双缸同步回路仿真分析与实验研究_傅晓云

忆文1，吴书广2，潘灵永1（动中心 ，湖北 武汉 430074； 710 研究所 ，湖北 宜昌 443003）收稿日期 ：2012傅晓云 （1970-），男 ，湖北宜昌人 ，副教授 ，博士 ，主要研究方向为流体传动与控制 。摘 要 ：该文基于双缸液压同步系统 ，通过分析多种同步回路的优缺点 ，并结合高精度同步的实际需要 ，选定同步马达方案为研究对象 ，建立了基于 仿真模型 ，并通过实验验证了其同步精度 。 结果表明 ：同步马达回路较好地满足了系统同步性要求 ，实验结果与 真结果基本一致 ，为实际应用提供指导 。关键词 ：双缸同步回路 ；步马达 ；同步性中图分类号 ：献标识码 ：A 文章编号 ：1008012）08U U 30074， 43003，In to a of on he of 液压同步系统的应用越来越广泛 。 实现液压双缸同步控制的方法一般分为两大类 ：开环控制和闭环控制1。 虽然闭环控制回路通过对输出量采用检测手段 、反馈等方式 ，在很大程度上消除或补偿不利因素的影响2，但实现起来控制结构比较复杂 ，且制造使用成本较高 ，故本文以开环控制形式的同步回路为研究对象 。基于键合图的系统建模 、仿真及动力学的分析软件 ，它为用户提供一个时域仿真环境 ，可以使用已有模型或新建立的子模型元件 ， 来构建优化设计所需要的事迹原型 ， 采用易于识别的标准 标和简单直观的多端口框图 ， 方便用户建立复杂系统及用户所需要的特定应用实例3。 本文利用 件 ，对设计的液压双缸同步回路进行仿真 ， 并结合实验结果研究系统同步精度是否满足要求 。压缸刚性连接同步回路如图 1 所示的同步回路 ， 采用机械结构在两个液压缸之间建立刚性连接 ， 液压缸之间的同步靠机械结构来保证 。 此种方法结构简单 ，能实现多缸同步 ，工作可靠 ，但是当两缸的受力不同时 ，刚性连接的作用力会对液压缸有所损伤 ，且增加了刚性连接的强度要求 。图 1 联同步回路如图 2 所示 ， 串联同步回路采用油腔有效作用面43液 压气动与密封 /2012 年第 8 期积相等的液压缸实现同步 。 这种结构往往由于制造误差 、内部泄漏及混入空气等原因而影响其同步性4。 为了能适应较大的偏载 ， 使用串联同步回路时需采用补油装置 ，从而增加了机构的数目和总成本 。速阀同步回路如图 3 所示 ， 调速阀同步回路采用两个调速阀分别控制两条油路的流量 ，使两缸活塞移动速度同步 。 虽然此方法制造成本较低 ， 但其同步精度受调速阀性能和油温影响较大 ，故误差较大 ，其应用范围受到限制 。图 2 串联同步回路 图 3 流集流阀同步回路如图 4 所示 ， 该同步回路利用分流集流阀内部的固定节流孔来实现双缸速度同步 。 若一缸先到达形成终点 ，则可经阀内节流孔窜油 ，使双缸都能到达终点 ，从而消除积累误差 。 分流集流阀的结构简单 ，体积小重量轻 ，负载变化对同步精度影响小 ，但压力损失较大 ，且油缸的运行速度受到分流集流阀额定流量的限制 ，系统效率较低 ，不适用于低压系统 。步马达同步回路如图 5 所示 ， 该回路采用结构和排量相同的液压马达作为等流量分流装置 ，相同的尺寸和较高的加工图 4 分流集流阀同步回路 图 5 同步马达同步回路精度 ，使得两个液压马达的流量基本相同 ，从而实现两缸同步运动 。 若其中一个液压缸先到达终点 ，由于两个马达固连 ，在另一个马达的带动下该马达会继续转动 ，此时由单向阀和溢流阀组成交叉溢流补油回路将多余压力油溢流回系统中 ，故可消除累积误差 。步液压系统 模某实际工程应用中采用双缸液压同步马达回路 ，其双缸总负载为 6 400N， 本实验拟采用上述同步马达同步回路 。经过运动学和动力学分析后 ， 选定液压缸内径50塞杆直径为 36程为 250定工作压 力 为 10流 量 为 8L/两个溢流阀值为10压马达参数为 r 和 3000r/径均选取为 10仿真为开环控制 ， 选取特定信号控制器控制换向阀的工作位置 。 设定输入信号为 “0”时 ，换向阀处于中位 ；输入信号为 “ ，换向阀处于左位 ，液压缸伸出 ；输入信号为 “1”时换向阀处于右位 ，液压缸缩回 。 通过信号发生器和力转换信号 ， 将两个液压缸负载均设为 3 200N，且持续不变 。 选取仿真时间为 25s，他参数为默认值 。分别设置草图模式 （ 子模型模式（参数模式 （运行模式 （ ，建立了基于 双缸同步马达液压仿真模型 ，如图 6 所示 。图 6 同步液压系统 模44 410111314181314181616141814%1415&183 16141616真结果分析当两缸负载均为 3 200N 时 ， 设置换向阀输入信号如图 7 所示 ， 通过仿真得到两缸的位移曲线和速度曲线 ，分别如图 8、图 9 所示 。图 7 换向阀输入信号 图 8 两缸的位移曲线图 9 两缸的速度曲线02s 时 ，输入信号为 “0”，换向阀处于中位 ，液压缸未动 ；212s 时 ，输入信号为 “换向阀处于左位 ，液压缸伸出 ，达到行程后 ，继续流动的压力油经出口处的溢流阀流回油箱 ， 故此时液压缸保持不变 ；1214s 时 ，输入信号为 “0”，换向阀处于中位 ，液压缸未动 ；1424输入信号为 “1”，换向阀处于右位 ，液压缸缩回 ，达到初始位置后保持不变 ， 多余的压力油溢流回油箱 ；2425s 时 ，输入信号为 “0”，换向阀处于中位 ，液压缸位置保持不变 。仿真结果可知 ， 两个液压缸的位移和速度曲线基本重合 ，达到了很好的同步精度 。验方案设计基于对双缸同步马达回路的仿真分析 ， 可知理论上该系统能够达到很高的同步精度 。 为了研究其实际应用价值 ，还需设计实验 ，将实验结果与仿真结果进行对比 。为此 ，按照要求搭建实验平台 ，但由于条件限制 ，本次实验只验证了空载时两缸的同步性 ， 液压双缸的伸出过程如图 10 所示 。验结果分析在伸出和缩回过程中 ，按时间顺序分别随机选取 3次 ，测量活塞杆的位移 ，实验数据见表 1。图 10 液压缸伸出过程表 1 实验数据由测量数据可知 ，同步误差最大值为 同步精度小于 取得很好的实验效果 。出现同步误差主要受同步马达及液压缸的加工精度 、 管道的布置以及液压系统介质中气体含量等因素的影响 。4结语综上所述 ， 本文分析了多种双缸同步回路的工作原理 ， 并对双缸同步马达回路进行了基于 仿真分析以及实验验证 。 结果表明 ，双缸同步马达液压系统在本实验中运行状态良好 ，其成功经验表明 ，同步马达构成的同步回路工作稳定 ，同步精度高 ，有一定的推