开中心和闭中心液压系统工作特点和优缺点分析解读

开中心和闭中心液压系统工作特点和优缺点分析

同济大学黄宗益李兴华陈明

以上介绍了中位开式多路阀液压系统，目前我国（非外资企业）大多采用这种系统，而国外先进挖掘机厂大多改用中位闭式负载敏感压力补偿多路阀系统。下面就这两种液压系统

操纵阀在中位时泵压力油P通过直通油道D，经过各阀，最后回油箱T，执行器动作时P→D的阀口逐渐关小，P→A和B→T的阀口逐渐开大。

其调速是采用旁路回油节流和进油节流的组合，其调速作用是通过阀杆节流，控制去油缸和回油箱的开口量来实现的，如图1（c）所示。

由于是靠回油节流建立的压力来克服负载压力，因此调速特性受负载压力和油泵流量的影响，多路阀的操纵调速特性如图2（a）所示。

（a）开中心（b）闭中心压力补偿

图2 开中心和闭中心阀的调速特性

从图2（a）开中心阀的调速特性可知：开中心油路油缸起动的阀杆行程与负荷压力、泵流量有关。负荷压力愈高，泵流量愈小，阀杆死行程愈大（死区大）。负荷压力愈高，泵流量愈小，调速区域愈小。轻负荷时，流量调整行程大，操纵性能好。重负荷时，流量调整行程小，操纵性能差。速度调整操纵不稳定，阀杆操纵行程不变，但随负荷变化和泵流量变化，则油缸速度会产生变化。

挖掘机工作过程负载压力是不稳定的，随时变化着的，液压泵的流量也在不断变化，因此使其调速性能很不稳定，操纵困难。

开中心油路操纵性能的另一缺点是：当一泵供多个执行器同时动作时，因液压油是向负载轻的执行器流动，需要对负载轻的执行器控制阀杆进行节流，特别是像挖掘机这类机械，各执行器的负荷时刻在变化，但又要合理地分配流量，以便相互配合实现所要求的复合动作，是很难控制的。

开中心油路第三个缺点是：要满足液压挖掘机各种作业工况要求，同时实现理想的复合动作，是很困难的。例如，双泵合流问题：挖掘机实际工作中，动臂、斗杆、铲斗都要求能

合流，但有时却不要求合流，但对开中心油路来说，要实现有时合流，有时不合流是很困难的。

各种作业工况复合动作问题：例如：掘削装载工况，平整地面工况，沟槽侧边掘削工况等，如何向各执行器供油，向那个执行器优先供油，如何按操作者的愿望实现理想的配油关系也是很困难的。还有作业装置同时动作时行走直线性等问题。

对于开中心油路光靠操纵多路阀阀杆来实现挖掘机作业动作要求是不行的。为此设计师在开中心系统的设计上动足了脑筋，想了许多办法，采用了不少通断型二位二通阀和插装阀来改变供油，在油路上通过设置节流孔和节流阀来实现优先供油关系。但是可以这样说，采用了这些措施，开中心油路仍然是不理想的，仍不能满足挖掘机工作要求和理想的作业动作要求。

二、负载敏感和压力补偿

开中心油路系统的主要缺点是：司机不能按自己的愿望通过操纵多路阀阀杆来控制去执行器的流量，因此难以控制挖掘机的作业动作，操纵性差。这个问题是六通多路阀调速方式 和可调节

前后压差△ 通过节流阀的流量为：ρ

-=)(221P P CA Q 式中：C 为流量系数，A 为节流阀口通流面积，当△P 为定值时，则流量Q 仅取决于A 。不受负载压力变化和液压泵流量变化的影响，具有自动补偿功能。这种将节流压差设定为规定值，对流量进行自动控制称为压力补偿流量控制。

（一）不抗饱和的负载敏感压力补偿系统

把这个原理应用于多路阀中，例如，在多路阀的各阀入口处设定差压力补偿阀，将各操纵阀作为节流阀，将操纵阀进出口压力分别引到压力补偿阀的两端，如图4所示。根据调速阀工作原理，由操纵阀改变节流口通流面积来控制去各执行器的流量，这样操纵阀就能使得各执行器的速度只与该操纵阀杆的行程有关，与负载压力、油泵流量等无关，如图2（b ）所示。

这种压力补偿系统存在一个严重缺点：

当液压泵流量足够时，通过操纵阀阀口的压差都能达到补偿压力，这时各阀入口的压力补偿阀都能起调节作用，各阀的操纵相互没有干涉。当多个执行器同时动作时，其操纵阀都在大开度下工作，各执行器总流量需求往往会超过泵的供油流量，即所谓的流量出现饱和。 这时由于并联供油，压力油首先供给低压执行器，满足低压执行器的需要，流经低压操纵阀的压力降能达到补偿压力，其压力补偿阀能起控制流量作用。即泵流量不足时首先保证供给低压执行器，多余下来的油才供给高压执行器，此时流向高压执行器操纵阀的流量不足，达不到压力补偿阀起作用的压力，高压执行器动作速度降低，甚至不动。

此时达到补偿压差的低压执行器，可由其操纵阀行程来控制其速度，达不到补偿压差的高压执行器，不能用操纵阀来控制其运动。

此现象在挖掘机上很严重，首先挖掘机要求高生产率和高速传动，要求能向一个执行元件供给泵的全部流量，其次挖掘机经常需要几个执行器同时动作，而且挖掘机负荷大，其压力感应恒功率控制和发动机转速下降等因素，都使泵输出流量降低，因此经常出现泵流量饱

（二）抗饱和（或称分流比）负载敏感压力补偿系统

多执行器共泵供油，压力油优先流向压力低的执行器，这是液压传动的基本特性所决定的。如果同时动作的各执行器，其负载压力都相等，就可以避免油流向压力低处的现象。实际上各执行器负载压力不可能相等，必须想办法在液压油路上动脑筋，采取措施使它们相等。为此开发了起负载均衡作用的压力补偿器。设置在各执行器的油路中，让它起负载均衡器的作用。低负载的执行器通过压力补偿器的节流，使它与高负载执行器负载压力相同，使各路负载压力相等，就避免了油优先流向低负载执行器的问题。由于各执行器的负载压力相等，使得各操纵阀杆进出口压差都是相等的，所以各执行器同时动作时，通过各阀杆的流量只和该阀杆的行程（节流口通流面积）有关，和各执行器的负荷无关，当流量饱和时，则根据各阀行程成比例地减少去各路的流量，这种流量分配和调速方式，作者称为分流比负载敏感压力补偿系统。

起负载均衡器作用的压力补偿器可以布置在各执行器油路的任何地方（操纵阀前，操纵阀后，或执行器的回油路上）。

下面以阀前补偿为例来说明：

如图5所示，为林德公司分流比负载敏感系统，其特点是：

在每个操纵阀前设置压力补偿阀，此压力补偿阀阀心左端受油泵压力P P和其负载压力P L作用，右端受操纵阀前压力P m和由梭形阀引入的最高负载压力P L1（设P L1＞P L2，P L1=P Lmax）作用，对压力补偿阀1取力平衡得：（设阀心左右面积相等）

P P+P Lmax=P m1+P Lmax

得：P P=P m1，即油流通过压力补偿阀无压差。

操纵阀1进出口压差△P1=P m1-P Lmax=P P-P Lmax

对压力补偿阀2取力平衡得：

P P +P L2=P m2+P Lmax ； P P -P m2=P Lmax -P L2

油流通过压力补偿阀2的压差为P Lmax -P L2，正好补偿了两执行器压力负荷的差值。 操纵阀2进出口的压差为： △P 2=P m2-P L2=P P -P Lmax =△P 1=△P

即所有阀杆的进出口压差相等，为油泵进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

对各阀△P 均相同，去执行元件的流量仅取决于各阀杆的行程（K 1，K 2），当多执行器

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：

P P A = P Lmax A+F S A 为受压面积

△P=P P -P Lmax =A

F S 该系统的补偿压差△P 由油泵调节阀来设定，△P 取决于弹簧力F S ，调节弹簧可改变系统压差，但比较麻烦。如油泵调节阀采用比例电磁阀，可通过电控方便地改变△P 。可变补偿压力系统调速可以改变K （阀杆行程）也可以改变△P （电磁阀电流）来实现。而且调速都具有独立性，不受负载，泵流量和多执行器同时动作等影响。当各阀杆都在中位时，P Lmax 通回油，压力为零，油泵压力只需克服弹簧力，油泵调节阀就处于左位，压力油进入伺服油缸，油泵排量很小，实现中位卸载。在阀工作过程中，油泵压力与最高负载压力之间差值由油泵调节阀决定，始终保持常数，即略高于负载压力。当执行器需要流量小时，操纵阀杆节流使节流压差增加，造成P P -P Lmax 增大，通过油泵调节阀作用，自动使泵流量减小，使节流调速变为容积调速，使流量损失减少，使系统始终保持在所需压力和所需流量下工作。

三、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：

（一）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。

（二）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。（三）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

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。

（四）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。