负荷传感系统控制技术

一、 负荷传感控制的原理

图2－18所示为负荷传感控制系统， 包括负荷传感控制阀和负荷传感泵。系统的最高负荷传感压力PLS由梭阀链选取， 并传送到主泵的LS调节阀和控制阀的压力补偿阀。 各主控阀并联， 无中立回路。

图2－18 负荷传感控制系统

通过控制阀节流的流量特性方程

式中 Q——流进执行元件的流量；

K——常数；

A——控制阀口的节流截面积；

ΔP——节流前后的压差。

ΔP＝PP－PLS （2－6）

式中 PP——主泵出口压力；

PLS——负荷传感压力。

当采用压力补偿阀后， 各控制阀口的ΔP为常数。 在液压挖掘机上， 一般ΔP＝2～3MPa。

因此， 通过负荷传感控制阀的流量Q与控制阀的开度A成正比，而与负荷压力无关。

负荷传感控制阀解决了以下两个问题：

（1） 单个执行元件动作时的速度控制问题。 当操作手柄行程给定时， 无论负荷怎么变动， 执行元件的运动速度保持恒定， 即使操作手柄行程小、 工作装置动作的速度慢时， 也可产生强力， 因而微操作性能好， 尤其适合起重作业、 反向掘削， 以及带破碎头等附件的作业。

（2） 复合作业的同步问题。 当各操作手柄位置给定时， 对应执行元件的流量分配保持恒定的比例， 各动作互不干扰。 在各执行元件需求的流量之和超过主泵输出的最大流量时， 完全的负荷传感控制系统具有抗饱和的能力。 在供油不足时， 各执行元件的速度按比例下降，保持操作者预定的斗齿运动轨迹， 而与负荷压力和泵流量的大小无关。这样， 在挖掘时方便满斗装载， 易于挖掘软岩或孤石， 在刷边坡或平整作业时不会出现沟痕。

采用负荷传感控制阀提高了液压操作的微调性能和复合作业的同步性能， 而要解决液压系统的节能问题， 还必须按主控阀开度的变化实时调节主泵的流量。

如图2－18所示， 调节主泵排量的LS阀右端引入主泵出口压力PP，左端则受到负荷传感压力PLS和弹簧力PK作用。调节此弹簧的预压力，即可调整负荷传感压差ΔPLS。当PK＝ΔPLS＝PP－PLS时，LS阀芯受力平衡， 主泵维持一个稳定的排量。

如果控制阀开度变小，动态的ΔPLS将大于PK，主泵排量减小，如图2－19所示；反之，如果控制阀开度变大，ΔPLS小于PK，主泵排量加大。 在主控阀的整个行程中， 主泵输出的流量始终等于执行元件所需油量， 与负荷压力的大小无关， 如图2－20所示。

表2－1列出了采用负荷传感控制的部分厂牌机型。

图2－19 负荷传感的泵控特性

图2－20 负荷传感控制的流量特性

表2－1 典型负荷传感控制的部分厂牌机型

二、 小松CLSS系统

在小松公司的PC－6、 PC－7、 PC－8系列挖掘机上采用了如图2－21所示的CLSS系统 （Closed Center Load Sensing System， 闭式中心负荷传感系统）。 主泵溢流阀3设定主控阀之前的主油路安全压力，而卸荷阀4设定主控阀全部关闭时的空载压力。 LS旁通阀13用于防止负荷传感压力PLS急剧升高，还可以增强主控阀的动态稳定性。

执行元件中最高的负荷传感压力PLS，经LS梭阀链从LS油路9传到主泵的LS阀14左端，LS阀右端受到主泵出油压力PP的作用，负荷传感的压差ΔPLS＝PP－PLS控制主泵排量变化。LS阀的设定压力为2.2MPa，当主控阀开度增大或负荷压力增大到ΔPLS＜2.0MPa时，主泵排量增加；当主控阀开度减小或负荷压力减小到ΔPLS＞2.5MPa时， 主泵排量减小。

图2－21 CLSS系统的原理

1—前泵；2—后泵；3—主泵溢流阀；4—卸荷阀；5—合流／分流阀；6—主控阀；

7—执行元件；8—泵油路；9—LS油路；10—油箱油路；11—阀；12—弹簧；

13—LS旁通阀；14—LS阀；15—PC阀；16—压力补偿阀

在主控阀6的出口， 安装有压力补偿阀16， 用来平衡负荷。 当复合操作两个以上的执行元件时， 压力补偿阀使各主控阀节流的入口压力PP和节流阀口出口的压力PLS的压差ΔPLS保持相同，因此各执行元件7的进油流量是按其主控阀滑阀的开度来分配的， 与其负荷压力的高低无关。

小松的压力补偿阀如图2－22所示， 由止回阀2和活塞4及其内装的往复球阀3等组成。主泵压力PA经量孔a节流后，顶开主滑阀内装的单向球阀7，使执行元件进油腔C的负荷压力PC，经过量孔b和油道d传到梭阀6，成为负荷传感压力PLS，并且被引入压力补偿阀的D口。

图2－22 小松的压力补偿阀

1—泵；2—止回阀；3—球阀；4—活塞；5—弹簧；6—梭阀；7—单向球阀

在单独操作一个执行元件时，因为PC压力经过孔b、d节流减压而成为PLS，PLS＜PC，使球阀3向左移动。于是，PC压力油通过油沟e进入E腔， 再加上弹簧5的作用力， 就会将活塞4和止回阀2一起向右推移，关小压力补偿阀的节流口C。负荷压力PC越大，阀口C的开度越小。当动态的负荷压力PC＞PB时，阀口C关闭，起到高压止回阀的作用。

在复合操作时，若负荷压力PC高于其他执行元件的负荷压力， C腔压力PC将高于B腔压力PB，阀口C关闭，防止高负荷压力回传到B腔。

在复合操作时，若负荷压力PC低于其他执行元件的负荷压力，从LS梭阀6引到D口的最高负荷传感器压力PLS将大于PC，球阀3向右移动堵住C腔进油（见图2－23），PLS压力通过油沟e传到E腔，将活塞4向右推移，关小阀口C。负荷传感压力PLS越大，阀口C的开度越小。

图2－23 压力补偿阀的原理

1—泵；2—止回阀；3—球阀；4—活塞；5—弹簧；6—梭阀

阀口e的开度减小，将使主阀芯节流的下游（B腔） 压力PB增大。在设计时，取活塞4直径与止回阀2直径之比 （压力补偿面积比） 为1时，压力PB将变得与最高负荷传感压力PLS相同，即PB＝PLS。另一方面，泵的出口压力PA对所有执行元件都是相同的，PA＝PP。因此，主控阀节流口的压差ΔP＝PA－PB＝PP－PLS对所有动作的主控阀都是相同的， 主泵流量将按各滑阀的开口面积分配给复合作业的执行元件。

在铲斗阀和附件 （破碎头） 备用阀上， 采用了集成压力补偿阀。如图2－24所示， 一体式止回阀是将活塞与止回阀制成一体。 在阀口f关闭之前， 当铲斗液压缸 （底端） 和破碎头作业产生高的峰值负荷压力时， C腔的负荷压力不能进入弹簧腔E。 这样， 就可防止阀与阀座发生冲击而损伤阀口f。

图2－24 集成压力补偿阀

为了在爬陡坡时借助工作装置作业， 考虑到减小了行走马达的进油量， 图2－25中C腔压力小于E腔内的LS压力 （见图2－23）， 因此在行走电动机的主阀压力补偿阀中， 取消了图2－23中往复球阀3、活塞4及弹簧5， 采用了如图2－25中2所示的结构。

图2－25 行走压力补偿阀

1—变量泵；2—压力补偿阀芯

在CLSS系统中，负荷传感压力PLS通过LS阀14 （见图2－21）控制主泵变量。 由于挖掘机转盘的转动惯性力矩很大， 会产生很高的回转负荷压力。当复合操作回转与动臂举升时，若回转的PLS压力经LS梭阀链传入动臂举升的压力补偿阀， 如图2－23所示， 止回阀2将关小， 动臂液压缸进油量减小， 则要回转180°才能举升装车的高度。

为了改变装车作业时动臂举升慢而回转快的问题， 并希望回转90°就能完成动臂举升， 在LS梭阀链上设计有一个LS选择阀， 如图2－26所示。 图中， PPC是比例压力阀Proportional Pressure Control的简称， BP指的是PPC阀块的信号压力油口， 动升臂信号压力BP指在控制动臂上升的比例压力控制阀的信号压力油口。 当扳动动臂 （举升） 操作阀 （PPC） 时， 回转先导压力BP将推动活塞3和4， 使逆止阀1关闭回转的PLS压力进入LS梭阀链油道9的阀口，即使回转的PLS压力很高，动臂举升液压缸也只受动臂缸底端的PLS控制。同时，主泵的LS阀也不会因为引入过高的回转PLS压力而减小主泵流量，确保回转的同时有足够的油流入动臂液压缸。

图2－26 LS选择阀的功能

1—逆止阀；2—弹簧；3，4—活塞；5—油道

三、 力士乐的LUDV系统

在利勃海尔R900～R904挖掘机上， 采用了力士乐公司的LUDV系统 （Last Unabhangige Durchfluss Verteilung， 负荷传感分流器系统）。在山河智能的SWE85挖掘机上， 由力士乐A11V09主泵和SX14主控阀构成LUDV系统。

如图2－27所示，LUDV系统是一个单泵系统， 压力补偿阀A1、 A2位于主控阀后端，各主控阀进出油口的压差相等，即ΔP1＝ΔP2＝PP－PLS。

图2－27 LUDV系统原理

若斗杆液压缸动作需求的流量Q1＝200L／min，铲斗液压缸需求的流量Q2＝150L／min，而主泵供油的最大流量QP＝300L／min，系统将按以下比例给两个液压缸分配流量

300／（200＋150）＝0.85

这时， 斗杆缸的实际流量

QV1＝200×0.85＝172（L／min）

生产斗缸的实际流量

QV2＝150×0.85＝128（L／min）

在LUDV系统上， 执行元件进油流量的需求是通过主控滑阀的开度和主泵调节器上的负荷传感压力PLS控制的，与执行元件的负荷压力无关。

工作装置的主控阀如图2－28所示， 图中滑阀4处于空挡位置， P腔与P′腔不通。

图2－28 R904Li的主控阀

1—压力补偿阀；2—负荷保持阀；3—单向阀；4—滑阀

当滑阀向上移动时， 阀芯的K棱边进入P腔后， 主泵供油压力P经滑阀节流减压后进入P′腔， P′＜P。 压力油P′经量孔C和油道b，将顶开单向阀3，使执行元件进油接口A处压力，即负荷压力PC受量孔a、c节流后传至P′腔，PC＜P′。

若A口负荷压力PC瞬间为高压，则PC＞P′。P′腔的压力向左顶开压力补偿阀1的阀芯， 作用于负荷保持阀2的端面， 但是阀2另一侧受到PC压力的作用，负荷保持阀关闭，成为高压止回阀，阻止PC压力逆流到P′腔。 同时， P′压力经压力补偿阀1阀芯内的油孔节流后，进入负荷传感油道d，形成负荷传感压力PLS（见图2－29 （a））。对所有动作的执行元件的滑阀而言， 其P′腔的压力都是相同的， 即ΔP＝P－P′是相同的，各执行元件进口的流量按其滑阀的开度进行分配。

若A口负荷压力PC为低压，则PC＜P′。负荷保持阀2开启，经过滑阀节流后的泵压P′将进入PC腔。同时，从LS油路d传来的其他执行元件的较高的PLS压力将进入P′腔（图2－29 （b）） 进行压力补偿， 使各动作滑阀的P′腔压力相同， 因此ΔP＝P－P′仍然不变， 各执行元件进口的流量仍按其滑阀的开度进行分配。

图2－29 力士乐的压力补偿阀

（a） 高压位置； （b） 低压位置

四、 林德的LSC系统

在利勃海尔R914～R924型挖掘机和阿拉斯的2006～2306型挖掘机上， 都采用了林德公司的LSC系统 （Linde Synchronous Control， 林德同步控制系统）。 LSC系统也是一种完全的负荷传感控制系统， 具有抗流量饱和的能力， 即在执行元件的需求超过主泵最大流量时， 仍然可以自动实现各执行元件之间的瞬时同步动作。

如图2－30所示， 调节主泵20上的LS阀23.5的弹簧可设定负荷传感压差ΔPLS，一般ΔPLS为2.25～2.45MPa。在主控阀220上，除用阀芯223的开口节流调节执行元件235的进油量之外， 还利用压力补偿阀225和LS开关阀227， 来保持各阀芯223可变节流口两端的压差ΔPLS相同。102为主油路的溢流阀，101为负荷传感LS回路的卸荷阀。

图2－30 LSC系统原理

主控阀如图2－31所示， 当滑阀处于空挡位置时， 油泵供油压力P腔、 执行元件进油通道A腔、 回流至液压油箱的T腔及负荷传感压力LS腔全部被223阀芯关闭。 压力补偿阀225的输出 （A腔） 压力Pa与开关阀227的输出（LS腔） 压力PLS为零（略去油箱压力）。

图2－31 林德的VW系列主控阀

当主控阀223刚刚开启时，LS腔与开关阀227接通 （见图2－32）。如果其他主控阀在动作，LS腔的负荷传感压力PLS将通过开关阀227的节流孔e传到ⓒ室。阀芯223继续右移，直到控制棱边SA将A腔与压力补偿阀225内的ⓓ室接通。 执行元件A腔的压力从ⓓ室， 经过阀225的节流孔h和孔f， 传到阀225左端的ⓑ室， 压力补偿阀225右端仍然顶住主控阀223，阀225的控制棱边SK依旧闭合，隔断A腔与控制阀223内的ⓐ室， 维持A腔压力不变， 起到负荷保持的作用。

图2－32 负荷保持时的压力补偿阀

当主控阀行程加大直至控制棱边SP接通P腔与ⓐ室（见图2－33），泵压P经阀口节流后，在ⓐ室形成压力P′。P′压力通过压力补偿阀内m孔传到负荷传感LS腔，因此P′＝PLS。

图2－33 执行元件进油时的压力补偿阀

由于A腔压力经量孔9和h节流后才进入ⓑ腔， 只要ⓐ室形成的压力P′大于ⓑ腔压力Pⓑ， 即P′＞Pⓑ， 压力补偿阀225便会向左移动，其控制棱边SK打开ⓐ室到A腔的通道，这样主泵就可向执行元件进油腔A供油。因为各个动作的主控阀的ⓐ室压力P′＝PLS是相同的，这样阀口SP的节流压差ΔP＝P－PLS也就相同，通往A腔的流量仅与SP的节流截面积成正比。

在复合操作时， 两个主控阀同时动作， 如图2－34所示。 假如滑阀223向执行元件Ⅱ供油，则进油腔A1的负荷压力P1＝20MPa；滑阀243向执行元件供油，进油腔A2的负荷压力P2＝15MPa。

主泵压力

P＝P1＋ΔPLS＝20MPa＋2.3MPa＝22.3MPa

高压位置的主阀芯223内ⓐ室的压力P′， 经过m孔和开关阀227开启的活塞边缘，在LS腔建立负荷传感压力PLS

图2－34 复合作业时的主控阀

PLS＝P′＝P1＝20MPa

在低压位置的主阀243的LS腔压力PLS（＝20MPa），经量孔e节流后在开关阀247左端ⓒ室建立的压力Pⓒ，要大于A2腔的压力P2 （＝15MPa） 经量孔g节流后在开关阀247右端ⓓ室建立的压力Pⓓ，因此， 开关阀247向右移动， 关闭由A2通往ⓑ室的油道。 负荷传感压力PLS经量孔h和f孔传到ⓑ室，建立压力Pⓑ。

在林德的LSC系统中， LS梭阀链是通过开关阀来选取最高的负荷传感压力。如图2－34所示，此时PLS压力经由量孔h和m孔，传到ⓐ室。 主阀243的ⓐ室压力与主阀223的ⓐ室压力相同， 均为P′＝PLS。也就是说，阀口SP的节流压差ΔP1＝ΔPLS都是相同的，主泵流量在执行元件I和Ⅱ之间是按其各自阀口开度SP来分配的。

当负荷压力P2发生波动时，压力补偿阀245处于调节状态。

P2＝P－ΔP1－ΔP2＝22.3MPa－2.3MPa－5MPa＝15MPa

式中 ΔP2——压力补偿阀节流口的压差，由245阀的控制棱边SK调节。

当P2下降时，ⓐ室压力P′瞬间下降，而ⓑ室压力由PLS建立并未发生变化，压力补偿阀245向右移动，SK阀口关小，ΔP2加大，即可保持ΔP1＝ΔPLS不变。事实上，SK阀口关小后，泵压P就可对ⓐ室进行压力补偿，保持P′压力不变。当P2上升时，补偿阀245向左移动， SK阀口开大，ΔP2减小，仍可保持ΔP1＝ΔPLS不变。