负流量控制技术

挖掘机是工程机械产业中最重要的机型， 挖掘机的年产销量、 市场保有量、 年销售额等均居于工程机械行业首位。 挖掘机是工程机械各机型中技术含量较高的产品， 其对动力性、 经济性、 操控性、 舒适性和安全性等都有较高的要求。

目前， 主流的挖掘机几乎全部采用液压传动， 在挖掘机中， 液压系统不但传递发动机输出的动力， 还参与了动力传动系统的控制。 液压系统的功率形式是压力和流量， 几乎所有液压控制都可以归结为压力控制和流量控制。 挖掘机是一种土、 石方施工机械， 其工作时， 发动机的动力通过液压系统驱动工作装置对外做功， 液压系统工作时，其压力的大小由负载决定， 压力不是液压系统的固有参数。 从控制的角度来讲， 压力是系统对外载荷的响应。 所以， 对挖掘机液压系统的控制其实就是对液压系统流量的控制。

一、 挖掘机液压系统的体系结构和性能分析

控制液压系统流量的途径包括改变液压泵或液压电动机的排量和改变液压阀的开度， 其中， 通过变量泵对流量进行控制的液压系统称为泵控系统， 通过比例阀对流量进行控制的液压系统称为阀控系统。下面分别分析液压泵和液压阀的流量控制。

液压泵的理论流量公式如下：

Qb＝Ne×Vb（2－1）

式中 Qb——液压泵流量，单位为L／min；

Ne——液压泵输入转速，单位为r／m；

Vb——液压泵排量，单位为L／r。

由上式可见， 改变液压泵的排量和转速都可以改变其流量， 进而改变执行机构的速度， 其中， 通过调节液压泵转速来调速的控制方式称为变频调速， 通过调节液压泵排量来调速的方式称为容积调速。

挖掘机在工作过程中， 一般要求柴油机转速稳定或相对稳定， 即使由于外负载的变化而导致发动机转速失稳， 也要通过一定的控制手段使发动机转速恢复稳定。 所以， 在对液压泵的流量进行控制时， 可以假定输入转速是恒定的。 可见， 对液压泵的流量控制其实是对液压泵排量的控制。

液压阀对液压泵输出的流量进行二次调节。 液压阀的流量公式如下：

式中 Qf——液压阀的流量，单位为L／min；

Cq——流量系数，需查表获得；

A——液压阀的开度；

ΔP——液压阀上的压降， 单位为MPa；

ρ——液压油的密度。

由式 （3－2） 可见， 液压阀的流量主要由两个变量决定： 液压阀的开度A和阀上的压降ΔP。 由于液压系统的压力是由外负载决定的，而外负载往往是不可预知的， 所以， 目前对液压阀的流量控制只能通过控制其开度A实现， 即通过PWM电流信号驱动电磁铁推动阀芯产生位移， 阀芯位移产生一个阀的开度A， 从而得到液压阀的输出流量。可见， 对液压阀的控制主要是对液压阀输入电流信号的控制。

泵控调速方式是通过改变液压泵的排量来实现的， 所以调速过程中液压系统没有流量损失， 也就没有功率损失， 经济性好； 同时， 由于调节液压泵的斜盘倾角需要推动斜盘、 柱塞、 滑靴等一系列的质量元件和摩擦副， 惯性较大， 其排量的响应时间较长， 经实验室测试，力士乐A11VO130液压泵的排量响应时间为300～500ms。

阀控调速方式是通过改变并联回路之间的相对液阻来实现的， 所以大部分流量经控制阀进入执行元件对外做功， 多余的流量经控制阀回油箱， 这部分流量是浪费的流量。 可见， 阀控流量控制方式存在不做功的流量， 其经济性不好； 同时， 由于改变液压阀的开度只需要通过电磁铁推动阀芯移动， 而阀芯的质量远远小于液压泵的运动质量。所以， 阀控方式的响应速度很快， 一般取决于电磁铁的响应频率。 目前， 一般的液压阀电磁铁的响应频率在10Hz左右， 高速电磁铁的响应频率可超过20Hz。

由上述分析可见， 泵控调速方式和阀控调速方式是优势互补的，如果能将二者的优势结合起来， 克服各自的缺点， 则是一种较为理想的流量控制方式。 目前川崎精机 （KPM） 等挖掘机液压系统成套设备供应商所提供的负流量液压系统， 其流量控制正是这样一种控制方式，即变量泵＋比例阀的流量控制方式。

二、 负流量液压系统分析

前述变量泵＋比例阀的液压系统既综合了泵控系统和阀控系统的优点而又克服了各自的缺点， 具有明显的性能优势。 但该系统具有两个控制点： 液压泵排量和比例阀开度， 而且二者是相互关联的， 液压泵是系统流量的供应方， 液压阀是系统流量的需求方， 系统流量的供需平衡才能实现功率匹配和节能， 否则可能导致功率浪费或供油不足。

负流量液压系统是通过闭环反馈控制来解决这一问题的， 负流量控制系统液压原理如图2－14所示。

图2－14 负流量控制系统液压原理

可见， 在负流量控制系统中， 操作人员直接对比例阀A1进行控制， 通过主阀中位的剩余流量流经液阻产生的压力对变量泵的排量进行间接控制。 变量泵的排量受主阀中位流量的控制， 二者变化方向相反， 负流量系统也因此而得名。

变量泵输出的流量通过主阀去工作，主阀中位的剩余流量回来对液压泵的排量进行调节， 这种结构对系统流量构成了闭环控制， 其控制系统结构如图2 －15所示。

图2－15 负流量控制系统结构

从控制系统的角度来看， 负流量液压系统是一种流量偏差的闭环控制系统， 前向通道包括液压泵和液压阀， 操作手对液压阀开度的操作表现为对液压阀流量需求的干扰， 液压阀中位剩余流量对液压泵排量的控制构成了反馈通道， 反馈压力对液压泵变量活塞的驱动实现了对液压泵变量机构的增量控制， 使液压泵与液压阀的流量供需重新回到平衡， 从而消除了操作手的操作对液压阀流量需求的干扰作用。

三、 负流量液压系统的控制缺陷分析

负流量系统在挖掘机上进行实际应用时存在操控性差、 液压泵变量机构磨损快、 执行机构容易产生震荡等问题， 这些问题都与负流量系统的控制缺陷有关。 下面从控制的角度分析挖掘机负流量液压系统的性能缺陷。

（1） 负流量系统的响应速度较低。 负流量系统对流量的控制是闭环的流量偏差控制， 只有当液压泵和液压阀的流量供需之间出现不匹配时， 对流量才有纠正作用， 这在本质上是一种事后补偿机制。 由于反馈通道和前向通道都存在延时， 当操作人员对液压阀进行操作时，流量需求信息要经过反馈通道控制液压泵排量， 执行机构的速度并不能及时跟随液压阀开度的变化， 使操作人员感觉到系统的操控性较差，手感不好。

（2） 负流量系统的动态流量稳定性较差。 由于闭环控制系统的特性，负流量系统在稳态和准静态过程下的流量控制精度较高。 但是， 挖掘机工作时的流量需求是一个动态过程， 动臂、 斗杆、 铲斗和回转等执行机构要求又快又准的速度控制和位置控制， 有时流量需求的变化频率会较高，这就要求负流量系统在具有快速性的同时具有较高的稳定性。实际上， 由于反馈通道存在较大的延时， 对于某些频段的流量需求，反馈环节与控制信号的相位差可能持续增大， 直至超出负反馈的边界而出现短时的正反馈， 从而导致系统流量出现不稳定甚至震荡。

（3） 对液压泵变量机构持续的微调。 为了得到较高的流量精度，反馈环节需要持续不断地对液压泵的变量机构进行微调， 这在客观上加剧了液压泵变量机构的磨损， 使液压泵的寿命大大降低。

由以上分析可见， 负流量液压系统对流量的控制存在诸多缺陷，流量控制的快速性、 准确性和稳定性都有问题， 其性能缺陷的根源是系统的延时特性和闭环特性。

综上所述， 负流量液压系统综合了泵控系统和阀控系统的优点，通过液压阀中位流量对液压泵排量的控制建立了反馈通道， 构成了液压系统的流量闭环控制， 具有一定的控制优势。 但是， 负流量系统用于挖掘机并不十分合适， 不能满足挖掘机工作中对液压系统流量快速变化及准确和稳定的要求， 出现了操作手感差、 工作装置容易震荡、液压泵变量机构磨损快等缺陷。

负流量液压系统在挖掘机上应用过程中出现的这些缺陷也不能完全否定其技术价值， 在动作频率相对较低、 工作装置不要求快速动作的其他工程机械上可以广泛应用， 这样既能发挥负流量系统的控制优势和节能优势， 也能克服其诸多控制缺陷， 实现扬长避短、 物尽其用。