架桥机对称升降液压缸的同步性研究

王莉　钟浩

摘要：文章针对架桥机对称升降液压缸的同步问题，简要介绍了其装置的工作原理，对其液压缸不同步原因进行了深入研究，提出采用同步马达对系统进行优化设计，消除误差，从而提高系统的同步精度，使其满足工作需求。

关键词：架桥机；对称升降液压缸；同步流量；同步马达

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0022-03

1 概述

在架桥机中，1、2、3号柱体都是生根于车体上的用于支撑机臂的结构体，其通过套筒的伸缩来调节主机的高度，套筒伸缩的动力则来源于与其相并的液压缸，因而柱体升降的好与坏很大程度上取决于液压缸，相对于对称柱体的升降，液压缸的同步动作将显得尤为重要，若不同步则会有支撑结构倾斜，使机臂接触放置不稳，影响吊梁运梁很好工作，同时也使机构在连接

处横向力增大，将影响其寿命，以下将做分析。

2 柱体升降油缸的工作原理及不同步分析

2.1 单向节流阀很难调整到同流量

该系统结构简单、造价低廉、调整方便，但单向节流阀的精度相当低，很难将单向节流阀调整到同流量，只能通过观察液压缸的动作情况，粗略地调整开口量。而且在一段时间的运行之后，由于流体对阀芯的磨损程度不同，造成原先调整的单向节流阀的节流口断面发生变化，其流量也发生相应变化，导致液压缸不同步。尤其在大流量的系统中，节流阀的细微变化就会引起系统流量的大幅度变化。仅靠调整流量阀的开口量来实现液压缸的同步工作，工作难度相当大，而且同步精度很低。

2.2 受单向节流阀性能特点的影响

图1为单向节流阀的结构图和图形符号，它把节流阀芯分成上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与节流阀是一样的；当流体反向流动时，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体的反向自由流动。

1.顶盖 2.导套 3.上阀芯 4.下阀芯 5.阀体 6.复位弹簧 7.底盖

图1 单向节流阀

现将单向节流阀的性能特点做一分析：

节流阀的流量特性方程：

Qv＝KA△Pm

式中：

K——由节流口形状、流体特征、流体性质等因素确定的系数，由实验得出。

A——节流口的通流面积（m2）

△P——节流口前后的压差（MPa）

m——节流口形状决定的指数（0.5≤m≤1）

节流阀流量特性曲线如图2所示：

图2 节流阀流量特性曲线

由图2可知，节流阀的稳定性与节流口形状、节流口压差等因素有关，稳定性差。其他条件一定的情况下，当各液压缸的负载不同时，节流口的前后压差就发生变化。由液压流体力学的中油液流经阀口时的流量公式：

（L/min）

式中：

Cq——流量系数

At——节流阀开口面积（mm2）

ρ——油液密度（kg/mm2）

△P——节流阀的压力差（MPa）

上式中，当At调定后，At、Cq、ρ是不变的，压力差△P的变化导致通过各个节流阀的流量发生相应的变化，从而引起液压缸不同步。

2.3 系统的泄漏

系统泄漏主要是液压缸的内泄漏，为了定性分析，其泄漏的形式可假设为通过偏心环状间隙的流量，其流量公式为：

式中：

d——液压缸活塞直径（mm）

h——缸内径与活塞的间隙量（mm）

?——液压油的动力粘度（P·s）

l——活塞与缸体配合长度（mm）

△P1——缸两腔压力差（MPa）

ε——相对偏心率（ε＝）

e——偏心量（mm）

从式中可以看出，不仅负载不同导致各缸压力差△P1的不同，而且d、h和e对各缸也有微差，油温的变化也会引起?的变化，这些都会引起各缸泄漏量△Q的不同，因此，若液压缸的密封条件变差，其泄漏量就会变大且不相同，会使其同步精度进一步下降。

2.4 管路布置不合理

在同样的条件下，管道越长，损失的能量就越大，即沿程损失。当这种压力损失与负载偏置叠加在一起，就将在管道内产生较大的压差，这种压差也会导致单向节流阀的流量发生变化。

2.5 人为操作原因

对称油缸同步升降是通过人为操作的，当人的两只手同步放下去缸同时升降，会因操作用力不均等而使缸的运行速度不一致。

从理论上讲，只要油缸的活塞有效面积相同，输入流量也相同，它们之间应该做出同步运动。但是，柱体同步活动除受以上因素的影响外，还因为负载的不均、摩擦阻力的不等、杆机构的制造、安装误差等都不可避免地会使液压缸间的运动不同步，易造成液压缸运动阻滞、速度不平稳和液压缸、被传动件偏载加剧等现象，严重的甚至导致液压缸或被传动件过早地毁坏。综上说明，以上回路的同步问题需改进。

3 研究与措施

液压同步回路具有多样性，大致可分为流量同步回路、容积同步回路、伺服同步回路三大类，不论用哪种方法，完全同步难以实现，只能尽可能地提高同步精度，达到使用要求即可。介于对柱体液压同步问题的分析，考虑到工程实际、成本造价等方面，提出采用容积同步即使用同步马达具有一定的可行性，可以柱体同步的要求。

液压同步马达又叫液压分流马达。液压同步马达是由加工精度较高、规格相同、性能参数基本相近的若干个液压马达组成。相近的性能参数和较高的加工精度，使得通过每一个液压马达的流量基本保持一致，由于液压缸的规格相同、性能参数相近、进排油量一致，从而实现速度同步。我们经常见到和使用的液压分流马达一般有两种结构类型：齿轮式和径向柱塞式。这两种结构形式都是属于高速类元件，在低速时容易产生爬行和内泄漏，排量精度都是在一定的转速以上才能得到保证，因此它适用于大流量的系统中。一般来讲，径向柱塞式可以做得同步精度更高一些。

1.溢流阀 2.单向阀 3.单向节流阀 4.液压锁 5.同步马达 6.油缸 7.换向阀

图3 液压同步马达控制的新液压回路图

如图3所示，是一个液压同步马达控制的新液压回路。溢流阀1相当于安全阀，其作用是防止在液压缸出口由于压力放大现象而产生过高压力，由于此阀的设置，即使回路中有一只液压缸已经提前完成了整个行程，其他液压缸仍然可以继续上升，直至所有液压缸完成工作行程；单向阀2的作用是保证同步马达的每腔分配室都能维持一定的压力。保证系统最小压力是非常重要的，当其中一只液压缸运动速度较快时，同步马达仍然在为其他速度稍慢的液压缸运行提供动力，这时，系统的最小压力就能保证速度稍快的液压缸不会发生吸空现象；单向节流阀3的作用也非常重要，除了可以调节液压缸的上升速度外，下降时也可以产生一定的背压。当液压缸下降时，同步马达的任务是收集液压缸的回油并保证流量的一致，这时单向节流阀3的作用是防止同步马达按照最快液压缸的速度运行而导致其他稍慢的液压缸没有及时跟上，当然当所有液压缸都以相同的速度运行时，同步马达仅仅起到一个收集器的作用。当液压缸回程存在负载时，单向节流阀3的作用就显得更为重要。

同步马达的加工精度固然很高，但不可能完全一样，每一个液压马达的排量肯定也不完全一样，最终导致油路上的总流量不一样。流量大的总是流量大，即产生同步精度的累计误差。尤其是液压执行器的运动是在行程范围之内，这种累计误差就更大了。

由图3可以看出，在液压同步马达内部的每一流油路上，均有一个溢流阀1和一个单向阀2组成的阀组，这个阀组就是消除位置不同步误差所设置的。如果出现一个液压缸较快的到达终点，那么先到终点液压缸的马达，会被与其他马达相同的一根轴带动，继续供油，从而压力上升直至溢流阀1发生溢流，实现同步功能。同时单向阀2也可以向同步油路补油，这样多了溢流阀1溢流，少了单向阀2补油，就能实现液压缸的同步要求。由此可以看出，采用溢流阀和单向阀的同步马达控制回路可以消除每一步同步误差，这样当所有液压缸都完成自己的行程，就可以消除同步马达的累计误差。

此外，液压管路的合理布置和液压缸的密封也极为重要。所以，我们应尽可能地将远近距离、弯管形式、管道的通径等管道配置成一样，所有液压缸的密封件也最好定期地更换。

4 结语

基于对架桥机柱体同步问题的深入研究，分析在实际应用过程中出现液压缸不同步的原因，结合工程实际，提出采用同步马达对同步回路进行优化改进，让液压缸动作具备同步性，使工作性能大为改善，同时也为同步马达的正确使用提供了范例。

参考文献

[1] 何存兴．液压元件[M]．北京：机械工业出版社，1982．

[2] 官忠范．液压传动系统[M]．北京：机械工业出版社，2004．

[3] 王健铁．液压同步马达的正确使用[J]．液压与气动，2001，（7）：32-33．

（责任编辑：王书柏）