開中心和閉中心液壓系統(tǒng)工作特點和優(yōu)缺點分析

1、開中心和閉中心液壓系統(tǒng)工作特點和優(yōu)缺點分析同濟大學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(非外資企業(yè))大多采用這種系統(tǒng)，而國外先進挖掘機廠大多改用中位閉式負載敏感壓力補償多路閥系統(tǒng)。下面就這兩種液壓系統(tǒng)的工作原理及其優(yōu)缺點進行分析。一、開中心液壓系統(tǒng)的特點和存在的問題開中心液壓系統(tǒng)采用六通多路閥，各操縱閥的結構簡圖和液壓符號如圖1所示。操縱閥在中位日泵壓力油P通過直通油道D,經過各閥，最后回油箱T,執(zhí)行器動作時P-D的閥口逐漸關小，P-A和B-T的閥口逐漸開大。其調速是采用旁路回油節(jié)流和進油節(jié)流的組合，其調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載壓力，因此調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，多路閥的操縱調速特性如圖2(a)所示。(a)開中心(b)閉中心壓力補償圖2開中心和閉中心閥的調速特性從圖2(a)開中心閥的調速特性可知：開中心油路油缸起動的閥桿行程與負荷壓力、泵流量有關。負荷壓力愈高，泵流量愈小，閥桿死行程愈大(死區(qū)大)。負荷壓力愈高，泵流量愈小，調速區(qū)域愈小。輕負荷時，流量調整行程大，操縱性能好。重負荷時，流量調整行程小，操縱性能差。速度調整操縱不穩(wěn)定，閥桿操縱行程不變，但隨負荷變化和泵流量變化，則油缸速度會產生變化。挖掘機工作過程負載壓力是不穩(wěn)定的，隨時變化著的，液壓泵的流量也在不斷

3、變化，因此使其調速性能很不穩(wěn)定，操縱困難。開中心油路操縱性能的另一缺點是：當一泵供多個執(zhí)行器同時動作時，因液壓油是向負載輕的執(zhí)行器流動，需要對負載輕的執(zhí)行器控制閥桿進行節(jié)流，特別是像挖掘機這類機械，各執(zhí)行器的負荷時刻在變化，但又要合理地分配流量，以便相互配合實現(xiàn)所要求的復合動作，是很難控制的。開中心油路第三個缺點是：要滿足液壓挖掘機各種作業(yè)工況要求，同時實現(xiàn)理想的復合動作，是很困難的。例如，雙泵合流問題：挖掘機實際工作中，動臂、斗桿、鏟斗都要求能合流，但有時卻不要求合流，但對開中心油路來說，要實現(xiàn)有時合流，有時不合流是很困難的。各種作業(yè)工況復合動作問題：例如：掘削裝載工況，平整地面工況，溝槽側

4、邊掘削工況等，如何向各執(zhí)行器供油，向那個執(zhí)行器優(yōu)先供油，如何按操作者的愿望實現(xiàn)理想的配油關系也是很困難的。還有作業(yè)裝置同時動作時行走直線性等問題。對于開中心油路光靠操縱多路閥閥桿來實現(xiàn)挖掘機作業(yè)動作要求是不行的。為此設計師在開中心系統(tǒng)的設計上動足了腦筋，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，在油路上通過設置節(jié)流孔和節(jié)流閥來實現(xiàn)優(yōu)先供油關系。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，仍不能滿足挖掘機工作要求和理想的作業(yè)動作要求。二、負載敏感和壓力補償開中心油路系統(tǒng)的主要缺點是：司機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的作

5、業(yè)動作，操縱性差。這個問題是六通多路閥調速方式所決定的，要解決此問題，必須改變操縱閥的調速方式。人們從調速閥工作原理中獲得啟示，調速閥是定差壓力閥（減壓閥或溢流閥）和可調節(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調速閥工作原理將節(jié)流閥進出口壓力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P為定值時，則流量Q僅取決于A。不受負載壓力變化和液壓泵流量變化的影響，具有自動補償功能。這種將節(jié)流壓差設定為規(guī)定值，對流量進行自動控制稱為

6、壓力補償流量控制。（一）不抗飽和的負載敏感壓力補償系統(tǒng)把這個原理應用于多路閥中，例如，在多路閥的各閥入口處設定差壓力補償閥，將各操縱閥作為節(jié)流閥，將操縱閥進出口壓力分別引到壓力補償閥的兩端，如圖4所示。根據調速閥工作原理，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，與負載壓力、油泵流量等無關，如圖2（b）所示。這種壓力補償系統(tǒng)存在一個嚴重缺點：當液壓泵流量足夠時，通過操縱閥閥口的壓差都能達到補償壓力，這時各閥入口的壓力補償閥都能起調節(jié)作用，各閥的操縱相互沒有干涉。當多個執(zhí)行器同時動作時，其操縱閥都在大開度下工作，各執(zhí)行器總流量需求

7、往往會超過泵的供油流量，即所謂的流量出現(xiàn)飽和。這時由于并聯(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，流經低壓操縱閥的壓力降能達到補償壓力，其壓力補償閥能起控制流量作用。即泵流量不足時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，此時流向高壓執(zhí)行器操縱閥的流量不足，達不到壓力補償閥起作用的壓力，高壓執(zhí)行器動作速度降低，甚至不動。此時達到補償壓差的低壓執(zhí)行器，可由其操縱閥行程來控制其速度，達不到補償壓差的高壓執(zhí)行器，不能用操縱閥來控制其運動。此現(xiàn)象在挖掘機上很嚴重，首先挖掘機要求高生產率和高速傳動，要求能向一個執(zhí)行元件供給泵的全部流量，其次挖掘機經常需要幾個執(zhí)行器同時動作，而且

8、挖掘機負荷大，其壓力感應恒功率控制和發(fā)動機轉速下降等因素，都使泵輸出流量降低，因此經常出現(xiàn)泵流量飽和現(xiàn)象，這種不抗飽和的負載敏感壓力補償系統(tǒng)在挖掘機上不能應用，必須解決此問題。FPLmax圖4各閥入口壓力補償系統(tǒng)（二）抗飽和（或稱分流比）負載敏感壓力補償系統(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，這是液壓傳動的基本特性所決定的。如果同時動作的各執(zhí)行器，其負載壓力都相等，就可以避免油流向壓力低處的現(xiàn)象。實際上各執(zhí)行器負載壓力不可能相等，必須想辦法在液壓油路上動腦筋，采取措施使它們相等。為此開發(fā)了起負載均衡作用的壓力補償器。設置在各執(zhí)行器的油路中，讓它起負載均衡器的作用。低負載的執(zhí)行器通過

9、壓力補償器的節(jié)流，使它與高負載執(zhí)行器負載壓力相同，使各路負載壓力相等，就避免了油優(yōu)先流向低負載執(zhí)行器的問題。由于各執(zhí)行器的負載壓力相等，使得各操縱閥桿進出口壓差都是相等的，所以各執(zhí)行器同時動作時，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，和各執(zhí)行器的負荷無關，當流量飽和時，則根據各閥行程成比例地減少去各路的流量，這種流量分配和調速方式，作者稱為分流比負載敏感壓力補償系統(tǒng)。起負載均衡器作用的壓力補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）。下面以閥前補償為例來說明：如圖5所示，為林德公司分流比負載敏感系統(tǒng)，其特點是：在每個操縱閥前設置壓力補償閥，

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

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

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

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)缺點對比分析下面就挖掘機對液壓系統(tǒng)的主要性能要求來進行探討：（一）調速性能1 .開中心：執(zhí)行器起動點（閥的死區(qū)）隨負載和泵流量而變；調速區(qū)域隨負載和泵流量而變，重負載調速區(qū)域小，流量調整行程?。挥胸撦d漂移現(xiàn)象，即操縱桿位置不變，隨負載改變，執(zhí)行器速度發(fā)生變化；微調和精細作業(yè)困難，調速性能差。2 .閉中心：執(zhí)行器的速度只與該操縱閥桿的行程有關，與負載壓力和油泵流量無關，無負載漂移現(xiàn)象。還可以采用改變補償壓差的方法獲得很好地微調功能，調速性能很好。（二）執(zhí)行器同時動作，復合操作性能1 .開中心：由于負載干涉，司機難以

14、恰當?shù)乜刂迫ジ鲌?zhí)行器的流量，很難相互配合實現(xiàn)所要求的復合動作。為了運動上獨立，需要單獨一個泵供一個執(zhí)行器。2 .閉中心：無負載干涉現(xiàn)象，同時動作時各執(zhí)行器的運動速度只與其閥桿行程有關，司機易按自己的愿望來控制其復合動作，單泵供多個執(zhí)行器仍能保持各執(zhí)行器運動的獨立性，當流量飽和時，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動關系。（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)行器對油泵流量需要不同時，只能采用泵分流或合流有級設定。還要用通斷型閥來改變供油關

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各工況對執(zhí)行器的流量要求。2 .閉中心：對任一執(zhí)行器均能通過閥桿行程按需限制最大流量，設定適宜的最高速度,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為日立建機閉中心各閥的流量設定與開中心流量設定比較的示意圖，從圖中可看出因此閉中心能更好地符合挖掘機工況對各開中心系統(tǒng)閉中心各閥流量設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%)調整區(qū)域舉升放出收回斗桿卸土鏟斗挖掘回轉單邊動臂行走下降后備圖6各操縱閥流量設定的自由度另外，挖掘機是

16、多功能的機械，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。對開中心來說，閥系統(tǒng)無法設定其流量，對閉中心來說，同一閥桿只需調整其行程，就能改變流量來符合各種附屬裝置的流量需要。（四）從節(jié)能和生產率上來看節(jié)能非常重要，這不僅涉及使用成本、經濟性，還涉及能耗和排放的環(huán)境問題，反映作業(yè)效率的生產率也非常重要。有人認為采用負載敏感壓力補償系統(tǒng)進行流量控制，需要一定補償壓差，會造成能量損失，因此認為閉中心能量損失大，實際上這觀點是不對的。因為開中心旁通回油形式，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計技術所決定。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，要從人機系統(tǒng)組合總的效果來看。閉中心由于操縱性好，容易實現(xiàn)理想的操作動作，工作效率高，能耗也低。表1為小松公司開中心和閉中心實際土方作業(yè)對比試驗的結果。生產率以單位時間土方量來表示，油耗以單位燃油量的作業(yè)量來表示，采用兩個機種10T級和20T級，二者馬力相同，從試驗結果可知，無論生產率還是油耗都是閉中心為優(yōu)。應該說明10T級，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，故單位時間油耗閉中心稍大于開中心。但最終評價能耗的指標是單位燃油量的作業(yè)量，仍然是閉中心優(yōu)于開中心。從對比數(shù)據來看兩者有不少的差距。表1開中心和閉中心分析對比實際土方

18、作業(yè)試驗結果機種10T級20T級馬力（ps）8585120120液壓系統(tǒng)2泵負流量控制1泵負載敏感壓力補償2泵負流量控制2泵負載敏感壓力補償作業(yè)內容掘削90度回轉裝載作業(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）動態(tài)性能挖掘機工作裝置是大質量慣性系統(tǒng)，大容積的執(zhí)行器要考慮油的體積彈性系數(shù)，因此存在動態(tài)特性問題。開中心采用旁通節(jié)流，響應快，起動平穩(wěn)，而且系統(tǒng)穩(wěn)定不易振動，從這一點來說，其操作感覺好，而閉中心系統(tǒng)靠壓力補償改變流量，使執(zhí)行器速度變化。當遇到大慣性負載時會產生壓力變化快，流量跟不上現(xiàn)象，使壓力補償閥不能按正確補償壓力調整，產生過度和不足調整。泵和多路操縱閥之間連接管道較長時，會引起壓力傳遞滯后，因此閉中心易產生響應慢，操縱控制不穩(wěn)定等問題。這是初期閉中心存在的缺點，但經過實際使用和不斷改進，這些問題基本上得到解決，通過適當調整壓力補償程度可以得到完全補償特性，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