挖掘机液压系统的分类与比较
Hydraulics Pneumatics &Seals/No.2.2011
挖掘机液压系统的分类与比较
彭
摘
晓周志鸿
100083）
（北京科技大学机械工程学院，北京
要：挖掘机的液压系统对挖掘机的工作效率有直接的影响。在对挖掘机的液压系统进行设计之前，需要充分了解各种液压系统的
工作原理和优缺点并对它们做比较。文章总结了目前挖掘机上几种常用的液压系统及其优缺点，并对某企业生产的两种挖掘机的液压系统进行了分析和比较。关键词：挖掘机；液压系统；比较中图分类号：TH137.7
文献标识码：A
文章编号：1008-0813（2011）02-0043-04
Classification and Comparison of Hydraulic System of Excavator
PENG
Xiao
ZHOU
Zhi-hong
（School of Mechanical Engineering, University of
Science ＆Technology Beijing ，Beijing 100083，China ）
Abstract:Hydraulic System of the excavator have an directly effect on the work efficiency of excavator. Before the design of hydraulic system of the excavator, we should understand the general principle, strengths and weaknesses of all kinds of hydraulic systems well. The article summarized some common hydraulic systems and theirs strengths and weaknesses in the present excavator, made analysis and comparison between two hydraulic systems producted by a company. Key Words:excavator; hydraulic system; comparison
引言
挖掘机若能在最短的时间内完成各种复合动作，
的排油通过换向阀的中位直接回油箱。当阀芯换向时，中位油路逐渐关闭，工作油路的压力逐渐升高，直到克服负载压力，使执行元件动作[2]。它是通过回油节流产生的压力克服负载压力，因此调速特性受负载压力和液压泵流量的影响。负荷较轻时，操纵性能较好，调速范围大。但随着负载的增加，调速范围变小，调速特性曲线变陡，导致操纵阀开口稍作变化，流量变化就很大，阀的调速稳定性能变差。且当一个液压泵给多个执行元件供油，流量总是流向轻负载的执行元件，故影响复合动作的稳定性[3]。
闭中心系统是指当换向阀在中位时，油路是封闭的，液压油不直接回油箱，液压泵只提供系统内部泄漏所需的流量。当阀芯换向时，液压油才流向执行元件，这样就避免了开中心系统所固有的旁路回油损失。闭中心系统的优点是进行复合动作时，每个执行元件的速度只与阀芯位移有关，与负载和液压泵的流量无关，多个执行元件之间相互无干扰。
按反馈控制方式的不同，有分功率控制、总功率控制、交叉功率控制、正流量控制、负流量控制、负荷传感控制等。
分功率控制系统只是简单地将两个恒功率液压泵组合在一起，两个泵调节器只对自身泵起作用。优点是
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不但能提高工作效率，还能充分利用发动机的功率，节约能源。因为液压系统的设计关系到整个挖掘机的工作效率，有时由于系统本身的设计因素造成的损失大于液压元件固有的能量损失[1]。在对挖掘机的液压系统进行选择和设计之前，应充分了解各种液压系统的类型、原理、和优缺点，对它们进行综合的分析和比较，才能选择合适的液压系统。选择合适的液压系统对充分发挥挖掘机的性能具有重要的意义。
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液压系统的分类及优缺点
国内外对挖掘机液压系统的研究作了很多的努
力，使挖掘机的液压系统不断的提高和改变。目前国内外挖掘机常用的液压系统种类比较多，从不同的角度去观察可以得到不同的分类。
按多路阀中位的形式可分为开中心系统和闭中心系统。
开中心系统是指当换向阀阀芯在中位时，液压泵
收稿日期：2010-11-22
作者简介：彭晓（1985-），男，硕士研究生，现就读于北京科技大学机械工程学院车辆工程专业，研究方向为工程车辆的液压系统设计与研究。
液压气动与密封/2011年第2期
两个液压泵的流量可以根据各自回路的负载单独变化，对负载的适应性较好。缺点是当其中一个液压泵工作于起调压力之下时，另外一个液压泵却不能吸收柴油机空余出来的功率，使柴油机功率得不到充分利用，因此这种系统在国外大、中型挖掘机上基本被淘汰[1]。
总功率控制是指两个泵的功率的总和保持不变，功率调节器同时调节两泵的排量，使两泵输出的流量相等。随着负载的变化，两泵的压力可以不同，那么两台泵的输出功率也就不同，有时一台泵输出功率大，那么另一台泵的输出功率就小。总功率控制可以充分利用发动机功率。但由于两个系统的排量一致，当挖掘机做单一地动作时，其中一个泵就会输出多余的流量，使系统存在损失，造成系统发热和功率损失。因此总功率控制通常与其他控制结合起来，如负流量控制、正流量控制等。
交叉功率控制是一种特殊的总功率调节，与总功率控制不同之处在于两个液压泵的排量可以不同。通过交叉联接，使每个液压泵的输出流量与其自身和另一个泵的出口压力有关。交叉功率控制既能根据每个液压泵的负载大小调整其流量，又能充分利用柴油机的功率。
正流量控制是指将操纵阀的先导压力作为控制压力来控制泵的变量机构，随着控制压力的升高，变量泵的排量变大。正流量控制在调速性、系统效率等方面有了很大程度的提高，但正流量控制需要一些梭阀，结构比较复杂，尽管流量取决于需求，但也受负荷压力的影响[4]。
负流量控制是指将多路阀中位回油的流量作为一种控制信号作用于泵的变量机构，使控制压力与泵的排量呈反比关系的一种控制方式。
其原理如图1所示。这种系统可以通过流量检测装置检测到多路阀中位回油的流量，反馈到变量泵的流量调节机构，对减小能量的浪费起到一定的作用。但阀口的流量特性受负载的影响，旁路回油压力的大小直接影响系统的操作性，当泵的空载输出压力较低时，在多路阀离开中位时因为负载压力的影响旁路回油流量没有明显的减少，流量检测元件不能检测到明显的流量变化，所以泵的响应速度降低，造成系统刚性差，司机操作时有滞后感[5]。
负荷传感是指系统能自动地将负载所需的压力和流量变化的信号传到负载敏感阀或负载敏感泵的变量控制机构，使其流量发生变化，使其几乎仅向系统提供负载所需要的流量，最大限度的减少压力与流量的损失。其原理如图2所示。
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图2
负荷传感系统原理图图1
负流量控制系统
负荷传感控制能使泵的输出压力和流量自动适应负载需求，大幅度提高液压系统效率[1,6]。其节能效果显著，流量控制精度高，不受负荷压力变化的影响。为保证系统正常工作，泵输送的压力只能与最高负荷压力相适应，但是当系统要求的流量超过泵供油能力的极限时，最高负荷回路上的执行元件速度会迅速降低直至停止，从而使挖掘机失去复合动作的协调能力。为解决这一问题，力士乐公司开发了LUVD 系统，这种系统在多路阀后加流量分配型压力补偿阀。系统最高负载压力传递给所有的压力补偿阀，使多路阀所有的输出压力都限定在统一的最高压力之下，从而使多路阀的各阀口压差相等。因此即使泵的输出流量不足，无法维持多路阀上正常的负荷敏感压差，但在溢流型压力补偿阀的作用下仍然可以使各个阀口压差保持一致。此时，虽然各个执行机构的运动速度降低，但是各运动速度的比例关系保持不变。
2
2.1
两种液压系统的分析比较
某国产挖掘机的液压系统
图3为某国产液压挖掘机的液压系统简图，为了
突出主泵的控制原理在此对主阀和工作装置进行了部分省略和简化，并省略了各个先导系统。此挖掘机的液
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压系统为开中心液压系统，各操纵阀位于中位时，两个主变量泵A1、A2和齿轮泵A3输出的流量各自回油箱。泵A1和泵A2组成总功率控制方式。泵A1向动
臂、铲斗、右行走供油，泵A2向斗杆、右行走供油。泵
A3向回转供油，同时越权控制泵A1和泵A2的排量。三个泵的压力流量特性曲线如图4所示。
1-发动机2-主泵图3
3-主阀4-油冷器5-回油过滤6-油箱
某国产挖掘机液压系统原理图
高。比如各操纵阀在中位时，泵还在输出一定的流量，并经各阀得中位回油箱，造成了流量损失。解决这个问题可以考虑结合前面所讲的负流量控制。另外，此种系统还没有考虑到过载时溢流阀的能量损失等。所以此系统只是单方面考虑到泵自身压力的反馈，因此对能量有一定的浪费。
2.2某进口挖掘机液压系统
图5为某进口15t 挖掘机液压系统原理简图，为了
图4恒功率控制p -Q 特性曲线
突出泵的控制原理对主阀和工作装置也做了部分省略和简化。
当两个泵的平均压力超过设定的p -Q 曲线时，泵的调节装置根据超出p -Q 的压力来减小泵的排量，两泵的输出流量返回设定的p -Q 曲线内，这样就使两个泵输出的总功率保持恒定，从而防止了发动机的过载。尽管由于负载压力的不同而导致两泵的压力不同，调节过程中两个泵的排量是同时变化的，两个泵的输出流量始终是相同的。
这种总功率控制既保证了泵能够充分利用发动机的功率，又能防止因泵的功率过大而使发动机过载，从而使发动机与泵的匹配达到了良好的效果。但是这种总功率控制的原则是两个泵的排量始终相等，当只有单一操作时，空闲泵的流量就要浪费掉。所以也同样造成了一定的能量浪费。再者由于此种系统没有考虑到泵与负载之间的匹配，不能将负载流量的需求信号进行反馈，也有一定的能量损失，会使液压油的温度升
1-主泵图5
2-主阀3-油冷器4-油箱
某进口挖掘机液压系统原理图
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此系统也是开中心液压系统，两个主变量泵分别控制两个回路，当所有操纵阀位于中位时主泵的流量经中位直接回油箱。液压泵是川崎K3V 系列的双联柱塞泵，泵的调节方式为交叉功率控制。控制信号控制泵的排量，是通过一系列的连杆机构和柱塞的运动来进行的。
交叉功率控制是这样实现的：泵调节器接收来自自身泵和配偶泵的输油压力，将其作为控制信号，与p -Q 曲线作比较，当两个泵的平均压力超过设定的p -Q 曲线时，泵的调节装置根据超出p -Q 的压力来减小泵的排量，两泵的输出流量返回设定的p -Q 曲线内，这样就使总功率保持恒定。并且当一个泵不需要太大的功率时，另一个泵可以吸收发动机剩余的功率，使发动机的功率得到充分的利用。
负流量控制是这样实现的：在操纵阀中位回油路上安装一个节流孔，通过节流孔产生压差，将节流口前压力引致泵的排量调节机构来控制泵的排量。通过节流孔的流量越大，节流口前的先导压力越大，泵排量越小。它是利用六通多路阀的流量和压力微调特性实现的一种控制方式。即在多路阀口打开的开始一小段行程内可以粗略地调节流量使流量与开口量成一种近似的线性关系。由于通过节流口的流量跟节流口前后压差和通流面积有关，当节流口尺寸固定时，流量只与压差有关了。负流量控制的特性曲线如图6所示。
[7]
图6负流量控制特性曲线
3
结束语
挖掘机液压系统的设计应综合考虑功能、节能、成本、简易等各种因素。在对液压系统进行系统的比较之后，要有针对和侧重点的考虑其中某一方面，结合实际情况作出选择。特别是对一些工况复杂多变、复合动作频繁、工作条件恶劣的挖掘机要考虑在实现功能和完成动作的前提下尽量减小能量的损失。
参
[1][2][3][4][5][6][7]
社,2007.
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此负流量控制消除了六通多路阀产生的空流损失和节流损失。依靠负载的速度变化来调节泵的输出流量，从而减小能量损失。因此，这也是一种负载敏感控制。这种控制方式目前已被大多数挖掘机生产厂商所采用，如日立、小松、卡特彼勒等。
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