挖掘机工作装置液压系统的主要技术

液压挖掘机是一种大功率土石方施工机械，以斗容为0.8～1m3的20吨级挖掘机为例， 其发动机功率为110～130k W。 所以， 液压挖掘机的节能研究一直是工程机械领域中的重要科研课题。

挖掘机工作过程中， 动力从发动机输出， 经过液压泵、 液压阀、液压油缸和电动机后对外做功， 完成土石方移动作业。 提高各个环节的功率传输效率可以起到节能的效果， 如： 降低发动机单位功率的油耗 （即比油耗）、 提高液压泵的容积效率和机械效率、 降低液压阀的压力损失和流量损失、 提高液压缸和电动机的效率等。

目前， 挖掘机所用的柴油机和液压元件， 制造商已经将比油耗和效率等能耗指标提高到了很高的水平， 进一步提高元件的经济性难度较大。 如： 五十铃 （ISUZU） 公司生产的BB－6BG1TRP系列柴油机的比油耗为218g／（k W·h）， 力士乐 （REXROTH） 公司生产的A4V系列变量柱塞泵和A6V系列变量柱塞马达的容积效率已经高达97％， 总效率也超过了90％， 进一步降低其能量损失已经十分困难。

然而， 整个动力传动系统的功率匹配和功率控制在节能上却大有潜力可挖。 首先， 发动机与液压泵的静态功率匹配特性是系统经济性的基础， 另外， 在变负荷下发动机与液压系统的控制方式和控制策略决定了挖掘机的最终经济性。 液压泵和发动机的静态匹配已有较多文献叙述， 本书主要叙述发动机和液压系统在变负荷下的功率控制方式，并分析其控制性能。

变负荷下功率匹配的目的是实现发动机对执行元件的功率实时匹配。 因为液压系统压力是实现挖掘力的必要条件， 所以液压系统的功率匹配实际上是流量匹配。

下面简要介绍国内外挖掘机液压系统的主要技术流派。

一、 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 （Opened Center Load Sensing System， 中位开式负荷传感系统）， 如图2－1所示。 OLSS系统并非本书所述的负荷传感系统， 而是早期的旁通流量控制系统。

图2－1 小松的OLSS系统

射流传感器如图2－2所示。主控阀中位旁通油流Qc从元件1的小孔d0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2－2 射流传感器

1—元件；2—螺套；3—溢流阀

射流传感器输出的压差（Pt－Pd） 与旁通流量Qc的关系如图2－3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 （见图2－2）， 压差稳定在1.5MPa左右， 如图2－3中直线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阀两端 （见图2－1）， 通过NC阀对主泵排量进行控制。压差（Pt－Pd） 与主泵排量Q成反比关系， 如图2－3所示。

图2－3 射流传感器的输出特性

二、 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） 信号来控制压力 （压差） 与主泵流量的比例， 不可避免地存在静态误差， 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2－4所示。

图2－4 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2－5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，负控节流阀输出的压差（Pn－Tn） 也就变化。

通过机电控制器对负控信号处理后，压差（Pn－Tn） （电压U）对主泵流量Q′进行调制， 如图2－6所示。 通过电子负流量控制，只要执行元件的进油量减小， 主泵的排量Q′就会立即减小， 反之亦然。

图2－5 交叉功率控制特性

图2－6 负流量控制特性

三、 斗山的电子负流量控制系统

斗山 （大宇） DH－3／5系列挖掘机采用川崎的K3V主泵和东芝的DX22／28或UDX36型主控阀。 当主控阀的滑阀从中立位置移到工作位置时，旁通流量与负流量控制压力PN会突然减小，使主泵流量急剧增加， 液压缸等执行元件的速度突增， 引起挖掘机抖动。

为改善执行元件动作起点时泵流量的突变， 在EPPR比例阀组上 （见图2－7） 可选装一个称为 “负流量控制优先阀” 的电液比例阀A3。 在单独操作行走、 动臂提升、 斗杆等任一动作时， EPOS控制器在1秒内向A3输出700～150m A递减的斜坡信号电流， 优先阀A3会对应输出3.2～0MPa递减的斜坡控制油压Pa。 通过梭阀VS，对动作起点的负流量控制阀NR输出的压力PN和优先阀A3输出的压力Pa比较后，选择PN与Pa的较高者作为旁通流量控制压力Pi，去调节主泵排量，从而降低了泵流量变化的梯度，如图2－8所示。

图2－7 DH－3系列挖掘机的电子负流量控制

① 1bar＝0.1MPa。

图2－8 斗山DH220－3的负流量控制特性

四、 日立EX－5的正流量控制系统

日立在EX－5系列上采用了正流量控制系统， 泵流量控制阀在油路上的位置如图2－9所示。 2000年， 日立推出的ZX系列也采用了正流量控制系统， 但泵流量控制阀的结构和安装位置有很大的差异。 虽然都称为正流量控制， 但二者流量控制的机理却全然不同： EX－5采用的是旁通流量控制， 而ZX采用的是先导传感控制。

图2－9 日立EX－5的旁通流量控制

EX－5的泵流量控制阀包括泵控制阀A和减压阀B， 如图2－10所示。当控制阀开度变小、旁通流量Qd增大时，泵控制阀的滑阀A向右移动， 调节阀B的设定压力降低， 来自先导泵的初级先导压力被调压阀B分流而输出较低的控制压力Pi。控制压力Pi被传到主泵调节器，使泵排量按Pi压力成正比减小，因此称为正流量控制。

图2－10 日立EX－5泵流量控制阀的工作原理

在这里， 阀A用于检测旁通流量， 阀B的作用则相当于逻辑电路的 “非门”。 先导泵提供控制压力源， 初级先导压力经过阀B的调制而成为旁通流量控制的信号压力。

EX－5采用的是正流量控制， 这一实例表明旁通流量控制多为负流量控制， 也有正流量控制。 但是， 先导传感控制都是正流量控制。

五、 流量控制方式

目前， 挖掘机开中心 （Open Center） 液压系统的流量匹配方式主要有三种： 节流调速 （Throttle Control） 系统、 负流量控制 （Negative Control） 系统和正流量控制 （Positive Control） 系统。

1． 节流调速控制特点

节流调速控制的原理如图2－11所示。

节流调速系统采用定量泵供油的阀控制节流调速系统，系统采用定量液压泵供油，泵出口经过主阀芯分别与执行元件和油箱连通。先导压力Pst能够比例控制主阀芯行程，进而控制主泵通向执行元件和油箱的开口大小。

当操作人员加大手柄偏角时， 先导压力推动主阀芯A1移动， 主泵通向执行元件的开口增大， 同时主泵通向油箱的开口相应减小， 主泵的流量更多地流入执行元件， 执行元件的速度也相应增加， 实现了操作人员的增速期望。

图2－11 节流调速原理

当操作人员减小手柄偏角时， 动作过程与上述相反， 但无论操作人员手柄如何动作， 泵的流量并未发生改变。 为了使挖掘机具有较高的工作速度， 定量泵的流量往往与执行元件的最高速度相匹配， 即：定量泵具有较大的流量。

下面分析阀控节流调速系统的功率损失。 定量泵的流量分为两部分： 一部分通过主阀芯进入执行元件对外做功， 另一部分经过主阀芯回油箱。 由于挖掘机在一个工作循环内运动部件的速度变化较大， 相应的执行元件的流量波动也很大， 当执行元件由高流量需求变为低流量需求时， 系统的剩余流量全部经过主阀回油箱， 所以系统的流量浪费比较严重。 另外， 挖掘机工作时， 外部负载在执行元件的驱动侧建立了较高的压力， 而主泵的流量在经过主阀节流孔A1时也有一定的压力降，即主泵出口的压力等于执行元件的驱动压力与节流孔A1处的压力降之和。由于油箱的压力接近于零， 所以主泵出口压力几乎全部降落在主阀通向油箱的开口处。可见， 由定量泵驱动的阀控调速系统的经济性能很差，该系统在经济性上的缺点集中体现为流量损失较大。

由定量泵驱动的阀控调速系统具有结构简单可靠、 控制方便等优点， 但其在经济性能上的缺点远大于上述优点， 所以在中、 大型挖掘机等对经济性要求高的机型上极少采用， 只是在系统流量较小的小型挖掘机上采用。

2． 负流量控制特点

采用变量泵驱动的阀控系统可以克服上述缺陷， 目前广泛采用的负流量控制系统就是采用变量泵驱动的， 其液压原理如图2－12所示。

负流量系统是在节流调速系统的基础上， 采用变量液压泵驱动， 在主阀到油箱的通路上增加节流元件而组成的。变量泵的排量由主阀到油箱上新增加的节流元件的上游压力 （通常称为负压力） 调定。

图2－12 负流量控制原理

当操作人员加大手柄偏角时， 先导压力推动主阀芯A1移动， 主泵通向执行元件的开口增大， 同时主泵通向油箱的开口相应减小， 主泵的流量更多地流入执行元件， 执行元件的速度也相应增加， 实现了操作人员的增速期望。 同时， 主阀到油箱的流量相应减少， 负压力相应降低，主泵排量在弹簧力的作用下增加以增加系统流量， 当手柄偏角减小时，节流口A1减小， 系统流量更多地通过负压力节流孔回油箱， 此时负压增大， 克服主泵变量弹簧将泵排量调小， 以降低系统流量。

可见， 系统流量能够随操作人员对手柄的操作而做相应调整， 以实现泵的流量供给与执行元件的流量需求之间的平衡。

与节流调速系统相比， 负流量控制方式具有结构上的优越性， 其经济性能大大提高， 基本上实现了系统的流量匹配和功率匹配。

下面分析负流量系统的功率损失情况：

与节流调速系统相比， 负流量系统的压力损失情况没有发生改变，主阀到执行元件的开口A1处仍然有压力降， 主泵出口压力全部降落在主阀到油箱的两个节流口上。 负流量系统的优点集中体现在流量损失控制上。 由于负压对主泵排量的调节， 使负流量系统成为闭环控制系统， 当下游的流量需求发生变化时， 流量变化信息及时反馈到流量供给元件， 并使系统的流量重新达到平衡。

当主要矛盾解决以后， 原来的次要矛盾便会上升为主要矛盾。 负流量系统中， 系统流量的动态匹配基本上解决了定量系统的经济性问题， 而系统流量的匹配精度和时间响应随之成为负流量系统的主要问题， 这是由负流量系统的结构造成的。

负流量系统中， 手柄偏角改变导致先导压力改变， 先导压力改变导致主阀位移改变， 主阀位移改变导致主阀到油箱的流量改变， 主阀到油箱的流量改变导致负压改变， 负压改变导致主泵排量和流量改变，主泵排量和流量的改变适应先导压力改变造成的执行元件流量需求改变， 所以， 这种控制方式存在较严重的滞后， 较长的响应时间也降低了系统流量匹配精度。

可见， 负流量系统虽然在功率利用上取得了较好的效果， 但其响应的实时性和准确性有待提高。 改善负流量系统响应的实时性和准确性应从系统流量信息反馈点的选取上着手。 目前已经取得批量应用并取得良好效果的正流量控制系统即是如此。

3． 正流量控制特点

正流量系统是在负流量系统的基础上，通过改变反馈压力的选取点而构成的。

图2－13 正流量控制原理

正流量控制系统的液压原理如图2－13所示， 不采用负流量系统中对主泵排量的控制方式， 而是直接采用手柄的先导压力控制主泵排量，手柄的先导压力同时并联控制系统流量的供给元件和需求元件， 这样就克服了负流量系统中间环节过多、 响应时间过长的问题。 如果合理配置主阀对先导压力的响应时间和主泵对先导压力的响应时间， 从理论上可以实现主泵流量供给对主阀流量需求的无延时的响应， 实现了系统流量的 “所得即所需”。

可见， 正流量系统不但功率损失小， 还具有响应快速、 流量匹配精度高等优点， 是目前液压挖掘机液压系统较为理想的控制方式。

挖掘机液压系统的功率控制方式经历了两次大的变革： 从节流调速控制到负流量控制主要解决了系统功率损失大的问题， 从负流量控制到正流量控制主要解决了响应速度慢和流量匹配精度差的问题。 正流量控制方式具有功率损失小、 响应速度快、 流量精度高等优点， 是挖掘机较为理想的控制方式。 对挖掘机液压系统功率控制方式进一步的研究主要集中在系统流量的智能控制上。