李叢山

（湖南機電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410151）

0 引言

從近幾年工程機械的發(fā)展來看，挖掘機的發(fā)展相對較快，已經(jīng)成為工程建設中最主要的工程機械之一。目前挖掘機基本采用了液壓傳動的方式驅(qū)動工作裝置和行走裝置進行工作。在整個挖掘機液壓系統(tǒng)中，不但工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)的動力傳動是液壓傳動，甚至大部分液壓系統(tǒng)的控制也是由液壓實現(xiàn)的，如液壓泵的控制系統(tǒng)、液壓閥的控制系統(tǒng)和液壓執(zhí)行機構的安全控制系統(tǒng)等。

液壓系統(tǒng)所傳遞的功率表現(xiàn)為液壓系統(tǒng)的工作壓力和有效流量，液壓系統(tǒng)的控制實際上可劃分為壓力和流量兩種控制方式。當液壓挖掘機工作時，發(fā)動機將燃油的化學能轉(zhuǎn)化為機械能，其輸出功率通過液壓泵轉(zhuǎn)化為液壓能，液壓能傳遞和轉(zhuǎn)換為機械能后，通過動臂、斗桿、鏟斗等裝置對外界負載進行工作，挖掘機液壓和控制系統(tǒng)運行時的系統(tǒng)壓力決定于挖掘機所遇到的負載，從經(jīng)典控制理論的角度來分析，液壓系統(tǒng)的壓力是系統(tǒng)對外輸入的響應，是不取決于系統(tǒng)本身的參數(shù)。而液壓系統(tǒng)的流量不是外界施加的參數(shù)，只能間接受外負載的影響。由此可知，不能通過控制系統(tǒng)壓力來控制系統(tǒng)的功率，而只能通過控制系統(tǒng)的流量來控制系統(tǒng)的功率。

1 挖掘機液壓系統(tǒng)流量控制機理分析

液壓系統(tǒng)的流量由液壓泵產(chǎn)生，由液壓閥傳遞和控制，由此可見，液壓系統(tǒng)可分為泵控液壓系統(tǒng)和閥控液壓系統(tǒng)。液壓泵的理論流量計算公式為：

其中：Qb為液壓泵流量，L／min；Ne為液壓泵輸入轉(zhuǎn)速，r／min；Vb為液壓泵排量，L／r。

由式（1）可見，改變液壓泵的轉(zhuǎn)速和排量都可以改變其流量，進而改變執(zhí)行元件的速度。挖掘機在工作過程中，一般要求柴油機轉(zhuǎn)速和功率穩(wěn)定在某個設定值附近，所以，在對液壓泵的流量進行控制時，可以忽略挖掘機轉(zhuǎn)速的小范圍波動，而假定液壓泵輸入轉(zhuǎn)速是固定不變的。因此，控制液壓泵輸出流量的方式是控制其排量的大小。

液壓閥主要對液壓泵輸出的流量進行分配和調(diào)整。液壓閥的流量計算公式為：

其中：Qf為液壓閥的流量，L／min；Cq為流量系數(shù)；A為液壓閥的開度；Δp為液壓閥上的壓降，MPa；ρ液壓油的密度。

由式（2）可見，液壓閥的流量主要由液壓閥的開度A和閥上的壓降Δp兩個變量決定。由于液壓系統(tǒng)的壓力大小是由外負載決定的，而外負載往往是不可預知的，因此，對液壓閥的流量控制主要通過控制其開口A來實現(xiàn)。即通過PWM電流信號驅(qū)動電磁鐵推動閥芯產(chǎn)生一個位移，閥芯位移對應一個閥的開口A，從而得到液壓閥的輸出流量。

由前述分析可知，液壓系統(tǒng)的流量控制分為泵控和閥控兩種方式，二者各有其優(yōu)點和缺點。泵控方式能量損失小，節(jié)能性好，對于大功率工程機械的節(jié)能降耗有很大意義，但其調(diào)節(jié)時間相對較長，系統(tǒng)的響應速度較慢，因為改變液壓泵的排量需要一定的時間，一般是幾百毫秒；而閥控系統(tǒng)響應速度快，一般只需幾十毫秒即可，因為液壓閥對流量的調(diào)節(jié)是通過改變閥芯的同流面積實現(xiàn)的，其運動質(zhì)量較小，動作很快，但其經(jīng)濟性不好，因為閥控方式的本質(zhì)不是改變總流量的大小，而是從總流量中獲取一部分來工作，其余的部分全部回到油箱，這部分流量所承載的功率全部浪費了。

液壓系統(tǒng)的兩種流量控制方式各有其優(yōu)點和缺點，又優(yōu)勢互補，因此，目前主流的挖掘機液壓系統(tǒng)的技術路線都是通過集成這兩種流量控制方式的優(yōu)點，同時消除這兩種控制方式的缺點，形成一種混合的流量控制方式，比如目前在中噸位挖掘機上廣泛使用的負流量控制方式和正流量控制方式、在小噸位挖掘機上大量使用的負載敏感控制方式、在大噸位挖掘機上使用的節(jié)流調(diào)速控制方式等。

2 負流量液壓系統(tǒng)控制性能分析

日本川崎公司開發(fā)的負流量控制系統(tǒng)液壓原理示意圖如圖1 所示。系統(tǒng)主要元件包括變量液壓泵、比例多路閥、液壓執(zhí)行元件、液壓控制回路、液壓操縱元件和系統(tǒng)等。其中，液壓泵是流量提供元件，其輸出的流量經(jīng)過液壓比例閥的分配和調(diào)整后，進入液壓油缸進行工作。其技術的關鍵是，液壓閥上具有一套流量檢測和轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)崟r檢測液壓泵與液壓閥之間的流量供需匹配關系，當液壓泵與液壓閥的流量關系為供大于求時，該系統(tǒng)會自動把液壓泵的排量關?。划斠簤罕门c液壓閥的流量關系為供小于求時，該系統(tǒng)又會自動把液壓泵的排量開大。從經(jīng)典控制理論的角度來看，這套流量控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的流量是控制量，而外負載是對流量的干擾。

圖1 負流量控制系統(tǒng)液壓原理示意圖

由上述的原理分析可以發(fā)現(xiàn)，操作人員并不能直接控制液壓系統(tǒng)的流量發(fā)生元件——液壓泵，而是控制液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和分配元件——液壓閥，再通過液壓閥來間接控制液壓泵，由于液壓閥對液壓泵的排量控制信號是負反饋信號，因此這套系統(tǒng)命名為負流量控制系統(tǒng)。

負流量控制系統(tǒng)目前得到了廣泛的應用，是因為該系統(tǒng)相對原來的單純泵控調(diào)速系統(tǒng)或單純的閥控調(diào)速系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，但該系統(tǒng)也有缺點。隨著液壓技術的發(fā)展和挖掘機作業(yè)要求的提高，負流量系統(tǒng)的缺點也日益凸顯，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)響應遲緩、液壓泵的壽命和可靠性不高、在有些工況下挖掘機容易發(fā)生動作振蕩。負流量系統(tǒng)是一種負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般系統(tǒng)的時間常數(shù)較大，控制信號在系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)之間傳遞需要較長的時間，因此導致系統(tǒng)的操控性不高，響應速度較低。一般來講，液壓泵與液壓閥總是不能達到供需平衡，不是供大于求就是供小于求，所以，液壓泵的排量總是在不斷調(diào)節(jié)之中，如此加大了液壓泵排量機構的磨損，降低了使用壽命和可靠性。由于負反饋系統(tǒng)的物理延時，在周期操作信號的輸入下，當輸入信號的頻率與系統(tǒng)的固有頻率基本重合時，操作信號與油缸的動作信號的相位差接近180°，此時系統(tǒng)會發(fā)生振蕩失穩(wěn)，導致系統(tǒng)不能正常工作，甚至會發(fā)生故障。

3 正流量液壓系統(tǒng)的控制性能分析

針對負流量系統(tǒng)的諸多缺陷，國外主要挖掘機液壓系統(tǒng)制造商如川崎、力士樂等公司又開發(fā)了正流量液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)原理示意圖如圖2 所示。系統(tǒng)主要元件包括變量液壓泵、比例多路閥、液壓執(zhí)行元件、液壓操縱元件和系統(tǒng)等。

圖2 正流量控制系統(tǒng)液壓原理示意圖

正流量系統(tǒng)的技術路線擯棄了負流量系統(tǒng)的反饋控制方式，而是采用更加簡單可靠的開環(huán)控制，把液壓泵的控制與液壓閥的控制分開，即操作手柄的控制信號分別直接控制液壓泵的排量和液壓閥的流量，可通過計算和試驗的方式，實現(xiàn)兩條開環(huán)上的流量特性匹配和延時特性匹配。

正流量系統(tǒng)克服了原有負流量系統(tǒng)的3個主要缺點，這也是正流量系統(tǒng)的主要優(yōu)勢。但其主要缺陷是執(zhí)行機構的動作速度受負載的影響較大，當外界負載發(fā)生變化時，該特性會影響操作人員的手感。

所謂負載對挖掘機執(zhí)行機構速度的影響，其實是在發(fā)動機和液壓系統(tǒng)功率基本穩(wěn)定的條件下，液壓系統(tǒng)壓力隨著外負載的變化而變化的同時，導致液壓系統(tǒng)的流量也隨之變化，流量的變化體現(xiàn)為挖掘機速度的變化。此時，操作人員會感覺到挖掘機不夠“硬”，但是也要看到這種特性的好處，即這種特性可以讓操作人員感知到外界負載的強度。

4 結(jié)論

負流量系統(tǒng)大大提高了挖掘機液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟性，而正流量系統(tǒng)改善了挖掘機液壓系統(tǒng)的操控性，負流量系統(tǒng)仍然有其存在的技術價值，在大部分工況下，仍然能夠高效穩(wěn)定地工作，正流量系統(tǒng)是在負流量系統(tǒng)上的改進。后續(xù)繼續(xù)改進的方向是提高液壓執(zhí)行元件的速度對負載變化的敏感程度，提高系統(tǒng)速度的穩(wěn)定性。

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