液压挖掘机的三种流量控制方式Word格式.docx

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不唯如此，为实现节能，还要使容积调速时对主泵的控制与节流调速时对主控阀的控制协调起来，泵控对阀控实时响应。

就是说，当主控阀的节流开度关小时，主泵的排量也要立即关小，反之亦然。

这种按需供油的泵阀联合控制被称为流量控制。

在液压挖掘机上，采用了三种流量控制方式：

旁通流量控制、先导传感控制及负荷传感控制。

表1列出了部分厂牌机型采用的流量控制方式。

图2液压挖掘机的流量调节

表1液压挖掘机的流量控制方式举例

注：

BF—旁通流量控制PS—先导传感控制LS—负荷传感控制

N—负流量控制E/N—电子负流量控制P—正流量控制E/P—电子正流量控制

2．.旁通流量控制

典型的旁通流量控制如图3所示。

要实现旁通流量控制，液压系统在结构上应同时具备以下三个条件：

①主控阀为中位开路的三位六通阀，主控阀的各叠加阀的进油路为串并联；

②在主控阀中位旁通回油路的底端设置有节流元件，同时并联有低压溢流阀。

在节流元件进油口设置取压口，提取该点压力，作为流量控制的信号压力Pi。

用于旁通流量控制的主控阀有如川崎的KMX系列控制阀、东芝的DX22/28型和UDX36型控制阀；

③主泵的控制特性一般应为负流量控制（日立EX—5系列除外），即主泵的流量变化ΔQP与信号压力的变化ΔPi成反比，而且主泵的负流量控制阀（NC阀）在主泵调节器上的位置，应确保恒扭矩控制（TVC）优先。

用于旁通流量控制的主泵有如川崎的K3V和K5V系列柱塞泵。

图3川崎的负流量控制

2.1旁通流量控制的原理

如图3所示，旁路节流阀的节流口前后压差

ΔP=Pi=QR2/KA

式中Pi—回油节流口前的压力。

略去回油的背压时，ΔP=Pi。

QR—主控阀中位回油流量（m3/s）。

A—回油节流口通流面积（m2）.

K—常数，与节流口的收缩系数、速度系数、油液重度等有关，K由实验决定。

对于具体的回油节流阀结构，A、K为一定数，旁通流量QR与Pi的关系如图4第四象限所示：

QR越大，Pi越大，QR与Pi呈抛物线的函数关系。

图4负流量控制的流量特性

当主控阀各阀芯均处于中位时，QR最大，控制压力Pi也最大，其值由旁路溢流阀调定（参看图3），此时主泵流量QP最小为Qpo，如图4第一象限所示。

以装用川崎精机KMX15R主阀的系统为例，旁通流量QR最大为30L/min,此时旁通溢流阀开启，控制压力Pi达到最大值3.5MPa。

当主控阀的阀芯开度达到执行元件进油量QA与主泵供油量QP相等时，中位旁通回油流量QR接近于0，控制压力Pi变得很小，主泵流量QP已调到最大，如图4第二象限所示。

主控阀芯行程改变时，控制压力Pi随动变化，执行元件的进油量QA为主泵供油量QP与旁通流量QR之差，参看图4第二象限。

表2列出了采用旁通流量控制的部分厂牌与机型。

表2典型的旁通流量控制

厂牌/系列型号

旁通流量传感元件

控制机理

泵控特性

小松

PC-3

PC-5

在主控阀中立旁通油路下游有射流传感器；

在主泵伺服阀的末级有NC阀。

在射流传感器进出油口提取压差（Pt-Pd）.由此压差控制NC阀，对进入主泵伺服液压缸的先导油进行节流减压。

日

立

EX-3

在主控阀中立油路末端有泵控制阀，包括节流阀与压力调节阀。

中立油路的旁通流量与节流阀前的压力PN的平方根成正比，主泵流量Q与控制压力PN成反比。

EX-5

泵控制阀的节流阀（A）在主控阀中立油路末端，而泵控制阀的调压阀（B）对初级先导油进行减压。

旁通流量通过泵控制阀的作用，调节流量控制压力Pi，主泵流量Q与控制压力Pi成正比。

神

钢

SK-6

SK-6E

在主控阀中立油路末端设置负控节流阀，且在节流阀进出油口安装电子低压传感器。

将负控压力Pn和背压Tn变送为电压信号，由机电控制器处理后，向主泵电液比例阀发出变量信号。

现

代

R-3

R-5

R-7

R-9

在主控阀中立油路末端有负控溢流阀（节流单向阀）。

从逻辑阀来的中位旁通回油，经底部负控溢流阀节流形成控制压力FL。

当FL大于3.9MPa时，主泵流量最小。

斗

山

DH-3

DH-5DH-7

DH-9

在主控阀中立油路末端有负控阀。

主泵调节器接受负控阀反馈的指令压力fp，fp与主泵流量成反比。

卡

特

300B

300C

300D

在主控阀中立油路末端有流量控制阀。

负流量控制压力PN进入主泵调节器，对泵压P1、P2及功率变换压力Ps决定的泵流量Q进行调节。

2.2旁通流量控制阀

斗山DH-5系列挖掘机的旁通流量控制阀如图5所示。

节流孔C前端压力fp传送到主泵调节器上。

当fp超过弹簧B设定的压力时，旁通油路溢流，这样可防止在主控阀所有滑阀都位于中位时，负控压力fp的急剧升高。

图5东芝的负流量控制阀

卡特320C型挖掘机的旁通流量控制阀如图6所示。

旁通回路的压力油通过8个小孔a节流后流回油箱。

节流孔a前端压力PN被引入主泵调节器。

当PN压力超过弹簧C设定的压力后，提动阀b打开溢流。

图6卡特的流量控制阀

现代R—7系列的旁通流量控制阀如图7所示。

旁通油路21的压力油经过锥阀15中心的小孔节流，形成负控压力FL。

当FL高于弹簧16设定的压力时，锥阀15将开启溢流，旁通油全部流入回油通道13.

图7现代的负控阀

2.3小松的OLSS系统

1981年以后，小松公司在PC400—1，PC650—1及40t级以下的PC—3、PC—5系列挖掘机上，采用了OLSS系统（OpenedCenterLoadSensingSystem中位开式负荷传感系统），如图8所示。

OLSS系统并非本文所述的负荷传感系统，而是早期的旁通流量控制系统。

图8小松的OLSS系统

射流传感器如图9所示。

主控阀中位旁通油流Qc从元件1的小孔do以射流形态喷出，大部分射流碰到螺套2的端面，其压力Pd（背压）接近油箱压力；

小部分射流经小孔d1，流入螺套2的B腔，由于d1＜d0，这部分射流的动压力被节流减压后成为射流压力Pt与Pd。

图9射流传感器

射流传感器输出的压差（Pt-Pd）与旁通流量Qc的关系如图10曲线a段所示。

当操作手柄处于中位，旁通流量超过40L/min时，溢流阀3开启（图9），压差稳定在1.5MPa左右，如图10直线b段所示，此时主泵排量最小。

压力Pt与Pd由软管传到主泵的NC阀二端（参看图8），通过NC阀对主泵排量进行控制。

压差（Pt-Pd）与主泵排量Q呈反比关系（参看表2）。

图10射流传感器的输出特性

2.4神钢SK-6的电子负流量控制系统

前述旁通流量控制的节流元件，是直接用机械—液压的结构提取压力（压差）信号来实现控制压力（压差）与主泵流量的比例控制，不可避免的存在静态误差，影响系统的调速性能。

2000年，神钢公司在SK—6系列挖掘机上，采用电液比例技术将控制压差（Pn—Tn）的电信号传送到机电控制器，经过控制算法处理后，再通过比例阀控制主泵排量，如图11所示。

图11神钢SK—6的电子负流量控制系统

两个主泵供油压力P1和P2由高压压力传感器变送为信号电压，经过机电控制器对泵压信号处理后，平均压力（P1+P2）/2（电压U）与主泵流量Q的关系如图12所示。

设恒功率控制下某一工况P1（P2）泵输出的流量为Q′。

当主控阀开度变化后，旁通流量随之改变，负控节流阀输出的压差（Pn-Tn）也就变化。

通过机电控制器对负控信号处理后，压差（Pn-Tn）（电压U）对主泵流量Q′进行调制，如图13所示。

通过电子负流量控制，只要执行元件的进油量减小，主泵的排量Q′就会立即减小，反之亦然。

图12交叉功率控制特性图13负流量控制特性

2.5斗山的电子负流量控制系统

斗山（大宇）DH—3/5系列挖掘机采用川崎的K3V主泵和东芝的DX22/28或UDX36型主控阀。

当主控阀的滑阀从中立位置移到工作位置时，旁通流量与负流量控制压力PN会突然减小，使主泵流量急剧增加，液压缸等执行元件的速度突增，引起挖掘机抖动。

图14DH—3系列挖掘机的电子负流量控制

为改善执行元件动作起点时泵流量的突变，在EPPR比例阀组上（参看图14）可选装一个称为“负流量控制优先阀”的电液比例阀A3。

在单独操作行走、动臂提升、斗杆等任一动作时，EPOS控制器在1秒内向A3输出700~150mA递减的斜坡信号电流，优先阀A3会对应输出3.2—0MPa递减的斜坡控制油压Pa。

通过梭阀VS，对动作起点的负流量控制阀NR输出的压力PN和优先阀A3输出的压力Pa比较后，选择PN与Pa的较高者作为旁通流量控制压力Pi，去调节主泵排量，从而降低了泵流量变化的梯度，如图15所示。

图15斗山DH220—3的负流量控制特性

2.6日立EX—5的正流量控制系统

日立建机在EX—5系列上采用了正流量控制系统，泵流量控制阀在油路上的位置如图16所示。

2000年，日立推出的ZX系列也采用了正流量控制系统，但泵流量控制阀的结构和安装位置有很大的差异（参看图20），虽然都称之为正流量控制，，但二者流量控制的机理却全然不同：

EX—5采用的是旁通流量控制，而ZX采用的是先导传感控制，详见后述。

图16日立EX—5的旁通流量控制

EX—5的泵流量控制阀包括泵控制阀A和减压阀B，如图17所示。

当控制阀开度变小，旁通流量Qd增大时，泵控制阀的滑阀A向右移动，调节阀B的设定压力降低，来自先导泵的初级先导压力被调压阀B分流而输出较低的控制压力Pi。

控制压力Pi被传到主泵调节器，使泵排量按Pi压力成正比减小，因此称为正流量控制（参看表2）。

在这里，阀A用于检测旁通流量，阀B的作用则相当于逻辑电路的“非门”。

先导泵提供控制压力源，初级先导压力经过阀B的调制而成为旁通流量控制的信号压力。

EX—5采用的是正流量控制。

这一实例表明旁通流量控制多为负流量控制也有正流量控制。

但是，先导传感控制却都是正流量控制（参看表3）。

图17日立EX—5泵流量控制阀的工作原理

3．先导传感控制

典型的先导传感控制系统如图18所示。

要实现先导传感控制，液压系统在结构上应同时具备以下三个条件：

①主控阀为中位开路的三位六通阀，主控阀的各叠加阀的进油路为串并联。

不过，为减小液动力的影响，增大调速范围，改善滑阀的静特性，提高微调性能，对主控阀阀芯台肩切口的形状尺寸、封油长度与开口量的比例，都进行了优化设计；

②用梭阀链对各操作阀输出的二次先导压力进行比较，选择其中最高的先导压力Pi作为先导传感控制的信号压力；

③主泵的控制特性为正流量控制，即主泵的流量变化ΔQp应与先导传感的控制压力的变化ΔPi成正比，而且主泵的调节器应使恒扭矩控制优先于流量控制。

力士乐公司的A8VSO系列主泵和M8、M9系列主控阀，川崎的K3VDIP系列主泵和KMxRA系列主控阀，都适于构建先导传感控制系统。

表3列出了采用先导传感控制的部分厂牌机型。

图18先导传感控制系统

表3典型的先导传感控制

先导压力传感元件

日立

UH

梭阀

通过梭阀链，选取最高的二次先导压力Pi作为控制压力，直接引入主泵调节器。

ZX

梭阀+泵流量控制阀（在信号控制阀内）

由梭阀链选择的最高二次先导压力Psmax调节泵流量控制阀，对初级先导压力Pc节流减压后，输出正流量控制压力Pi。

神钢

SK—5

SK—8

压力传感器

低压传感器检测各个二次先导压力，向控制器输入电压信号。

经控制器处理后，再向电液比例阀输出电流信号，来调节主泵排量。

邦立

CE420—6

3.1先导传感控制的流量特性

先导传感控制的流量特性如图19所示。

Qp为主泵供油流量，Qpo是主泵的最小流量（备用流量），Qp′是由泵出口压力与发动机转速决定的主泵最大流量。

Qa为执行元件的进油流量。

Pis是主泵的起调控制压力，Pie为主泵的终调控制压力。

图19先导传感控制的流量特性曲线

3.2日立ZX的正流量控制系统

如图20所示，在先导操作阀的集油板（信号控制阀）内，通过梭阀1～17组成的梭阀链，对各个二次先导压力Ps比较后，选取复合操作时的最高先导压力Psmax。

图20信号控制阀

Psmax传到泵流量控制阀（参看图21）的弹簧室内，推动阀柱。

来自先导泵的初级先导压力Pc，经过阀柱打开的阀口节流后，流向油口SA。

二次先导压力Psmax越大，Pi越大。

最后，由软管将流量控制压力Pi传到主泵调节器上。

图21ZX的泵流量控制阀

当流量控制压力Pi传到调节器右端时（参看图22），推动控制活塞4向左移动。

于是，伺服活塞10大腔的油被阀芯3节流后，再从Dr油口流回油箱，而活塞10在右端的先导压力作用下将向左移动，将主泵的排量调大。

Pi越大，伺服活塞向左的行程越大，主泵排量越大，这种正流量控制的特性如图23所示。

图22ZX的主泵调节器

图23上泵流量Q′是在某一工况下，由左右主泵输出的平均压力（Pd1+Pd2）/2和由发动机转速决定的功率变换比例阀输出压力Pps决定的最大泵油量。

先导传感压力Pi则通过正流量控制滑阀3（参看图22），对流量Q′再次进行调制。

图23ZX的泵流量控制特性

3.3神钢SK—5的电子正流量控制

一般的先导传感控制系统，是依靠梭阀链从采集的复合操作时的几个二次先导压力中选出最高的二次先导压力Pimax来控制主泵排量，存在忽略未选中Pi的缺陷。

在神钢的SK—5系列上采用了电液比例技术，如图24所示。

将二次先导压力Pi的诸多传感器1—10的电信号，传递到控制器11内，经过控制算法处理后，通过电液比例阀12和13调节主泵14和15的排量。

图中19为发动机油门的步进马达，18为转速传感器。

图24神钢SK—5的电子正流量控制

在SK200—5挖掘机上配装的川崎泵是一种电子正流量控制的斜盘式柱塞泵，发动机无负荷空转，操作手柄在中位时，主泵有约30L/min的备用流量，如图25所示。

图25SK200—5的流量控制特性

4.负荷传感器控制

4.1负荷传感控制的原理

图26所示负荷传感控制系统，包括负荷传感控制阀和负荷传感泵。

系统的最高负荷传感压力PLS由梭阀链选取，并传送到主泵的LS调节阀和控制阀的压力补偿阀。

各主控阀并联，无中立回路。

通过控制阀节流的流量特性方程

Q=KA

式中Q为流进执行元件的流量，K为常数，A为控制阀口的节流截面积，ΔP为节流前后的压差

ΔP=PP-PLS

式中PP为主泵出口压力，PLS为负荷传感压力。

当采用压力补偿阀后，各控制阀口的ΔP为常数。

在液压挖掘机上，一般ΔP=2～3MPa。

因此，通过负荷传感控制阀的流量Q与控制阀的开度A成正比，而与负荷压力无关。

图26负荷传感控制系统

负荷传感控制阀解决了两个问题：

①单个执行元件动作时的速度控制问题。

当操作手柄行程给定时，无论负荷怎么变动，执行元件的运动速度保持恒定，即使操作手柄行程小，工作装置动作的速度慢时，也可产生强力，因而微操作性能好，尤其适合起重作业、反向掘削，以及带破碎头等附件的作业。

②复合作业的同步问题。

当各操作手柄位置给定时，对应执行元件的流量分配保持恒定的比例，各动作互不干扰。

在各执行元件需求的流量之和超过主泵输出的最大流量时，完全的负荷传感控制系统具有抗饱和的能力。

在供油不足时，各执行元件的速度按比例下降保持操作者预定的斗齿运动轨迹，而与负荷压力和泵流量的大小无关。

这样，在挖掘时方便满斗装载，易于挖掘软岩或孤石，在刷边坡或平整作业时不会出现沟痕。

采用负荷传感控制阀提高了液压操作的微调性能和复合作业的同步性能，而要解决液压系统的节能问题，还必须按主控阀开度的变化实时调节主泵的流量。

如图26所示，调节主泵排量的LS阀右端引入主泵出口压力PP，左端则受到负荷传感压力PLS和弹簧力PK作用。

调节此弹簧的预压力，即可调整负荷传感压差ΔPLS。

当PK=ΔPLS=PP-PLS时，LS阀芯受力平衡，主泵维持一个稳定的排量。

如果控制阀开度变小，动态的ΔPLS将大于PK，主泵排量减小（参看图27）；

反之，如果控制阀开度变大，ΔPLS小于PK，主泵排量加大。

在主控阀的整个行程中，主泵输出的流量始终等于执行元件所需油量，与负荷压力的大小无关，如图28所示。

图27负荷传感的泵控特性

图28负荷传感控制的流特性

表4列出了采用负荷传感控制的部分厂牌机型：

表4典型的负荷传感控制

主控阀类型

压力补偿元件/LS传感元件

控制系统

日立EX—2

三位四通

比例阀组+可变压力补偿阀

梭阀链+压差传感器

日立ELLE

小松PC—6

PC—7

PC—8

三位七通

压力补偿阀

LS梭阀链

小松CLSS

阿特拉斯2603

3306

三位五通

LS开关阀

林德LSC

利勃海尔R914

R924

利勃海R900B

R904B

压力补偿阀+负荷保持阀

力士乐LUDV

4.2小松CLSS系统

在小松公司的PC-6、PC-7、PC-8系列挖掘机上，采用了图29所示CLSS系统（ClosedCenterLoadSensingSystem闭式中心负荷传感系统）。

主泵溢流阀3设定主控阀之前的主油路安全压力，而卸荷阀4设定主控阀全部关闭时的空载压力。

LS旁通阀13用于防止负荷传感压力PLS急剧升高，还可以增强主控阀的动态稳定性。

执行元件中最高的负荷传感压力PLS，经LS梭阀链从油路9传到主泵的LS阀14左端，LS阀右端受到主泵出油压力PP的作用，负荷传感的压差ΔPLS=PP-PLS控制主泵排量变化。

LS阀的设定压力为2.2MPa。

当主控阀开度增大或负荷压力增大到ΔPLS<

2.0MPa时，主泵排量增加；

当主控阀开度减小或负荷压力减小到ΔPLS>

2.5MPa时，主泵排量减小。

在主控阀6的出口，安装有压力补偿阀16，用来平衡负荷。

当复合操作二个以上的执行元件时，压力补偿阀使各主控阀节流的入口压力PP和节流阀口出口的压力PLS的压差ΔPLS保持相同（参看图30），因此各执行元件7的进油流量是按其主控阀滑阀的开度来分配的，与其负荷压力的高低无关。

图29CLSS系统的原理图

小松的压力补偿阀如图30所示，由止回阀2和活塞4及其内装的往复球阀3等组成。

主泵压力PA经量孔a节流后，顶开主滑阀内装的单向球阀7，使执行元件进油腔C的负荷压力PC，经过量孔b和油道d传到梭阀6，成为负荷传感压力PLS，并且被引入压力补偿阀的D口。

在单独操作一个执行元件时，因为PC压力经过孔b、d节流减压而成为PLS，PLS<

PC，使球阀3向左移动。

于是，PC压力油通过油沟e进入E腔，再加上弹簧5的作用力，就会将活塞4和止回阀2一起向右推移，关小压力补偿阀的节流口C。

负荷压力PC越大，阀口C的开度越小。

当动态的负荷压力PC>

PB时，阀口C关闭，起到高压止回阀的作用。

在复合操作时，若负荷压力PC高于其它执行元件的负荷压力，C腔压力PC将高于B腔压力PB，阀口C关闭，防止高负荷压力回传到B腔。

图30小松的压力补偿阀

在复合操作时，若负荷压力PC低于其它执行元件的负荷压力，从LS梭阀6引到D口的最高负荷传感器压力PLS，将大于PC，球阀3向右移动堵住C腔进油（参看图31），PLS压力通过油沟e传到E腔，将活塞4向右推移，关小阀口C。

负荷传感压力PLS越大，阀口C的开度越小。

阀口e的开度减小，将使主阀芯节流的下游（B腔）压力PB增大。

在设计时，取活塞4直径与止回阀2直径之比（压力补偿面积比）为1时，压力PB将变得与最高负荷传感压力PLS相同，即PB=PLS。

另一方面，泵的出口压力PA对所有执行元件都是相同的，PA=PP。

因此，主控阀节流口的压差ΔP=PA-PB=PP-PLS对所有动作的主控阀都是相同的，主泵流量将按各滑阀的开口面积分配给复合作业的执行元件。

图31压力补偿阀的原理

在铲斗阀和附件（破碎头）备用阀上，采用了集成压力补偿阀。

如图32所示，阀7是将活塞与止回阀制成一体。

在阀口F关闭之前，当铲斗液压缸（底端）和破碎头作业产生高的峰值负荷压力时，C腔的负荷压力不能进入弹簧腔E。

这样，就可防止阀7与阀座发生冲击而损伤阀口f。

图32集成压力补偿阀

为了在爬陡坡时借助工作装置作业，考虑到减小了行走马达的进油量，图33中C腔压力小于E腔内的LS压力（参看图31），因此在行走马达的主阀压力补偿阀中，取消了往复球阀3、活塞4及弹簧5，采用了如图33中8所示的结构。