液控負載敏感系統分析及其研究

王中偉

摘 要：文章對國外油路“閉中心負載敏感系統”工作原理進行了介紹，并分析了“閉中心”系統泵和閥的工作過程以及對各種工作狀態進行了理論推導，依據理論分析在試驗臺上測試了數據，從而證明了“閉中心負載敏感系統”可按負載需要提供油液，功率損耗低，效率高。為國內中小型挖掘機使用“閉中心負載敏感系統”提供了理論依據。

關鍵詞：負載敏感；流量；閥芯；負載敏感閥

1 引言

目前，液壓挖掘機有兩種油路：開中心直通回油六通閥系統和閉中心負載敏感壓力補償系統。國內廠家多采用“開中心”控制系統，而國外著名的挖掘機廠家基本上都采用“閉中心”系統。

本文重點研究及分析“閉中心負載敏感系統”，為國內在中小型挖掘機上使用負載敏感控制系統提供理論依據。

2 閉中心負載敏感系統原理

閉中心負載敏感系統簡單來講就是一種感受系統壓力-流量需求，在載荷需要的工作壓力下僅提供維持系統工作的必要流量，這樣就可以起到節能的目的。“閉中心”系統原理如（圖1）所示：首先需要一個變量柱塞泵，其次要有一個壓力感應閥和換向閥。對于具有負載敏感控制的液壓泵，它所輸出的流量根據負載工況自動進行調節后僅提供負載實際運行所需流量，也就是液壓泵將根據負載自動調節自身斜盤擺角來改變排量，滿足系統對不同壓力和流量的需求。系統負載所需的流量只與閥開口面積有關系。

3 液控負載敏感系統在各種狀態下泵、閥工作方式的分析。

我們結合原理圖來分析系統的工作過程。

液控負載敏感系統工作原理如圖1。

3.1 當系統沒有啟動處于初始狀態時變量柱塞泵在自身彈簧力的作用下，斜盤處在最大角度；在此情況下，液壓泵準備在最大排量下工作，因此可向系統提供最大的流量如圖1所示。

3.2 當系統啟動電機或柴油機后

3.2.1 閥2封閉了泵輸出的流量，流量僅僅流向閥3的右端克服閥3左端的彈簧力，當泵輸出的流量產生的壓力等于左端的彈簧力后，閥芯開始向左移動，閥3被接通流量通過閥3流向活塞Ⅱ當油液產生的壓力加上活塞Ⅱ彈簧力等于活塞Ⅰ的彈簧力后，斜盤開始向最小角度附近擺動，泵輸出較小的流量來維持變量柱塞泵的內部泄露，變量柱塞泵此狀態被稱為低壓待機。工作狀態如圖2所示

由于閥2閥芯處于中位封閉，油液不能到達液壓缸所以液壓缸沒有動作。

3.2.2 在此狀態下如果閥2的a端輸入控制油閥芯將會向右移動，泵輸出的油液將會通過換向閥2的左端進入壓力感應閥1左端后，推動壓力感應閥閥芯向閥的右端移動接通整個系統的回路。這樣泵輸出的油液就可以到達油缸的A端面控制油缸活塞按照負載要求自由移動。在此狀態下分析系統工作過程。

根據伯努利流量方程：

式中Q為通過閥芯孔口流量，C為閥芯流量系數，ρ為流體密度，A為先導操縱桿控制的閥2開口面積， △P為閥2進、出口壓力差。可見C、ρ是常數，流量Q的大小取決于閥2的開度A與閥2的進、出口壓差△P。

閥芯工作如圖3所示

（1）假如閥2的a端輸入的控制油壓力維持不變，根據伯努利流量方程則閥2的開口面積A不變，根據以上公式可知，流過閥2的流量Q只與通過的壓差△P有關系，我們來分析壓差變化如何影響流量變化。

P端油液通過方向閥2和壓力感應閥1 （壓力感應閥的目的就是檢測出負載的壓力通過S端返回閥3，當有多個方向閥來控制多個負載時，壓力感應閥就只是檢測出最高壓力來返回閥3）流到活塞缸的左端推動活塞向右移動。這樣對于閥3來說，當調節螺釘左端調定一個Kx值后（通過調節螺釘可以根據客戶系統需要設置不同的壓差值），由于S3是定值，當負載T增加則P1增加，P1′增加，P3′增加，閥3閥芯向右移動，閥芯孔口減小，流量減小，由以上公式△P= P-P1可知，P值也要增加，閥芯在極短的時間內回到初始位置附近，同理P1減小，P值也要減小，也就是說不管負載如何變化，閥3閥芯開口是不變化的（理論上如此，實際上閥芯是在孔內一個點做高頻振動），由圖3可知在轉速不變的情況下進入活塞Ⅱ的流量不變；斜盤擺角不會變化，泵輸出的流量通過閥2保持不變，而且只輸出比負載壓力高出△P的油壓，避免了系統的流量損失和過大的壓力損失。

為了驗證以上分析是否正確，我們在實驗臺通過做試驗在輸入泵轉速不變的情況下將負載壓力從5MPa增加到25MPa，在閥2的P1端接流量計后，實驗數據記錄如下表1：

表1

（2）假如閥2的a端輸入的控制油壓力增大，我們來分析此時各閥的受力運動情況，閥2的開口增大，根據伯努利流量方程面積增大，通過孔口的流量會增大，需要泵輸出的流量增加，斜盤的擺角會增大；當閥2孔口增大的同時，通過閥2孔口的阻力減小，由圖3可知，P1增加，P減小，閥3 左端的壓力增加推動閥芯向右移動，孔口減小，通過閥3的流量減小，進入活塞Ⅱ的流量減小，所以斜盤要向大角度方向擺動，在轉速不變的情況下，輸出的流量增大。閥3的閥芯又在不同的地方處于動態平衡（以上情況是在極短的時間內完成的，由于閥3的彈簧剛度很大，當A變化引起的壓力變化△P基本維持不變）。同理假如閥2的a端輸入的控制油壓力減小，在轉速不變的情況下，輸出的流量也會減小。因此對于閥3調定一個數值后，通過閥2的流量只與面積大小有關系，所以通過改變閥2的兩端控制油的輸入壓力，完全可以控制負載的移動速度。

3.2.3 當油缸活塞繼續向右移動到達油缸的最右端后

油缸不動后，油液很快在系統中停止流動，液壓泵的出口油液處于封閉狀態，壓力升高；P1=P，根據以上對閥3的受力分析可知，閥芯3只在彈簧力的作用下恢復到初始狀態對閥芯4的受力分析如下：

P×S4=Kx′

當P升高到P×S4>Kx′后閥芯4向左移動，接通泵輸出的油液到活塞Ⅱ的底部，使斜盤擺向近乎為零排量的位置，液壓泵停止供油，僅僅提供保持泵高壓狀態下的泄露。我們稱泵處于高壓待機狀態；整個系統工作狀態如圖4所示。

4 結束語

通過對負載敏感系統的以上分析計算可以知道，負載敏感系統在主油泵三種工作狀態下，泵輸出的流量沒有過多的浪費，使泵的供油壓力始終高出負載壓力一個較小壓差△P。操作換向閥改變閥口開度，泵能自動調節并輸出與負載速度要求想適應的流量，而與負載大小無關，實現泵輸出功率與負載需要的匹配，極大提高了系統效率，達到了節能目的。輸出的流量僅僅是提供給負載做功以及維持整個系統的泄漏；相對于以前的系統而言，避免了在高壓下系統的溢流損失和過多的發熱損失。

參考文獻

[1]張利平.液壓傳動系統及設計[M]北京：化學工業出版社，2005.

[2]許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M]北京：機械工業出版社，2007.

[3]黃宗益，挖掘機力士樂液壓系統分析[J].上海：同濟大學，2009.endprint

摘 要：文章對國外油路“閉中心負載敏感系統”工作原理進行了介紹，并分析了“閉中心”系統泵和閥的工作過程以及對各種工作狀態進行了理論推導，依據理論分析在試驗臺上測試了數據，從而證明了“閉中心負載敏感系統”可按負載需要提供油液，功率損耗低，效率高。為國內中小型挖掘機使用“閉中心負載敏感系統”提供了理論依據。

關鍵詞：負載敏感；流量；閥芯；負載敏感閥

1 引言

目前，液壓挖掘機有兩種油路：開中心直通回油六通閥系統和閉中心負載敏感壓力補償系統。國內廠家多采用“開中心”控制系統，而國外著名的挖掘機廠家基本上都采用“閉中心”系統。

本文重點研究及分析“閉中心負載敏感系統”，為國內在中小型挖掘機上使用負載敏感控制系統提供理論依據。

2 閉中心負載敏感系統原理

閉中心負載敏感系統簡單來講就是一種感受系統壓力-流量需求，在載荷需要的工作壓力下僅提供維持系統工作的必要流量，這樣就可以起到節能的目的。“閉中心”系統原理如（圖1）所示：首先需要一個變量柱塞泵，其次要有一個壓力感應閥和換向閥。對于具有負載敏感控制的液壓泵，它所輸出的流量根據負載工況自動進行調節后僅提供負載實際運行所需流量，也就是液壓泵將根據負載自動調節自身斜盤擺角來改變排量，滿足系統對不同壓力和流量的需求。系統負載所需的流量只與閥開口面積有關系。

3 液控負載敏感系統在各種狀態下泵、閥工作方式的分析。

我們結合原理圖來分析系統的工作過程。

液控負載敏感系統工作原理如圖1。

3.1 當系統沒有啟動處于初始狀態時變量柱塞泵在自身彈簧力的作用下，斜盤處在最大角度；在此情況下，液壓泵準備在最大排量下工作，因此可向系統提供最大的流量如圖1所示。

3.2 當系統啟動電機或柴油機后

3.2.1 閥2封閉了泵輸出的流量，流量僅僅流向閥3的右端克服閥3左端的彈簧力，當泵輸出的流量產生的壓力等于左端的彈簧力后，閥芯開始向左移動，閥3被接通流量通過閥3流向活塞Ⅱ當油液產生的壓力加上活塞Ⅱ彈簧力等于活塞Ⅰ的彈簧力后，斜盤開始向最小角度附近擺動，泵輸出較小的流量來維持變量柱塞泵的內部泄露，變量柱塞泵此狀態被稱為低壓待機。工作狀態如圖2所示

由于閥2閥芯處于中位封閉，油液不能到達液壓缸所以液壓缸沒有動作。

3.2.2 在此狀態下如果閥2的a端輸入控制油閥芯將會向右移動，泵輸出的油液將會通過換向閥2的左端進入壓力感應閥1左端后，推動壓力感應閥閥芯向閥的右端移動接通整個系統的回路。這樣泵輸出的油液就可以到達油缸的A端面控制油缸活塞按照負載要求自由移動。在此狀態下分析系統工作過程。

根據伯努利流量方程：

式中Q為通過閥芯孔口流量，C為閥芯流量系數，ρ為流體密度，A為先導操縱桿控制的閥2開口面積， △P為閥2進、出口壓力差。可見C、ρ是常數，流量Q的大小取決于閥2的開度A與閥2的進、出口壓差△P。

閥芯工作如圖3所示

（1）假如閥2的a端輸入的控制油壓力維持不變，根據伯努利流量方程則閥2的開口面積A不變，根據以上公式可知，流過閥2的流量Q只與通過的壓差△P有關系，我們來分析壓差變化如何影響流量變化。

P端油液通過方向閥2和壓力感應閥1 （壓力感應閥的目的就是檢測出負載的壓力通過S端返回閥3，當有多個方向閥來控制多個負載時，壓力感應閥就只是檢測出最高壓力來返回閥3）流到活塞缸的左端推動活塞向右移動。這樣對于閥3來說，當調節螺釘左端調定一個Kx值后（通過調節螺釘可以根據客戶系統需要設置不同的壓差值），由于S3是定值，當負載T增加則P1增加，P1′增加，P3′增加，閥3閥芯向右移動，閥芯孔口減小，流量減小，由以上公式△P= P-P1可知，P值也要增加，閥芯在極短的時間內回到初始位置附近，同理P1減小，P值也要減小，也就是說不管負載如何變化，閥3閥芯開口是不變化的（理論上如此，實際上閥芯是在孔內一個點做高頻振動），由圖3可知在轉速不變的情況下進入活塞Ⅱ的流量不變；斜盤擺角不會變化，泵輸出的流量通過閥2保持不變，而且只輸出比負載壓力高出△P的油壓，避免了系統的流量損失和過大的壓力損失。

為了驗證以上分析是否正確，我們在實驗臺通過做試驗在輸入泵轉速不變的情況下將負載壓力從5MPa增加到25MPa，在閥2的P1端接流量計后，實驗數據記錄如下表1：

表1

（2）假如閥2的a端輸入的控制油壓力增大，我們來分析此時各閥的受力運動情況，閥2的開口增大，根據伯努利流量方程面積增大，通過孔口的流量會增大，需要泵輸出的流量增加，斜盤的擺角會增大；當閥2孔口增大的同時，通過閥2孔口的阻力減小，由圖3可知，P1增加，P減小，閥3 左端的壓力增加推動閥芯向右移動，孔口減小，通過閥3的流量減小，進入活塞Ⅱ的流量減小，所以斜盤要向大角度方向擺動，在轉速不變的情況下，輸出的流量增大。閥3的閥芯又在不同的地方處于動態平衡（以上情況是在極短的時間內完成的，由于閥3的彈簧剛度很大，當A變化引起的壓力變化△P基本維持不變）。同理假如閥2的a端輸入的控制油壓力減小，在轉速不變的情況下，輸出的流量也會減小。因此對于閥3調定一個數值后，通過閥2的流量只與面積大小有關系，所以通過改變閥2的兩端控制油的輸入壓力，完全可以控制負載的移動速度。

3.2.3 當油缸活塞繼續向右移動到達油缸的最右端后

油缸不動后，油液很快在系統中停止流動，液壓泵的出口油液處于封閉狀態，壓力升高；P1=P，根據以上對閥3的受力分析可知，閥芯3只在彈簧力的作用下恢復到初始狀態對閥芯4的受力分析如下：

P×S4=Kx′

當P升高到P×S4>Kx′后閥芯4向左移動，接通泵輸出的油液到活塞Ⅱ的底部，使斜盤擺向近乎為零排量的位置，液壓泵停止供油，僅僅提供保持泵高壓狀態下的泄露。我們稱泵處于高壓待機狀態；整個系統工作狀態如圖4所示。

4 結束語

通過對負載敏感系統的以上分析計算可以知道，負載敏感系統在主油泵三種工作狀態下，泵輸出的流量沒有過多的浪費，使泵的供油壓力始終高出負載壓力一個較小壓差△P。操作換向閥改變閥口開度，泵能自動調節并輸出與負載速度要求想適應的流量，而與負載大小無關，實現泵輸出功率與負載需要的匹配，極大提高了系統效率，達到了節能目的。輸出的流量僅僅是提供給負載做功以及維持整個系統的泄漏；相對于以前的系統而言，避免了在高壓下系統的溢流損失和過多的發熱損失。

參考文獻

[1]張利平.液壓傳動系統及設計[M]北京：化學工業出版社，2005.

[2]許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M]北京：機械工業出版社，2007.

[3]黃宗益，挖掘機力士樂液壓系統分析[J].上海：同濟大學，2009.endprint

摘 要：文章對國外油路“閉中心負載敏感系統”工作原理進行了介紹，并分析了“閉中心”系統泵和閥的工作過程以及對各種工作狀態進行了理論推導，依據理論分析在試驗臺上測試了數據，從而證明了“閉中心負載敏感系統”可按負載需要提供油液，功率損耗低，效率高。為國內中小型挖掘機使用“閉中心負載敏感系統”提供了理論依據。

關鍵詞：負載敏感；流量；閥芯；負載敏感閥

1 引言

目前，液壓挖掘機有兩種油路：開中心直通回油六通閥系統和閉中心負載敏感壓力補償系統。國內廠家多采用“開中心”控制系統，而國外著名的挖掘機廠家基本上都采用“閉中心”系統。

本文重點研究及分析“閉中心負載敏感系統”，為國內在中小型挖掘機上使用負載敏感控制系統提供理論依據。

2 閉中心負載敏感系統原理

閉中心負載敏感系統簡單來講就是一種感受系統壓力-流量需求，在載荷需要的工作壓力下僅提供維持系統工作的必要流量，這樣就可以起到節能的目的。“閉中心”系統原理如（圖1）所示：首先需要一個變量柱塞泵，其次要有一個壓力感應閥和換向閥。對于具有負載敏感控制的液壓泵，它所輸出的流量根據負載工況自動進行調節后僅提供負載實際運行所需流量，也就是液壓泵將根據負載自動調節自身斜盤擺角來改變排量，滿足系統對不同壓力和流量的需求。系統負載所需的流量只與閥開口面積有關系。

3 液控負載敏感系統在各種狀態下泵、閥工作方式的分析。

我們結合原理圖來分析系統的工作過程。

液控負載敏感系統工作原理如圖1。

3.1 當系統沒有啟動處于初始狀態時變量柱塞泵在自身彈簧力的作用下，斜盤處在最大角度；在此情況下，液壓泵準備在最大排量下工作，因此可向系統提供最大的流量如圖1所示。

3.2 當系統啟動電機或柴油機后

3.2.1 閥2封閉了泵輸出的流量，流量僅僅流向閥3的右端克服閥3左端的彈簧力，當泵輸出的流量產生的壓力等于左端的彈簧力后，閥芯開始向左移動，閥3被接通流量通過閥3流向活塞Ⅱ當油液產生的壓力加上活塞Ⅱ彈簧力等于活塞Ⅰ的彈簧力后，斜盤開始向最小角度附近擺動，泵輸出較小的流量來維持變量柱塞泵的內部泄露，變量柱塞泵此狀態被稱為低壓待機。工作狀態如圖2所示

由于閥2閥芯處于中位封閉，油液不能到達液壓缸所以液壓缸沒有動作。

3.2.2 在此狀態下如果閥2的a端輸入控制油閥芯將會向右移動，泵輸出的油液將會通過換向閥2的左端進入壓力感應閥1左端后，推動壓力感應閥閥芯向閥的右端移動接通整個系統的回路。這樣泵輸出的油液就可以到達油缸的A端面控制油缸活塞按照負載要求自由移動。在此狀態下分析系統工作過程。

根據伯努利流量方程：

式中Q為通過閥芯孔口流量，C為閥芯流量系數，ρ為流體密度，A為先導操縱桿控制的閥2開口面積， △P為閥2進、出口壓力差。可見C、ρ是常數，流量Q的大小取決于閥2的開度A與閥2的進、出口壓差△P。

閥芯工作如圖3所示

（1）假如閥2的a端輸入的控制油壓力維持不變，根據伯努利流量方程則閥2的開口面積A不變，根據以上公式可知，流過閥2的流量Q只與通過的壓差△P有關系，我們來分析壓差變化如何影響流量變化。

P端油液通過方向閥2和壓力感應閥1 （壓力感應閥的目的就是檢測出負載的壓力通過S端返回閥3，當有多個方向閥來控制多個負載時，壓力感應閥就只是檢測出最高壓力來返回閥3）流到活塞缸的左端推動活塞向右移動。這樣對于閥3來說，當調節螺釘左端調定一個Kx值后（通過調節螺釘可以根據客戶系統需要設置不同的壓差值），由于S3是定值，當負載T增加則P1增加，P1′增加，P3′增加，閥3閥芯向右移動，閥芯孔口減小，流量減小，由以上公式△P= P-P1可知，P值也要增加，閥芯在極短的時間內回到初始位置附近，同理P1減小，P值也要減小，也就是說不管負載如何變化，閥3閥芯開口是不變化的（理論上如此，實際上閥芯是在孔內一個點做高頻振動），由圖3可知在轉速不變的情況下進入活塞Ⅱ的流量不變；斜盤擺角不會變化，泵輸出的流量通過閥2保持不變，而且只輸出比負載壓力高出△P的油壓，避免了系統的流量損失和過大的壓力損失。

為了驗證以上分析是否正確，我們在實驗臺通過做試驗在輸入泵轉速不變的情況下將負載壓力從5MPa增加到25MPa，在閥2的P1端接流量計后，實驗數據記錄如下表1：

表1

（2）假如閥2的a端輸入的控制油壓力增大，我們來分析此時各閥的受力運動情況，閥2的開口增大，根據伯努利流量方程面積增大，通過孔口的流量會增大，需要泵輸出的流量增加，斜盤的擺角會增大；當閥2孔口增大的同時，通過閥2孔口的阻力減小，由圖3可知，P1增加，P減小，閥3 左端的壓力增加推動閥芯向右移動，孔口減小，通過閥3的流量減小，進入活塞Ⅱ的流量減小，所以斜盤要向大角度方向擺動，在轉速不變的情況下，輸出的流量增大。閥3的閥芯又在不同的地方處于動態平衡（以上情況是在極短的時間內完成的，由于閥3的彈簧剛度很大，當A變化引起的壓力變化△P基本維持不變）。同理假如閥2的a端輸入的控制油壓力減小，在轉速不變的情況下，輸出的流量也會減小。因此對于閥3調定一個數值后，通過閥2的流量只與面積大小有關系，所以通過改變閥2的兩端控制油的輸入壓力，完全可以控制負載的移動速度。

3.2.3 當油缸活塞繼續向右移動到達油缸的最右端后

油缸不動后，油液很快在系統中停止流動，液壓泵的出口油液處于封閉狀態，壓力升高；P1=P，根據以上對閥3的受力分析可知，閥芯3只在彈簧力的作用下恢復到初始狀態對閥芯4的受力分析如下：

P×S4=Kx′

當P升高到P×S4>Kx′后閥芯4向左移動，接通泵輸出的油液到活塞Ⅱ的底部，使斜盤擺向近乎為零排量的位置，液壓泵停止供油，僅僅提供保持泵高壓狀態下的泄露。我們稱泵處于高壓待機狀態；整個系統工作狀態如圖4所示。

4 結束語

通過對負載敏感系統的以上分析計算可以知道，負載敏感系統在主油泵三種工作狀態下，泵輸出的流量沒有過多的浪費，使泵的供油壓力始終高出負載壓力一個較小壓差△P。操作換向閥改變閥口開度，泵能自動調節并輸出與負載速度要求想適應的流量，而與負載大小無關，實現泵輸出功率與負載需要的匹配，極大提高了系統效率，達到了節能目的。輸出的流量僅僅是提供給負載做功以及維持整個系統的泄漏；相對于以前的系統而言，避免了在高壓下系統的溢流損失和過多的發熱損失。

參考文獻

[1]張利平.液壓傳動系統及設計[M]北京：化學工業出版社，2005.

[2]許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M]北京：機械工業出版社，2007.

[3]黃宗益，挖掘機力士樂液壓系統分析[J].上海：同濟大學，2009.endprint