液压挖掘机的三种流量控制方式-田少民.doc

1液压挖掘机的三种流量控制方式成都小松检测技术研究所 田少民摘要摘要：在液压挖掘机的负载适应控制策略中，负流量（Negative Flow Control）、正流量控制（Positive Flow Control）及负荷传感器控制（Load Sensing Control）三种流量控制方式的流行称谓，是按其泵控特性来分类的本文通过对多种厂牌型号挖掘机的比较分析，提出了旁通流量控制（By-pass Flow Control）、先导传感控制（Pilot Sensing Control）及负荷传感控制的分类这一分类方法，对于设计时比较不同控制系统的性能和维修时理解不同控制系统结构和功能的特点，都有所裨益1. 流量控制流量控制 在挖掘机的液压系统内，流量 Q、压力 P 及能耗（流量损失 ΔQ、压 力损失 ΔP）等参数的变化，反映了液压传动过程的控制特性液压系 统工作时，压力 P 不是系统的固有参数，而是由外负荷决定的因此， 当发动机转速 ne一定时，要对液压系统的功率进行调节，其实是对液 压缸、液压马达等执行元件的进油量 Qa进行调节（参看图 1）图 1.流量调节如图 2 所示，有两种方法调节系统流量。

第一种方法是泵控方 式，通过改变主泵的每转排量 q 来调节主泵的输出流量 Qp，称为容积 调速常见的容积调速方式包括：①利用主泵出口压力 PP与主泵排 量 q 的乘积保持不变的恒扭矩控制；②利用发动机转速传感（ESS）使2主泵吸收的扭矩pPq与主泵转速 n 的乘积保持不变的恒功率控制； ③在临近系统溢流压力时，减小主泵排量的压力切断控制；④配用破 碎头等作业附件时，由外部指令限定主泵最大排量的最大流量二段控 制；⑤双泵系统中，利用两泵出口压力的平均值与主泵流量乘积保持 不变的交叉功率控制（相加控制或总功率控制）；⑥多泵系统中，因主 泵组的液压总功率大于发动机的输出功率，为防止发动机出现失速， 采用了极限负荷控制 除了容积调速，还有一种泵控方式是通过动力模式下的变功率 控制，利用外部指令设定不同工况下不同的发动机输出功率来改变主 泵转速 ne，从而调节主泵输出流量 Q=nq 调节系统流量的第二种方法是阀控方式，可对主泵输出的流量 进行二次调节这种通过改变主控阀开度来调节执行元件的进油量， 称为节流调速常见的节流调速采用操作手柄（踏板）先导阀输出的二 次先导压力来调节主控阀的开度 除了节流调速，还有其他多种阀控方式来调节执行元件的进油 量，例如：在不同作业模式下，利用外部指令对双泵合流与分流的控 制；动臂再生控制与斗杆再生控制；直线行走控制；复合作业时的动臂 优先控制或回转优先控制等等。

容积调速的传动效率高，但是动特性差节流调速动特性好，但 是传动效率低因此，在液压挖掘机上同时采用了容积调速与节流调 节，以适应作业中执行元件对流量的需求不唯如此，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3图 2 液压挖掘机的流量调节4表 1 液压挖掘机的流量控制方式举例10-1215-182022-2425-2830-3240-45UH一一PS(P)PS(P)PS(P)PS(P)PS(P)EX-2一一LSLSLSLSLSELLE(电子控制负荷传感系统) EX-5一一BF(P)BF(P)BF(P)BF(P)BF(P) ZX,ZX-3一一PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P) SK-3,SK-5,SK-8 一一PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)SK-6,SK-6EBF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)沃尔沃 ECBF（N）BF（N）BF（N） BF（N）BF（N） BF（N） BF（N） DH-3,DH-5 DH-7,DH-9 R-3,R-5,R-7 R-92006-2306300BF（N）BF（N）BF（N） BF（N）BF（N） LSLS 300B,300C,300D BF（N）BF（N）BF（N） BF（N）BF（N） BF（N） BF（N） 柳工920D-925DBF（N） BF（N）BF（N） 三一SY215C-8PS(P) 雷沃FR220-7PS(P)小松整机质量（t）PC-3,PC-5PC-6,PC-7,PC-8控制系统 OLSS(中位开式负荷传感系统)BF（N）BF（N）BF（N） BF（N）BF（N） BF（N） BF（N）LSLSLSLSLSLSLSCLSS(中位闭式负荷传感系统)日立 HIOS(人工智能操作系统)神钢ITCS（智能全局控制系统）（新生态系统）住友SH-5BF（N）BF（N）BF（N） BF（N）一BF(E/N)BF(E/N)APCBF(E/N)（自动功率控制系统）加藤HD-7BF（N）一BF（N） BF（N）一BF(E/N)斗山BF（N）BF（N）BF（N） BF（N）BF（N） BF（N）BF（N）BF（N）EPOS（电子功率优化系统）CAPOLS（计算机辅助功率优化系统）现代BF（N）BF（N）BF（N） BF（N）BF（N） BF（N）一一一一NEOLUDV(力士乐负荷传感分流器)LS一一一（林德同步控制系统）一一LSLSC利勃海尔一一2606-3306阿特拉斯LS一R900-R904R914-R924卡特彼勒AWE (阿特拉斯威斯豪森电子控制系统)LSLSLSLSCAPC(微电脑全功率控制系统)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52． ．.旁通流量控制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/KA6式中 Pi—回油节流口前的压力略去回油的背压时，ΔP=PiQR —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7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成反比日立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-6SK-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-5 DH-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。

8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 旁通流量控制旁通流量控制阀阀斗山 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9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 小松的小松的 OLSS 系系统统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（Opened Center Load Sensing System 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10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11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。