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串联液压缸同步控制回路 1 对同步误差的消除 在液压库的动态系统中,两个或多个液压库的动作速度相同或相对位置保持不变的电路称为同步电路。 在多缸液压系统中,影响同步精度的因素是很多的,例如,液压缸外负载、泄漏、摩擦阻力、制造精度、结构弹性变形以及油液中的含气量,都会使运动不同步。同步回路要尽量克服或减少这一些因素的影响。 图1所示的回路是当今教材中普遍介绍的带补偿方法的串联液压缸同步控制回路,其工作原理简介如下: 图中两缸串联,1缸有杆腔和2缸无杆腔用油管相连,其对应活塞的有效工作面积相等而使进、出流量相等,理论上两缸活塞的升降同步。而补偿方法使实际产生的同步误差在每个下行运动中都可消除。 例如,三位换向阀5的右位接入系统工作时,两缸活塞均下降,假定缸1的活塞先运动到底,其活塞杆上的压块就触动行程开关IST,IST发信号使二位三通阀4通电,阀4的右位接入系统工作,压力油便通过阀4和液控单向阀向液压缸2的无杆腔补入,推动缸2的活塞继续运动到底,误差即被消除。 假若液压缸2的活塞先下行到底,其活塞杆上的压块便触动行程开关2ST,2ST发信号给二位三通阀3,使其通电,阀3的上位接入系统工作,控制压力油使液控单向阀反向通道打开,缸1有杆腔的油通过液控单向阀和二位三通阀4回油,缸1的活塞即可继续运动到底,同步误差亦可消除。 已有的这种同步控制回路的主要缺点是,使用了较多的控制元件,控制链较长;而且只在下行运动中才能将同步误差消除。下文将陆续介绍几种新的同步控制回路,它们在完成上述已有同步回路补偿功能的情况下,使用了较少和简单的元件,缩短了控制链,可使回路大大简化。 2 新类型组合液压库的平衡性能 (1) 缸内插装误差消除 图2所示为活塞每一次下行运动中都可以消除同步误差的新同步回路之一。图中虚线所示为活塞下行到底后所处位置,对应该位置稍稍偏上(以免活塞到底后遮挡位),分别在两缸缸简上加工出油孔a与c,然后用油管ab、cd分别连接单向向阀I1与I2,如图所示。 由于1缸的有杆腔和2缸的无杆腔的有效工作面积相等,而使进、出流量相等,两缸活塞的升降,理论上便得到同步。而补偿方法使实际产生的同步误差在每次下行运动中都可消除。 例如三位换向阀的右位接入系统工作时,缸的活塞下降,假若缸1的活塞先下降到底(虚线缸筒上的油孔a,经历了由最初位于活塞下腔,到被活塞遮住,到最后在活塞上腔露出三阶段,从油泵进入缸1活塞上腔的压力油,此时可经油口a和单向阀I1而流向缸2的上腔,推动缸2的活塞继续运动到底,误差即被消除。 设缸2的活塞先下降到底(图中虚线缸筒上的油孔C经历了由开始处于活塞下腔,到被活塞遮挡住,到最后在活塞上腔露出三阶段,缸1有杆腔的油经缸2无杆腔、油口C、单向阀I2,缸1的活塞也可继续下降运动到底,误差同样能被消除。 该新控制回路与已有同步回路,虽结构有异,但补偿功能一样。 (2) 缸下密封件的插装误差补偿 图3所示为活塞每一次下行运动中都可消除同步误差的新同步回路之二,图中采用了单向阀和顺序阀各一个,连接如图3所示。顺序阀的调整压力应比活塞下行运动时缸1有杆腔(缸2无杆腔)中的液压力稍大,以保证活塞下行运动中顺序阀阀口关闭。该回路同步误差补偿原理简述如下。 三位换向阀右位接入系统工作后,缸的活塞下降。若缸1的活塞先下行到底,其缸体上的油口a从活塞上腔露出,油泵来的压力油经缸1无杆腔、油口a,单向阀I1后流向缸2的无杆腔,推动缸2的活塞继续下行到底,误差即被消除。 若缸2的活塞先下行到底后,缸2的无杆腔与缸1有杆腔的液压力就会上升,顺序阀进油口的压力也就会上升,阀芯动作,顺序阀进出油口接通,缸1有杆腔的油经顺序阀回油,其活塞即可继续下行到底,同步误差也被消除。 (3) 液压缸新同步回路的改进 上述两新回路虽用元器件少、结构相对比较简单,又控制路线短、反应灵敏;但不可避免地要在液压缸的缸壁上钻孔,而缸筒上的孔口易损坏活塞的密封胶圈,缩短了橡胶密封圈常规使用的寿命。故该两回路一般只适合那些不采用橡胶密封圈来对活塞进行动密封的场合。 针对上述不足,我们研究设计了另外几种无需在缸筒上开孔的、带补偿方法的串联液压缸新同步回路,即对上述两种新回路做进一步的改进。下文就其结构原理一一进行简述。 3 新的联绵液压缸电路 (1) 缸内基本消除同步误差的方法 针对图2,我们设计出图4所示新结构:在每个缸的下端盖上安装一个单向阀,如图4所示,单向阀阀芯上端伸出的小园柱应比端盖的上端面要高、做推杆用;当活塞下行到底时,先压下推杆及阀芯,推杆与阀芯下移,打开单向阀,此时,单向阀双向导通。调整单向阀下端的调整螺钉,可调整作用在单向阀阀芯上的弹簧的预压力。油路中的其它两个单向阀为一般普通单向阀,连接如图4所示。 在图4中,由于1缸的有杆腔和2缸的无杆腔的有效工作面积相等,而使进、出流量相等,两缸活塞的升降,理论上便得到同步。而新的补偿结构会使实际产生的同步误差在每次下行运动中都可消除。 例如三位换向阀的右位接入系统工作时,缸的活塞下降,假若缸1的活塞先下降到底,其下端面会先压下单向阀I1的推杆和阀芯,单向阀I1反向导通。从油泵流来的压力油,经过单向阀I3、端盖上的单向阀I1、端盖的上端面与活塞的下端面之间的空隙、向2缸的无杆腔供油,推动缸2的活塞继续运动到底,误差即被消除。 若缸2的活塞先下行到底,其下端面会先压下单向阀I2的推杆和阀芯,单向阀I2反向导通。缸1有杆腔的油会经过单向阀I4、端盖上反向打开的单向阀I2、端盖的上端面与活塞的下端面之间的空隙、三位换向阀回油,缸1的活塞也可继续下行运动到底,误差同样能消除。 当两缸的活塞均下降到底后,其下端盖上的单向阀I1与I2均处于压开状态,(即使未压开,也处于正向导通状态)。此时,如果三位换向阀的左位接入工作系统,两缸的活塞欲要上升,如果油路中不设单向阀I4与I3的话,那么从油泵输入的压力油会流入缸2的下腔后,再经单向阀I2流入缸1下腔,然后经单向阀I1、三位换向阀而直通油箱,而活塞不能够实现向上运动,针对这样的一种情况,在油路中增加了单向阀I4和I3,它们能可靠地保障两缸活塞顺利上升。 针对图3,我们也研究出了图5所示的新结构,它也完全避免了在两缸缸筒上开孔。图5所示是对图3所示新回路的改进。其工作原理简述如下。 在图5中,活塞每次下行运动中都可消除同步误差。三位换向阀的右位接入系统工作后,缸中活塞下降。若缸1的活塞先下行到底,其下端面会先压下下端盖上的单向阀I1,单向阀I1反向打开,从油泵流来的压力油流过单向阀I2后、再流过反向开启的单向阀I1、再流过活塞与下端盖间的空隙、向缸2的上腔补油,推动缸2的活塞继续下行到底,同步误差即被消除。若缸2的活塞先下行到底后,缸2无杆腔与缸1有杆腔的液压力就会上升,顺序阀进油口压力也上升,阀芯动作,顺序阀进出油口接通,缸1有杆腔的油经顺序阀回油,其活塞即可继续下行到底,同步误差也被消除。 (2) 插装系统中同步误差的消除 在两缸的活塞中,均背靠背地装入两个阀芯带推杆的单向阀,它们均匀对称分布,如图6所示。图6所示回路,不仅活塞在每次下行运动中,而且在每次上行运动中均可消除同步误差,补偿性能好,同步精度高,其工作原理简述如下。 如三位换向阀的右位接入系统工作时,缸的活塞下行。假若缸1的活塞先下行到底,那么缸1的下端盖会预开单向阀I1,I1反向导通,从油泵流来的压力油流入缸1的上腔后,流过单向阀I3、单向阀I1、缸1活塞与下端盖间的空隙、流入缸2的上腔,继续推缸2的活塞下行到底,下行的同步误即被消除。 假若缸2的活塞先下行到底,那么缸2的下端盖会顶开单向阀I2,I2反向导通,从缸1下腔流入缸2上腔的压力油,流经单向阀I4后、流过单向阀I2、流入缸2下腔、通过三位换向阀流入油箱,缸1的活塞可继续下行到底,同步误差同样能被消除。 下面我们来看看活塞上升时,其同步误差是怎样消除的。 若三位换向阀的左位接入系统工作,两缸活塞均上升。若缸1的活塞先上行到顶,缸1的上端盖会顶开活塞上的单向阀I3,I3反向导通,从缸2上腔流入缸1下腔的压力油,会流过单向阀I1、单向阀I3、再流过缸1活塞与缸1上端盖间的空隙和三位换向阀,最后流入油箱,缸2的活塞可继续上行到顶,上升的同步误差被消除。 若缸2的活塞先上升到顶,缸2的上端盖会将缸2活塞上的单向阀I4顶开,单向阀I4反向导通,从油泵流来的压力油流入缸2的下腔后,流过单向阀I2、单向阀I4、再流过缸2活塞与缸2上端盖间的空隙,这之后再流入缸1的下腔,推动缸1的活塞继续上升到顶,上升时同步误差同样也被消除。 4 同步误差补偿回路 针对串联液压缸新同步回路图2、图3的缺点而研究设计改进的最新回路图4、图5和图6,它们具有以下几点特点。 (1)串联液压缸的缸筒上均避免了有损活塞密封圈的孔口,所以该设计既可保证活塞上动密封胶圈的常规使用的寿命,同时同步补偿功能依然一样,照样补偿无误; (2)图6所示的新补偿回路,可实现上升下行双向同步误差补偿,补偿及时,补偿性能好,同步精度高; (3)改进后的新回路所用元器件仍较少,且大都结构相对比较简单,油路连接简化,动作可靠性增加; (4)改进后的新回路控制路线仍很简短,反应仍旧及时灵敏。
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