叶玉全，胡江平，张 鑫，陈 波

(1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208；2.三一重工 泵送事业部，湖南 长沙 410100)

0 引言

现代工业生产领域中，液压同步控制技术是一项非常重要的工业技术。由于设备负载力很大或布局的关系，有时需要使用两个或两个以上的液压缸或液压马达同时驱动一个工作部件，而且要求不管负载如何变化，多个执行元件都能以相同的位移或相同的速度运动。但由于执行元件存在负载不均衡、泄漏量不同、摩擦阻力不同和制造误差等原因，将导致多个执行元件在工作过程中产生不同步的现象，从而影响机械设备的工作效果，因此，液压同步控制技术显得尤为重要[1，2]。液压同步技术在液压折弯机，垃圾压缩中转站的举升设备，预制件生产线中模台侧翻、举升以及一些升降机设备中都有着广泛的应用。

1 液压同步精度的描述

在业界内，通常用液压同步精度来描述同步系统的好与坏。所谓同步精度是指多个执行元件之间运动速度和位移的误差程度，其中，位置同步是指各执行元件在运动中或停止时的各个瞬间都保持相同的位移量；速度同步是指多个执行元件在运动过程中的各瞬间速度保持一致或成一定比例。当各执行元件在同时间并以相同速度运行时，速度同步和位移同步是一致的，由此可见，位置同步其实就是速度同步的一种类型，有位置同步就必有速度同步，反之则不一定。

为了更好地描述系统的同步精度，一般可用同步误差率δ来表示，其表达式如下[3]：

(1)

其中:QA为A执行元件流量；QB为B执行元件流量。

在工程实践中，绝大多数工况都是位置同步。

在具有液压同步控制系统的机械设备中，若液压系统的同步精度达不到设计要求，则该机械设备就不能保证良好的工作性能，甚至成为不合格的机械设备。因此，在设计液压同步控制系统时，最重要的就是保证液压同步精度达到要求。液压同步控制系统按输出量是否进行反馈可分为开环液压同步控制系统和闭环液压同步控制系统[4，5]。

2 开环液压同步控制系统

开环液压同步控制系统由于没有反馈系统，因此同步精度一般不高，其同步精度主要靠液压元器件自身的精度来保证。开环液压同步回路分为机械式、容积式和流量式，回路一般结构简单、费用较低。

2.1 机械式同步回路

机械式同步回路是采用刚性梁或齿轮齿条等机械零件，使两个液压缸的活塞杆间建立起刚性的运动关系来实现位移的同步，其回路如图1所示。

油泵的压力油经过换向阀1同时进入油缸2和油缸3的有杆腔或无杆腔，两油缸的活塞杆在刚性梁5的作用下同步伸出或缩回，导向套4的作用主要是导向，防止卡死。这种同步方式是在机械结构上使两油缸同步，其同步精度与连接件的刚度有关，一般适用于各执行元件之间的跨距不大、负载差别不大，且对同步精度要求不高的场合。

2.2 容积式同步回路

容积式同步回路是利用流入或流出执行元件的液压油的容积与执行元件位移量成正比的原理，其同步精度主要取决于同步控制元件的容积效率，偏载所造成的压差只影响液压油的压缩量和内外泄漏量。

2.2.1 多泵同步回路

多泵同步回路是用多个相同排量的液压泵同轴串联，在相同转速下实现同步运行。这种同步回路要求每个液压泵单独控制一个执行元件，每个泵到执行元件都形成一个完整的回路，在行程终点消除累积误差，每路换向阀可单独动作。多泵同步回路如图2所示。

图2中，两个油泵同轴连在电机1上，两个油泵的压力油分别通过两个换向阀进入执行元件油缸，同时两个回路分别装有溢流阀。一般来说，油泵的容积效率比液压马达的小，而且从泵到执行元件所经过的回路元件比同步马达到执行元件多，因此多泵同步回路的泄漏量相比同步马达回路的大，其同步精度比同步马达回路稍差。

1-换向阀;2，3-油缸; 1-电动机;2-溢流阀;3-换向阀; 4-导向套;5-刚性梁 4-油缸;5-油泵

2.2.2 分流马达同步回路

液压分流马达同步回路的同步精度主要是靠分流马达来保证，分流马达是由高精度的若干排量相同的液压马达通过刚性轴连接而成，如图3所示。

1-换向阀;2-单向节流阀;3-液压马达;4，7-单向阀;5-溢流阀;6-液压缸

为保证分流同步马达在工作过程中不产生“憋压”和“吸空”现象，需要在出口配置限压和补油控制元件。溢流阀5和单向阀4一般集成在分流同步马达上。各阀件的主要作用如下：

(1) 溢流阀5的作用是防止液压缸6运动到位或卡死时出现“憋压”而导致压力无限增大的情况，从而保证回路中即使有一个执行元件提前运动到位或卡死时，其他执行元件仍然可以正常运动到位。溢流阀5的设定压力值一般高于系统设定压力0.5 MPa～2 MPa。

(2) 单向阀4和7的作用是保证液压缸6在缩回过程中，运行速度最快的液压缸运行到位后液压马达3不会发生吸空的现象。单向阀4的开启压力一般设为0.1 MPa，单向阀7的开启压力一般设为0.5 MPa，这样，在液压缸6缩回的过程中，就能保证每个液压马达3的进油口能维持一个大约0.4 MPa的压力。

(3) 单向节流阀2的作用是在液压缸6回程中，防止分流马达按照最快的执行元件的速度来运行导致其他执行元件没能及时跟上而吸空，譬如当执行元件在回程中存在负载时，回路中就需要这样一个阀来稳定其速度。

齿轮同步马达和柱塞同步马达是最常见的两种同步马达。由于这两种结构形式的同步马达在低速时容易产生爬行和内泄漏，因此在系统设计及选型时，要保证同步马达的转速不低于1 000 r/min。齿轮同步马达的同步误差一般在(±1.5～±2.5)%，柱塞同步马达的同步误差一般在±1%以下。

2.3 节流式同步回路

节流式同步回路是利用压力补偿的原理来控制通过每路节流阀的流量不受负载的影响，从而达到同步的目的。压力补偿一般应用于稳态工况，在负载变化的瞬态过程中各路流量是不相等的，而且由于有节流孔的存在，节流阀都有压力损失，因此节流式同步回路一般适用于工作过程中负载变化不大的工况。

2.3.1 分流-集流阀同步回路

分流-集流阀能按一定比例同时向两个执行元件供油(分流)或回油(集流)。分流-集流阀一般按可调整方式分为固定式和可调式，其典型结构原理图如图4所示。

由于分流-集流阀只能分两条支路，因此只适用于两个执行元件的同步回路。分流-集流阀同步回路如图5所示。

图5中，油泵的压力油经过换向阀1由分集流阀2将液压油均分为两路分别进入油缸3和油缸4的无杆腔。由于分流-集流阀存在较大的压力损失，效率较低，不适用于低压系统，而且其流量范围较窄，当流量低于阀的公称流量时，分流精度显著降低。

2.3.2 调速阀同步回路

调速阀是由作为二通压力补偿器的定差减压阀和节流阀串联构成，其只能在单方向起到稳定流量的作用。典型的桥式整流调速阀同步回路如图6所示。

图6中，4个单向阀2和调速阀3组成桥式调速阀，这样两个油缸4在伸出和缩回时都可进行调速同步控制。由于调速阀具有流量稳定的特性，因此当负载发生变化时，其速度不会发生很大变化，但在过渡过程中可能产生正负几个百分点的控制误差。

另外，在开环液压同步控制回路中，每次循环的终点都需要进行误差修正，以消除各执行元件间的误差，否则同步误差将会累积。

3 闭环同步控制系统

与开环同步控制系统不同，闭环同步控制系统是在执行元件动作的过程中对执行元件的速度、位移和流量等信号进行实时反馈和比较，从而不间断地修正同步误差。根据控制元件的不同，闭环同步控制系统大致分为泵控式和阀控式两种；根据控制策略的不同又可分为并行控制和主从控制两种。

1-换向阀;2-分集流阀; 1-换向阀;2-单向阀;3，4-油缸 3-调速阀;4-油缸

3.1 并行式同步控制

并行式同步控制是指液压系统中多个执行元件将各自采集到的信号通过反馈元件进行反馈，并与一个理想的设定值进行比较跟踪输出，从而实现同步控制的一种方式，其控制系统框图如图7所示。

图7 并行式同步控制系统框图

并行控制方式也称同等控制，其特点是每个被控对象是一个独立的系统，控制算法简单，同步控制精度相对较低。并行式同步回路分为泵控同步回路和阀控同步回路两种。泵控回路中，根据每个执行元件输出的反馈值同时调节各支路的控制泵，所以每一支路都需要可调的变量泵，因而系统的造价较高。阀控回路中，通过调节各支路中的控制阀来保证各回路间的同步。使用比例换向阀的并行式同步回路如图8所示。

1-比例换向阀;2-油缸

图8中，油泵的压力油经过比例换向阀1进入油缸2，在两个油缸运行过程中，反馈元件将油缸输出信号r传递给各自的比较器，并与理想信号y进行比较，得到实际与理想的偏差值e，从而根据偏差值来控制各自的比例换向阀，使两油缸跟随理论值，从而达到两油缸同步的目的。

3.2 主从式同步控制

主从式同步控制是指设定一个执行元件的输出为目标值，经过反馈比较，然后控制其他执行元件跟踪这一输出并达到同步的效果，其控制系统框图如图9所示。

图9 主从式同步控制系统框图

主从控制方式也称跟踪控制，该控制相比于并行控制要少一套控制元件，成本更低。其误差取决于从动侧的跟踪误差，同步控制精度相对较高，适用于负载变化不大的场合。主从式同步回路也分为泵控同步回路和阀控同步回路两种。图10为使用比例换向阀控制的主从式同步回路。在这种回路中，主动侧只需要普通的电磁换向阀，从动侧将输出信号与主动侧进行比较，从而调节从动侧的比例阀，达到同步的目的。

1-电磁换向阀;2-油缸;3-比例换向阀

图10中，油泵的压力油分别经过电磁换向阀1和比例换向阀3进入油缸2。两个油缸在运行过程中，从动侧油缸将输出信号y与主动侧输出信号x进行比较，得到偏差值exy，从动侧根据偏差值来控制比例换向阀，使从动侧油缸跟随主动侧油缸，从而达到两油缸同步的目的。

闭环同步控制系统比较复杂，成本较高，但是同步控制精度非常高，误差一般小于0.5%，所以闭环同步控制在许多高精度同步控制领域得到了广泛的应用。

4 结语

本文首先对液压同步系统的精度进行了定义，然后对常见的各种液压同步系统进行了分析，并总结了各自的特点和应用场合：

(1) 开环控制的液压同步系统完全依靠液压控制元件本身的精度来控制执行元件的同步，精度不高，但成本低；闭环控制的液压系统对执行元件的输出进行检测和反馈来构成闭环控制，系统组成复杂、造价高，但可获得很高的同步精度。

(2) 机械式同步回路结构简单、造价低，适用于各执行元件间跨距不大、负载差别不大而且对同步精度要求不高的场合。

(3) 容积式同步回路相比于节流式同步回路具有更高精度。容积式同步回路的同步精度主要取决于同步控制元件的容积效率，而节流式同步回路受负载变化影响较大，而且存在较大的压力损失，不适用于低压系统。

(4) 主从式同步回路相比于并行式同步回路，其成本相对较低，同步控制精度较高，但控制算法相对较复杂，两者均适用于负载变化不大的场合。

综上所述，在设计液压同步回路时，应根据应用场合要求，制定合理、经济而且实用的设计方案。有必要时，还可以把几种同步回路混合使用，以提高同步精度。