反 之, 系统同步精度较差 4 采用流压互补式同步回路 , 具有较高的能源利 用率 . 即在相同的运动位移条件下 . 流压互补式 同步 回 路较常规 同步回路历经时间短 总之 , 若系统允许工作压力下可以正常 、 可靠工作 的同步系统 .采用流压互补式 同步回路较常规 同步 回 路具有独特的优点 ,在考虑成本和同步精度要求较高 的情况下, 其可以作为 日常设计的一种优先参考方案 参考文 献 【 1 ] 刘 贤贵. 多 缸流一 压互 补 同步 回路[ J 】 . 液压气动 与密封 , 1 9 9 0 , 4 1 6 - 1 8 . 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