一种两缸并联液压同步控制回路系统的改进设计
作者：张洋
来源：《广告大观》2019年第10期
摘要：介绍了一种基于新型控制阀下的两缸并联液压同步控制回路的改进设计，该设计有效解决了大载荷下，两缸并联液压系统的同步控制问题。
关键词：两缸并联;液压同步;控制回路
一、研究问题的提出
主井液压吊箕斗装置是由两个液压缸和一套液压泵组成，主要担负着主井检修时吊箕斗工作，其工作过程是，先将箕斗停在正常工作位置后，利用液压吊箕斗装置将整个箕斗吊起来，然后进行各种检修工作。
但由于箕斗的体积和重量较大（箕斗容积m3：长*宽*高
22m*15.5m*11.3m;箕斗自重22吨），因此采用了两个液压缸并联进行工作的液压吊箕斗装置。
其液压工作原理图见图
但现在我矿所使用的液压吊箕斗装置中，两个液压缸不能进行同步作业，当遇到两个液压缸不同步的现象时，检修工作更加困难。
严重时，造成过箕斗侧翻。
给检修工作带来很多不安全隐患，费时费力又达不到安全、快速的检修要求。
成为一个难以解决的问题。
因此，必须要对液压吊箕斗装置进行重新设计和改造。
二、分析问题及解决方案
针对两个液压缸不同步原因的分析，主要是箕斗的重量分布不均，导致两个液压缸所承受的负荷不同而引起的其工作速度快慢不同。
考虑到箕斗整体的体积和重量较大，如果采用其他
方式进行吊箕斗作业，将面临作业空间狭小的压力和由此带来的新的技术问题和成本增加的问题，因此，仍然保留了现有的吊罐装置，通过对现有吊罐装置的改进，是可以解决两个液压缸不同步工作的问题。
其改进方法是：
将现有的两个液压缸的控制方式由原来的单独控制，更改为由一组控制阀控制，并在两个液压缸的控制回液线路上分别安设一个同步阀，将同步阀的接口分别与控制阀和液压缸的液压线路接口连接，则硬件改造工作即告结束。
工作原理图见图
三、系统工作原理
系统工作原理如图2所示，在初始位置时，同步阀阀芯在中间位置，当两个液压缸开始工作时，液压油P分别由控制阀进入同步阀体内，在阀芯的作用下，分成两路分别通过A、B阀口进入与其相连的液压缸内，推动液压缸活塞杆运动。
与此同时，控制回路侧液压油经C/D阀口通过同步阀，流回控制阀内。
当液压缸的负载压力发生变换时，负载压力增大侧的液压缸的控制回路中流量下降，而另一个液压缸的流量则上升，从而导致了两个液压缸的位移不同步。
而同步阀则可以通过阀内的流量传感器实时的对两液压缸的流量进行监控，当发现两缸回液流量不同时，流量传感器通过阀内的驱动程序推动阀芯移动从而调节阀的开口，控制两液压缸的流量，使两液压缸的位移达到一致。
四、液压同步阀的基本原理与建模
1.换向活塞式同步阀的工作原理
同步阀的工作原理可简单概括为压力负反馈原理，即当负载压力发生变化的时候，换向活塞会根据情况做出相应的动作，通过改变变节流口的大小从而满足要求。
同步阀有两种工作状态：分别是分流工况和集流工况，下面以分流工况为例做简单介绍。
当同步阀处于分流工况时如图1所示，A、B口为出口。
图中a腔、b腔油室分別与左端、右端弹簧腔相通。
由对中弹簧保证阀芯处于中间位置，压力油由 P口流入，流经固定节流口分别流向a、b两腔，当A、B两端压力相等时阀芯处于中间位置，当外负载不相同时，若 A口的压力增加，在阀芯未动作，两支路总液阻相等时引起a腔的压力瞬时增加，这样（p0-p3）<（p0-p4），就会导致输出流量q1<q2。
此时a、b两腔的压力被分别反馈到左右两个弹簧腔中，形成p1、p2两个大小不同的压力。
由于p1< p2，则阀芯向左移动，左边可变节流口的开口度变大，液阻减小，右边可变节流口开口度减小，液阻增大，于是 q1 增加，q2减少，直至q 1 = q2，p1= p2，阀芯重新受力平衡，两个执行元件的运动速度同步。
固定节流孔起到检测流量作用，它将流量信号转化成压力信号反馈给左右弹簧腔。
而可变节流口则起到压力补偿作
用。
其过流面积的大小受 p1、p2反馈作用控制。
集流工况与分流工况原理相似，只是出口与入口刚好相反。
2.同步阀建模
如图2所示为同步阀原理简化图，由于分流工况与集流工况仅仅是输入与输出的方向相反，在此只介绍分流工况的模型，利用液压元件设计模块，我们可以得到同步阀的模型，如图3所示。
3.仿真分析
本系统根据液压缸实际工作情况，将两端负载压力差分别调至0MPa、6.3M Pa、20MPa和30M Pa，公称流量为50 L /m in。
得到如图4曲线。
3.1; 阀芯位移曲线
从图4中我们可以看到，随着两端负载压差变大，阀芯位移也增加，且阀芯的动态响应时间也相对延长。
当两端负载压差在30MPa时，阀芯将近0.5s时平稳了，平稳后的阀芯大约在0.31cm的位置静止，而阀芯初始的开口度为 0.35cm，可见，此时左侧几乎完全关闭。
从图中还可以看到，阀芯起初振动幅度较大，之后则很平缓，直到静止。
从其放大图中也可以清楚地看到这一特点，说明同步阀的动态性能比较好，响应快。
3.2; 流量曲线和速度同步误差
如图5所示为在4种压差作用下的同步阀两端出口的流量曲线，根据坐标取值，当两端负载压差为0时，如图5a所示，两端流量仍有微小误差，这主要是由于制造精度引起的，图5b 为负载压差为6.3MPa时，阀芯稳定后的流量，图5c为负载压差为20MPa时阀芯稳定后的流量，图5d为负载压差为30MPa时的流量。
从图5 c、d上我们可以看出，随着复杂压差增大。
两端流量差呈上升趋势。
根据坐标取值可以分别计算出4种压差下的同步阀的速度同步误差，对比得知，同步阀模型正确，参数设置得当。
3.3; 压力损失曲线
如图 6 所示为同步阀入口压力和左右两腔压力，根据坐标取值我们可以看到平稳后压力损失将近0. 8Mpa，左右两腔压力有微小差别，根据压力损失的定义，我们可以计算出平稳后的同步阀的压力损失为：
Δp= pS-p2= 0.789 M Pa
由此可见，同步阀的压力损失很小。
五、结论
本设计采用一种新型的液压控制阀，即同步阀，利用该阀具有流量变化感应前置级和负载偏差感应级两部分，分别感知流量和负载变化，因而能大幅度的适应流量（3-5倍）和负载的变化范围，将高压油均分为相等的两部分，具有很高的分流集流精度和很强的适应能力，从而达到高精度同步控制，同步阀的特性分析结果显示其能够实现两液压缸的高精度同步控制，并具有一定的抗干扰能力。
本系统的改造工作在液压控制系统中仅增加了同步阀，虽然投入不大，但收效良好。
实际运行情况表明，整个工作系统运行平稳，适应性强，达到了改进的目的。
此次改进，值得在矿山检修或更换箕斗及罐笼等高、大、重型设备上借鉴和应用。
（作者单位：铁法能源公司大兴煤矿）。
