挖掘机液压控制系统彻底分析共赏

时间：2022-10-02 00:00

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专业徐工系列挖掘机整机配件批发零售：徐州聚隆机械13585399165微信同号，带您一起了解挖掘机系统特性的研究意义：

挖掘机在作业时通常需要多个执行器同时执行任务。如图1所示，挖掘机的液压控制系统根据挖掘机各个执行器的传动要求，通过所需的液压元件与油管组合起来。该系统需控制前端执行器的复合动作，即动臂、斗杆和铲斗的协同工作以及挖掘机的回转。

1 挖掘机结构图

中国工程机械工业协会对国内二十余家挖掘机制造商的挖掘机销售情况进行了统计。统计结果显示，仅仅在2021年2月这一个月时间内，国内销售挖掘机共计两万八千余台，同比增长超过200%，挖掘机销售市场的火爆，也带来了大量的能源消耗，挖掘机节能特性的提高迫在眉睫，另外，由于挖掘机本身是一个多执行器系统，在挖掘机进行复合动作时，提高其操作性能也显得尤为重要[1]。

挖掘机控制系统的研究

目前，主流挖掘机控制系统多为负载敏感控制系统以及正、负流量控制系统，根据回路中压力补偿阀位置的不同，负载敏感控制又可以划分为阀前补偿控制系统和阀后补偿系统。

2.1 正流量控制系统特性分析

在正流量控制系统中，驾驶者通过操纵挖掘机手柄来驱动与之相连的压力阀，压力阀输出的先导压力（或者是电压信号）分别和多路阀和主泵的变量机构相联通，使得操纵杆可以驱动多路阀的换向和主泵排量的变化。之所以称其为“正流量”，是因为操纵杆输出的先导压力越大，泵源的输出流量越大，最终泵源的流量再经过多路阀的调节来驱动相应的执行器[2]。其原理图如图2所示，正流量控制方式是通过先导式的多路阀的调节作用来控制变量泵的排量，但是系统内梭阀组系统的结构十分复杂，因此会在一定程度上影响系统的响应速度。

2 “正流量”控制液压系统原理图

“负流量”控制液压系统原理图

2.2 负流量控制系统特性分析

如图3所示，负流量控制在旁通油路上设置了一个节流阀,液压油在节流阀前后出现压差，这样就可以反馈到变量机构来调节泵的排量。当每条支路的六通多路阀的阀芯均处于中位时，液压油直接回到油箱中，控制油路的压力升高，以此来促使泵的排量减小[3]。当控制先导压力使某个或多个六通阀阀芯移动时，与执行器相连的阀芯开口慢慢增大，与油箱相连的阀芯开口慢慢减小，最终停止在一个确定位置。这一过程中，随着控制油路压力逐渐减小，泵的排量反而会慢慢增大，因此，该系统被称为“负流量控制系统”。

2.3 负载敏感系统特性分析

负载敏感技术主要针对的是液压执行系统的流量控制。图4为挖掘机应用负载敏感技术的液压系统回路图，该回路主要包含三个部分：主泵系统、多路阀系统以及执行器系统。主泵系统能够接收执行器系统最大负载压力的反馈，最大负载压力是经过系统中的梭阀比较来获得，最终油泵输出相应的油源压力来满足最大负载压力，多路阀系统中各条支路的压力补偿阀能够自动补偿支路主控阀两端的压力差[4]。

负载敏感液压系统工作示意图

负载敏感控制系统将保持主控制阀两端的压差稳定，其中值得注意的是该系统通过压力补偿将压差设置为期望值并进行自动控制和调节，压力调节的关键是压力补偿阀对节流阀两端压力的补偿，使其不受液压泵排量和负载压力的变化而产生较大的波动。在负载敏感控制系统中，压力补偿阀分布在液压系统中位置的不同，能够使得整个液压系统具有不同的控制特性，根据压力补偿阀分布在主控制阀的前后位置的不同，可以将负载敏感控制系统划分为阀前压力补偿系统(LS)和阀后压力补偿系统（LUDV）[5]。

阀前压力补偿系统如图5所示，如果分别令流向两液压缸的流量分别为Qv1和Qv2，那么通过对LS系统的分析可以得出分别流

两执行器的流量分别为：

式中 C1,C2 —— 液压流量系数；

ρ —— 油液的密度；

A1,A2 —— 阀口的开度。

1.负载敏感型变量泵 2.节流阀

3.压力补偿阀 4.梭阀

5.非对称负载液压缸 6.对称液压缸

5 LS控制系统原理图

通过分析可以得出流向执行器的流量和主控制阀两端的压差Δp和阀口开度A有关，即：

Qv1=f(Δp1,A1)

Qv2=f(Δp2,A2) （2）

当液压泵提供的流量不能满足每条支路的执行器同时进行作业时，这样会导致压力补偿阀无法正常工作，最终导致负载敏感控制系统将无法准确控制流向各负载回路的流量。系统回路中各个支路的负载压力不同，如果负载压力小，那么执行器的阻力就越小，最终导致油泵液压油会优先流向负载压力小的支路，负载压力大的支路由于主控阀的压力差过小，导致执行器的运动速度的减小直到不能进行工作，以至于无法满足一些工程机械的要求[6]。

阀后压力补偿系统如图6所示，分别设流向油缸的油量分别为Qv1和Qv2，那么通过对LUDV系统的分析可以得出分别流向两执行器的流量分别为：

式中 C1,C2 —— 液压流量系数；

ρ —— 油液的密度；

A1,A2 —— 阀口的开度。

1.负载敏感型变量泵 2.节流阀

3.压力补偿阀 4.梭阀

5.非对称负载液压缸 6.对称液压缸

6 LUDV控制系统原理图

由于阀后补偿的油路结构特点，使得各个执行回路主控制阀的压差相同，并且不会随着负载压力的改变而发生变化，即流入各个执行器的流量仅仅与阀口开度有关。即：

Qv1=f(A1)

Qv2=f(A2)（4）

同样，当液压泵提供的流量不能满足每条支路的执行器同时进行作业时，压力补偿阀不能进行有效的工作，这样同样导致支路主控阀的压力Δp减小，但由于压力补偿阀中弹簧腔压力p2不变，系统压差Δp1和Δp2只是会相应地减小，各条支路的流量依旧只和换向阀开度相关。由于主控阀压差的减小，所有负载回路流量将等比例的减少，但是不会导致最大负载执行器无法运动的结果。

由上述的分析可以得出，当挖掘机液压系统的各个执行器均需要工作，而液压泵供给的流量不足以满足整个液压系统的所需的流量时，阀后压力补偿相比于阀前压力补偿表现出了更优越的控制优势，阀后压力补偿能够等比例地相应减少对各支路流量的供应，而阀前补偿只能满足较小支路流量的供应，对于大流量支路无法进行流量供给，导致大流量支路无法正常执行工作[7]。

挖掘机常用各液压系统比较分析

由表1可知，通过对挖掘机节能性、复合动作操作协调性、单执行器速度调整性、响应性能、成本等方面进行了比较分析，可以看出各个挖掘机控制系统有着他们各自的优缺点，所以在设计或生产挖掘机时，应当充分考虑以上各个控制系统的优缺点，同时还要考虑应用工况及市场推广度等因素。

表1 挖掘机常用各液压系统性能比较分析

结论

本文综述了目前挖掘机普遍应用的液压控制系统，分析了当前主要采用的正、负流量控制系统、LS以及LUDV控制系统，分析结果表明当前挖掘机液压系统的研究主要聚焦在流量控制方式，未来挖掘机的液压系统将越来越重视节能性和操纵性，因此，新型电液混合动力控制系统将随着液压系统与电子控制的有效结合，不断推动着挖掘机的稳步发展。

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