聞德生， 甄新帥， 陳 帆， 姜 鳳， 商旭東

(河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室(燕山大學)， 河北 秦皇島 066004)

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液壓同步多馬達與傳統(tǒng)同步馬達的對比分析

聞德生， 甄新帥， 陳 帆， 姜 鳳， 商旭東

(河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室(燕山大學)， 河北 秦皇島 066004)

為研究新型液壓同步多馬達(簡稱液壓多馬達)的同步特點，并分析其同步性能，把液壓多馬達用作同步馬達應用在同步回路中，設計液壓多馬達的同步回路；對新型多馬達同步回路和傳統(tǒng)同步馬達同步回路所實現(xiàn)的功能進行對比分析，并通過液壓多馬達的自身結構來研究影響其容積效率的因素；利用已加工出的液壓多馬達樣機，組成三液壓缸同步液壓系統(tǒng)并進行實驗，驗證液壓多馬達驅動多缸同步回路的同步性能.理論分析和實驗結果表明：新型液壓多馬達同步回路能夠完全實現(xiàn)傳統(tǒng)同步馬達同步回路的功能，并且馬達使用數(shù)量少，能夠實現(xiàn)不同缸徑液壓缸同步，同步精度高 (1.0%～1.7%).

流體傳動與控制；液壓同步回路；同步馬達；同步多馬達；容積效率；同步精度

液壓傳動以其單位質量輸出功率大、體積小、質量輕等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、開采、裝備制造、水利建筑等領域，已經(jīng)成為推動我國發(fā)展的重要基礎技術力量之一.液壓同步系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)之一，是具有液壓同步運動機器設備的心臟，同步系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定著該設備是否具有應有的功能及優(yōu)良的技術性能.液壓同步系統(tǒng)按液體被控制方式可分為流量控制和容積控制兩種.流量控制同步系統(tǒng)(例如節(jié)流閥、調速閥、同步閥系統(tǒng))具有結構簡單、成本低等優(yōu)點，但由于其存在節(jié)流功率損失,易受負載影響，只適合用在功率小且負載較均勻的場合；容積控制同步系統(tǒng)是利用封閉容積變化通過管道等組件向尺寸精度、結構相同的數(shù)個執(zhí)行器(液壓缸或液壓馬達)輸入等體積的液體(若執(zhí)行器不同就按比例輸入液體體積),使其產(chǎn)生同步運動.相比于流量控制，容積控制具有同步精度高(同步精度可高于1%),效率高(沒有節(jié)流和溢流損失),允許同步執(zhí)行器有較大偏載等優(yōu)點; 但該系統(tǒng)存在結構復雜,同步元件加工精度高和價格昂貴等缺點[1-5].在容積控制同步回路中，串聯(lián)液壓缸和同步缸等組成的同步回路只適合中小功率和中小負載系統(tǒng)，在大功率系統(tǒng)中尤其是在多缸同步系統(tǒng)(3缸和3缸以上)中一般選用同步馬達控制液壓同步回路[6-10].

新型多馬達是燕山大學聞德生教授研究的一種新型液壓元件，是在一個馬達中具有多個排量成一定比例的內(nèi)馬達和外馬達，具有多個輸入和輸出油口，有關多馬達的詳細介紹請參考文獻[11-15].本文在傳統(tǒng)同步馬達的基礎上，結合現(xiàn)有的新型多馬達理論，研究了新型多馬達用作同步馬達組成同步系統(tǒng)來控制多缸同步的理論.為新型液壓元件應用區(qū)域的擴展奠定了理論基礎.

1 傳統(tǒng)同步馬達回路的分析

將結構形式、尺寸、精度、尤其是排量相同、容積效率較高且相等的馬達兩個或兩個以上連接,控制液壓執(zhí)行器如液壓缸的同步運行，這樣的馬達為同步馬達.圖1是典型的采用同步馬達的雙缸同步系統(tǒng)，本回路用兩個同軸驅動的液壓馬達將兩等量的液壓油輸入有效作用面積相同的缸1與缸2中，使其實現(xiàn)雙向同步.本回路可用于重負荷，大容量的大功率系統(tǒng).其中的單向閥和溢流閥組成的安全補油回路可在行程終點消除位置誤差，調速閥可以實現(xiàn)同步回路的無級調速.

圖1 同步馬達雙缸同步回路

該類型的同步回路精度受多種因素影響，其中最重要的影響因素是同步馬達的分流精度.以雙缸同步為例，設馬達入口流量為Q，理論上完全等分流量Q1=Q2=Q3，實際上，各流量之間均有差異，而最大流量為Qmax，最小流量為Qmin，則同步馬達的同步精度δ為

δ=(Qmax-Qmin)/Qth×100%，

(1)

Qth=Q1=Q2=0.5Q.

(2)

式中：Qmax為實際上最大流量，Qmin為實際上最小分流，Qth理論上分流流量.

常見的同步馬達有齒輪式同步馬達和柱塞式同步馬達，在一般精度情況下，采用齒輪式同步馬達，其同步精度為1.5%～2.5%，優(yōu)點是體積小，質量輕,結構簡單，工藝性好，對油液污染不敏感，耐沖擊，慣性小，成本低；缺點是運動時有脈動現(xiàn)象，低速穩(wěn)定性差，容積效率不高，分口流量均勻性差.當同步精度、壓力要求很高時，則選用柱塞式液壓同步馬達，同步精度可達0.4%～0.9%，優(yōu)點是流量脈動小，速度廣，但加工精度高，結構復雜，價格昂貴.

由以上分析可知，齒輪同步馬達雖然成本低，但容積效率差，不適合用在高壓和高精度同步系統(tǒng)中；柱塞同步馬達雖然精度高，但價格昂貴，尤其是在多缸同步時，需要馬達數(shù)量多，成本高.

2 新型同步多馬達回路的分析

2.1 單個多馬達的同步系統(tǒng)研究

圖2是新型同步多馬達組成的雙缸同步系統(tǒng).圖2左是采用單作用的馬達實現(xiàn)兩個不同徑缸的同步(該系統(tǒng)圖中省去了單向閥、溢流閥和調速閥，下同).單作用同步馬達只有一個內(nèi)馬達和一個外馬達，設一個內(nèi)馬達單獨工作時的輸出排量為q1，一個外馬達單獨工作時的輸出排量為q2，定義排量比例系數(shù)為

c=q2/q1.

(3)

當內(nèi)外馬達分別給大小兩個不同缸徑的液壓缸供油時，大小液壓缸活塞的有效面積分別為S1、S2，且定義面積比D=S2/S1，此時若D=c成立，則有

(4)

兩液壓缸速度相等，實現(xiàn)了同步運動[16].該回路利用內(nèi)外馬達的排量不同，用內(nèi)馬達和外馬達分別給兩個不同口徑的液壓缸供油，使兩個不同徑液壓缸實現(xiàn)了同步運動，而傳統(tǒng)的同步馬達大部分只能實現(xiàn)兩個同徑液壓缸的同步,拓展了同步回路的使用范圍.圖2右是采用雙作用的馬達實現(xiàn)兩個同徑缸的同步.雙作用馬達是在一個多馬達中有兩個內(nèi)馬達和兩個外馬達，內(nèi)馬達和外馬達的排量分別相同，當內(nèi)外馬達之間相互組合，即一個內(nèi)馬達和一個外馬達向一個液壓缸供油，則進入兩液壓缸的流量相等，兩個等徑液壓缸同步.

(a)單作用同步多馬達 (b) 雙作用同步多馬達

(a)c=2 (b) c>2 (c) c<2

圖3 新型同步多馬達三缸同步回路

Fig.3 New synchronous multi-motor three cylinder synchronous circuit

圖4是新型同步多馬達組成的四缸同步系統(tǒng).當雙作用同步馬達的4個馬達分別接液壓缸，并且大小液壓缸的有效面積比等于內(nèi)外馬達的排量比例系數(shù)，就可以實現(xiàn)4個不同徑液壓缸的同步.和三缸同步相同，當大小液壓缸負載不同且為恒負載時，就可以調節(jié)排量比例系數(shù)以達到使負載壓力相同的目的.當三作用同步馬達的排量比例系數(shù)滿足c=3時，就可以使3個內(nèi)馬達向一個液壓缸供油，3個外馬達分別向3個液壓缸供油，就可以實現(xiàn)4個同徑液壓缸的同步，這里不再多加討論.

圖4 新型同步多馬達四缸同步回路Fig.4 New synchronous multi-motor four cylinder synchronous circuit 表1所示是單個多馬達作用數(shù)和所能驅動的同徑缸與不同徑缸最大數(shù)之間的對應關系.

表1 同步多馬達驅動液壓缸的最大數(shù)量

Tab.1 Maximum number of hydraulic cylinders driven by synchronous multi-motor

作用數(shù)同徑液壓缸同步最大數(shù)不同徑液壓缸同步最大數(shù)單作用12雙作用34三作用46四作用68n(奇)(3n-1)/22nn(偶)3n/22n

2.2 兩個多馬達并聯(lián)的同步系統(tǒng)研究

隨著多馬達作用數(shù)的增多，加工難度必將越來越大，成本也越來越高，有時加工一個多作用的多馬達要比加工兩個少作用數(shù)的多馬達成本還要高，所以有必要對少作用數(shù)同步多馬達并聯(lián)的同步系統(tǒng)進行研究，這里以兩個單作用和雙作用多馬達并聯(lián)的同步系統(tǒng)為例進行研究.圖5是兩個單作用的多馬達并聯(lián)的同步系統(tǒng)，兩個完全相同的多馬達同軸連接，兩個內(nèi)馬達共同驅動一個液壓缸，當同步馬達的排量比例系數(shù)滿足c=2時，可以實現(xiàn)3個同徑缸的同步.當兩個內(nèi)馬達出口接油箱時，該系統(tǒng)為兩缸同步系統(tǒng).

圖5 單作用同步多馬達并聯(lián)同步回路Fig.5 Single acting synchronous multi-motor parallel synchronous circuit

圖6是兩個雙作用的多馬達并聯(lián)的同步系統(tǒng)，當c=2時，該回路最多可以驅動6個同徑液壓缸.表2是兩個多馬達并聯(lián)能實現(xiàn)的最多的同徑缸同步的數(shù)目與馬達作用數(shù)的關系.

圖6 雙作用同步多馬達并聯(lián)同步回路Fig.6 Double acting synchronous multi-motor parallel synchronous circuit

表2 并聯(lián)同步多馬達能驅動同徑液壓缸的最大數(shù)量

Tab.2 Maximum number of the same diameter hydraulic cylinder driven by parallel synchronous multi-motor

作用數(shù)單作用雙作用三作用四作用n同徑液壓缸同步最大數(shù)369123n

3 新型同步多馬達的容積效率分析

同步回路的同步精度主要取決于多馬達的容積效率，所以有必要對影響多馬達容積效率的因素進行分析.下面以單作用雙定子多馬達為例進行分析，圖7是單作用雙定子多馬達的結構原理圖，轉子和外定子組成外馬達，轉子和內(nèi)定子組成內(nèi)馬達，當用作同步馬達時，不考慮多馬達本身的機械效率，則在負載壓力相同的情況下，各密閉容腔的壓力相等，內(nèi)外馬達之間沒有油液泄漏，影響外馬達容積效率的因素只有外馬達和外定子之間的端面泄漏，影響內(nèi)馬達容積效率的因素只有內(nèi)馬達和內(nèi)定子之間的端面泄漏.

1—外定子；2—轉子； 3—滾柱； 4—連桿； 5—內(nèi)定子

雙定子多馬達與一個軸帶多個同步馬達實現(xiàn)同步不同，多個馬達為互相獨立的個體，每個馬達中的零件加工精度、泄漏縫隙大小不會完全相同，因此泄漏量無法保證相同.雙定子多馬達在結構原理上為一個馬達，所以同一個零部件加工精度相同，同一個運動副間隙相同，同一個摩擦副上密封環(huán)的尺寸及精度相同.因為內(nèi)外馬達的泄漏量與內(nèi)外定子密封環(huán)的線性長度相關，而密封環(huán)的線性長度又與內(nèi)外馬達的直徑有關，內(nèi)外馬達的直徑又決定了內(nèi)外泵的排量大小.設一個內(nèi)馬達單獨工作時的排量為q1，一個外馬達單獨工作時的輸出排量為q2，定義排量比例系數(shù)c= q2/ q1.由于q2=cq1，因此系統(tǒng)工作時，可以得出內(nèi)馬達的泄漏量qv1和外馬達的泄漏量qv2之間滿足關系

qv2=cqv1，

(5)

則內(nèi)外馬達容積效率相同.

如圖，內(nèi)馬達與內(nèi)定子之間的泄漏量為

(6)

外馬達與外定子之間的泄漏量為

(7)

式中： r1為內(nèi)定子泄漏通道半徑，r2為內(nèi)定子外表面半徑，r3為外定子內(nèi)表面半徑，r4為外定子泄漏通道半徑，δ為端面間隙，μ為油液的動力黏性系數(shù)，ce為修正系數(shù)，p1為負載工作壓力.

所以內(nèi)外馬達泄漏流量比值為

(8)

即當K=c時，有qv2=cqv1成立，此時內(nèi)外馬達容積效率相同，理論上實現(xiàn)了在任何負載壓力下，都能實現(xiàn)液壓缸的絕對同步.

4 實 驗

為了更好地驗證新型多馬達驅動多缸同步的同步性能，用已加工出的雙作用雙定子液壓多馬達搭建了3個等徑液壓缸同步回路，實驗系統(tǒng)圖如圖3(a)左所示.試驗中各主要元件的參數(shù)如表3所示.

表3 液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)

當換向閥換向時，3個液壓缸同時動作，調節(jié)每個馬達出口旁的調速閥，使3個液壓缸在空載下實現(xiàn)精確同步.然后讓其中一個液壓缸(液壓缸1)受的負載逐漸增大，用流量計測量進入每個液壓缸的流量，得到的實驗數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 實驗數(shù)據(jù)

流量對同步多馬達的同步精度有很大的影響，因此在本實驗中采用測量精度為0.5級的高精度流量計，減少測量誤差.由實驗數(shù)據(jù)可知，當液壓缸1與其余兩個液壓缸負載壓力相同時，進入3個液壓缸的流量完全相同；當液壓缸1的負載壓力逐漸增大時，進入液壓缸的流量有一定的減少，這是因為馬達的泄漏量增多造成的，但仍在許可的同步精度范圍內(nèi)，同步精度高(1.0%～1.7%).由此可知，新型液壓多馬達完全可以實現(xiàn)傳統(tǒng)同步馬達的功能.

5 結 論

1) 新型同步多馬達在原理功能上完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同步馬達，并且用一個或兩個多馬達就可以實現(xiàn)多個以上液壓缸的同步，節(jié)省了馬達數(shù)量，節(jié)約了成本和裝機容量.

2) 新型多馬達可以實現(xiàn)不同徑缸的同步，當液壓缸承受的負載不同時，可以通過改變內(nèi)外馬達的排量比例系數(shù)來改變液壓缸的有效面積，從而使每個缸的負載壓力相同，減少了偏載引起的同步誤差.

3) 通過合理設計多馬達的結構尺寸，就可以實現(xiàn)在任何負載壓力下每個馬達的容積效率相同，從而理論上使同步回路在任何壓力下都能有很好的同步精度.

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(編輯 楊 波)

A comparison analysis of hydraulic synchronous multi-motor and traditional synchronous motor

WEN Desheng, ZHEN Xinshuai, CHEN Fan, JIANG Feng, SHANG Xudong

(Hebei Province Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control(Yanshan University),Qinhuangdao 066004, Hebei, China)

To study the characteristics and synchronous performance of new hydraulic synchronous multi-motor (Referred to as hydraulic multi-motor), the hydraulic multi-motor is used as synchronous motor in synchronous circuit.The functions of new synchronous circuit and traditional synchronous circuit are compared and analyzed，and based on the hydraulic multi-motor structure, the factors affecting on its volume efficiency are studied.The three hydraulic cylinder synchronous system constituted by hydraulic multi-motor prototype is composed to carry out the experiments, and the synchronous performance is verified.Theoretical analysis and experimental results show that the new hydraulic multi-motor not only can completely realize the function of traditional synchronous motor with fewer components and higher precision (1.0%-1.7%), but also can achieve different diameter cylinder synchronization.

fluid transmission and control; hydraulic synchronous circuit; synchronous motor; synchronous multi-motor; volume efficiency; synchronous precision

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.026

2015-11-19

國家自然科學基金(50975246)

聞德生(1954—)，男，教授，博士生導師

聞德生， wendesheng@ysu.edu.cn

TH137.1

A

0367-6234(2017)01-0173-05