挖掘機液壓控制系統的分析

田芝友，姜 鵬，王永剛，宋海濤，呂秀梅,4

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.凱碼（上海）技術咨詢有限公司，上海 200021；3.阜新市生態環境治理發展有限公司，遼寧 阜新 123000；4.阜新市產業技術研究院，遼寧 阜新 123000）

液壓挖掘機是一種在露天礦山連續開采中廣泛應用的設備，主要適用于大型露天礦高效地開采作業，具有高效連續作業等優點[1]。但是挖掘機能量利用率較低，據統計大型挖掘機的能量利率用還不到20%。隨著近幾年全球對資源的重視，越來越多的挖掘機制造廠商開始重視挖掘機的能源利用率問題。目前液壓挖掘機大多采用全液壓驅動模式，與開式回路相比，閉式回路更節約能源，但是在挖掘機的液壓執行元件中，大多都為液壓油缸，其中液壓油缸更大部分為差動缸，因此閉式回路比較不適用于各種露天礦工程機械。因此，目前被采用的還是開式的液阻回路。

常見的多執行元件開式液阻回路可以分為2 大類，其中一類是不含定壓差減壓閥的簡單液阻回路；另一類是含有定差壓閥的負載敏感回路；負載敏感回路包括閥前壓力補償閥系統（LS 系統）和閥后壓力補償系統（LUDV 系統）。為此，針對開式液阻回路進行詳細介紹，包括簡單液阻回路中最常用的負流量控制與正流量控制液壓回路，以及負載敏感回路中的閥前壓力補償閥系統（LS 系統）和閥后壓力補償系統（LUDV 系統）。

1 負流量控制回路

負流量控制回路（Negative Control System，負控制系統）是20 世紀70 年代開發出來的技術，因為其能效總的來說比定流量系統高，被生產商廣泛采用。在國內中小型挖掘機上的應用至今仍十分普遍。負流量控制回路是液壓泵的排量隨著控制壓力信號增大而減小，即控制壓力與排量成反比[2]。

1.1 負流量控制回路與工作原理

負流量控制原理如圖1。負流量控制回路液壓系統包括負流量變量泵和六通換向閥。換向閥在閥組的中位回油通道上處設有1 個固定節流口，此時旁路流量q0流過節流口時建立壓力p0，然后將p0引到泵變量機構來控制泵的排量V。

圖1 負流量控制原理圖

可根據節流閥的特性方程得出節流口前后的壓力差：

式中：Q 為通過閥的流量，m/s；Cd為流量系數；A 為面的面積，m2；ρ 為油液密度，kg/m3；△p 為閥前后壓差，Pa。

當回路中所有換向閥都在中位，液壓泵提供的流量qP全部通過固定節流口進行卸荷，因此，通過節流孔產生的壓力△p 也較高，此時△p=控制壓力p0，在控制壓力p0的作用下，泵的排量V 最小。當回路中任意一片換向閥處于最大開口時，液壓泵提供的流量qP幾乎全部進入執行元件，通過固定節流口進行卸荷的流量幾乎為0，因此，通過節流孔產生的壓力△p 也較低，此時△p=p0≈0，在控制壓力p0的作用下，泵的排量V 最大，進入執行元件的流量最多，滿足執行元件快速運動的要求。當多路換向閥的開口度處于中位和最大開口度之間變化時，液壓泵在控制壓力p0的作用下，排量也在最小和最大之間變化，且控制壓力p0越大，液壓泵的排量越小[3]。

1.2 負流量控制的響應時間

負流量控制可以減少多路閥在中位時液壓泵的流量損失，使液壓泵的輸出流量按照操作者操作的換向閥主閥芯開度決定，做到按需提供[4]，從而減少液壓挖掘機中的溢流損失和由于溢流導致的系統產熱。但是，負流量控制的不足之處在于，負流量控制回路的整個開啟過程的時間順序如下：換向閥動作→旁路口變小，導致泵出口壓力升高→泵出口壓力高于驅動壓力后，有工作流量→旁路流量降低，控制壓力減小→泵排量變大。這就使得泵的排量控制永遠滯后于換向閥的動作。因此，操作時有滯后感，而且滯后隨負載不同而變化。

2 正流量控制回路

正流量控制回路（Positive Control System）是20世紀80 年代的技術，即控制壓力越高，則泵的輸出流量越大。正流量變量泵的變量特性與負流量變量泵正好相反。

2.1 正流量控制回路與工作原理

正流量控制原理如圖2。正流量控制回路液壓系統包括正流量變量泵和六通液控換向閥。推動操作控制換向閥的主閥芯換向的液控先導手柄（先導式減壓閥），由于液控先導手柄為先導式減壓閥，會將手柄偏轉量成比例的轉化為主換向閥的換向先導控制回路中的先導控制壓力，此時，先導控制壓力便會推動換向閥主閥芯移動。從而達到六通換向閥換向的目的。各操縱手柄的先導控制壓力，通過梭閥進行壓力比較，選出最高的控制壓力pc。將控制壓力pc引到泵變量機構的控制口，來控制泵的斜盤擺角，從而改變排量V。控制壓力pc越高，則泵的排量V 越大。當pc=0 時，V 最小，只輸出很少量的備用流量q0。當換向閥在中位時，旁路可以讓讓多余的備用流量q0通過[4]。在多路閥中設有溢流閥作為安全閥。

圖2 正流量控制原理圖

2.2 正流量控制的響應時間

在正流量控制回路中，只要推動先導液控手柄動作，輸出控制壓力，泵排量就會隨之改變；同時，換向閥主閥芯也會隨之動作，此時，換向閥的旁路口變小，工作口會打開；泵出口壓力升高。

正流量控制回路還是使用六通換向閥，這點與負流量控制相同，只是沒有旁路出口的節流口。因此，從負流量控制比較容易切換到正流量控制。

3 負載敏感系統

負載敏感系統發展于20 世紀80 年代的歐洲，在各執行元件同時工作時，流量的供給取決于操作手柄的開口度，而與負載大小無關[5]。根據定差壓閥的位置，將負載敏感回路分為閥前壓力補償閥系統（LS 系統）和閥后壓力補償系統（LUDV 系統）。

3.1 閥前壓力補償閥系統

閥前壓力補償系統是負載敏感系統傳統的壓力補償法，能夠使各工作油口均可按主機構執行元件的要求，提供相應的流量，且保證執行機構的工作速度不受負載變化的影響。閥前補償全負載敏感多路閥基于調速閥的工作原理。調速閥由定差減壓閥和節流閥2 部分組成。負載敏感閥中的壓力補償器相當于調速閥中的定差減壓閥，比例換向閥可以控制閥的開口度，相當于調速閥中的節流閥。閥前補償控制系統如圖3，定差減壓閥（壓力補償閥）位于主閥節流口之前，壓力補償閥彈簧腔測壓力為該回路的負載壓力，但是負載敏感泵的負載敏感閥引入的壓力為該系統通過梭閥比較后的最大負載壓力。

圖3 閥前補償控制系統

當通過所有閥的流量小于變量泵所提供的流量時，即流量沒飽和時，通過的流量分配閥進入液壓缸的流量可由下列計算公式得出[6]：

式中：Q 為通過閥的流量，m/s；Cd為流量系數；A 為閥的面積，m2；ρ 為油液密度，kg/m3；△p 為閥前后壓差，Pa。

主閥節流口兩端壓差p1和p2為：

式中：pL1、pL2為系統負載壓力，Pa；pm1、pm2為節流閥前壓力，Pa。

因為壓力補償閥為定差減壓閥，所以無論負載如何變化△p1=△p2，固通過的流量分配閥進入液壓缸的流量與負載無關，只取決于節流閥的開口度，從而保證了，執行元件的運行相對速度不發生改變。

但是當多個執行器同時動作，其流量需要超過泵的供油流量（即流量飽和）時，高負載側節流閥口兩端壓差下降，達不到補償閥的設定壓力，此時，補償閥失去作用，系統進入流量飽和狀態。使得幾個機構不能同時動作，影響工程機械正常工作。這是傳統負載敏感系統的明顯缺點[7]。

3.2 閥后壓力補償系統

閥后壓力補償負載敏感系統，既LUDV 系統，LUDV 表示與負載壓力無關的流量分配。閥后補償控制系統如圖4。

圖4 閥后補償控制系統

在閥后壓力補償負載敏感系統中，壓力補償閥基于比例溢流閥原理。比例溢流閥（壓力補償閥）位于主閥節流口之前，壓力補償閥彈簧腔壓力和負載敏感泵的負載敏感閥引入的壓力均為該系統通過梭閥比較后的最大負載壓力。

當通過所有閥的流量小于變量泵所提供的流量時，即流量沒飽和時，液壓油經過主閥節流口的兩端壓差△p1和△p2為：

式中：pp為泵口壓力，Pa；pm1、pm2為節流閥后壓力，Pa。

在壓力補償閥的作用下，pm1=pm2，此時△p1=△p2，同時負載壓力通過梭閥比較后，將壓力傳導至變量泵負載敏感閥，變量泵負載敏感閥設定壓力△p=pp-pLmax，所以△p1=△p2=△p，所以，主閥節流口兩端壓差等于變量泵的負載敏感閥的設定壓力。因此通過主閥的流量只取決于閥的開口度，和系統的負載無關。這時泵的負載敏感閥設定的△p 壓力會直接影響進入液壓缸的流量大小[8]。

當通過所有閥的流量大于變量泵所提供的流量時，即流量飽和時，泵的壓力控制器失效，泵此時只受功率控制器調節，高負載側的壓力通過梭閥比較后，將壓力同時傳到低負載和高負載側補償閥的控制腔，補償閥全開，節流閥后的壓力也等于最高負載壓力[9]。隨著不飽和度的增加，泵的出口壓力pp逐漸減小，△p1和△p2也隨之減小，但是流閥后壓力pm1、pm2等于最高負載壓力，所以△p1一直等于△p2，并且大小取決于系統的最大負載。所以，通過的流量分配閥進入液壓缸的流量仍然取決于節流閥的開口度，按照閥的開口度將流量分配到液壓缸，保證執行元件的相對運行速度不發生改變[10-11]。

4 結語

1）負流量控制可使液壓泵的輸出流量按照操作者操作的換向閥主閥芯開度決定，做到按需提供，從而減少能源損耗。但是，負流量控制的不足之處在于，負流量控制系統液壓泵的排量控制永遠滯后于換向閥的動作。

2）正流量控制液壓系統沒有中位的空流損失，回油壓力更小，所以與負流量控制回路相比，正流量控制回路具有更好的操作敏感性和節能效果，但由于正流量控制系統中多個梭閥的存在，導致正流量控制回路相比于負流量控制回路結構復雜，成本較高。

3）負載敏感系統中負載敏感泵的流量特性與負載無關，流量的供給取決于操作手柄的開口度，節能效果最明顯，而且操作的舒適性最好。