开中心和闭中心液压系统工作特点和优缺点分析

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