液壓挖掘機三種流量控制方式

1、液壓挖掘機的三種流量控制方式 摘要：在液壓挖掘機的負載適應控制策略中，負流量（Negative Flow Control）、正流量控制（Positive Flow Control）及負荷傳感器控制（Load Sensing Control）三種流量控制方式的流行稱謂，是按其泵控特性來分類的。本文通過對多種廠牌型號挖掘機的比較分析，提出了旁通流量控制（By-pass Flow Control）、先導傳感控制（Pilot Sensing Control）及負荷傳感控制的分類。這一分類方法，對于設計時比較不同控制系統(tǒng)的性能和維修時理解不同控制系統(tǒng)結構和功能的特點，都有所裨益。1. 流量控制在挖掘機的

2、液壓系統(tǒng)內，流量Q、壓力P及能耗（流量損失Q、壓力損失P）等參數(shù)的變化，反映了液壓傳動過程的控制特性。液壓系統(tǒng)工作時，壓力P不是系統(tǒng)的固有參數(shù)，而是由外負荷決定的。因此，當發(fā)動機轉速ne一定時，要對液壓系統(tǒng)的功率進行調節(jié)，其實是對液壓缸、液壓馬達等執(zhí)行元件的進油量Qa進行調節(jié)（參看圖1）。圖1.流量調節(jié)如圖2所示，有兩種方法調節(jié)系統(tǒng)流量。第一種方法是泵控方式，通過改變主泵的每轉排量q來調節(jié)主泵的輸出流量Qp，稱為容積調速。常見的容積調速方式包括：利用主泵出口壓力PP與主泵排量q的乘積保持不變的恒扭矩控制；利用發(fā)動機轉速傳感（ESS）使主泵吸收的扭矩pPq與主泵轉速n的乘積保持不變的恒功率控制；

3、在臨近系統(tǒng)溢流壓力時，減小主泵排量的壓力切斷控制；配用破碎頭等作業(yè)附件時，由外部指令限定主泵最大排量的最大流量二段控制；雙泵系統(tǒng)中，利用兩泵出口壓力的平均值與主泵流量乘積保持不變的交叉功率控制（相加控制或總功率控制）；多泵系統(tǒng)中，因主泵組的液壓總功率大于發(fā)動機的輸出功率，為防止發(fā)動機出現(xiàn)失速，采用了極限負荷控制。除了容積調速，還有一種泵控方式是通過動力模式下的變功率控制，利用外部指令設定不同工況下不同的發(fā)動機輸出功率來改變主泵轉速ne，從而調節(jié)主泵輸出流量Q=nq。調節(jié)系統(tǒng)流量的第二種方法是閥控方式，可對主泵輸出的流量進行二次調節(jié)。這種通過改變主控閥開度來調節(jié)執(zhí)行元件的進油量，稱為節(jié)流調速。常

4、見的節(jié)流調速采用操作手柄（踏板）先導閥輸出的二次先導壓力來調節(jié)主控閥的開度。除了節(jié)流調速，還有其他多種閥控方式來調節(jié)執(zhí)行元件的進油量，例如：在不同作業(yè)模式下，利用外部指令對雙泵合流與分流的控制；動臂再生控制與斗桿再生控制；直線行走控制；復合作業(yè)時的動臂優(yōu)先控制或回轉優(yōu)先控制等等。容積調速的傳動效率高，但是動特性差。節(jié)流調速動特性好，但是傳動效率低。因此，在液壓挖掘機上同時采用了容積調速與節(jié)流調節(jié)，以適應作業(yè)中執(zhí)行元件對流量的需求。不唯如此，為實現(xiàn)節(jié)能，還要使容積調速時對主泵的控制與節(jié)流調速時對主控閥的控制協(xié)調起來，泵控對閥控實時響應。就是說，當主控閥的節(jié)流開度關小時，主泵的排量也要立即關小，反

5、之亦然。這種按需供油的泵閥聯(lián)合控制被稱為流量控制。在液壓挖掘機上，采用了三種流量控制方式：旁通流量控制、先導傳感控制及負荷傳感控制。表1列出了部分廠牌機型采用的流量控制方式。圖2 液壓挖掘機的流量調節(jié)表1 液壓挖掘機的流量控制方式舉例注： BF旁通流量控制 PS先導傳感控制 LS負荷傳感控制 N負流量控制 E/N電子負流量控制 P正流量控制 E/P電子正流量控制 2.旁通流量控制 典型的旁通流量控制如圖3所示。要實現(xiàn)旁通流量控制，液壓系統(tǒng)在結構上應同時具備以下三個條件：主控閥為中位開路的三位六通閥，主控閥的各疊加閥的進油路為串并聯(lián)；在主控閥中位旁通回油路的底端設置有節(jié)流元件，同時并聯(lián)有低壓溢流

6、閥。在節(jié)流元件進油口設置取壓口，提取該點壓力，作為流量控制的信號壓力Pi。用于旁通流量控制的主控閥有如川崎的KMX系列控制閥、東芝的DX22/28型和UDX36型控制閥；主泵的控制特性一般應為負流量控制（日立EX5系列除外），即主泵的流量變化QP與信號壓力的變化Pi成反比，而且主泵的負流量控制閥（NC閥）在主泵調節(jié)器上的位置，應確保恒扭矩控制（TVC）優(yōu)先。用于旁通流量控制的主泵有如川崎的K3V和K5V系列柱塞泵。圖3 川崎的負流量控制2.1 旁通流量控制的原理如圖3所示，旁路節(jié)流閥的節(jié)流口前后壓差 P=Pi=QR2/KA式中 Pi回油節(jié)流口前的壓力。略去回油的背壓時，P=Pi。 QR 主控閥

7、中位回油流量（m3/s）。 A回油節(jié)流口通流面積（m2）. K常數(shù)，與節(jié)流口的收縮系數(shù)、速度系數(shù)、油液重度等有關，K由實驗決定。 對于具體的回油節(jié)流閥結構，A、K為一定數(shù)，旁通流量QR與Pi的關系如圖4第四象限所示：QR越大，Pi越大，QR與Pi呈拋物線的函數(shù)關系。圖4 負流量控制的流量特性 當主控閥各閥芯均處于中位時，QR最大，控制壓力Pi也最大，其值由旁路溢流閥調定（參看圖3），此時主泵流量QP最小為Qpo，如圖4第一象限所示。以裝用川崎精機KMX15R主閥的系統(tǒng)為例，旁通流量QR最大為30L/min,此時旁通溢流閥開啟，控制壓力Pi達到最大值3.5MPa。當主控閥的閥芯開度達到執(zhí)行元件進

8、油量QA與主泵供油量QP相等時，中位旁通回油流量QR接近于0，控制壓力Pi變得很小，主泵流量QP已調到最大，如圖4第二象限所示。主控閥芯行程改變時，控制壓力Pi隨動變化，執(zhí)行元件的進油量QA為主泵供油量QP與旁通流量QR之差，參看圖4第二象限。表2列出了采用旁通流量控制的部分廠牌與機型。表2 典型的旁通流量控制廠牌/系列型號旁通流量傳感元件控制機理泵控特性小松PC-3PC-5在主控閥中立旁通油路下游有射流傳感器；在主泵伺服閥的末級有NC閥。在射流傳感器進出油口提取壓差（Pt-Pd）.由此壓差控制NC閥，對進入主泵伺服液壓缸的先導油進行節(jié)流減壓。日立EX-3在主控閥中立油路末端有泵控制閥，包括節(jié)

9、流閥與壓力調節(jié)閥。中立油路的旁通流量與節(jié)流閥前的壓力PN的平方根成正比，主泵流量Q與控制壓力PN成反比。EX-5泵控制閥的節(jié)流閥（A）在主控閥中立油路末端，而泵控制閥的調壓閥（B）對初級先導油進行減壓。旁通流量通過泵控制閥的作用，調節(jié)流量控制壓力Pi，主泵流量Q與控制壓力Pi成正比。神鋼SK-6SK-6E在主控閥中立油路末端設置負控節(jié)流閥，且在節(jié)流閥進出油口安裝電子低壓傳感器。將負控壓力Pn和背壓Tn變送為電壓信號，由機電控制器處理后，向主泵電液比例閥發(fā)出變量信號?，F(xiàn)代R-3R-5R-7R-9在主控閥中立油路末端有負控溢流閥（節(jié)流單向閥）。從邏輯閥來的中位旁通回油，經底部負控溢流閥節(jié)流形成控制

10、壓力FL。當FL大于3.9MPa時，主泵流量最小。斗山DH-3DH-5 DH-7DH-9在主控閥中立油路末端有負控閥。主泵調節(jié)器接受負控閥反饋的指令壓力fp，fp與主泵流量成反比?？ㄌ?00B300C300D在主控閥中立油路末端有流量控制閥。負流量控制壓力PN進入主泵調節(jié)器，對泵壓P1、P2及功率變換壓力Ps決定的泵流量Q進行調節(jié)。2.2旁通流量控制閥 斗山DH-5系列挖掘機的旁通流量控制閥如圖5所示。節(jié)流孔C前端壓力fp傳送到主泵調節(jié)器上。當fp超過彈簧B設定的壓力時，旁通油路溢流，這樣可防止在主控閥所有滑閥都位于中位時，負控壓力fp的急劇升高。圖5 東芝的負流量控制閥卡特320C型挖掘機的

11、旁通流量控制閥如圖6所示。旁通回路的壓力油通過8個小孔a節(jié)流后流回油箱。節(jié)流孔a前端壓力PN被引入主泵調節(jié)器。當PN壓力超過彈簧C設定的壓力后，提動閥b打開溢流。圖6 卡特的流量控制閥現(xiàn)代R7系列的旁通流量控制閥如圖7所示。旁通油路21的壓力油經過錐閥15中心的小孔節(jié)流，形成負控壓力FL。當FL高于彈簧16設定的壓力時，錐閥15將開啟溢流，旁通油全部流入回油通道13.圖7 現(xiàn)代的負控閥2.3小松的OLSS系統(tǒng) 1981年以后，小松公司在PC4001，PC6501及40t級以下的PC3、PC5系列挖掘機上，采用了OLSS系統(tǒng)（Opened Center Load Sensing System中位

12、開式負荷傳感系統(tǒng)），如圖8所示。OLSS系統(tǒng)并非本文所述的負荷傳感系統(tǒng)，而是早期的旁通流量控制系統(tǒng)。圖8 小松的OLSS系統(tǒng)射流傳感器如圖9所示。主控閥中位旁通油流Qc從元件1的小孔do以射流形態(tài)噴出，大部分射流碰到螺套2的端面，其壓力Pd（背壓）接近油箱壓力；小部分射流經小孔d1，流入螺套2的B腔，由于d1d0，這部分射流的動壓力被節(jié)流減壓后成為射流壓力Pt與Pd。圖9 射流傳感器射流傳感器輸出的壓差（Pt-Pd）與旁通流量Qc的關系如圖10曲線a段所示。當操作手柄處于中位，旁通流量超過40L/min時，溢流閥3開啟（圖9），壓差穩(wěn)定在1.5MPa左右，如圖10直線b段所示，此時主泵排量最小

13、。壓力Pt與Pd由軟管傳到主泵的NC閥二端（參看圖8），通過NC閥對主泵排量進行控制。壓差（Pt-Pd）與主泵排量Q呈反比關系（參看表2）。圖10 射流傳感器的輸出特性2.4 神鋼SK-6的電子負流量控制系統(tǒng)前述旁通流量控制的節(jié)流元件，是直接用機械液壓的結構提取壓力（壓差）信號來實現(xiàn)控制壓力（壓差）與主泵流量的比例控制，不可避免的存在靜態(tài)誤差，影響系統(tǒng)的調速性能。2000年，神鋼公司在SK6系列挖掘機上，采用電液比例技術將控制壓差（PnTn）的電信號傳送到機電控制器，經過控制算法處理后，再通過比例閥控制主泵排量，如圖11所示。圖11 神鋼SK6的電子負流量控制系統(tǒng)兩個主泵供油壓力P1和P2由高

14、壓壓力傳感器變送為信號電壓，經過機電控制器對泵壓信號處理后，平均壓力（P1+P2）/2（電壓U）與主泵流量Q的關系如圖12所示。設恒功率控制下某一工況P1（P2）泵輸出的流量為Q。當主控閥開度變化后，旁通流量隨之改變，負控節(jié)流閥輸出的壓差（Pn-Tn）也就變化。通過機電控制器對負控信號處理后，壓差（Pn-Tn）（電壓U）對主泵流量Q進行調制，如圖13所示。通過電子負流量控制，只要執(zhí)行元件的進油量減小，主泵的排量Q就會立即減小，反之亦然。圖12 交叉功率控制特性 圖13 負流量控制特性2.5 斗山的電子負流量控制系統(tǒng)斗山（大宇）DH3/5系列挖掘機采用川崎的K3V主泵和東芝的DX22/28或UD

15、X36型主控閥。當主控閥的滑閥從中立位置移到工作位置時，旁通流量與負流量控制壓力PN會突然減小，使主泵流量急劇增加，液壓缸等執(zhí)行元件的速度突增，引起挖掘機抖動。圖14 DH3系列挖掘機的電子負流量控制為改善執(zhí)行元件動作起點時泵流量的突變，在EPPR比例閥組上（參看圖14）可選裝一個稱為“負流量控制優(yōu)先閥”的電液比例閥A3。在單獨操作行走、動臂提升、斗桿等任一動作時，EPOS控制器在1秒內向A3輸出700150mA遞減的斜坡信號電流，優(yōu)先閥A3會對應輸出3.20MPa遞減的斜坡控制油壓Pa。通過梭閥VS，對動作起點的負流量控制閥NR輸出的壓力PN和優(yōu)先閥A3輸出的壓力Pa比較后，選擇PN與Pa的

16、較高者作為旁通流量控制壓力Pi，去調節(jié)主泵排量，從而降低了泵流量變化的梯度，如圖15所示。圖15 斗山DH2203的負流量控制特性2.6 日立EX5的正流量控制系統(tǒng)日立建機在EX5系列上采用了正流量控制系統(tǒng)，泵流量控制閥在油路上的位置如圖16所示。2000年，日立推出的ZX系列也采用了正流量控制系統(tǒng)，但泵流量控制閥的結構和安裝位置有很大的差異（參看圖20），雖然都稱之為正流量控制，但二者流量控制的機理卻全然不同：EX5采用的是旁通流量控制，而ZX采用的是先導傳感控制，詳見后述。圖16 日立EX5的旁通流量控制EX5的泵流量控制閥包括泵控制閥A和減壓閥B，如圖17所示。當控制閥開度變小，旁通流量

17、Qd增大時，泵控制閥的滑閥A向右移動，調節(jié)閥B的設定壓力降低，來自先導泵的初級先導壓力被調壓閥B分流而輸出較低的控制壓力Pi?？刂茐毫i被傳到主泵調節(jié)器，使泵排量按Pi壓力成正比減小，因此稱為正流量控制（參看表2）。在這里，閥A用于檢測旁通流量，閥B的作用則相當于邏輯電路的“非門”。先導泵提供控制壓力源，初級先導壓力經過閥B的調制而成為旁通流量控制的信號壓力。EX5采用的是正流量控制。這一實例表明旁通流量控制多為負流量控制也有正流量控制。但是，先導傳感控制卻都是正流量控制（參看表3）。圖17 日立EX5泵流量控制閥的工作原理3先導傳感控制典型的先導傳感控制系統(tǒng)如圖18所示。要實現(xiàn)先導傳感控制

18、，液壓系統(tǒng)在結構上應同時具備以下三個條件：主控閥為中位開路的三位六通閥，主控閥的各疊加閥的進油路為串并聯(lián)。不過，為減小液動力的影響，增大調速范圍，改善滑閥的靜特性，提高微調性能，對主控閥閥芯臺肩切口的形狀尺寸、封油長度與開口量的比例，都進行了優(yōu)化設計；用梭閥鏈對各操作閥輸出的二次先導壓力進行比較，選擇其中最高的先導壓力Pi作為先導傳感控制的信號壓力；主泵的控制特性為正流量控制，即主泵的流量變化Qp應與先導傳感的控制壓力的變化Pi成正比，而且主泵的調節(jié)器應使恒扭矩控制優(yōu)先于流量控制。力士樂公司的A8VSO系列主泵和M8、M9系列主控閥，川崎的K3VDIP系列主泵和KMxRA系列主控閥，都適于構建

19、先導傳感控制系統(tǒng)。表3列出了采用先導傳感控制的部分廠牌機型。圖18 先導傳感控制系統(tǒng)表3 典型的先導傳感控制廠牌/系列型號先導壓力傳感元件控制機理泵控特性日立UH梭閥通過梭閥鏈，選取最高的二次先導壓力Pi作為控制壓力，直接引入主泵調節(jié)器。ZX梭閥+泵流量控制閥（在信號控制閥內）由梭閥鏈選擇的最高二次先導壓力Psmax調節(jié)泵流量控制閥，對初級先導壓力Pc節(jié)流減壓后，輸出正流量控制壓力Pi。神鋼SK5SK8壓力傳感器低壓傳感器檢測各個二次先導壓力，向控制器輸入電壓信號。經控制器處理后，再向電液比例閥輸出電流信號，來調節(jié)主泵排量。邦立CE4206梭閥通過梭閥鏈，選取最高的二次先導壓力Pi作為控制壓力

20、，直接引入主泵調節(jié)器。3.1 先導傳感控制的流量特性先導傳感控制的流量特性如圖19所示。Qp為主泵供油流量，Qpo是主泵的最小流量（備用流量），Qp是由泵出口壓力與發(fā)動機轉速決定的主泵最大流量。Qa為執(zhí)行元件的進油流量。Pis是主泵的起調控制壓力，Pie為主泵的終調控制壓力。圖19 先導傳感控制的流量特性曲線3.2 日立ZX的正流量控制系統(tǒng)如圖20所示，在先導操作閥的集油板（信號控制閥）內，通過梭閥117組成的梭閥鏈，對各個二次先導壓力Ps比較后，選取復合操作時的最高先導壓力Psmax。圖20 信號控制閥Psmax傳到泵流量控制閥（參看圖21）的彈簧室內，推動閥柱。來自先導泵的初級先導壓力Pc

21、，經過閥柱打開的閥口節(jié)流后，流向油口SA。二次先導壓力Psmax越大，Pi越大。最后，由軟管將流量控制壓力Pi傳到主泵調節(jié)器上。圖21 ZX的泵流量控制閥 當流量控制壓力Pi傳到調節(jié)器右端時（參看圖22），推動控制活塞4向左移動。于是，伺服活塞10大腔的油被閥芯3節(jié)流后，再從Dr油口流回油箱，而活塞10在右端的先導壓力作用下將向左移動，將主泵的排量調大。Pi越大，伺服活塞向左的行程越大，主泵排量越大，這種正流量控制的特性如圖23所示。圖22 ZX的主泵調節(jié)器 圖23上泵流量Q是在某一工況下，由左右主泵輸出的平均壓力（Pd1+Pd2）/2和由發(fā)動機轉速決定的功率變換比例閥輸出壓力Pps決定的最大

22、泵油量。先導傳感壓力Pi則通過正流量控制滑閥3（參看圖22），對流量Q再次進行調制。圖23 ZX的泵流量控制特性3.3 神鋼SK5的電子正流量控制 一般的先導傳感控制系統(tǒng)，是依靠梭閥鏈從采集的復合操作時的幾個二次先導壓力中選出最高的二次先導壓力Pimax來控制主泵排量，存在忽略未選中Pi的缺陷。在神鋼的SK5系列上采用了電液比例技術，如圖24所示。將二次先導壓力Pi的諸多傳感器110的電信號，傳遞到控制器11內，經過控制算法處理后，通過電液比例閥12和13調節(jié)主泵14和15的排量。圖中19為發(fā)動機油門的步進馬達，18為轉速傳感器。圖24 神鋼SK5的電子正流量控制 在SK2005挖掘機上配裝的

23、川崎泵是一種電子正流量控制的斜盤式柱塞泵，發(fā)動機無負荷空轉，操作手柄在中位時，主泵有約30L/min的備用流量，如圖25所示。圖25 SK2005的流量控制特性4. 負荷傳感器控制4.1 負荷傳感控制的原理圖26所示負荷傳感控制系統(tǒng)，包括負荷傳感控制閥和負荷傳感泵。系統(tǒng)的最高負荷傳感壓力PLS由梭閥鏈選取，并傳送到主泵的LS調節(jié)閥和控制閥的壓力補償閥。各主控閥并聯(lián)，無中立回路。通過控制閥節(jié)流的流量特性方程 Q=KA式中Q為流進執(zhí)行元件的流量，K為常數(shù)，A為控制閥口的節(jié)流截面積，P為節(jié)流前后的壓差 P=PP-PLS式中PP為主泵出口壓力，PLS為負荷傳感壓力。當采用壓力補償閥后，各控制閥口的P為

24、常數(shù)。在液壓挖掘機上，一般P=23MPa。 因此，通過負荷傳感控制閥的流量Q與控制閥的開度A成正比，而與負荷壓力無關。圖 26 負荷傳感控制系統(tǒng)負荷傳感控制閥解決了兩個問題：單個執(zhí)行元件動作時的速度控制問題。當操作手柄行程給定時，無論負荷怎么變動，執(zhí)行元件的運動速度保持恒定，即使操作手柄行程小，工作裝置動作的速度慢時，也可產生強力，因而微操作性能好，尤其適合起重作業(yè)、反向掘削，以及帶破碎頭等附件的作業(yè)。復合作業(yè)的同步問題。當各操作手柄位置給定時，對應執(zhí)行元件的流量分配保持恒定的比例，各動作互不干擾。在各執(zhí)行元件需求的流量之和超過主泵輸出的最大流量時，完全的負荷傳感控制系統(tǒng)具有抗飽和的能力。在供

25、油不足時，各執(zhí)行元件的速度按比例下降保持操作者預定的斗齒運動軌跡，而與負荷壓力和泵流量的大小無關。這樣，在挖掘時方便滿斗裝載，易于挖掘軟巖或孤石，在刷邊坡或平整作業(yè)時不會出現(xiàn)溝痕。采用負荷傳感控制閥提高了液壓操作的微調性能和復合作業(yè)的同步性能，而要解決液壓系統(tǒng)的節(jié)能問題，還必須按主控閥開度的變化實時調節(jié)主泵的流量。如圖26所示，調節(jié)主泵排量的LS閥右端引入主泵出口壓力PP，左端則受到負荷傳感壓力PLS和彈簧力PK作用。調節(jié)此彈簧的預壓力，即可調整負荷傳感壓差PLS。當PK=PLS=PP-PLS時，LS閥芯受力平衡，主泵維持一個穩(wěn)定的排量。如果控制閥開度變小，動態(tài)的PLS將大于PK，主泵排量減小

26、（參看圖27）；反之，如果控制閥開度變大，PLS小于PK，主泵排量加大。在主控閥的整個行程中，主泵輸出的流量始終等于執(zhí)行元件所需油量，與負荷壓力的大小無關，如圖28所示。 圖27 負荷傳感的泵控特性圖28 負荷傳感控制的流特性表4列出了采用負荷傳感控制的部分廠牌機型：表4 典型的負荷傳感控制廠牌/系列型號主控閥類型壓力補償元件/LS傳感元件控制系統(tǒng)日立 EX2三位四通比例閥組+可變壓力補償閥梭閥鏈+壓差傳感器日立ELLE小松 PC6 PC7PC8三位七通壓力補償閥LS梭閥鏈小松CLSS阿特拉斯 26033306三位五通壓力補償閥LS開關閥林德LSC利勃海爾R914 R924利勃海R900B R

27、904B三位五通壓力補償閥+負荷保持閥LS梭閥鏈力士樂LUDV4.2 小松CLSS系統(tǒng) 在小松公司的PC-6、PC-7、PC-8系列挖掘機上，采用了圖29所示CLSS系統(tǒng)（Closed Center Load Sensing System閉式中心負荷傳感系統(tǒng)）。主泵溢流閥3設定主控閥之前的主油路安全壓力，而卸荷閥4設定主控閥全部關閉時的空載壓力。LS旁通閥13用于防止負荷傳感壓力PLS急劇升高，還可以增強主控閥的動態(tài)穩(wěn)定性。 執(zhí)行元件中最高的負荷傳感壓力PLS，經LS梭閥鏈從油路9傳到主泵的LS閥14左端，LS閥右端受到主泵出油壓力PP的作用，負荷傳感的壓差PLS=PP-PLS控制主泵排量變化

28、。LS閥的設定壓力為2.2MPa。當主控閥開度增大或負荷壓力增大到PLS2.5MPa時，主泵排量減小。在主控閥6的出口，安裝有壓力補償閥16，用來平衡負荷。當復合操作二個以上的執(zhí)行元件時，壓力補償閥使各主控閥節(jié)流的入口壓力PP和節(jié)流閥口出口的壓力PLS的壓差PLS保持相同（參看圖30），因此各執(zhí)行元件7的進油流量是按其主控閥滑閥的開度來分配的，與其負荷壓力的高低無關。圖29 CLSS系統(tǒng)的原理圖小松的壓力補償閥如圖30所示，由止回閥2和活塞4及其內裝的往復球閥3等組成。主泵壓力PA經量孔a節(jié)流后，頂開主滑閥內裝的單向球閥7，使執(zhí)行元件進油腔C的負荷壓力PC，經過量孔b和油道d傳到梭閥6，成為負

29、荷傳感壓力PLS，并且被引入壓力補償閥的D口。在單獨操作一個執(zhí)行元件時，因為PC壓力經過孔b、d節(jié)流減壓而成為PLS，PLSPB時，閥口C關閉，起到高壓止回閥的作用。在復合操作時，若負荷壓力PC高于其它執(zhí)行元件的負荷壓力，C腔壓力PC將高于B腔壓力PB，閥口C關閉，防止高負荷壓力回傳到B腔。圖30 小松的壓力補償閥在復合操作時，若負荷壓力PC低于其它執(zhí)行元件的負荷壓力，從LS梭閥6引到D口的最高負荷傳感器壓力PLS，將大于PC，球閥3向右移動堵住C腔進油（參看圖31），PLS壓力通過油溝e傳到E腔，將活塞4向右推移，關小閥口C。負荷傳感壓力PLS越大，閥口C的開度越小。閥口e的開度減小，將使主

30、閥芯節(jié)流的下游（B腔）壓力PB增大。在設計時，取活塞4直徑與止回閥2直徑之比（壓力補償面積比）為1時，壓力PB將變得與最高負荷傳感壓力PLS相同，即PB=PLS。另一方面，泵的出口壓力PA對所有執(zhí)行元件都是相同的，PA=PP。因此，主控閥節(jié)流口的壓差P=PA-PB=PP- PLS對所有動作的主控閥都是相同的，主泵流量將按各滑閥的開口面積分配給復合作業(yè)的執(zhí)行元件。圖31 壓力補償閥的原理在鏟斗閥和附件（破碎頭）備用閥上，采用了集成壓力補償閥。如圖32所示，閥7是將活塞與止回閥制成一體。在閥口F關閉之前，當鏟斗液壓缸（底端）和破碎頭作業(yè)產生高的峰值負荷壓力時，C腔的負荷壓力不能進入彈簧腔E。這樣，

31、就可防止閥7與閥座發(fā)生沖擊而損傷閥口f。圖32 集成壓力補償閥為了在爬陡坡時借助工作裝置作業(yè)，考慮到減小了行走馬達的進油量，圖33中C腔壓力小于E腔內的LS壓力（參看圖31），因此在行走馬達的主閥壓力補償閥中，取消了往復球閥3、活塞4及彈簧5，采用了如圖33中8所示的結構。圖33 行走壓力補償閥在CLSS系統(tǒng)中，負荷傳感壓力PLS通過LS閥14（參看圖29）控制主泵變量。由于挖掘機轉盤的轉動慣性力矩很大，會產生很高的回轉負荷壓力。當復合操作回轉與動臂舉升時，若回轉的PLS壓力經LS梭閥鏈傳入動臂舉升的壓力補償閥（參看圖31），止回閥2將關小，動臂液壓缸進油量減小，就要回轉180才能舉升裝車的高

32、度。圖34 LS選擇閥的功能為了改變裝車作業(yè)時動臂舉升慢而回轉快的問題，希望回轉 90就能完成動臂舉升，在LS梭閥鏈上設計有一個LS選擇閥，如圖34所示。當扳動動臂（舉升）操作閥（PPC）時，回轉先導壓力BP將推動活塞3和4，使逆止閥1關閉回轉PLS壓力進入LS 梭閥鏈油道9的閥口，即使回轉PLS很高，動臂舉升液壓缸也只受動臂缸底端的PLS控制（如圖35所示）。同時，主泵的LS閥也不會因為引入過高的回轉PLS壓力而減小主泵流量，確?；剞D的同時有足夠的油流入動臂液壓缸。圖35 動臂舉升回路4.3 力士樂的LUDV系統(tǒng)在利勃海爾R900-R904挖掘機上，采用了力士樂公司的LUDV系統(tǒng)（Last

33、Unabhangige Durchfluss Verteilung負荷傳感分流器系統(tǒng)）。在山河智能的SWE85挖掘機上，由力士樂A11V09主泵和SX14主控閥構成LUDV系統(tǒng)。圖36所示LUDV系統(tǒng)是一個單泵系統(tǒng)。壓力補償閥A1、A2位于主控閥后端，各主控閥進出油口的壓差相等，P1=P2=PP-PLS倘若斗桿液壓缸動作需求的流量Q1=200L/min，鏟斗液壓缸需求流量Q2=150L/min，而主泵供油的最大流量QP=300L/min，系統(tǒng)將按以下比例給兩個液壓缸分配流量300/（200+150）=0.85這時，斗桿缸的實際流量QV1=2000.85=172（L/min）生產斗缸的實際流量Q

34、V2=1500.85=128（L/min）圖36 LUDV系統(tǒng)原理圖在LUDV系統(tǒng)上，執(zhí)行元件進油流量的需求，是通過主控滑閥的開度和主泵調節(jié)器上的負荷傳感壓力PLS控制的，與執(zhí)行元件的負荷壓力無關。工作裝置的主控閥如圖37所示，圖中滑閥4處于空檔位置，P腔與P腔不通。當滑閥向上移動時，閥芯的K棱邊進入P腔后，主泵供油壓力P經滑閥節(jié)流減壓后進入P腔，PP。壓力油P經量孔C和油道b，將頂開單向閥3，使得執(zhí)行元件進油接口A處壓力，即負荷壓力PC，受量孔a、c節(jié)流后傳至P腔，PC P。P腔的壓力向左頂開壓力補償閥1的閥芯，作用于負荷保持閥2的端面，但是閥2另一側受到PC壓力的作用，負荷保持閥關閉，成為

35、高壓止回閥，阻止PC壓力逆流到P腔。同時，P壓力經壓力補償閥1的閥芯內的油孔節(jié)流后，進入負荷傳感油道d，形成負荷傳感壓力PLS（參看圖38-a）。對所有動作的執(zhí)行元件的滑閥而言，其P腔的壓力都是相同的，即P=P- P是相同的，各執(zhí)行元件進口的流量按其滑閥的開度進行分配。若A口負荷壓力PC為低壓，PCP，壓力補償閥225便會經左移動，其控制棱邊SK打開室到A腔的通道，這樣主泵就可向執(zhí)行元件進油腔A供油。因為各個動作的主控閥的室壓力P=PLS是相同的，這樣閥口SP的節(jié)流壓差P=P- PLS也就相同，通往A腔的流量僅與SP的節(jié)流截面積成正比。圖42 執(zhí)行元件進油時的壓力補償閥在復合操作時，兩個主控閥

36、同時動作，如圖43所示。假如滑閥223向執(zhí)行元件供油，進油腔A1的負荷壓力P1=20MPa；滑閥243向執(zhí)行元件供油，進油腔A2的負荷壓力P2=15MPa.主泵壓力 P= P1+PLS=20 MPa+2.3 MPa=22.3 MPa高壓位置的主閥芯223內室的壓力P，經過m孔和開關閥227開啟的活塞邊緣，在LS腔建立負荷傳感壓力PLSPLS= P=P1=20MPa 圖43 復合作業(yè)時的主控閥在低壓位置的主閥243的LS腔壓力PLS（=20MPa），經量孔e節(jié)流后在開關閥247左端室建立的壓力P，要大于A2腔的壓力P2（=15MPa）經量孔g節(jié)流后在開關閥247右端室建立的壓力P，因此開關閥24

37、7向右移動，關閉由A2通往室的油道。負荷傳感壓力PLS經量孔h和f孔傳到室，建立壓力P。在林德的LSC系統(tǒng)中，LS梭閥鏈是通過開關閥來選取最高的負荷傳感壓力。此時PLS壓力經由圖43中所示路徑，經由量孔h和m孔，傳到室。主閥243的室壓力與主閥223的室壓力相同，均為P=PLS。也就是說，閥口SP的節(jié)流壓差P1=PLS都是相同的，主泵流量在執(zhí)行元件I和之間是按其各自閥口開度SP來分配的。當負荷壓力P2發(fā)生波動時，壓力補償閥245處于調節(jié)狀態(tài)。 P2=P-P1-P2=22.3MPa-2.3MPa-5MPa=15MPa上式中P2=5MPa是壓力補償閥節(jié)流口的壓差，由245閥的控制棱邊SK調節(jié)。當P

38、2下降時，室壓力P瞬間下降，而室壓力由PLS建立并未發(fā)生變化，壓力補償閥245向右移動，SK閥口關小，P2加大，即可保持P1=PLS不變。事實上，SK閥口關小后，泵壓P就可對室進行壓力補償，保持P壓力不變。當P2上升時，補償閥245向左移動，SK閥口開大，P2減小，仍可保持P1=PLS不變。5. 性能對比5.1 節(jié)能旁通流量控制系統(tǒng)節(jié)能性較好。在主控閥全部中位時，旁通溢流閥開啟（參看圖3），存在空流壓力損失約3.5MPa，此時有最大的旁通流量損失QP0（參看圖4）。操作手柄扳倒一半行程時，主泵流量仍有一部分通過六通滑閥的中立回路流回油箱。先導傳感控制系統(tǒng)節(jié)能性好。由于主控閥為六通滑閥，仍然存在

39、中位回油流量損失QP0（參看圖19），但其QP0比旁通流量控制系統(tǒng)小。在主控閥中位時，回油背壓小，僅0.5MPa左右。當操作手柄行程加大，主泵流量QP和執(zhí)行元件進油量Qa隨先導控制壓力Pi增加而增加。在流量控制壓力從Pis到Pie的調速范圍內，QP與Qa近似為等距曲線，流量損失（QP-Qa）變化不大。負荷傳感系統(tǒng)的節(jié)能性較好。主控閥無串聯(lián)的中立油路回油箱，因此沒有主控閥的中位空流損失。當操作手柄中位時，因為主泵沒有備用流量QP0（參看圖28），主泵的空載流量損失在理論上為零。但是，在負荷傳感主控閥的節(jié)流口存在固定的壓力損失PLS（22.9MPa），約為系統(tǒng)最高壓力的68.5%。當作業(yè)中流量增大

40、時，功率損失（執(zhí)行元件所需流量與壓差PLS的乘積）也不小。復合作業(yè)各執(zhí)行元件負荷壓力相差很大時，由于泵流量只受最高負荷壓力控制，主泵供油流量會多于執(zhí)行元件需求流量之和，也會造成功率損失。不同流量控制系統(tǒng)的扭矩特性比較如圖44所示。負荷傳感控制系統(tǒng)中，主泵吸收的扭矩是變動的。在額定功率點上，主泵按負荷壓力的變化實時調整泵的排量（參看圖44-a），因此主泵能夠完全吸收發(fā)動機輸出的扭矩。旁通流量控制和先導傳感控制則因負荷壓力變化時，主泵流量調整有一個滯后過程，主泵吸收的扭矩不變，而且為防止發(fā)動機超負荷失速，主泵在匹配工作點吸收的扭矩，設計時低于發(fā)動機額定轉速下輸出的扭矩，將損失大約58%的功率。（a

41、）負荷傳感系統(tǒng) （b）其他流量控制系統(tǒng)圖44 發(fā)動機與主泵的功率匹配需要說明的是，上述有關節(jié)能性的對比分析，僅針對流量控制而言。某一機型是否節(jié)能，還要考慮是否采用混合動力技術、發(fā)動機本身的燃油消耗特性、發(fā)動機的調速特性及其動力適應控制（發(fā)動機-主泵功率的動態(tài)匹配）、液壓主泵的負載適應控制、以及主控閥的負載適應控制等。在液壓挖掘機上，發(fā)動機一泵一閥的聯(lián)合控制是機電液一體化的系統(tǒng)。除了流量控制，還有其他的控制方法來實現(xiàn)節(jié)能，例如自動怠速、短時超載、溢流（切斷）控制（參看圖2）、恒功率控制、分工況的變功率控制、以及動臂再生控制、斗桿再生控制等等。因此，對于具體廠牌系列或機型的節(jié)能性判斷，不能簡單說因

42、為采用了先導傳感控制（正流量控制）這種流量控制方式，節(jié)能性就一定好。目前對三種流量控制的節(jié)能效果的優(yōu)劣，還不能作出對比的定論。5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應性對于液壓系統(tǒng)的流量控制，可用圖45來分析系統(tǒng)控制過程的特性?？刂屏浚髁浚┻_到目標值的時間（響應時間）越短，動態(tài)響應就快；控制過程中超調量（控制偏差）越小，穩(wěn)定時間就短。響應快、穩(wěn)定時間短，就表明控制的動態(tài)特性好。系統(tǒng)穩(wěn)定之后，流量的實際值與目標值之差就是穩(wěn)態(tài)偏差。穩(wěn)態(tài)偏差小，表明靜態(tài)特性好，即系統(tǒng)穩(wěn)定性好。圖45 系統(tǒng)的控制過程從流量特性來看（圖46），在旁通流量控制（圖46a）和先導傳感控制（圖46b）系統(tǒng)中，當操作手柄中位時，主泵有備用流

43、量QPo，因此都比無QPo的負荷傳感控制（圖46c）的動態(tài)響應快。由于旁通流量控制的信號采集點位于主控閥的旁通油路末端，泵控滯后于閥控的延時較先導傳感控制長一些，所以動態(tài)響應較慢。（a） （b） （c）圖46 流量特性的比較從泵控特性來看（圖47），無論旁通流量控制（圖47a），還是先導傳感控制（圖47b），控制壓力Pi與與流量Q的關系曲線都是有坡度的，不像負荷傳感控制中壓差PLS與流量Q的關系曲線那樣陡變（圖47c）。因此，旁通流量控制和先導傳感控制的超調量比負荷傳感控制?。▍⒖磮D46），動態(tài)特性比負荷傳感控制好。圖47 泵控特性的比較一般的旁通流量控制和先導傳感控制都是采用機-液結構實現(xiàn)比

44、例控制，由于存在機械慣性，不可避免地存在靜態(tài)誤差，最終也會影響系統(tǒng)的控制性能。在神鋼的挖掘機上采用了電液比例技術加以改進（參看圖11、圖24），但是，這兩種控制系統(tǒng)的主要問題都是一種開環(huán)控制，無法對執(zhí)行元件負荷壓力對流量的影響作出實時響應。負荷傳感控制系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性，是因為對流量采用了閉環(huán)控制，如圖48所示。當負荷PLS增大，使發(fā)動機轉速n下降時，主泵流量Q會減小，主控閥節(jié)流前的壓力Pp隨之減小。于是，壓差PLS（=Pp-PLS）將減小。主泵的LS閥調大主泵排量q，反之亦然。即使發(fā)動機轉速下降或上升，泵流量Q（=n*q）都相對穩(wěn)定在目標值左右，流量Q的調節(jié)過程與發(fā)動機的轉速無關，也就是

45、說，對于外界干擾（負荷變動），因負荷傳感反饋信號PLS的作用，負荷傳感控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，增大了系統(tǒng)的剛度。圖48 負荷傳感的閉環(huán)控制5.3 操作性能5.3.1執(zhí)行啟動點普通多路滑閥的靜態(tài)特性表明，通過節(jié)流閥口的流量Qa不僅與操作手柄先導閥的行程（二次先導油壓Pi）有關，還與節(jié)流口的壓差PLS=Pp-PLS有關，而且負荷壓力越大，主控閥的調速范圍越小。旁通流量控制和先導傳感控制的主控閥的閥芯，越過封油區(qū)進入調速區(qū)時受到軸向液動力的作用，而液動力與節(jié)流閥口壓差有關，此壓差隨負荷壓力的變換而改變，因此執(zhí)行元件的啟動點不固定，而是隨負荷壓力變動，如圖49所示。圖49 六通滑閥的流量特性負荷傳感控制的主控閥因為有壓力補償閥，節(jié)流閥口前后的壓差PLS是不變的，因此執(zhí)行元件的啟動點固定，不受負荷大小影響，操作性好。5.3.2 操作者的手感如圖50（a）所示，旁通流量控制系統(tǒng)與先導傳感控制系統(tǒng)中，主泵流量是在泵壓升高后逐漸增加的，操作比較柔和。挖掘中碰到硬石頭時，負荷壓力增大，主控閥滑閥移動的阻力增大，先導手柄的輸出壓力，操作者有手感。在負荷傳感控制系統(tǒng)中，主控閥打開后，PLS才會變小，泵壓急劇升高（參看圖50b），操作性稍粗暴。由于主控閥節(jié)流口壓差PLS