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1、0液压挖掘机的三种流量控制方式摘要：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. 流量控制在挖掘
2、机的液压系统内，流量 Q、压力 P及能耗（流量损失Q、压力损失 P）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：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；利用发动机转速传感1（ESS）使主泵吸收的扭矩 pPq
3、与主泵转速 n的乘积保持不变的恒功率控制；在临近系统溢流压力时，减小主泵排量的压力切断控制；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；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）；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
4、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
5、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。2图 2 液压挖掘机的流量调节3表 1 液压挖掘机的流量控制方式举例10-12 15-18 20 22-24 25-28 30-32 40-45UH 一 一 PS(P) PS(P) PS(P) PS(P) PS(P)EX-2 一 一 LS LS LS LS LS ELLE(电 子 控 制 负 荷 传 感 系 统 )EX-5 一 一 BF(P) BF(P) BF(P) BF(P
6、) 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-6E BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)沃 尔 沃 EC BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N）DH-3,DH-5DH-7,DH-9R-3,R-5,R-7R-92006-2306300 BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） LS LS300B,
7、300C,300DBF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N） BF（ N）柳 工 920D-925D BF（ N） BF（ N） BF（ N）三 一 SY215C-8 PS(P)雷 沃 FR220-7 PS(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）LS LS LS LS LS LS LS CLSS(中 位 闭 式 负 荷 传 感 系 统 )日 立 HIOS
8、(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-5 BF（ 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-7 BF（ 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（
9、 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LS LSC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42.旁通流量控制典型的旁
10、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：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；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；主泵的控制特性一般应为负流量控制（日立 EX5系列除外） ，即主泵的流量变化 Q P 与信号压力的变化 Pi 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
11、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P=Pi=Q R2/KA式中 Pi回油节流口前的压力。略去回油的背压时，P=Pi。QR 主控阀中位回油流量（m 3/s） 。5A回油节流口通流面积（m 2）.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：Q R越大，Pi 越大，Q R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，Q R最大，控制压力
12、 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。6表
13、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-3PC-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
14、 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-3R-5R-7R-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-3DH-5 DH-7DH-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300B300C300D在主控阀中立油路末端有流量控制阀。负流量控制压力 P
15、N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。72.2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。8图 6 卡特的流量控制阀现代 R7系列的旁通流量控
16、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 PC4001，PC6501 及 40t级以下的PC3、PC5 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。9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，
