開中心和閉中心液壓系統(tǒng)工作特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)分析

1、開中心和閉中心液壓系統(tǒng)工作特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)分析同濟(jì)大學(xué)黃宗益李興華陳明以上介紹了中位開式多路閥液壓系統(tǒng)，目前我國(guó)(非外資企業(yè))大多采用這種系統(tǒng)，而國(guó)外先進(jìn)挖掘機(jī)廠大多改用中位閉式負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償多路閥系統(tǒng)。下面就這兩種液壓系統(tǒng)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。一、開中心液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題開中心液壓系統(tǒng)采用六通多路閥，各操縱閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和液壓符號(hào)如圖1所示。操縱閥在中位日泵壓力油P通過直通油道D,經(jīng)過各閥，最后回油箱T,執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)P-D的閥口逐漸關(guān)小，P-A和B-T的閥口逐漸開大。其調(diào)速是采用旁路回油節(jié)流和進(jìn)油節(jié)流的組合，其調(diào)速作用是通過閥桿節(jié)流，控制去油缸和回油箱的開口量來實(shí)現(xiàn)的，如圖1(c

2、)所示。由于是靠回油節(jié)流建立的壓力來克服負(fù)載壓力，因此調(diào)速特性受負(fù)載壓力和油泵流量的影響，多路閥的操縱調(diào)速特性如圖2(a)所示。(a)開中心(b)閉中心壓力補(bǔ)償圖2開中心和閉中心閥的調(diào)速特性從圖2(a)開中心閥的調(diào)速特性可知：開中心油路油缸起動(dòng)的閥桿行程與負(fù)荷壓力、泵流量有關(guān)。負(fù)荷壓力愈高，泵流量愈小，閥桿死行程愈大(死區(qū)大)。負(fù)荷壓力愈高，泵流量愈小，調(diào)速區(qū)域愈小。輕負(fù)荷時(shí)，流量調(diào)整行程大，操縱性能好。重負(fù)荷時(shí)，流量調(diào)整行程小，操縱性能差。速度調(diào)整操縱不穩(wěn)定，閥桿操縱行程不變，但隨負(fù)荷變化和泵流量變化，則油缸速度會(huì)產(chǎn)生變化。挖掘機(jī)工作過程負(fù)載壓力是不穩(wěn)定的，隨時(shí)變化著的，液壓泵的流量也在不斷

3、變化，因此使其調(diào)速性能很不穩(wěn)定，操縱困難。開中心油路操縱性能的另一缺點(diǎn)是：當(dāng)一泵供多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，因液壓油是向負(fù)載輕的執(zhí)行器流動(dòng)，需要對(duì)負(fù)載輕的執(zhí)行器控制閥桿進(jìn)行節(jié)流，特別是像挖掘機(jī)這類機(jī)械，各執(zhí)行器的負(fù)荷時(shí)刻在變化，但又要合理地分配流量，以便相互配合實(shí)現(xiàn)所要求的復(fù)合動(dòng)作，是很難控制的。開中心油路第三個(gè)缺點(diǎn)是：要滿足液壓挖掘機(jī)各種作業(yè)工況要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)理想的復(fù)合動(dòng)作，是很困難的。例如，雙泵合流問題：挖掘機(jī)實(shí)際工作中，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗都要求能合流，但有時(shí)卻不要求合流，但對(duì)開中心油路來說，要實(shí)現(xiàn)有時(shí)合流，有時(shí)不合流是很困難的。各種作業(yè)工況復(fù)合動(dòng)作問題：例如：掘削裝載工況，平整地面工況，溝槽側(cè)

4、邊掘削工況等，如何向各執(zhí)行器供油，向那個(gè)執(zhí)行器優(yōu)先供油，如何按操作者的愿望實(shí)現(xiàn)理想的配油關(guān)系也是很困難的。還有作業(yè)裝置同時(shí)動(dòng)作時(shí)行走直線性等問題。對(duì)于開中心油路光靠操縱多路閥閥桿來實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)動(dòng)作要求是不行的。為此設(shè)計(jì)師在開中心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上動(dòng)足了腦筋，想了許多辦法，采用了不少通斷型二位二通閥和插裝閥來改變供油，在油路上通過設(shè)置節(jié)流孔和節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)優(yōu)先供油關(guān)系。但是可以這樣說，采用了這些措施，開中心油路仍然是不理想的，仍不能滿足挖掘機(jī)工作要求和理想的作業(yè)動(dòng)作要求。二、負(fù)載敏感和壓力補(bǔ)償開中心油路系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：司機(jī)不能按自己的愿望通過操縱多路閥閥桿來控制去執(zhí)行器的流量，因此難以控制挖掘機(jī)的作

5、業(yè)動(dòng)作，操縱性差。這個(gè)問題是六通多路閥調(diào)速方式所決定的，要解決此問題，必須改變操縱閥的調(diào)速方式。人們從調(diào)速閥工作原理中獲得啟示，調(diào)速閥是定差壓力閥（減壓閥或溢流閥）和可調(diào)節(jié)流閥串聯(lián)組成，如圖3所示?？梢远ú顗毫﹂y在前，節(jié)流閥在后；也可以節(jié)流閥在前，定差壓力閥在后。Q*圖3調(diào)速閥工作原理將節(jié)流閥進(jìn)出口壓力Pl和P2分別引到定差壓力閥閥芯的兩端，由定差壓力閥使節(jié)流閥前后壓差P=Pl-P2保持一定。通過節(jié)流閥的流量為:式中：C為流量系數(shù)，A為節(jié)流閥口通流面積，當(dāng)P為定值時(shí)，則流量Q僅取決于A。不受負(fù)載壓力變化和液壓泵流量變化的影響，具有自動(dòng)補(bǔ)償功能。這種將節(jié)流壓差設(shè)定為規(guī)定值，對(duì)流量進(jìn)行自動(dòng)控制稱為

6、壓力補(bǔ)償流量控制。（一）不抗飽和的負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)把這個(gè)原理應(yīng)用于多路閥中，例如，在多路閥的各閥入口處設(shè)定差壓力補(bǔ)償閥，將各操縱閥作為節(jié)流閥，將操縱閥進(jìn)出口壓力分別引到壓力補(bǔ)償閥的兩端，如圖4所示。根據(jù)調(diào)速閥工作原理，由操縱閥改變節(jié)流口通流面積來控制去各執(zhí)行器的流量，這樣操縱閥就能使得各執(zhí)行器的速度只與該操縱閥桿的行程有關(guān)，與負(fù)載壓力、油泵流量等無關(guān)，如圖2（b）所示。這種壓力補(bǔ)償系統(tǒng)存在一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：當(dāng)液壓泵流量足夠時(shí)，通過操縱閥閥口的壓差都能達(dá)到補(bǔ)償壓力，這時(shí)各閥入口的壓力補(bǔ)償閥都能起調(diào)節(jié)作用，各閥的操縱相互沒有干涉。當(dāng)多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，其操縱閥都在大開度下工作，各執(zhí)行器總流量需求

7、往往會(huì)超過泵的供油流量，即所謂的流量出現(xiàn)飽和。這時(shí)由于并聯(lián)供油，壓力油首先供給低壓執(zhí)行器，滿足低壓執(zhí)行器的需要，流經(jīng)低壓操縱閥的壓力降能達(dá)到補(bǔ)償壓力，其壓力補(bǔ)償閥能起控制流量作用。即泵流量不足時(shí)首先保證供給低壓執(zhí)行器，多余下來的油才供給高壓執(zhí)行器，此時(shí)流向高壓執(zhí)行器操縱閥的流量不足，達(dá)不到壓力補(bǔ)償閥起作用的壓力，高壓執(zhí)行器動(dòng)作速度降低，甚至不動(dòng)。此時(shí)達(dá)到補(bǔ)償壓差的低壓執(zhí)行器，可由其操縱閥行程來控制其速度，達(dá)不到補(bǔ)償壓差的高壓執(zhí)行器，不能用操縱閥來控制其運(yùn)動(dòng)。此現(xiàn)象在挖掘機(jī)上很嚴(yán)重，首先挖掘機(jī)要求高生產(chǎn)率和高速傳動(dòng)，要求能向一個(gè)執(zhí)行元件供給泵的全部流量，其次挖掘機(jī)經(jīng)常需要幾個(gè)執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作，而且

8、挖掘機(jī)負(fù)荷大，其壓力感應(yīng)恒功率控制和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降等因素，都使泵輸出流量降低，因此經(jīng)常出現(xiàn)泵流量飽和現(xiàn)象，這種不抗飽和的負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)在挖掘機(jī)上不能應(yīng)用，必須解決此問題。FPLmax圖4各閥入口壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（二）抗飽和（或稱分流比）負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)多執(zhí)行器共泵供油，壓力油優(yōu)先流向壓力低的執(zhí)行器，這是液壓傳動(dòng)的基本特性所決定的。如果同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行器，其負(fù)載壓力都相等，就可以避免油流向壓力低處的現(xiàn)象。實(shí)際上各執(zhí)行器負(fù)載壓力不可能相等，必須想辦法在液壓油路上動(dòng)腦筋，采取措施使它們相等。為此開發(fā)了起負(fù)載均衡作用的壓力補(bǔ)償器。設(shè)置在各執(zhí)行器的油路中，讓它起負(fù)載均衡器的作用。低負(fù)載的執(zhí)行器通過

9、壓力補(bǔ)償器的節(jié)流，使它與高負(fù)載執(zhí)行器負(fù)載壓力相同，使各路負(fù)載壓力相等，就避免了油優(yōu)先流向低負(fù)載執(zhí)行器的問題。由于各執(zhí)行器的負(fù)載壓力相等，使得各操縱閥桿進(jìn)出口壓差都是相等的，所以各執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，通過各閥桿的流量只和該閥桿的行程（節(jié)流口通流面積）有關(guān)，和各執(zhí)行器的負(fù)荷無關(guān)，當(dāng)流量飽和時(shí)，則根據(jù)各閥行程成比例地減少去各路的流量，這種流量分配和調(diào)速方式，作者稱為分流比負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。起負(fù)載均衡器作用的壓力補(bǔ)償器可以布置在各執(zhí)行器油路的任何地方（操縱閥前，操縱閥后，或執(zhí)行器的回油路上）。下面以閥前補(bǔ)償為例來說明：如圖5所示，為林德公司分流比負(fù)載敏感系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：在每個(gè)操縱閥前設(shè)置壓力補(bǔ)償閥，

10、此壓力補(bǔ)償閥閥心左端受油泵壓力Pp和其負(fù)載壓力PL作用，右端受操縱閥前壓力Pm和由梭形閥引入的最高負(fù)載壓力PL1（設(shè)PL1>PL2,PL1=PLmax）作用，對(duì)壓力補(bǔ)償閥1取力平衡得：（設(shè)閥心左右面積相等）Pp+PLmax=Pm1+PLmax得：Pp=Pm1,即油流通過壓力補(bǔ)償閥無壓差。操縱閥1進(jìn)出口壓差P1=Pm1-PLmax=Pp-PLmax對(duì)壓力補(bǔ)償閥2取力平衡得：Pp+P|_2=Pm2+Pl_max；Pp-Pm2=Pl_max-PL2油流通過壓力補(bǔ)償閥2的壓差為PLmax-PL2,正好補(bǔ)償了兩執(zhí)行器壓力負(fù)荷的差值。操縱閥2進(jìn)出口的壓差為：AP2=Pm2PL2=PpPLmax=AP

11、l=AP即所有閥桿的進(jìn)出口壓差相等，為油泵進(jìn)口壓力和最高負(fù)載壓力之差。通過兩操縱桿的流量分別為：Q1=K1vzp;Q2=K2Vxp對(duì)各閥P均相同，去執(zhí)行元件的流量?jī)H取決于各閥桿的行程（Ki,K2）,當(dāng)多執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，按各閥桿行程成比例地分配去各路的油量。圖5閥前壓力補(bǔ)償分流比負(fù)載敏感系統(tǒng)該系統(tǒng)采取負(fù)載敏感泵，變量機(jī)構(gòu)由油泵調(diào)節(jié)閥（泵負(fù)載敏感閥）和伺服油缸等組成，油泵調(diào)節(jié)閥左端受油泵出口壓力Pp作用，右端受最高負(fù)載壓力PLmax和彈簧力Ps作用，從油泵調(diào)節(jié)閥閥桿力平衡可得：PpA=PLmaxA+FSA為受壓面積P=Pp-PLmax=該系統(tǒng)的補(bǔ)償壓差P由油泵調(diào)節(jié)閥來設(shè)定，4P取決于彈簧力FS,

12、調(diào)節(jié)彈簧可改變系統(tǒng)壓差，但比較麻煩。如油泵調(diào)節(jié)閥采用比例電磁閥，可通過電控方便地改變P?？勺冄a(bǔ)償壓力系統(tǒng)調(diào)速可以改變K（閥桿行程）也可以改變P（電磁閥電流）來實(shí)現(xiàn)。而且調(diào)速都具有獨(dú)立性，不受負(fù)載，泵流量和多執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作等影響。當(dāng)各閥桿都在中位時(shí)，PLmax通回油，壓力為零，油泵壓力只需克服彈簧力，油泵調(diào)節(jié)閥就處于左位，壓力油進(jìn)入伺服油缸，油泵排量很小，實(shí)現(xiàn)中位卸載。在閥工作過程中，油泵壓力與最高負(fù)載壓力之間差值由油泵調(diào)節(jié)閥決定，始終保持常數(shù)，即略高于負(fù)載壓力。當(dāng)執(zhí)行器需要流量小時(shí)，操縱閥桿節(jié)流使節(jié)流壓差增加，造成Pp-PLmax增大，通過油泵調(diào)節(jié)閥作用，自動(dòng)使泵流量減小，使節(jié)流調(diào)速變?yōu)槿莘e調(diào)

13、速，使流量損失減少，使系統(tǒng)始終保持在所需壓力和所需流量下工作。三、開中心和閉中心優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析下面就挖掘機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的主要性能要求來進(jìn)行探討：（一）調(diào)速性能1 .開中心：執(zhí)行器起動(dòng)點(diǎn)（閥的死區(qū)）隨負(fù)載和泵流量而變；調(diào)速區(qū)域隨負(fù)載和泵流量而變，重負(fù)載調(diào)速區(qū)域小，流量調(diào)整行程小；有負(fù)載漂移現(xiàn)象，即操縱桿位置不變，隨負(fù)載改變，執(zhí)行器速度發(fā)生變化；微調(diào)和精細(xì)作業(yè)困難，調(diào)速性能差。2 .閉中心：執(zhí)行器的速度只與該操縱閥桿的行程有關(guān)，與負(fù)載壓力和油泵流量無關(guān)，無負(fù)載漂移現(xiàn)象。還可以采用改變補(bǔ)償壓差的方法獲得很好地微調(diào)功能，調(diào)速性能很好。（二）執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作，復(fù)合操作性能1 .開中心：由于負(fù)載干涉，司機(jī)難以

14、恰當(dāng)?shù)乜刂迫ジ鲌?zhí)行器的流量，很難相互配合實(shí)現(xiàn)所要求的復(fù)合動(dòng)作。為了運(yùn)動(dòng)上獨(dú)立，需要單獨(dú)一個(gè)泵供一個(gè)執(zhí)行器。2 .閉中心：無負(fù)載干涉現(xiàn)象，同時(shí)動(dòng)作時(shí)各執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)速度只與其閥桿行程有關(guān)，司機(jī)易按自己的愿望來控制其復(fù)合動(dòng)作，單泵供多個(gè)執(zhí)行器仍能保持各執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性，當(dāng)流量飽和時(shí)，各執(zhí)行器的速度按其行程等比例地下降，這樣仍保持原來的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。（三）各閥桿供油流量選擇自由度1 .開中心：各閥桿最大流量由泵流量所確定不能選擇，但各執(zhí)行器需要的流量往往是不同的，油缸伸出和縮回所需流量往往也是不同的。在作業(yè)過程不同工況，執(zhí)行器對(duì)油泵流量需要不同時(shí)，只能采用泵分流或合流有級(jí)設(shè)定。還要用通斷型閥來改變供油關(guān)

15、系，采用節(jié)流孔和節(jié)流閥來改變各路的供油量，但仍不能滿足挖掘機(jī)各工況對(duì)執(zhí)行器的流量要求。2 .閉中心：對(duì)任一執(zhí)行器均能通過閥桿行程按需限制最大流量，設(shè)定適宜的最高速度,可以通過操縱閥桿行程獲得低于最高速度的任意速度。圖6為日立建機(jī)閉中心各閥的流量設(shè)定與開中心流量設(shè)定比較的示意圖，從圖中可看出因此閉中心能更好地符合挖掘機(jī)工況對(duì)各開中心系統(tǒng)閉中心各閥流量設(shè)定的自由度比開中心要大得多。執(zhí)行器的流量要求，使液壓系統(tǒng)供油更加合理。閉中心系統(tǒng)一流量流量一100%50001泵流量2泵流量(50%)(100%)調(diào)整區(qū)域舉升放出收回斗桿卸土鏟斗挖掘回轉(zhuǎn)單邊動(dòng)臂行走下降后備圖6各操縱閥流量設(shè)定的自由度另外，挖掘機(jī)是

16、多功能的機(jī)械，其上可裝不同的附屬裝置，但多種多樣的附屬裝置要求不同的流量。對(duì)開中心來說，閥系統(tǒng)無法設(shè)定其流量，對(duì)閉中心來說，同一閥桿只需調(diào)整其行程，就能改變流量來符合各種附屬裝置的流量需要。（四）從節(jié)能和生產(chǎn)率上來看節(jié)能非常重要，這不僅涉及使用成本、經(jīng)濟(jì)性，還涉及能耗和排放的環(huán)境問題，反映作業(yè)效率的生產(chǎn)率也非常重要。有人認(rèn)為采用負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行流量控制，需要一定補(bǔ)償壓差，會(huì)造成能量損失，因此認(rèn)為閉中心能量損失大，實(shí)際上這觀點(diǎn)是不對(duì)的。因?yàn)殚_中心旁通回油形式，通過閥體節(jié)流必然有液阻和能量損失，兩者從閥的角度來看是差不多的。通過閥的損失主要由閥的尺寸選擇和設(shè)計(jì)技術(shù)所決定。必須指出分析閥和液

17、壓系統(tǒng)的能耗不能單純從閥和液壓系統(tǒng)來看，要從人機(jī)系統(tǒng)組合總的效果來看。閉中心由于操縱性好，容易實(shí)現(xiàn)理想的操作動(dòng)作，工作效率高，能耗也低。表1為小松公司開中心和閉中心實(shí)際土方作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果。生產(chǎn)率以單位時(shí)間土方量來表示，油耗以單位燃油量的作業(yè)量來表示，采用兩個(gè)機(jī)種10T級(jí)和20T級(jí)，二者馬力相同，從試驗(yàn)結(jié)果可知，無論生產(chǎn)率還是油耗都是閉中心為優(yōu)。應(yīng)該說明10T級(jí)，開中心采用雙泵系統(tǒng)，閉中心采用單泵系統(tǒng)。雙泵本身要比單泵系統(tǒng)省油，故單位時(shí)間油耗閉中心稍大于開中心。但最終評(píng)價(jià)能耗的指標(biāo)是單位燃油量的作業(yè)量，仍然是閉中心優(yōu)于開中心。從對(duì)比數(shù)據(jù)來看兩者有不少的差距。表1開中心和閉中心分析對(duì)比實(shí)際土方

18、作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果機(jī)種10T級(jí)20T級(jí)馬力（ps）8585120120液壓系統(tǒng)2泵負(fù)流量控制1泵負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償2泵負(fù)流量控制2泵負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償作業(yè)內(nèi)容掘削90度回轉(zhuǎn)裝載作業(yè)土方量（m3/H）1.01.041.01.13燃料（m3/H）1.01.021.01.04單位油耗作業(yè)量（m3/L）1.01.021.01.09（五）動(dòng)態(tài)性能挖掘機(jī)工作裝置是大質(zhì)量慣性系統(tǒng)，大容積的執(zhí)行器要考慮油的體積彈性系數(shù)，因此存在動(dòng)態(tài)特性問題。開中心采用旁通節(jié)流，響應(yīng)快，起動(dòng)平穩(wěn)，而且系統(tǒng)穩(wěn)定不易振動(dòng)，從這一點(diǎn)來說，其操作感覺好，而閉中心系統(tǒng)靠壓力補(bǔ)償改變流量，使執(zhí)行器速度變化。當(dāng)遇到大慣性負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力變化快，流量跟不上現(xiàn)象，使壓力補(bǔ)償閥不能按正確補(bǔ)償壓力調(diào)整，產(chǎn)生過度和不足調(diào)整。泵和多路操縱閥之間連接管道較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)引起壓力傳遞滯后，因此閉中心易產(chǎn)生響應(yīng)慢，操縱控制不穩(wěn)定等問題。這是初期閉中心存在的缺點(diǎn)，但經(jīng)過實(shí)際使用和不斷改進(jìn)，這些問題基本上得到解決，通過適當(dāng)調(diào)整壓力補(bǔ)償程度可以得到完全補(bǔ)償特性，接近開中心的特性或介于兩者之間的中間特性。綜上所述可得出以下結(jié)