液压挖掘机的三种流量控制方式-田少民

1液压挖掘机的三种流量控制方式成都小松检测技术研究所田少民摘要：在液压挖掘机的负载适应控制策略中，负流量（NegativeFlowControl）、正流量控制（PositiveFlowControl）及负荷传感器控制（LoadSensingControl）三种流量控制方式的流行称谓，是按其泵控特性来分类的。本文通过对多种厂牌型号挖掘机的比较分析，提出了旁通流量控制（By-passFlowControl）、先导传感控制（PilotSensingControl）及负荷传感控制的分类。这一分类方法，对于设计时比较不同控制系统的性能和维修时理解不同控制系统结构和功能的特点，都有所裨益。1.流量控制在挖掘机的液压系统内，流量Q、压力P及能耗（流量损失ΔQ、压力损失ΔP）等参数的变化，反映了液压传动过程的控制特性。液压系统工作时，压力P不是系统的固有参数，而是由外负荷决定的。因此，当发动机转速ne一定时，要对液压系统的功率进行调节，其实是对液压缸、液压马达等执行元件的进油量Qa进行调节（参看图1）。图1.流量调节如图2所示，有两种方法调节系统流量。第一种方法是泵控方式，通过改变主泵的每转排量q来调节主泵的输出流量Qp，称为容积调速。常见的容积调速方式包括：①利用主泵出口压力PP与主泵排量q的乘积保持不变的恒扭矩控制；②利用发动机转速传感（ESS）使主泵吸收的扭矩pPq与主泵转速n的乘积保持不变的恒功率控制；③2在临近系统溢流压力时，减小主泵排量的压力切断控制；④配用破碎头等作业附件时，由外部指令限定主泵最大排量的最大流量二段控制；⑤双泵系统中，利用两泵出口压力的平均值与主泵流量乘积保持不变的交叉功率控制（相加控制或总功率控制）；⑥多泵系统中，因主泵组的液压总功率大于发动机的输出功率，为防止发动机出现失速，采用了极限负荷控制。除了容积调速，还有一种泵控方式是通过动力模式下的变功率控制，利用外部指令设定不同工况下不同的发动机输出功率来改变主泵转速ne，从而调节主泵输出流量Q=nq。调节系统流量的第二种方法是阀控方式，可对主泵输出的流量进行二次调节。这种通过改变主控阀开度来调节执行元件的进油量，称为节流调速。常见的节流调速采用操作手柄（踏板）先导阀输出的二次先导压力来调节主控阀的开度。除了节流调速，还有其他多种阀控方式来调节执行元件的进油量，例如：在不同作业模式下，利用外部指令对双泵合流与分流的控制；动臂再生控制与斗杆再生控制；直线行走控制；复合作业时的动臂优先控制或回转优先控制等等。容积调速的传动效率高，但是动特性差。节流调速动特性好，但是传动效率低。因此，在液压挖掘机上同时采用了容积调速与节流调节，以适应作业中执行元件对流量的需求。不唯如此，为实现节能，还要使容积调速时对主泵的控制与节流调速时对主控阀的控制协调起来，泵控对阀控实时响应。就是说，当主控阀的节流开度关小时，主泵的排量也要立即关小，反之亦然。这种按需供油的泵阀联合控制被称为流量控制。在液压挖掘机上，采用了三种流量控制方式：旁通流量控制、先导传感控制及负荷传感控制。表1列出了部分厂牌机型采用的流量控制方式。3图2液压挖掘机的流量调节4表1液压挖掘机的流量控制方式举例10-1215-182022-2425-2830-3240-45UH一一PS(P)PS(P)PS(P)PS(P)PS(P)EX-2一一LSLSLSLSLSELLE(电子控制负荷传感系统)EX-5一一BF(P)BF(P)BF(P)BF(P)BF(P)ZX,ZX-3一一PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)SK-3,SK-5,SK-8一一PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)PS(E/P)SK-6,SK-6EBF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)BF(E/N)沃尔沃ECBF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）DH-3,DH-5DH-7,DH-9R-3,R-5,R-7R-92006-2306300BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）LSLS300B,300C,300DBF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）柳工920D-925DBF（N）BF（N）BF（N）三一SY215C-8PS(P)雷沃FR220-7PS(P)小松整机质量（t）PC-3,PC-5PC-6,PC-7,PC-8控制系统OLSS(中位开式负荷传感系统)BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）LSLSLSLSLSLSLSCLSS(中位闭式负荷传感系统)日立
HIOS(人工智能操作系统)神钢ITCS（智能全局控制系统）（新生态系统）住友SH-5BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）一BF(E/N)BF(E/N)APCBF(E/N)（自动功率控制系统）加藤HD-7BF（N）一BF（N）BF（N）一BF(E/N)斗山BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）EPOS（电子功率优化系统）CAPOLS（计算机辅助功率优化系统）现代BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）BF（N）一一一一NEOLUDV(力士乐负荷传感分流器)LS一一一（林德同步控制系统）一一LSLSC利勃海尔一一2606-3306阿特拉斯LS一R900-R904R914-R924卡特彼勒AWE(阿特拉斯威斯豪森电子控制系统)LSLSLSLSCAPC(微电脑全功率控制系统)注：BF—旁通流量控制PS—先导传感控制LS—负荷传感控制N—负流量控制E/N—电子负流量控制P—正流量控制E/P—电子正流量控制52．.旁通流量控制典型的旁通流量控制如图3所示。要实现旁通流量控制，液压系统在结构上应同时具备以下三个条件：①主控阀为中位开路的三位六通阀，主控阀的各叠加阀的进油路为串并联；②在主控阀中位旁通回油路的底端设置有节流元件，同时并联有低压溢流阀。在节流元件进油口设置取压口，提取该点压力，作为流量控制的信号压力Pi。用于旁通流量控制的主控阀有如川崎的KMX系列控制阀、东芝的DX22/28型和UDX36型控制阀；③主泵的控制特性一般应为负流量控制（日立EX—5系列除外），即主泵的流量变化ΔQP与信号压力的变化ΔPi成反比，而且主泵的负流量控制阀（NC阀）在主泵调节器上的位置，应确保恒扭矩控制（TVC）优先。用于旁通流量控制的主泵有如川崎的K3V和K5V系列柱塞泵。图3川崎的负流量控制2.1旁通流量控制的原理如图3所示，旁路节流阀的节流口前后压差ΔP=Pi=QR2/KA式中Pi—回油节流口前的压力。略去回油的背压时，ΔP=Pi。QR—主控阀中位回油流量（m3/s）。A—回油节流口通流面积（m2）.6K—常数，与节流口的收缩系数、速度系数、油液重度等有关，K由实验决定。对于具体的回油节流阀结构，A、K为一定数，旁通流量QR与Pi的关系如图4第四象限所示：QR越大，Pi越大，QR与Pi呈抛物线的函数关系。图4负流量控制的流量特性当主控阀各阀芯均处于中位时，QR最大，控制压力Pi也最大，其值由旁路溢流阀调定（参看图3），此时主泵流量QP最小为Qpo，如图4第一象限所示。以装用川崎精机KMX15R主阀的系统为例，旁通流量QR最大为30L/min,此时旁通溢流阀开启，控制压力Pi达到最大值3.5MPa。当主控阀的阀芯开度达到执行元件进油量QA与主泵供油量QP相等时，中位旁通回油流量QR接近于0，控制压力Pi变得很小，主泵流量QP已调到最大，如图4第二象限所示。主控阀芯行程改变时，控制压力Pi随动变化，执行元件的进油量QA为主泵供油量QP与旁通流量QR之差，参看图4第二象限。表2列出了采用旁通流量控制的部分厂牌与机型。7表2典型的旁通流量控制厂牌/系列型号旁通流量传感元件控制机理泵控特性小松PC-3PC-5在主控阀中立旁通油路下游有射流传感器；在主泵伺服阀的末级有NC阀。在射流传感器进出油口提取压差（Pt-Pd）.由此压差控制NC阀，对进入主泵伺服液压缸的先导油进行节流减压。日立EX-3在主控阀中立油路末端有泵控制阀，包括节流阀与压力调节阀。中立油路的旁通流量与节流阀前的压力PN的平方根成正比，主泵流量Q与控制压力PN成反比。EX-5泵控制阀的节流阀（A）在主控阀中立油路末端，而泵控制阀的调压阀（B）对初级先导油进行减压。旁通流量通过泵控制阀的作用，调节流量控制压力Pi，主泵流量Q与控制压力Pi成正比。神钢SK-6SK-6E在主控阀中立油路末端设置负控节流阀，且在节流阀进出油口安装电子低压传感器。将负控压力Pn和背压Tn变送为电压信号，由机电控制器处理后，向主泵电液比例阀发出变量信号。现代R-3R-5R-7R-9在主控阀中立油路末端有负控溢流阀（节流单向阀）。从逻辑阀来的中位旁通回油，经底部负控溢流阀节流形成控制压力FL。当FL大于3.9MPa时，主泵流量最小。斗山DH-3DH-5DH-7DH-9在主控阀中立油路末端有负控阀。主泵调节器接受负控阀反馈的指令压力fp，fp与主泵流量成反比。卡特300B300C300D在主控阀中立油路末端有流量控制阀。负流量控制压力PN进入主泵调节器，对泵压P1、P2及功率变换压力Ps决定的泵流量Q进行调节。82.2旁通流量控制阀斗山DH-5系列挖掘机的旁通流量控制阀如图5所示。节流孔C前端压力fp传送到主泵调节器上。当fp超过弹簧B设定的压力时，旁通油路溢流，这样可防止在主控阀所有滑阀都位于中位时，负控压力fp的急剧升高。图5东芝的负流量控制阀卡特320C型挖掘机的旁通流量控制阀如图6所示。旁通回路的压力油通过8个小孔a节流后流回油箱。节流孔a前端压力PN被引入主泵调节器。当PN压力超过弹簧C设定的压力后，提动阀b打开溢流。图6卡特的流量控制阀现代R—7系列的旁通流量控制阀如图7所示。旁通油路21的压9力油经过锥阀15中心的小孔节流，形成负控压力FL。当FL高于弹簧16设定的压力时，锥阀15将开启溢流，旁通油全部流入回油通道13.图7现代的负控阀2.3小松的OLSS系统1981年以后，小松公司在PC400—1，PC650—1及40t级以下的PC—3、PC—5系列挖掘机上，采用了OLSS系统（OpenedCenterLoadSensingSystem中位开式负荷传感系统），如图8所示。OLSS系统并非本文所述的负荷传感系统，而是早期的旁通流量控制系统。图8小松的OLSS系统10射流传感器如图9所示。主控阀中位旁通油流Qc从元件1的小孔do以射流形态喷出，大部分射流碰到螺套2的端面，其压力Pd（背压）接近油箱压力；小部分射流经小孔d1，流入螺套2的B腔，由于d1＜d0，这部分射流的动压力被节流减压后成为射流压力Pt与Pd。图9射流传感器射流传感器输出的压差（Pt-Pd）与旁通流量Qc的关系如图10曲线a段所示。当操作手柄处于中位，旁通流量超过40L/min时，溢流阀3开启（图9），压差稳定在1.5MPa左右，如图10直线b段所示，此时主泵排量最小。压力Pt与Pd由软管传到主泵的NC阀二端（参看图8），通过NC阀对主泵排量进行控制。压差（Pt-Pd）与主泵排量Q呈反比关系（参看表2）。11图10射流传感器的输出特性2.4神钢SK-6的电子负流量控制系统前述旁通流量控制的节流元件，是直接用机械—液压的结构提取压力（压差）信号来实现控制压力（压差）与主泵流量的比例控制，不可避免的存在静态误差，影响系统的调速性能。2000年，神钢公司在SK—6系列挖掘机上，采用电液比例技术将控制压差（Pn—Tn）的电信号传送到机电控制器，经过控制算法处理后，再通过比例阀控制主泵排量，如图11所示。12图11神钢SK—6的电子负流量控制系统两个主泵供油压力P1和P2由高压压力传感器变送为信号电压，经过机电控制器对泵压信号处理后，平均压力（P1+P2）/2（电压U）与主泵流量Q的关系如图12所示。设恒功率控制下某一工况P1（P2）泵输出的流量为Q′。当主控阀开度变化后，旁通流量随之改变，负控节流阀