液压挖掘机讲座三——多路阀液压系统(中位闭式负载敏感和压力补偿)

多路阀液压系统（中位闭式负载敏感和压力补偿）一、液压传动存在的问题液压传动是工程机械理想的传动装置，工程机械的进步和发展依赖液压技术。

目前工程机械是液压工业最大的市场，液压件一半以上用于工程机械，工程机械对液压技术提出了很高的要求，液压技术的发展主要是满足工程机械的需要，液压技术的水平主要体现在工程机械上，例如：液压件的大型化、小型化和高压化等，最高使用压力已达70MPa。

工程机械和液压技术两者互相促进共同发展。

因此有必要深入分析液压传动的特点及其存在的问题，工程机械对液压传动所提出的要求，以便进一步提高和改进液压传动的性能。

液压传动通过管道连接传递能量，恰如生物血管，只需管路就能把能量输送到需要的地方。

给设计布置上带来了很大的灵活性和方便性，液压传动容易实现各种运动形式，很适合工程机械多处需要动力，多作业装置，实现复杂运动的要求。

液压传动传递的功率密度大（单位体积或单位重量所传递的功率）、结构紧凑、重量轻，适合工程机械强劲有力，重型大马力的要求。

液压传动具有优良的传动性能，传动平稳，易防止过载，调速简单，具有无级变速性能，维修简单，使用寿命长等，能很好地满足工程机械的传动性能要求。

液压传动具有良好的操纵控制性能，液压是机械和电子的接口，电液控制是机电信一体化的关键技术。

但是液压传动存在着不尽人意的不足之处，有的已经改进，还有待解决的问题需进一步动脑筋。

在工程机械使用过程中存在着以下需解决的问题。

1.节能要求：适应负载变化提供负载所需要的液压功率（流量和压力），尽量减少流量和压力损失，将节流调速改变为以容积调速为主，特别按负载需要提供负载所需的流量。

要求液压系统能反向吸收作业装置的能量，具有能量再生利用的储能功能。

12.调速要求：希望操纵阀控制调速时，不受负载压力变化和油泵流量变化的影响，能按人的操纵指示来调速。

3.复合动作操纵要求：单泵供多执行器：当多执行器同时动作时，要求相互不干涉，能够操纵各执行器按所需流量供油。

合理地分配流量，实现理想复合动作。

4.液压泵（单泵或多泵）和原动机的匹配问题：能充分利用原动机的功率，保持在发动机最大功率点工作，同时能防止发动机熄火；为了节能，要求液压泵和发动机联合工作在最经济点上。

5.单泵供多执行器压力损失问题：当单泵供几个执行器时，根据帕斯卡原理，系统压力由克服最大负荷所需压力来确定，因此供给负荷较低的油路中，必然存在压力损失，能不能利用电路中变压器这样东西来解决这个问题，人们正在探索。

上述的液压传动存在的问题，需要人们解决，推动着液压技术的发展，其中有些问题已解决，60年代提出了液压传动和控制的新概念——负载敏感（Load Sensing）和压力补偿（Pressure Compensation），就是解决节能、调速和复合动作等的一项技术措施。

二、开中心六通多路阀存在的问题工程机械初期曾广泛采用六通多路阀，有二条供油路，直通供油路可组成优先油路，中位时直通回油箱进行卸载。

并联供油路，组成并联油路。

把二种油路采用各种方式组合起来，就构成了复杂多变的工程机械油路。

（一）操纵阀的结构简图和符号图：如图1所示。

2（二）操纵阀的开口特性和调速特性操纵阀在中位时泵压力油P通过直通油道，通过各阀，最后回油箱T，执行器动作时P →D的阀口逐渐关小，P→A和B→T的阀口逐渐开大，其开口面积变化（方向阀的开口特其调速是采用旁路节流和进油节流的组合，其调速作用是通过阀杆节流，控制去油缸和回油箱的开口量来实现的，如图2（b）所示。

由于是靠回油节流建立的压力来克服负载压力，因此调速特性受负载压力和油泵流量的3影响，如图2（c）所示，图中①表示低负载，②表示高负载。

当滑阀行程一定，负荷压力增大，去油缸的流量减小，如图2（d）所示。

随着负载压力增加和液压泵流量的减少，阀杆调速的死区（空行程）增大，而阀杆有效调速范围的行程减小，调速特性曲线（流量随行程变化）变陡，阀杆行程稍有变化，流量变化大，使调速操作性能差。

这是开式油路的一大缺点。

工程机械工作过程负载压力是不稳定变化着的，液压泵的流量也在不断变化，因此使其调速操作性能很不稳定，操纵困难。

而且阀杆操纵力大，由于负荷压力变化引起阀口ΔP变化，液动力变化造成阀杆操纵力改变，操纵力的不规则性，使微调控制更加困难。

开式油路操纵性能另一缺点是：当一泵供多个执行器同时动作时，因液压油是向负载轻的执行器流动，需要对负载轻的执行器控制阀杆进行节流，特别是像工程机械这类机械，各执行器的负荷时刻在变化，但又要合理地分配流量，能相互配合实现所要求复合动作，是很难控制的，操纵性差。

另外开中心直通型油路由于很难控制去各执行器的流量，要适应工程机械各种作业工况的流量分配要求，不得不在多路阀中加上各种控制阀，因此有些工程机械不能采用通用多路阀，而必须采用专用多路阀，其结构很复杂。

总之，这类油路可控性差，司机要精确控制工作装置是很困难的，全靠司机感觉、经验和临场发挥。

因此司机操作要求注意力高度集中，其精神负担和心理负担是很重的。

三、初期的负载敏感阀系统该系统采用四通阀，并联供油。

（一）阀组入口压力补偿流量控制阀阀组入口压力补偿系统如图3（a）所示。

该负载敏感系统由定量泵、阀组入口溢流阀型压力补偿器、操纵阀杆可变节流器和梭阀网络组成。

在四通多路阀组入口处设旁通型压力补偿流量控制阀（又称溢流阀型压力补偿器45或三通压力补偿器），其工作原理和调速阀相同，在定差溢流阀后，设节流阀组成调速阀。

操纵阀杆可控的开口面积变化起可变节流阀作用（如图3b 所示）。

操纵阀的进口压力和经操纵阀杆节流去执行器的压力分别引到定差溢流阀阀心的左右两端。

当操纵阀多个阀杆同时动作时，通过梭阀网络检出执行器中负荷压力最高的压力，作通过操纵阀的流量γ∆⋅α⋅=p g c Q 2 式中：c 为流量系数，α为节流开度（与阀行程有关），g 为重力加速度，γ为油的比重， Δp 为补偿阀压差。

其中c ，g ，γ可认为是常数，则p k Q ∆α=，由于补偿阀压差一定（由弹簧力决定），则通过操纵阀的流量由阀杆行程所决定，与负荷无关，流量和阀杆行程之间关系如图3（c ）所示，流量和负荷压力关系如图3（d ）所示。

该系统的特点是：1.在操纵阀杆都处于中位时，溢流阀背面油压回油箱，起卸载阀作用，中位卸载压力为3.5bar 左右。

由于中位通过卸载阀卸油，操纵阀杆是封闭的，油液不通过阀杆，因此俗称闭心（闭中心）油路。

2.有一个操纵阀杆动作时，油泵通过该阀组的流量，由该阀杆的行程所确定，和其负载和油泵流量无关。

泵的出口压力比负载压力约高10bar左右，（用于克服补偿器液阻和操纵阀液阻）。

3.泵入口旁通压力补偿阀只响应最高负载压力，多个操纵阀杆同时动作时，只是负载压力最高的得到补偿，该执行器流量由此阀杆行程确定。

而其他阀杆操纵时的流量分配是不确定的。

4.溢流旁通型压力补偿阀可作为优先供油阀，即将旁通回油箱改为旁通供给下游阀。

该阀首先保证它控制的阀的供油需要，剩下的才供给其下游阀。

（二）各阀杆单独压力补偿流量控制阀仅在阀组入口设旁通型压力补偿流量控制阀，在多阀杆同时动作时，只是负荷压力最高的得到补偿，而其他阀杆流量是不确定的，为了解决此问题，在操纵阀各阀杆前增设减压阀型压力补偿流量控制阀（或称直通型或二通型压力补偿器），如图4（a）所示，减压阀型压力补偿流量控制阀结构如图4（b）所示。

该阀与调速阀工作原理相同，它是在定差减压阀后设节流阀组成调速阀，操纵阀杆可控开口面积变化，起可变节流阀的作用。

操纵阀阀杆入口压力和经操纵阀杆节流后去执行器的压力分别引到定差减压阀阀芯的左右两端。

7图4 各阀杆压力补偿系统其通过流量p k Q ∆=，当减压阀弹簧力设定后，Δp 可认为不变，因此通过阀杆的流量只和k （阀杆行程）有关，基本不受负载压力变化的影响，多阀杆同时动作时彼此没有影响，提高了各阀杆的调速控制性能。

减压阀型压力补偿流量控制阀设计压降一般为7bar 左右，但是这种负载敏感系统存在一个缺点，当液压泵流量足够时，通过操纵阀阀口的压差都能达到补偿压力，这时各阀入口压力补偿阀都能起调节作用。

当多个执行器同时动作时，其操纵阀都在大开度下工作。

各执行器总流量需求往往会超过泵的供油流量，即所谓的流量出现饱和。

这时由于并联供油，油首先供给低压执行器，满足低压执行器的需要，流经低压操纵阀的压力降能达到补偿压力，其压力补偿阀能起控制流量作用。

即泵流量不足时首先保证供给低压执行器，多余下来的油才供给高压执行器，此时流向高压执行器操纵阀的流量不足，达不到压力补偿阀起作用的压力。

高压执行器动作速度降低，甚至不动（由于泵的油都供给负荷低的执行器，其油泵输出压力可能低于最高负荷压力）。

此时进入达到补偿压差的低压执行器，可由其操纵阀行程来控制其速度，达不到补偿压差的高压执行器，不能用操纵阀来控制其运动。

（三）变量泵负载敏感系统以上所述的是定量泵负载敏感压力补偿系统，执行元件调速采用节流调速，能量损失大，为了减少能量损失，应把节流调速改为容积调速，为此采用变量泵负载敏感压力补偿系统，如图6所示。

该系统采用了负载敏感泵，其变量机构由伺服油缸和油泵调节阀组成。

油泵调节阀左端受油泵压力P作用，右端受最大负载压力P L和弹簧力作用。

当左端油泵压力作用力小于右端最大负载压力和弹簧力作用时，阀在右位，伺服缸回油，在其弹簧力作用下，油泵处于最大排量位置。

当左端油泵压力作用力大于右端最大负载压力和弹簧力作用时，阀在左位，油泵压力油进入伺服缸，压缩弹簧使油泵的流量减少。

图6 变量泵负载敏感系统该系统当操纵阀都在中位时，所有负载压力线无油压都回油，油泵压力只需克服油泵调节阀弹簧力，就能使油泵调节阀处于左位，油泵油进入伺服缸，使油泵排量变得最小，实现中位卸载。

当油泵压力作用力大于最大负载压力作用力和卸载阀弹簧力时，卸载阀打开，油泵回油，由于卸载阀弹簧作用力设计成大于油泵调节阀弹簧作用力，因此油泵调节阀处于左位，油泵压力油进入伺服缸，使油泵排量变得很小，实现高压卸载。

当操纵某一操纵阀阀杆时，由于操纵阀杆节流，压力补偿阀和沿途阻力损失，使油泵压力P大于负载压力P L。

当P作用力大于P L作用力加弹簧力时，使阀处于左位，压力油进入伺服缸，克服弹簧力，使油泵排量减小。

由于油泵排量减小，使得操纵阀和压力补偿阀的节流压降和沿途压降都减小，则压差P－P L减小，使油泵调节阀向右移动，取得新的平衡，即8旗开得胜操纵阀开度减小时，油泵排量也随之减少，实现容积调速，按需供油。

当多阀杆同时动作时，油泵响应最大负载操纵阀进行变量供油。

9旗开得胜四．分流比（抗流量饱和）负载敏感阀系统（一）概述10初期负载敏感压力补偿系统，当多个执行器同时动作，其流量需要超过泵的供油流量（即流量饱和）时，只有低压执行器能得到补偿，会出现负荷较大的执行元件速度变慢，甚至停止。