负载敏感(LS)控制系统工作原理与操作

Eaton®
中
等负载柱塞泵（斜盘-轴向）
负载敏感（LS）控制系统
工作原理与操作
——Load Sensing Sytem-Principle and Operation
王清岩[译]
CCE（JLU,CHINA）15-09-2005
Load Sensing Principle of Operation
Page
序言 (3)
何谓负载敏感? (4)
负载敏感系统是如何工作的 (5)
采用负载敏感控制的优点 (14)
开发与调试 (25)
系统比较 (26)
应用 (27)
负载敏感控制技术的前景 (27)
Load Sensing Principle of Operation
序言
早在二十世纪六十年代后期，一些年轻的工程师对液压传动技术的优缺点进行了仔细的分析。

中位开放式液压系统,采用了一个定排量的齿轮泵，提供恒定的流量，系统压力是由作用于工作介质上的载荷决定的。

为限制系统的最高工作压力，必须设置一个高压溢流阀。

当系统工作压力达到设定值，液压泵近乎全部流量将通过溢流阀流回油箱，因而导致极高的功率损失，并在系统中产生大量的热损耗致使系统效率极低。

相比之下中位封闭的液压系统具有排量可调的优点，排量调节的范围可从最小排量至最大排量，甚至正向最大排量至反向最大排量；并且无需在系统中设置溢流阀。

其最大工作压力的控制是通过液压泵内部的补偿器实现的。

此类补偿器可在系统因负载超出额定范围导致系统受到阻滞的状态下通过限压变量活塞使泵卸荷即液压泵处于高压运转状态、但排量近乎为零。

此时液压泵将进入等待状态，并保持较高的工作压力，直至负载被克服或恢复操作阀的控制状态。

中位闭式系统的缺点是液压泵试图在所有的工况下均实现所限定的最高工作压力附近的排量调节。

但是液压系统还有这样一类工况，即期望获得较大的流量而所要求的工作压力却很低。

中位闭式的系统在此种工况下导致了较高的压力降并在能量损失过程中产生大量的热。

工程师们于是设想，若能将两种系统的优点进行合并将得到最佳的性能。

理想的系统应具有这样一种特性：在载荷需要的工作压力下仅提供维持系统工作的必要流量。

期望流量与工作压力二者都是可变的，但是无论开式还是闭式系统均未提供这样的工作性能。

为实现这一特性，必须设计一种新型液压泵，该泵可以根据系统需求提供必要的的流量及压力，并在工况变化时，具有相应的压力-流量调节功能。

显然，一种柱塞式变量泵是实现此种功能的基础元件，但是如何令其同时响应压力和流量两个参数的变化呢？
一位从事本项目研究的工程师开发了一种新的液压补偿器以同时感应系统压力和流量的需求，并使柱塞泵能对流量压力需求的变化做出正确响应。

负载敏感液压泵从此诞生了！从技术角度讲，这是一种压力-流量补偿式的变排量柱塞式液压泵。

何谓负载敏感?
简而言之，负载敏感系统是一种感受系统压力-流量需求，且仅提供所需求的流量和压力的液压回路。

实现负载敏感控制的完整装置由如下元件组成：首先需要一个变量柱塞泵，该泵具有一个压力补偿器，系统不工作时，补偿器使其能够在较低的压力（200PSI）下保持待机状态。

当系统转入工作状态时，补偿器感受系统的流量需求并在系统工况变化时根据流量需求提供可调的流量。

同时，液压泵也要感受并响应液压系统的压力需求。

多数液压系统并非在恒定的压力下工作，当外部载荷变化时，液压系统的工作压力是不同的。

然后需要一个具有特殊感应油路和阀口的控制阀，以实现负载敏感系统的完整控制特性。

当液压系统未工作，处于待机状态时，控制阀必须切断作动油缸（或马达）与液压泵之间的压力信号。

这将在系统未工作时导致液压泵自动转入低压等待状态。

当控制阀工作时，先从作动油缸（或马达）得到压力需求，并将压力信号传递给液压泵，使泵开始对系统压力做出响应。

系统所需的流量是由滑阀的开度控制的。

系统的流量需求通过信号道、控制阀反馈给液压泵。

这种负载感应式柱塞泵与负载敏感控制阀的组合使整个液压系统具有根据载荷情况提供作需压力-流量的特性，此即负载敏感系统的基本功能。

颜色代码
Return/Intake （回油、吸油）– Any oil in the circuit not under high pressure. This oil can be pressure free oil from the pump or return oil to the reservoir.
Trapped Oil（滞油） – Any oil in the circuit not connected to pump
flow or return. This oil can be high or low static pressure.
Low Pressure Standby（低压等待） – Any oil pressurized at the
low pressure standby pressure.
Working Pressure（工作压力） – Any oil in the circuit connected
to pump flow under working pressure.
High Pressure Standby（高压等待） – Oil in the system
pressurized to the maximum high pressure setting of the
compensator.
Below Low Pressure Standby（低于低压等待压力） – Oil in the
pump flow line moments after start-up.
负载敏感系统是如何工作的
正如名称所暗示的那样,负载敏感控制技术具有监控系统压力、流量和载荷的能力；并且进行流量-压力参数的调节以求获得最高的效率。

但是，在讨论其应用过程及具体优点之前，清楚组成负载敏感回路的液压元件以及它们是如何协同工作至关重要。

伊顿负载敏感控制系统在流体传动及控制领域得到了广泛的应用。

与其它形式的系统相比较，负载敏感控制技术有着诸多独特的优点。

借助一个简单的负载敏感控制完整回路，下面的理论和工作原理可显而易见地予以说明。

这是台轴向柱塞、变量泵， 以及它的斜盘及斜盘倾角控制活塞。

这是液压泵监控系统并调控系统参数的补偿器。

的调压弹簧相互作用；以及一个低压“压力-流量”
补偿器，其滑阀与调定值为200PSI的调压弹簧相互作
用组成。

两个补偿器均直接安装在液压泵上，作为
液压泵的附属元件。

在这里我们仅选用了一个方向控制阀和一个油缸以
使系统简洁。

事实上，同一负载敏感系统中可以有
多个方向控制阀和多个执行元件。

请注意方向控制阀采用了一种中位封闭的，油口正
遮盖的型式。

这意味着一旦滑阀处于中位，液压泵
的为系统提供流量的入口将被阻塞；同时，接通油缸
的两个油口也被阻塞。

方向控制阀结构中装有一个提动式的单向阀，它始终
处于关闭状态，直至液压泵排油压力与油缸压力相
等。

若没有该单向阀则控制滑阀初始启动时，承载
的油缸有倒退的可能。

方向控制阀还具有一个负载感应单向阀。

当系统具有
多个执行元件、多个方向控制阀时，每一联滑阀均有
这样一个负载感应单向阀。

负载感应单向阀的作用是
使补偿器根据系统中最高压力回路进行压力-流量调
节过程。

假设系统目前处于空闲状态即将启动。

由于系统中
未建立起压力，调定压力为200 PSI的弹簧迫使压力-
流量补偿器滑阀推至左端。

这为斜盘控制活塞与油
箱之间提供了直通的油路，该卸油通道如蓝色油路
所示。

.
由于补偿器控制滑阀上没有抵抗弹簧力的压力作
用，这使得斜盘移至最大倾角。

在此位置，液压泵
准备在最大排量下工作，可向系统提供最大的流量。

当机器启动、油缸或马达即将运转时，液压泵的流量
提供给方向控制阀，但是由于控制阀为中位闭式的，
流量被阻滞于泵的出口与控制阀的进口之间。

液压泵的流量同样提供给补偿器。

油液的压力作用于
压力-流量补偿器滑阀的左端，以及最高压力补偿器控
制滑阀的左端。

根据液体的压力传递特性，要牢记所
有作用过程都是在一瞬间完成的。

当作用在压力-流量补偿器滑阀上的油液压力达到
200PSI时，所产生的压力克服弹簧的预紧力使阀芯向
右移动。

在其右移过程中，滑阀打开了一个通道，于
是在液压泵封闭油腔中的压力油接通了斜盘倾角控制
活塞。

油液压力的作用使控制活塞克服复位弹簧力使
液压泵内斜盘回程至一个零排量附近的倾角。

系统的
这一工作状态我们称之为低压待机工况。

在这一工况
下，压力-流量补偿器的滑阀将左右振颤以维持作用于
斜盘倾角控制活塞上的需求压力，作为控制作用的又
一结果，也将对液压泵的供油流量产生影响。

在低压
待机状态，液压泵只需提供足以补偿内部泄漏的流量
以维持作用于压力-流量补偿器控制滑阀左端近似
200PSI的等待压力。

请注意压力-流量补偿控制滑阀右侧弹簧腔为泄油
状态。

这部分液压油从弹簧腔流向方向控制阀。

在那里（方向控制阀内）油液通过一个很小的节流
口流回油箱，从而使得压力-流量控制阀芯在运动过
程中具有相应的阻尼，以确保调节系统乃至过程的
稳定性。

（王清岩，2005-09-16）
现在，来观察一下方向控制滑阀移至左端时，系统的
状态将会发生什么样的变化。

首先要注意的是液压缸
内的压力将通过方向控制阀内的油路，流过负载感应
单向阀，进入压力-流量补偿器滑阀右端的弹簧腔。

由
于这部分油液压力与初始设定为200PSI（此时应为略高
于200PSI的压力，由于弹簧压量有所增加。

但弹簧刚
度及位移很小，压力增量可忽略。

王清岩，2005-09-16）
的弹簧力一同作用使压力-流量补偿器控制滑阀移至
左端。

导致斜盘倾角控制活塞内的部分压力油通过泄
油路接通油箱。

弹簧力迫使斜盘倾角控制活塞到达一
个新的位置，液压泵开始向系统提供较大的流量.
因为方向控制阀内的阀芯已经动作，液压泵的流量此
时能够绕过提动阀，经过方向控制的滑阀，进入液压
缸承载腔。

尽管压力油也作用于阀内节流口的入口处，
但由于该节流口很小，未在接通压力-流量补偿器控制
滑阀弹簧腔（泄油）的油路上导致可观的功率损失。

通过接入测量仪表，可以查看液压油流经方向控制滑
阀所产生的压力降如何用于液压泵的流量控制。

压力
表“A” 和 “B” 显示有相同的压力并且压力表“C” 和
“D” 显示有相同的压力。

注意两组压力表间刚好存在
着200PSI的压力差。

液压油通过滑阀控制台肩所引起
的压力降与压力-流量控制滑阀以及预调为200PSI的
压力-流量补偿器弹簧一同工作，使阀口前后压力差得
以保持，对应不同的滑阀开度，均可实现液压泵的流
量控制。

注意，作用在滑阀左端的800PSI压力抵抗着
作用于右端的600PSI压力和200PSAI弹簧力，600PSI加
上200PSI刚好等于800PSI。

（这不是一个等式，却是
一种作用机理。

王清岩，2005-09-16）.
在这个原理图中，方向控制阀中的滑阀将沿着与前
述过程相同的方向移动更远的距离。

正是由于较远
的阀芯位移，围绕阀芯的阀口开度得以增大；这意
味着阀口对液流的节流作用将有所减弱。

流动阻力
的减弱被压力-流量补偿器滑阀所感受。

压力-流量补
偿器内的滑阀也要相应地移动，因而斜盘倾角控制
活塞泄出更多油液，从而使液压泵斜盘在能够获得
更高流量的倾角位置上工作。

此时液压泵开始向系
统提供更多的流量。

如果再度接入四块压力表，尽管方向控制滑阀开度增
大引起了液流阻力的减小，但液压泵的供油流量有所
增加，两组压力表间依然保持了刚好200PSI的压力差。

在方向控制阀滑阀移动，液压泵通过该阀口向执行元
件供油时，无论阀的开度如何变化，压力-流量补偿器
滑阀均努力通过自身的调节功能，维持200PSI的恒定
压差。

基于这样一种原理，可以得到获得了一个效率很高
的液压系统。

这种液压系统仅提供必要的流量保持
系统泵的输出压力高于系统工作压力200PSI。

Provides the oil required at
200 PSI above system working
pressure .
11
Automatically adjusts to the varying pressure and flow demands. 液压泵将自动调节排量及工作压力以满足系统对不同压力和流量的需求。

渐渐地，液压缸的活塞运动至行程终了位置。

此时，通过方向控制滑阀环槽的液流被阻止。

控制滑阀两侧的压力趋于相等，作用于压力-流量补偿器控制滑阀两端的压力也相等。

预调定的200 PSI 弹簧力将压力-流量补偿器控制阀芯推至左端。

此时液压泵的出口液流再次处于封闭状态，而泵的流量将导致出口迅速升至3000 PSI，致使高压补偿器滑阀克服预调定的3000PSI弹簧力移至右端，高压油通过该阀通路作用于斜盘倾角控制活塞。

活塞的运动使斜盘倾角转至排量近乎为零的位置。

液压泵停止供油，仅提供保持高压的泄漏量。

这种工作情况称液压泵的高压待机状态。

Remains in high pressure standby until the load is overcome or the valve spool is returned to neutral. 伊顿负载敏感柱塞泵将保持高压待机状态，直至下述两种情况之一发生：(1) 载荷被克服 (2) 方向控制滑阀回到常态位。

12
在高压待机状态下，液压泵仅提供必要的流量
以维持高压等待过程中系统的内部泄漏。

Produces only enough flow to
make up for internal leakage.
图示状态表示方向控制滑阀已经回到了常态位。

作用
于压力-流量补偿器控制滑阀右端的压力通过方向控
制阀上的节流口卸荷。

作用于压力-流量感应滑阀左端
的压力克服预调定的200PSI弹簧力移动至右端，再度
开启泵出口至斜盘倾角控制活塞的油路。

使泵的斜盘
回程至接近零排量附近，几乎没有流量产生并提供给
系统。

作用于压力-流量控制滑阀左端的200 PSI压力被
作用于控制滑阀右端的弹簧力所平衡。

在此状态下控
制滑阀将在平衡位置附近振颤以保持液压泵泄油回
路中200 PSI的待机压力。

13
负载敏感系统的优点
Advantages
of the
Eaton Pressure-Flow Load Sensing System 目前，您已经对伊顿压力-流量补偿负载敏感控制系统的工作原理及动作过程有所了解，让我们将其与一个常规的，中位开式油路，定量泵系统进行比较，讨论其优点。

伊顿负载敏感控制系统的功率损耗较低，效率远高于
常规液压系统。

高效率、功率损失小意味着燃料的节
省以及液压系统较低的发热量。

Uses horsepower more
efficiently
• Better fuel economy
• Less system heat
14
Load Sensing Principle of Operation
为何伊顿负载敏感系统能够高效地利用原动机功率?
Why does the Eaton system
use horsepower more
efficiently?
一个通用的工程计算公式表明，驱动液压泵所需要的功
率（马力）等于系统压力(PSI)乘以系统流量(GPM)，然
后除以常数1714。

这个公式计算的结果是准确的，只
是未曾考虑由于摩擦而导致的功率损失（即未计及机
械效率）。

Hp =PXQ/1714
让我们来查看一下公式的运用情况，考虑一个典型
的液压系统能够提供20 GPM的流量，工作压力在2000
PSI。

2000 PSI 乘以 20 GPM, 除以常数1714 得到23.3 马力的功率。

根据前面的描述，这即是驱动液压泵的功率。

若仔细地考察这个公式，你就会发现无论供油流量或是工作压力发生变化，驱动液压泵的流量也随之变化。

System flow = 20 GPM System Pressure = 2000 PSI 2000 PSI x 20 GPM= 23.3 Hp
1714
15
这是一个典型的中位开式由齿轮泵所组成的定
排量液压系统。

液压泵可提供20 GPM的流量。

假
设操作者要测量提供给液压缸的油液流量，油液
的压力需达到 2000 PSI以驱动负载。

若使液压
缸安装规定的速度运动仅需要20 GPM当中的5
GPM流量，则有15 GPM的流量返回油箱。

但是，
所有的20 GPM流量其工作压力均为2000 PSI。

计算结果表明仅有 5.8 马力的功率被用于驱动
负载做功。

Oil to load is useful work.
2000 PSI x 5 GPM = 5.8 Hp
1714
Oil to tank is wasted horsepower
16 2000 PSI x 15 GPM = 17.5 Hp
1714
流回油箱的液压油损耗了17.5马力的功率。

.
另一个工程计算式（单位换算式）表明，1马力的功率
相当于42.4 BTU/MIN的热量。

损失的每一马力功率并未
转换为机械能，而是转换为系统的热损耗。

1 Hp/min. = 42.4 BTU/min.
Each horsepower minute
that is not converted into
mechanical work, is
converted into heat.
这意味着当前这个系统，会产生17.5 马力乘以42.4
BTU 即 742 BTU/MIN的热量将被液压系统吸收或通过
液压油冷却器散发。

对于伊顿负载敏感控制系统而言，情况就不同了。

驱
动液压缸运动仅需要5 GPM流量，故而液压泵可根据
液压缸工况自动进行调节仅提供所需的5GPM流量，
其工作压力为克服负载所需的2000 PSI 加上 200 PSI
以保证维持补偿器工作的最小压差。

17
2000 PSI x 5 GPM = 5.8 Hp 5 GPM 流量工作在2200 PSI 的压力下，即仅仅6.4 马力的功率以满足工作需求。

1714
这样，16.9 马力即716 BTU/MIN 的热损耗被避免产生。

若按小时计，节省能量达42,960 BTU 。

Eaton saves
16.9 Hp or 716 BTU per min. or 42,960 BTU per hour saved.
再来看一下常规的液压系统，此时我们考察的是系统在完全溢流状态下的工作情况。

系统中液压缸的活塞运动至行程终点，液压泵的全部流量都将通过溢流阀流回油箱，根据溢流阀的调定压力，液流的压力均达到3000PSI 。

18
3000 PSI 乘以 20 GPM 被 1714 所除，得到 35 马
力。

这是通过溢流阀流回油箱的液压油所引起的功
率损失。

3000 PSI x 20 GPM
1714 ___________= 35 Hp
35 Hp x 42.4 BTU = 1484 per min.
or 89,040 BTU per hour 35 马力乘以 42.4 BTU/MIN 等于 1484 BTU。

计算结果表明，一旦系统处于溢流工况，则有1484 比特/分钟的热量散失，按小时计，则高达 89,040 BTU/hour。

对于伊顿负载敏感系统，当液压缸活塞运动至行程
终点时，液压泵进入高压待机工况。

液压泵的斜盘
转至零排量附近，没有流量提供给系统。

液压泵仅
产生很小的流量以补偿内部泄漏。

19
Only 4.7 horsepower is wasted Only 199 BTU's per minute wasted or 11,940 per hour 由于系统的最大内泄漏量也不过 2.7 GPM，其压力为3000 PSI，那么损失的功率仅为 4.7 马力。

4.7 乘以42.4 BTU/MIN 等于 199 BTU。

即仅仅199比特/分钟的热量被散失。

若以小时计，则单位时间内的热损耗为 11,940 BTU。

与每小时损耗 89,040 BTU的中位开式常规定量泵液压系统相比，损失的热量得到大幅度的降低。

.
除了功率损失小、效率高的优点外，伊顿压力-流量补偿及负载敏感液压系统为操作者提供了最佳的
操作控制方式。

1. Uses horsepower more
efficiently
2. Better operator control
在这里解释一下原因，假设当前这一常规液压系统中液压泵提供了20 GPM的流量且阀口开启使一部分油液提供给液压缸，其余油液流回油箱。

流经控制滑阀的油液必然导致阀的进出油口之间存在压力差。

这种压差作用能够被操作者所感受，并具体表现为操作者移动控制手柄过程中所需力的变化。

20
如果通过滑阀移动不同的距离，利用开度大小来调节
提供给作动油缸流量的多少，则作用于滑阀进出口之
间的压力差也随着调节过程变化，从而导致操纵阀芯
移动所需作用力的变化。

操作者必须经过长期与系统
的磨合，以适应这种不断变化的操作感觉，达到正确
而又熟练的操作水平。

这对操作者而言，要求是很高
的。

（王清岩，2005-09-17）
对于伊顿负载敏感系统，无论方向控制滑阀阀芯位移
如何变化，都不会改变阀进出油口间的压力差。

因为
压力-流量补偿器控制滑阀的力平衡原理使得液流通
过滑阀时通过液压泵的自动调节功能保持其进出口
压差恒为200PSI。

因此，对于操作者而言，负载敏感系统在滑阀操控
过程中，无论载荷及执行元件的运动速度如何变化，
操作者操纵手柄的感觉都是相同的。

操纵手柄的力
主要用于克服复位弹簧力、液动力以及阀芯台肩上
由于该恒定压差所引起的作用力等；一般来讲，该力较小且能在操作过程中感觉到该力是稳定的、柔和的。

这对操作者而言，既简单可靠，又舒适安全。

（王清岩，2005-09-17）The lever always has the
same “f e e l”
21
1. Uses horsepower more efficiently
2. Better control
3. One pump meets the pressure and flow
requirements for several circuits
伊顿负载敏感系统的又一明显优点是单一的液压泵可满足多个回路的压力-流量需求。

传统的中位开方式定量泵液压系统为满足同一系统中不同支路的工作要求，必须采用多联泵或流量分配器。

当然，也可采用流量控制阀或压力控制阀联合控制。

仅在多液动机无同时或同步工作要求时才能采用单泵与多路阀的组合实现控制。

（王清岩，2005-09-17）
伊顿流量-压力补偿便量泵与多路中位闭式负载敏感多路阀的组合，可以靠其自身的补偿功能同时满足多支路多执行元件系统中各个支路的流量-压力需求。

.
22
伊顿负载敏感液压系统也具有单泵支持多个液压缸同时动作的能力。

利用每一回路中的流量补偿元件，所有的液压缸可实现相同速度的运动，而不受负载大小的影响。

在常规单泵液压系统中，则是负载（压力）较小的油缸先动作，至其到达行程终点后，负载较大的油缸才开始动作。

当你了解了伊顿压力-流量补偿及负载敏感系统的原理与操作知识后，能够明显地感觉到它是研制液压系统以满足市场需求的最佳设计方案，其最大优点在于整个系统是高效的。

1. Uses horsepower more efficiently
23
负载敏感系统提供了良好的操作控制方式，简单可靠。

1. Uses horsepower more
efficiently
2. Better control
并能以单泵供油，同时满足所需流量、压力不同的多
1. Uses horsepower more
个回路、多个执行元件的工作要求。

efficiently
2. Better control
3. One pump meets the
pressure and flow
requirements for several
circuits
Eaton
Hydraulics
Division
24
开发与测试
进行负载敏感变量泵的研制和试验过程投入了大量的时间。

旋转部件及斜盘已经调试并作为沿轴线装配的一组液压泵驱动部件，因此它们可以作为负载敏感液压泵测试的基础。

需要做的工作是完善压力-流量及最高压力补偿器及斜盘倾角控制活塞的调试。

基于测试泵，进行了数百万次的回路试验。

试验台随着时钟一同运转，试演、再实验。

Test stands ran around the clock, testing and retesting.负载敏感变量柱塞泵研制过程中遇到的最大障碍来自于斜盘在响应负载变化进行相应调节过程的稳定性及恢复时间。

若响应速度过快，则泵的工作状态不稳定；若响应速度太慢则系统出现较高的压力峰值或压力超载现象。

为寻求最佳的组合方案以提供准确响应及响应稳定的液压泵花费了大量的时间。

在正确的液压泵动态特性设计完成后，开始进行一种长期实验以考察液压泵及补偿器耐久性是十分必要的。

耐久性长试的单个循环包括如下几个环节：液压泵在额定转速、全排量及额定压
力的75%工况下运转1/2秒。

液压泵
随后换向至零排量，并运转在额
定压力下持续1/2秒。

这种交替循
环持续进行500,000次，然后检查
液压泵的工作效率。

长试后的液
压泵被解体以检查各个零部件磨
损的迹象。

每一轮500,000次循环
的长试工作皆耗时138.9小时。

这
种实验始终在进行，直至我们的
工程师感觉所设计的液压泵已足
够的坚固、经久耐用。

下一阶段的试验程序为破坏
性循环试验。

液压泵再次被安装
至长试试验台，进行持续工作循
环的运转，直至容积效率低于90%
或发生某些机械故障。

这项试验
用于确定所设计液压泵长期持续
运转的能力和寿命。

基于此种观
点，有一些伊顿液压泵在用户的
试验室基于用户系统周边部件构
成的试验回路中进行了类似的长
期试验，
所有这些试验的成果是当负
载敏感变量柱塞泵被发布为产品
时，已足够坚固和耐用，其性能
可满足各类机器传动及控制系统
的设计需求。

25。