挖掘机多路阀详解(2)

三、分流比（抗流量饱和）负载敏感阀系统
当多个执行器同时动作，其流量需要超过泵的供油流量时，会出现负荷较大的执行元件速度变慢，甚至停止。

使得几个机构不能同时动作，影响挖掘机正常工作。

当出现流量饱和时，不能满足各执行元件流量的需要，较合理的方法是各执行元件都相应地减少供油量，对应各阀杆操纵行程，按比例分配流量。

我们称这种系统为分流比负荷敏感阀系统。

通常的负荷敏感阀系统的特点是各操纵阀由独立的压力补偿器来设定阀杆的进口压力和出口压力之差是一定的。

各阀杆的补偿压力可以设定为不相同，阀杆进出口压差是由弹簧力所决定。

其主要问题是要起补偿作用必须油流经操纵阀产生的压降达到补偿压力。

在并联油路中油优先流向低负荷执行器，在流量不足时，高负荷执行器得不到足够流量，因此不能起补偿作用。

为了解决此问题，将压力补偿器进行改进，让它起负荷均衡器作用，低负荷的执行器通过压力补偿器的节流，使它与高负荷执行器的负荷压力相同，这样各路负荷相等，就避免了油优先流向低负荷执行器问题。

线的任何处。

1.布置在泵—操纵阀之间：一般称为阀前补偿，如图2（a）所示。

压力补偿阀在前，操纵阀节流调速在后，先补偿，后节流，操纵阀节流和换向作用合二为一。

2.布置在操纵阀—执行器之间：一般称为阀后补偿，由于执行器一般都是双作用，有两条油路，为了避免阀后两条油路设两个压力补偿阀，因此操纵阀增加一个节流油道。

操纵阀节流调速在压力补偿阀之前，先节流后补偿，换向部分在压力补偿阀之后，如图2（b）所示。

两者用双线相连，表示节流和换向两者组合成操纵阀。

3.布置在执行器和回油路之间：可称为回油补偿，操纵阀节流调速在进入执行器之前，执行器回油，经操纵阀后，通过压力补偿阀回油。

操纵阀1 进出口的压差
1111L L m P P P P P -=-=∆
对压力补偿阀2 取力平衡得
122L m L p P P P P +=+ 212L L m p P P P P -=-
油流通过压力补偿阀2的压差为
21L L P P -，正好补偿了两执行器压力负荷的差值。

操纵阀2 进出口的压差
P P P P P P P L p L m ∆=∆=-=-=∆11222
即所有阀杆的进出口压差相等，为油泵口压力和最高负载压力之差。

通过两操纵杆的流量分别为
P K Q ∆=11
P K Q ∆=22
P ∆ 各阀相同，去各执行元件的流量仅取决于各阀杆的行程（1K ，2K ）
当多执行器同时动作时，按各阀杆行程成比例地分配去各路的油量 该系统采取负载敏感泵，变量机构由油泵调节阀（泵负载敏感阀）和伺服油缸等组成，油泵调节阀左端受油泵出口压力P P 作用，右端受最高负载压力P Lmax 和弹簧力P S 作用，从油泵调节阀阀杆力平衡可得：
S L P F A P A P +=max A 为受压面积
当A
F P P S
L P +>max 时，阀处于左位，压力油进入伺服缸，压缩弹簧，使油泵流量减
小，
当A
F P P S
L P +
<max 时，阀处于右位，伺服缸回油，在弹簧力作用下，油泵流量增大。

油泵调节阀控制油泵出口与最高负载压力的压差，A
F P P P S
L P =
-=∆max ，此压差的
大小由弹簧力和受压面积决定。

此压差就是整个系统设定的补偿压差。

各阀杆在此压差下，通过阀杆开口节流大小，来调节去执行器的流量，与执行器负荷无关。

多执行器同时动作时，相互没有影响。

该补偿油压，由油泵调节阀来设定的，通过调节油泵排量使得泵的出口油压和最高负荷压力的压差为常数，大于此压差时，泵的排量自动减小，使压差下降；小于此压差时，泵的排量自动增大，使压差上升以保持压差不变。

当各阀杆都在较大开度，出现流量饱和时，则P P ＜P Lmax +F S /A ，油泵处于最大排量，操纵阀的压差下降ΔP ＜F S /A ，但操纵阀各阀杆进出口压差仍相等，因此供各路的流量仍与各阀行程成比例
（二） 。

阀后压力补偿分流量比负载敏感系统
在每个操纵阀后设压力补偿阀，如图8所示。

压力补偿阀阀心一端受操纵阀进出口压力作用，其另一端受弹簧力和通过梭阀引入最高负载压力（设P L1>P L2
对压力补偿阀1取力平衡
s
L m F A P P =-)(1111L s
m P A
F P +=
对压力补偿阀2取力平衡
s L m F A P P =-)(12 P 如设计中，取两压力补偿阀
A
F s
相等，则 21m m P P =
式中：
1m P 、2m P —分别为操纵阀1和2的出口油压
1L P —最高负载压力
s F —弹簧力
A —压力补偿阀阀心压力作用面积
各操纵阀的入口为泵的压力p P ，出口压力分别为1m P 和2m P ，两者相等，因此各操纵阀的进出口的压差都相等。

若各执行元件负载压力不等，而泵的供油压力是一定的，操纵阀的进出口压差也是相等的，显然各压力补偿阀起了补偿作用，其节流程度不同，产生不同的压差，达到均衡负荷的目的。

.
1.Husco阀后补偿分流比负载敏感阀
该阀用于小挖掘机上，阀的具体结构如图9所示。

其符号原理图如图10（a）所示。

①泵进油口②压力补偿阀③可变节流孔④进油腔⑤压力补偿阀进油口⑥回油口
图9 HUSCO负荷敏感多路阀结构
由于操纵阀起方向阀作用，通向执行器来去有两条油路，如压力补偿阀设在方向阀后就需两个，这样将使该阀的结构复杂化。

为了解决此问题，Husco操纵阀增加了一条可变节流进油道，该油道两个方向都起作用，在其后设压力补偿阀，组成了分流比负载敏感系统。

通过压力补偿阀之后，再经方向阀去执行器。

其实际工作原理如图10（b）所示。

该操纵阀实
2, 力士乐LUDV阀后补偿分流比负载敏感阀
该阀用于力士乐挖掘机液压系统上，阀的具体结构如图11所示，其原理符号如图12所示。

1.阀体
2.主阀
3.单向阀
4.压力补偿阀
5.带单向阀的限压阀
6.螺堵塞
图11 力士乐LUDV多路阀具体结构图
梭阀网络作用，检出执行器中最高负荷压力作用在各压力补偿阀的左端。

该压力补偿阀是三位三通阀。

三条通路：经操纵阀节流操纵后油道O，去方向阀油道D，和负载敏感油道LS。

压力补偿阀右端受各阀油道O的压力作用，左端受LS压力和弹簧作用。

负荷压力最大的那个压力补偿阀要求开度最大，该阀处于右位，O不经节流直通D，同时通过节流孔与LS相通，负荷压力较低的压力补偿阀只能处于开度较小的中位，O与LS 不通，O经节流通向D，起均衡负载作用。

因此LS检出的是最高负荷压力。

(三),回油路压力补偿分流比负载敏感系统
东芝负载敏感压力补偿系统（Innovative breed-off load sensing system）采用回油路分流比负载敏感压力补偿多路阀（IB系列多路阀）和负流量控制泵(PVB系列变量泵)。

挖掘机液压系统如图一所示。

（一）IB系列多路阀的具体结构和原理符号图如图三所示
1.压力补偿滑阀
2.回油口
3.回油腔
4.再生单向阀
5.主阀
6.LS腔
7.进油单向阀
8.进油腔9.旁通回油道10.检出最高负荷压力单向阀
图三IB系列阀具体结构和原理符号图
IB系列多路阀每个阀外，由主阀5（三位十通阀），压力补偿阀1。

进油单向阀7，再生单向阀4，检出最高负载压力单向阀10。

以及油缸A和B腔的过载阀和补油单向阀等组成。

（二）回油路压力补偿工作原理和特点
IB系列负载敏感阀工作原理如图四所示。

压力补偿阀左端受负载压力P L（即操作阀的出口压力）和弹簧力作用，右端受最大负载压力P Lmax作用，从压力补偿阀力平衡可得：
AP L+F s=P Lmax A
式中：A－受压面积
F s－弹簧力
采用弱弹簧，可忽略弹簧力。

得：
P L=P Lmax
由于回油路上压力补偿阀的节流补偿作用，使各操纵阀控制的执行器负载均衡，各执行器负载压力相同，都为P Lmax。

通过各压力补偿阀的压差ΔP为
ΔP L=P Lmax－P L
恰好补偿了负载压力差
各操纵阀阀杆进出口压差都相等为:
东芝小型挖掘机采用PVB系列变量泵，该泵具有恒功率控制阀，可实现恒功率控制。

原用于开中心负流量控制系统，在恒功率控制阀上，有从多路操纵阀回油道节流孔前引入的先导控制油压实现负流量控制。

（见图一）
IB系统的PVB泵仍采用负流量控制，在多路阀上设流量控制阀，在其回油路设负流量控制节流孔，还有当节流孔堵塞时溢流的安全阀，防止进入变量油缸的油压过高。

负流量控制工作原理如图四所示。

流量控制阀：为二位二通阀，其作用是控制油泵排量（流量）。

左端受泵出口压力P p 作用，右端受最大负载压力P Lmax和弹簧力F s作用。

当P p－P Lmax<F s/A时，流量控制阀处于右位封闭位置，油泵压力油被切断，不能通过流量控制阀回油。

当P p－P Lmax>F s/A时，流量控制阀处于左位，油泵压力油可通过流量控制阀，经节流孔回油，在节流孔前建立的油压Pi，将Pi引向调节油泵的伺服缸，作用在其活塞上，克服弹簧力使油泵流量减小。

弹簧力使油泵排量变大，。

Pi油压使油泵排量减小，油泵排量由两者力平衡确定。

随着压差ΔP=P p－P Lmax增加，流量控制阀开口量逐渐增大，则流经节流孔的流量增加，则P i上升，在P i作用下油泵流量逐渐减小，与开中心负流量控制泵性能相同。

该阀的作用是使液压泵出口油压P p和最高负载压力P Lmax之差ΔP保持一定。

ΔP=P p－P Lmax=F s/A 该压差ΔP也就是各阀杆的阀前和阀后压差。

液压泵只向执行器提供比负载稍高一些（ΔP）的油压，司机可通过操纵多路阀主阀杆，进行节流来改变供执行器的流量，由于主阀杆节流，使ΔP升高，流量控制阀起作用，打开回油，油通过节流孔，使负流量控制先导控制油压上升，作用在变量油缸上，使液压泵流量减小，实现了按司机的要求来改变油泵排量，能够按需供油。

当操纵阀都在中位时，这时各P L都通回油，则P Lmax=0，P p只需克服弹簧力，流量控制阀就处于左位，油泵压力油通过该阀经节流孔建立油压，作用在变量油缸活塞上，使油泵流量变得很小，只输出少量液压油冷却和冲洗系统，使油泵处于待命状态，一旦系统工作油泵就能很快响应，使当操纵阀在中位时，油泵在低压小流量，实现中位卸载节能。

第四节开中心和闭中心优缺点对比分析
下面就挖掘机对液压系统的主要性能要求来进行探讨：
1．调速性能
1.开中心：执行器起动点（阀的死区）随负载和泵流量而变；调速区域随负载和泵流量而变，重负载调速区域小，流量调整行程小；有负载漂移现象，即操纵杆位置不变，随负载改变，执行器速度发生变化；微调和精细作业困难，调速性能差。

2.闭中心：执行器的速度只与该操纵阀杆的行程有关，与负载压力和油泵流量无关，无负载漂移现象。

还可以采用改变补偿压差的方法获得很好地微调功能，调速性能很好。

2．执行器同时动作，复合操作性能
1.开中心：由于负载干涉，司机难以恰当地控制去各执行器的流量，很难相互配合实现所要求的复合动作。

为了运动上独立，需要单独一个泵供一个执行器。

2.闭中心：无负载干涉现象，同时动作时各执行器的运动速度只与其阀杆行程有关，司机易按自己的愿望来控制其复合动作，单泵供多个执行器仍能保持各执行器运动的独立性，当流量饱和时，各执行器的速度按其行程等比例地下降，这样仍保持原来的运动关系。

3．各阀杆供油流量选择自由度
（1）开中心：各阀杆最大流量由泵流量所确定不能选择，但各执行器需要的流量往往是不同的，油缸伸出和缩回所需流量往往也是不同的。

在作业过程不同工况，执行器对油泵流量需要不同时，只能采用泵分流或合流有级设定。

还要用通断型阀来改变供油关系，采用节流孔和节流阀来改变各路的供油量，但仍不能满足挖掘机各工况对执行器的流量要求。

（2）闭中心：对任一执行器均能通过阀杆行程按需限制最大流量，设定适宜的最高速度，可以通过操纵阀杆行程获得低于最高速度的任意速度。

图6为日立建机闭中心各阀的流量设定与开中心流量设定比较的示意图，从图中可看出闭中心各阀流量设定的自由度比开中心要大得多。

因此闭中心能更好地符合挖掘机工况对各执行器的流量要求，使液压系统供油更加合理。

闭中心系统开中心系统
←流量
另外，挖掘机是多功能的机械，其上可装不同的附属装置，但多种多样的附属装置要求不同的流量。

对开中心来说，阀系统无法设定其流量，对闭中心来说，同一阀杆只需调整其
行程，就能改变流量来符合各种附属装置的流量需要。

4．从节能和生产率上来看
节能非常重要，这不仅涉及使用成本、经济性，还涉及能耗和排放的环境问题，反映作业效率的生产率也非常重要。

有人认为采用负载敏感压力补偿系统进行流量控制，需要一定补偿压差，会造成能量损失，因此认为闭中心能量损失大，实际上这观点是不对的。

因为开中心旁通回油形式，通过阀体节流必然有液阻和能量损失，两者从阀的角度来看是差不多的。

通过阀的损失主要由阀的尺寸选择和设计技术所决定。

必须指出分析阀和液压系统的能耗不能单纯从阀和液压系统来看，要从人机系统组合总的效果来看。

闭中心由于操纵性好，容易实现理想的操作动作，工作效率高，能耗也低。

表1为小松公司开中心和闭中心实际土方作业对比试验的结果。

生产率以单位时间土方量来表示，油耗以单位燃油量的作业量来表示，采用两个机种10T级和20T级，二者马力相同，从试验结果可知，无论生产率还是油耗都是闭中心为优。

应该说明10T级，开中心采用双泵系统，闭中心采用单泵系统。

双泵本身要比单泵系统省油，故单位时间油耗闭中心稍大于开中心。

但最终评价能耗的指标是单位燃油量的作业量，仍然是闭中心优于开中心。

从对比数据来看两者有不少的差距。

表1 开中心和闭中心分析对比实际土方作业试验结果
挖掘机工作装置是大质量惯性系统，大容积的执行器要考虑油的体积弹性系数，因此存在动态特性问题。

开中心采用旁通节流，响应快，起动平稳，而且系统稳定不易振动，从这一点来说，其操作感觉好，而闭中心系统靠压力补偿改变流量，使执行器速度变化。

当遇到大惯性负载时会产生压力变化快，流量跟不上现象，使压力补偿阀不能按正确补偿压力调整，产生过度和不足调整。

泵和多路操纵阀之间连接管道较长时，会引起压力传递滞后，因此闭中心易产生响应慢，操纵控制不稳定等问题。

这是初期闭中心存在的缺点，但经过实际使用和不断改进，这些问题基本上得到解决，通过适当调整压力补偿程度可以得到完全补偿特性，接近开中心的特性或介于两者之间的中间特性。

综上所述可得出以下结论：闭中心负载敏感压力补偿是为了使液压系统能更好地符合挖掘机复杂工况而开发出来的新型的液压系统，从工作原理根本上来看，其供油和调速方式理想合理，能更好地符合挖掘机作业要求。

作为多路阀液压系统，主要性能是操纵性，所谓操纵性就是能否按司机的愿望，快慢很自在地控制作业装置的运动。

开中心不能实现理想的操作动作，必然产生不正确和无谓的浪费动作，必然加重司机的生理和心理负担。

装上开中心系统的挖掘机只能看成是一台粗糙的机械，不要说生手，就是熟练司机也很难驾驭。

必然作业效率低和油耗高，这就是为什么很多挖掘机厂家过去采用开中心现改为闭中心的原因。

这个技术发展的动向希望引起我国挖掘机厂家足够的重视。

下面对以下三种液压系统进行分析比较：
负流量控制和正流量控制（目前）都是采用开中心六通阀，有共同的特点：
（1）调速都是旁路节流和进油节流的组合，调速特性受负载压力和油泵流量的影响大，重载时特性曲线变陡，死区行程增大，有效调速范围减小
（2）挖掘机复合操纵时，共泵的执行器同时动作时，其流量分配与载荷有关，很难操纵控制。

（3）由于进油节流和旁路节流同时起作用，因此其动态性能较好，执行元件启动平稳，系统稳定性和响应性好。

（4）两者基本上都采用双泵系统和复合连接油路，因此正负流量控制的液压泵和开中心六通操纵阀通用性强，这给制造商带来了很大的方便，可以同时生产供应二系统，
带来规模生产效应。

（5）这二系统从阀的结构上来看比负载敏感阀要简单点，因此其可靠性和维修保养性能较好。

（6）负流量控制以旁路回油流量作为控制信号，反映了同时动作时，共泵的执行元件的共同流量需要，而正流量控制如果采用液压控制，不采用电子控制只能反映共泵供
油中先导操纵压力高的执行元件的流量需要，从这一点来看负流量控制比较合理。

（7）负流量控制需要节流压差，负载敏感控制也需要补偿压差，都不可避免存在压差损失，而正流量控制从理论上来说调速控制不需要节流压差，因此就有可能成为三种
液压系统中最节能的。

（8）正流量控制，是采用先导控制阀油压来控制的，需要一系列梭形阀组成梭形网络，形成信号阀，从结构上来看似乎是较复杂，但实际上是必须的，负流量控制和负载
敏感控制也都需要应用先导操纵油压和梭形阀来进行控制，例如：自动怠速控制信
号就需从梭形网络上获取。

又例如工作装置和行走同时动作时，为保持行走直线性，有些负流量控制的控制阀上就得增加一条控制油路来控制直行阀，如采用梭阀网络
本身就可以解决了,控制阀就不需这条控制油路。

（9）先导操纵油压是比较全面反映司机作业要求的，用它来操纵控制挖掘机作业是合理的。

它不仅可以应用于正流量控制，同样也可以用于负流量控制和负载敏感控制。

但是采用梭形网络用液压方式来处理先导操纵油压信号是有缺陷的，应采用信号处
理能力强的电信号输入微机来进行处理。

负载敏感系统采用闭中心四通阀
(1)利用调速阀原理来进行调速，可以不受负载压力和油泵流量影响，共泵供油时执行器
之间的动作上相互无影响，可获得良好的调速性能，并可通过改变补偿压力在不同的负载下都能得到良好调速性能。

改善了挖掘机操纵性能。

(2)负载敏感系统可以通过改变阀的行程，开口面积设计，压力补偿阀设计（补偿面积和
弹簧力）等措施来改变阀杆的供油量,阀杆流量选择自由高度，能较好符合挖掘机作业需要和各种各样附属装置不同的流量需要。

PARKER--HV08。