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(xún)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(kāi)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(kāi)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(lái)越多的挖掘機(jī)制造廠(chǎng)商開(kāi)始重視挖掘機(jī)的能源利用率問(wèn)題。目前液壓挖掘機(jī)大多采用全液壓驅(qū)動(dòng)模式，與開(kāi)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(kāi)式的液阻回路。

常見(jiàn)的多執(zhí)行元件開(kāi)式液阻回路可以分為2 大類(lèi)，其中一類(lèi)是不含定壓差減壓閥的簡(jiǎn)單液阻回路；另一類(lèi)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(kāi)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(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)，因?yàn)槠淠苄Э偟膩?lái)說(shuō)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)固定節(jié)流口進(jìn)行卸荷，因此，通過(guò)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(kāi)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(guò)固定節(jié)流口進(jìn)行卸荷的流量幾乎為0，因此，通過(guò)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(mǎn)足執(zhí)行元件快速運(yùn)動(dòng)的要求。當(dāng)多路換向閥的開(kāi)口度處于中位和最大開(kāi)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(kāi)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(kāi)啟過(guò)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(guò)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(lái)控制泵的斜盤(pán)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(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(guò)[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(kāi)；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(méi)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(kāi)口度，而與負(fù)載大小無(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)所有閥的流量小于變量泵所提供的流量時(shí)，即流量沒(méi)飽和時(shí)，通過(guò)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(guò)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(wú)論負(fù)載如何變化△p1=△p2，固通過(guò)的流量分配閥進(jìn)入液壓缸的流量與負(fù)載無(wú)關(guān)，只取決于節(jié)流閥的開(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)梭閥比較后的最大負(fù)載壓力。

當(dāng)通過(guò)所有閥的流量小于變量泵所提供的流量時(shí)，即流量沒(méi)飽和時(shí)，液壓油經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)主閥的流量只取決于閥的開(kāi)口度，和系統(tǒng)的負(fù)載無(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)，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(guò)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(kāi)口度，按照閥的開(kāi)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(yǔ)

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(kāi)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(méi)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(wú)關(guān)，流量的供給取決于操作手柄的開(kāi)口度，節(jié)能效果最明顯，而且操作的舒適性最好。