挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)的分析

田芝友，姜 鵬，王永剛，宋海濤，呂秀梅,4

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.凱碼（上海）技術(shù)咨詢有限公司，上海 200021；3.阜新市生態(tài)環(huán)境治理發(fā)展有限公司，遼寧 阜新 123000；4.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000）

液壓挖掘機(jī)是一種在露天礦山連續(xù)開采中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，主要適用于大型露天礦高效地開采作業(yè)，具有高效連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是挖掘機(jī)能量利用率較低，據(jù)統(tǒng)計(jì)大型挖掘機(jī)的能量利率用還不到20%。隨著近幾年全球?qū)Y源的重視，越來越多的挖掘機(jī)制造廠商開始重視挖掘機(jī)的能源利用率問題。目前液壓挖掘機(jī)大多采用全液壓驅(qū)動(dòng)模式，與開式回路相比，閉式回路更節(jié)約能源，但是在挖掘機(jī)的液壓執(zhí)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(dòng)缸，因此閉式回路比較不適用于各種露天礦工程機(jī)械。因此，目前被采用的還是開式的液阻回路。

常見的多執(zhí)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(jiǎn)單液阻回路；另一類是含有定差壓閥的負(fù)載敏感回路；負(fù)載敏感回路包括閥前壓力補(bǔ)償閥系統(tǒng)（LS 系統(tǒng)）和閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（LUDV 系統(tǒng)）。為此，針對(duì)開式液阻回路進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括簡(jiǎn)單液阻回路中最常用的負(fù)流量控制與正流量控制液壓回路，以及負(fù)載敏感回路中的閥前壓力補(bǔ)償閥系統(tǒng)（LS 系統(tǒng)）和閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（LUDV 系統(tǒng)）。

1 負(fù)流量控制回路

負(fù)流量控制回路（Negative Control System，負(fù)控制系統(tǒng)）是20 世紀(jì)70 年代開發(fā)出來的技術(shù)，因?yàn)槠淠苄Э偟膩碚f比定流量系統(tǒng)高，被生產(chǎn)商廣泛采用。在國(guó)內(nèi)中小型挖掘機(jī)上的應(yīng)用至今仍十分普遍。負(fù)流量控制回路是液壓泵的排量隨著控制壓力信號(hào)增大而減小，即控制壓力與排量成反比[2]。

1.1 負(fù)流量控制回路與工作原理

負(fù)流量控制原理如圖1。負(fù)流量控制回路液壓系統(tǒng)包括負(fù)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(shè)有1 個(gè)固定節(jié)流口，此時(shí)旁路流量q0流過節(jié)流口時(shí)建立壓力p0，然后將p0引到泵變量機(jī)構(gòu)來控制泵的排量V。

圖1 負(fù)流量控制原理圖

可根據(jù)節(jié)流閥的特性方程得出節(jié)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(shù)；A 為面的面積，m2；ρ 為油液密度，kg/m3；△p 為閥前后壓差，Pa。

當(dāng)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(jié)流口進(jìn)行卸荷，因此，通過節(jié)流孔產(chǎn)生的壓力△p 也較高，此時(shí)△p=控制壓力p0，在控制壓力p0的作用下，泵的排量V 最小。當(dāng)回路中任意一片換向閥處于最大開口時(shí)，液壓泵提供的流量qP幾乎全部進(jìn)入執(zhí)行元件，通過固定節(jié)流口進(jìn)行卸荷的流量幾乎為0，因此，通過節(jié)流孔產(chǎn)生的壓力△p 也較低，此時(shí)△p=p0≈0，在控制壓力p0的作用下，泵的排量V 最大，進(jìn)入執(zhí)行元件的流量最多，滿足執(zhí)行元件快速運(yùn)動(dòng)的要求。當(dāng)多路換向閥的開口度處于中位和最大開口度之間變化時(shí)，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(fù)流量控制的響應(yīng)時(shí)間

負(fù)流量控制可以減少多路閥在中位時(shí)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(jī)中的溢流損失和由于溢流導(dǎo)致的系統(tǒng)產(chǎn)熱。但是，負(fù)流量控制的不足之處在于，負(fù)流量控制回路的整個(gè)開啟過程的時(shí)間順序如下：換向閥動(dòng)作→旁路口變小，導(dǎo)致泵出口壓力升高→泵出口壓力高于驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)滯后于換向閥的動(dòng)作。因此，操作時(shí)有滯后感，而且滯后隨負(fù)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(jì)80 年代的技術(shù)，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(fù)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(tǒng)包括正流量變量泵和六通液控?fù)Q向閥。推動(dòng)操作控制換向閥的主閥芯換向的液控先導(dǎo)手柄（先導(dǎo)式減壓閥），由于液控先導(dǎo)手柄為先導(dǎo)式減壓閥，會(huì)將手柄偏轉(zhuǎn)量成比例的轉(zhuǎn)化為主換向閥的換向先導(dǎo)控制回路中的先導(dǎo)控制壓力，此時(shí)，先導(dǎo)控制壓力便會(huì)推動(dòng)換向閥主閥芯移動(dòng)。從而達(dá)到六通換向閥換向的目的。各操縱手柄的先導(dǎo)控制壓力，通過梭閥進(jìn)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(jī)構(gòu)的控制口，來控制泵的斜盤擺角，從而改變排量V?？刂茐毫c越高，則泵的排量V 越大。當(dāng)pc=0 時(shí)，V 最小，只輸出很少量的備用流量q0。當(dāng)換向閥在中位時(shí)，旁路可以讓讓多余的備用流量q0通過[4]。在多路閥中設(shè)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(yīng)時(shí)間

在正流量控制回路中，只要推動(dòng)先導(dǎo)液控手柄動(dòng)作，輸出控制壓力，泵排量就會(huì)隨之改變；同時(shí)，換向閥主閥芯也會(huì)隨之動(dòng)作，此時(shí)，換向閥的旁路口變小，工作口會(huì)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(diǎn)與負(fù)流量控制相同，只是沒有旁路出口的節(jié)流口。因此，從負(fù)流量控制比較容易切換到正流量控制。

3 負(fù)載敏感系統(tǒng)

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

3.1 閥前壓力補(bǔ)償閥系統(tǒng)

閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)是負(fù)載敏感系統(tǒng)傳統(tǒng)的壓力補(bǔ)償法，能夠使各工作油口均可按主機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件的要求，提供相應(yīng)的流量，且保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度不受負(fù)載變化的影響。閥前補(bǔ)償全負(fù)載敏感多路閥基于調(diào)速閥的工作原理。調(diào)速閥由定差減壓閥和節(jié)流閥2 部分組成。負(fù)載敏感閥中的壓力補(bǔ)償器相當(dāng)于調(diào)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(dāng)于調(diào)速閥中的節(jié)流閥。閥前補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖3，定差減壓閥（壓力補(bǔ)償閥）位于主閥節(jié)流口之前，壓力補(bǔ)償閥彈簧腔測(cè)壓力為該回路的負(fù)載壓力，但是負(fù)載敏感泵的負(fù)載敏感閥引入的壓力為該系統(tǒng)通過梭閥比較后的最大負(fù)載壓力。

圖3 閥前補(bǔ)償控制系統(tǒng)

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

式中：Q 為通過閥的流量，m/s；Cd為流量系數(shù)；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(jié)流口兩端壓差p1和p2為：

式中：pL1、pL2為系統(tǒng)負(fù)載壓力，Pa；pm1、pm2為節(jié)流閥前壓力，Pa。

因?yàn)閴毫ρa(bǔ)償閥為定差減壓閥，所以無論負(fù)載如何變化△p1=△p2，固通過的流量分配閥進(jìn)入液壓缸的流量與負(fù)載無關(guān)，只取決于節(jié)流閥的開口度，從而保證了，執(zhí)行元件的運(yùn)行相對(duì)速度不發(fā)生改變。

但是當(dāng)多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作，其流量需要超過泵的供油流量（即流量飽和）時(shí)，高負(fù)載側(cè)節(jié)流閥口兩端壓差下降，達(dá)不到補(bǔ)償閥的設(shè)定壓力，此時(shí)，補(bǔ)償閥失去作用，系統(tǒng)進(jìn)入流量飽和狀態(tài)。使得幾個(gè)機(jī)構(gòu)不能同時(shí)動(dòng)作，影響工程機(jī)械正常工作。這是傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)的明顯缺點(diǎn)[7]。

3.2 閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)

閥后壓力補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)，既LUDV 系統(tǒng)，LUDV 表示與負(fù)載壓力無關(guān)的流量分配。閥后補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖4。

圖4 閥后補(bǔ)償控制系統(tǒng)

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

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

式中：pp為泵口壓力，Pa；pm1、pm2為節(jié)流閥后壓力，Pa。

在壓力補(bǔ)償閥的作用下，pm1=pm2，此時(shí)△p1=△p2，同時(shí)負(fù)載壓力通過梭閥比較后，將壓力傳導(dǎo)至變量泵負(fù)載敏感閥，變量泵負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力△p=pp-pLmax，所以△p1=△p2=△p，所以，主閥節(jié)流口兩端壓差等于變量泵的負(fù)載敏感閥的設(shè)定壓力。因此通過主閥的流量只取決于閥的開口度，和系統(tǒng)的負(fù)載無關(guān)。這時(shí)泵的負(fù)載敏感閥設(shè)定的△p 壓力會(huì)直接影響進(jìn)入液壓缸的流量大小[8]。

當(dāng)通過所有閥的流量大于變量泵所提供的流量時(shí)，即流量飽和時(shí)，泵的壓力控制器失效，泵此時(shí)只受功率控制器調(diào)節(jié)，高負(fù)載側(cè)的壓力通過梭閥比較后，將壓力同時(shí)傳到低負(fù)載和高負(fù)載側(cè)補(bǔ)償閥的控制腔，補(bǔ)償閥全開，節(jié)流閥后的壓力也等于最高負(fù)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(fù)載壓力，所以△p1一直等于△p2，并且大小取決于系統(tǒng)的最大負(fù)載。所以，通過的流量分配閥進(jìn)入液壓缸的流量仍然取決于節(jié)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(zhí)行元件的相對(duì)運(yùn)行速度不發(fā)生改變[10-11]。

4 結(jié)語

1）負(fù)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(fù)流量控制的不足之處在于，負(fù)流量控制系統(tǒng)液壓泵的排量控制永遠(yuǎn)滯后于換向閥的動(dòng)作。

2）正流量控制液壓系統(tǒng)沒有中位的空流損失，回油壓力更小，所以與負(fù)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(jié)能效果，但由于正流量控制系統(tǒng)中多個(gè)梭閥的存在，導(dǎo)致正流量控制回路相比于負(fù)流量控制回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

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