負流量控制與正流量控制在液壓挖掘機中的應用

姜 鵬，李經天，宋海濤，鄒 偉，呂秀梅,3

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市生態環境治理發展有限公司，遼寧 阜新 123000；3.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]。目前液壓挖掘機大多采用全液壓驅動模式，最大量被采用的是開式的液阻回路[2]。常見的多執行器開式液阻回路可以分為2大類，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。與負載敏感系統相比，簡單液阻回路構造簡單，抗污能力強，元器件成本低，被廣泛應用于露天礦上開采過程中的大型工程機械中。

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[3]。如住友、加藤、斗山、現代、卡特等。在國內中小型挖掘機上的應用至今仍十分普遍。這個回路之所以被稱為負流量控制，是因為所使用的泵的變量特性：控制壓力越高，則泵的斜盤擺角越小，泵的排量越小，從而輸出流量越小。

1.1 負流量控制回路與工作原理

負流量控制原理圖如圖1。

圖1 負流量控制原理圖

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。各組換向閥閥片之間，可并聯使用，閥V1與閥V2，可優先使用，閥V1與閥V2對閥V3，也可串聯使用。換向閥在閥組的旁路通道出口處設有1個固定節流口J，此時旁路流量q0流過節流口J 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。換向閥反饋回的壓力p0越低，泵的排量V則越大。換向閥的任一閥片開啟都將減少q0，從而降低p0，相應增大泵的排量V。同時，在多路閥中設有常閉式溢流閥作為安全閥[4]。

1.2 負流量控制回路的壓降

1）當所有換向閥都在中位，泵提供的流量qP全部通過固定節流口J，旁路流量q0較高，因此，通過節流孔產生的壓力p0也較高，在控制壓力p0的作用下，則此時泵的排量V 較小。

2）當閥V1切換到工作位，泵提供的流量qP經過2 條通道回油箱——旁路通道流量q0和工作通道流量q1。泵提供的流量qP如何分配，則不僅取決于各節流口的大小，也取決于驅動壓力pA1。而旁路通道流量q0又影響控制壓力p0，從而影響改變泵的排量V，從而影響qP[5]。

3）當閥V1、閥V2切換到工作位，泵提供的流量qP，經過3 條通道回油箱——旁路通道q0和工作通道q1、q2。如何分配，則不僅取決于各節流口的大小，也取決于驅動壓力pA1和pA2。因此，各工作通道的工作流量還受到其他通道負載大小的干擾。

1.3 負流量變量泵

負流量變量泵是一個外控變量泵，變量機構受外來的控制壓力控制，當控制壓越高時，泵的斜盤擺角越小，泵排量越小，輸出的流量越小[6]。

負流量變量泵在控制壓力p0超過3.5 MPa 時，排量V 最小，幾乎為0。但若完全無流量，則控制壓力也不可能建立。因此，負流量控制系統不會工作在這個工況點。當所有換向閥都在中位時，泵還是必須輸出一些流量，排量V 一般約為最大排量Vmax的10%，p0約為3.0 MPa。

在p0低于控制壓力臨界值p0min（1.0 MPa）時，排量就達到最大。因此，只要有1 個換向閥的旁路接近關閉，旁通流量q0接近0 時，泵就會達到最大輸出排量[7]。

1.4 負流量系統時間響應過程

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。為了克服上述缺點，可以采用正流量控制回路[8]。

2 正流量控制回路

正流量控制回路（Positive Control System）之所以被稱為正流量控制，是因為所使用的泵的變量特性：控制壓力越高，則泵的斜盤擺角越大，泵的排量越大，從而輸出流量越大[9]。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

正流量控制原理圖如圖2。

圖2 正流量控制原理圖

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。同時，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。同時，在多路閥中設有溢流閥作為安全閥[10]。

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J。因此，從負流量控制比較容易切換到正流量控制。

2.2 正流量控制回路的壓降圖

壓降狀況與負流量控制壓降圖相比，正流量控制回路無旁路節流口J。

1）當所有換向閥都在中位，泵提供的流量qP全部通過主閥芯的中位時的T 口回油箱，此時背壓較低，控制壓力pc較低，在控制壓力pc的作用下，則此時泵的排量V 較小。

2）當閥V1切換到工作位，旁路尚未關閉時，泵提供的流量qP經過2 條通道回油箱——旁路通道流量q0和工作通道流量q1。泵提供的流量qP如何分配，則不僅取決于各節流口的大小，也取決于驅動壓力pA1。而工作通道流量q1又影響控制壓力pc，從而影響改變泵的排量V，從而影響qP。

3）當閥V1切換到工作位，旁路關閉時，泵提供的流量qP全部經過工作通道流量q1回油箱。此時，工作通道流量q1又影響控制壓力pc，從而影響改變泵的排量V，從而影響qP。

4）當閥V1、閥V2切換到工作位，旁路關閉時，泵提供的流量qP，經過2 條通道回油箱——工作通道q1和工作通道q2。如何分配，則不僅取決于各節流口的大小，也取決于驅動壓力pA1和pA2。同時通過梭閥比較pA1和pA2的大小，取最大值做為控制壓力pc反饋至變量泵，改變泵的排量。因此，各工作通道的工作流量還受到其他通道負載大小的干擾。

2.3 正流量變量泵

正流量變量泵是1 個外控變量泵，變量機構受外來的控制壓力控制，當控制壓越高時，輸出的流量越大[11]。正流量變量泵在控制壓力pc超過控制壓力臨界值時，排量V 會從極小開始增加。在控制壓力pc達到3.5 MPa 時，泵的排量V 達到最大。

3 結語

通過對正流量控制和負流量控制液壓系統的分析，并通過在挖掘機上的多次試驗，得到結論：負流量控制泵的排量控制永遠滯后于換向閥的動作，操作時有滯后感，而且滯后隨負載不同而變化。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，響應更迅速，但是正流量控制和負流量控制都存在復合動作共同動作時相互干擾現象，為了減少相互干擾的途徑，可以采用帶有定壓差閥的負載敏感系統。