液控负载敏感系统分析及其研究

王中伟

摘 要：文章对国外油路“闭中心负载敏感系统”工作原理进行了介绍，并分析了“闭中心”系统泵和阀的工作过程以及对各种工作状态进行了理论推导，依据理论分析在试验台上测试了数据，从而证明了“闭中心负载敏感系统”可按负载需要提供油液，功率损耗低，效率高。为国内中小型挖掘机使用“闭中心负载敏感系统”提供了理论依据。

关键词：负载敏感；流量；阀芯；负载敏感阀

1 引言

目前，液压挖掘机有两种油路：开中心直通回油六通阀系统和闭中心负载敏感压力补偿系统。国内厂家多采用“开中心”控制系统，而国外著名的挖掘机厂家基本上都采用“闭中心”系统。

本文重点研究及分析“闭中心负载敏感系统”，为国内在中小型挖掘机上使用负载敏感控制系统提供理论依据。

2 闭中心负载敏感系统原理

闭中心负载敏感系统简单来讲就是一种感受系统压力-流量需求，在载荷需要的工作压力下仅提供维持系统工作的必要流量，这样就可以起到节能的目的。“闭中心”系统原理如（图1）所示：首先需要一个变量柱塞泵，其次要有一个压力感应阀和换向阀。对于具有负载敏感控制的液压泵，它所输出的流量根据负载工况自动进行调节后仅提供负载实际运行所需流量，也就是液压泵将根据负载自动调节自身斜盘摆角来改变排量，满足系统对不同压力和流量的需求。系统负载所需的流量只与阀开口面积有关系。

3 液控负载敏感系统在各种状态下泵、阀工作方式的分析。

我们结合原理图来分析系统的工作过程。

液控负载敏感系统工作原理如图1。

3.1 当系统没有启动处于初始状态时变量柱塞泵在自身弹簧力的作用下，斜盘处在最大角度；在此情况下，液压泵准备在最大排量下工作，因此可向系统提供最大的流量如图1所示。

3.2 当系统启动电机或柴油机后

3.2.1 阀2封闭了泵输出的流量，流量仅仅流向阀3的右端克服阀3左端的弹簧力，当泵输出的流量产生的压力等于左端的弹簧力后，阀芯开始向左移动，阀3被接通流量通过阀3流向活塞Ⅱ当油液产生的压力加上活塞Ⅱ弹簧力等于活塞Ⅰ的弹簧力后，斜盘开始向最小角度附近摆动，泵输出较小的流量来维持变量柱塞泵的内部泄露，变量柱塞泵此状态被称为低压待机。工作状态如图2所示

由于阀2阀芯处于中位封闭，油液不能到达液压缸所以液压缸没有动作。

3.2.2 在此状态下如果阀2的a端输入控制油阀芯将会向右移动，泵输出的油液将会通过换向阀2的左端进入压力感应阀1左端后，推动压力感应阀阀芯向阀的右端移动接通整个系统的回路。这样泵输出的油液就可以到达油缸的A端面控制油缸活塞按照负载要求自由移动。在此状态下分析系统工作过程。

根据伯努利流量方程：

式中Q为通过阀芯孔口流量，C为阀芯流量系数，ρ为流体密度，A为先导操纵杆控制的阀2开口面积， △P为阀2进、出口压力差。可见C、ρ是常数，流量Q的大小取决于阀2的开度A与阀2的进、出口压差△P。

阀芯工作如图3所示

（1）假如阀2的a端输入的控制油压力维持不变，根据伯努利流量方程则阀2的开口面积A不变，根据以上公式可知，流过阀2的流量Q只与通过的压差△P有关系，我们来分析压差变化如何影响流量变化。

P端油液通过方向阀2和压力感应阀1 （压力感应阀的目的就是检测出负载的压力通过S端返回阀3，当有多个方向阀来控制多个负载时，压力感应阀就只是检测出最高压力来返回阀3）流到活塞缸的左端推动活塞向右移动。这样对于阀3来说，当调节螺钉左端调定一个Kx值后（通过调节螺钉可以根据客户系统需要设置不同的压差值），由于S3是定值，当负载T增加则P1增加，P1′增加，P3′增加，阀3阀芯向右移动，阀芯孔口减小，流量减小，由以上公式△P= P-P1可知，P值也要增加，阀芯在极短的时间内回到初始位置附近，同理P1减小，P值也要减小，也就是说不管负载如何变化，阀3阀芯开口是不变化的（理论上如此，实际上阀芯是在孔内一个点做高频振动），由图3可知在转速不变的情况下进入活塞Ⅱ的流量不变；斜盘摆角不会变化，泵输出的流量通过阀2保持不变，而且只输出比负载压力高出△P的油压，避免了系统的流量损失和过大的压力损失。

为了验证以上分析是否正确，我们在实验台通过做试验在输入泵转速不变的情况下将负载压力从5MPa增加到25MPa，在阀2的P1端接流量计后，实验数据记录如下表1：

表1

（2）假如阀2的a端输入的控制油压力增大，我们来分析此时各阀的受力运动情况，阀2的开口增大，根据伯努利流量方程面积增大，通过孔口的流量会增大，需要泵输出的流量增加，斜盘的摆角会增大；当阀2孔口增大的同时，通过阀2孔口的阻力减小，由图3可知，P1增加，P减小，阀3 左端的压力增加推动阀芯向右移动，孔口减小，通过阀3的流量减小，进入活塞Ⅱ的流量减小，所以斜盘要向大角度方向摆动，在转速不变的情况下，输出的流量增大。阀3的阀芯又在不同的地方处于动态平衡（以上情况是在极短的时间内完成的，由于阀3的弹簧刚度很大，当A变化引起的压力变化△P基本维持不变）。同理假如阀2的a端输入的控制油压力减小，在转速不变的情况下，输出的流量也会减小。因此对于阀3调定一个数值后，通过阀2的流量只与面积大小有关系，所以通过改变阀2的两端控制油的输入压力，完全可以控制负载的移动速度。

3.2.3 当油缸活塞继续向右移动到达油缸的最右端后

油缸不动后，油液很快在系统中停止流动，液压泵的出口油液处于封闭状态，压力升高；P1=P，根据以上对阀3的受力分析可知，阀芯3只在弹簧力的作用下恢复到初始状态对阀芯4的受力分析如下：

P×S4=Kx′

当P升高到P×S4>Kx′后阀芯4向左移动，接通泵输出的油液到活塞Ⅱ的底部，使斜盘摆向近乎为零排量的位置，液压泵停止供油，仅仅提供保持泵高压状态下的泄露。我们称泵处于高压待机状态；整个系统工作状态如图4所示。

4 结束语

通过对负载敏感系统的以上分析计算可以知道，负载敏感系统在主油泵三种工作状态下，泵输出的流量没有过多的浪费，使泵的供油压力始终高出负载压力一个较小压差△P。操作换向阀改变阀口开度，泵能自动调节并输出与负载速度要求想适应的流量，而与负载大小无关，实现泵输出功率与负载需要的匹配，极大提高了系统效率，达到了节能目的。输出的流量仅仅是提供给负载做功以及维持整个系统的泄漏；相对于以前的系统而言，避免了在高压下系统的溢流损失和过多的发热损失。

参考文献

[1]张利平.液压传动系统及设计[M]北京：化学工业出版社，2005.

[2]许福玲，陈尧明.液压与气压传动[M]北京：机械工业出版社，2007.

[3]黄宗益，挖掘机力士乐液压系统分析[J].上海：同济大学，2009.endprint

摘 要：文章对国外油路“闭中心负载敏感系统”工作原理进行了介绍，并分析了“闭中心”系统泵和阀的工作过程以及对各种工作状态进行了理论推导，依据理论分析在试验台上测试了数据，从而证明了“闭中心负载敏感系统”可按负载需要提供油液，功率损耗低，效率高。为国内中小型挖掘机使用“闭中心负载敏感系统”提供了理论依据。

关键词：负载敏感；流量；阀芯；负载敏感阀

1 引言

目前，液压挖掘机有两种油路：开中心直通回油六通阀系统和闭中心负载敏感压力补偿系统。国内厂家多采用“开中心”控制系统，而国外著名的挖掘机厂家基本上都采用“闭中心”系统。

本文重点研究及分析“闭中心负载敏感系统”，为国内在中小型挖掘机上使用负载敏感控制系统提供理论依据。

2 闭中心负载敏感系统原理

闭中心负载敏感系统简单来讲就是一种感受系统压力-流量需求，在载荷需要的工作压力下仅提供维持系统工作的必要流量，这样就可以起到节能的目的。“闭中心”系统原理如（图1）所示：首先需要一个变量柱塞泵，其次要有一个压力感应阀和换向阀。对于具有负载敏感控制的液压泵，它所输出的流量根据负载工况自动进行调节后仅提供负载实际运行所需流量，也就是液压泵将根据负载自动调节自身斜盘摆角来改变排量，满足系统对不同压力和流量的需求。系统负载所需的流量只与阀开口面积有关系。

3 液控负载敏感系统在各种状态下泵、阀工作方式的分析。

我们结合原理图来分析系统的工作过程。

液控负载敏感系统工作原理如图1。

3.1 当系统没有启动处于初始状态时变量柱塞泵在自身弹簧力的作用下，斜盘处在最大角度；在此情况下，液压泵准备在最大排量下工作，因此可向系统提供最大的流量如图1所示。

3.2 当系统启动电机或柴油机后

3.2.1 阀2封闭了泵输出的流量，流量仅仅流向阀3的右端克服阀3左端的弹簧力，当泵输出的流量产生的压力等于左端的弹簧力后，阀芯开始向左移动，阀3被接通流量通过阀3流向活塞Ⅱ当油液产生的压力加上活塞Ⅱ弹簧力等于活塞Ⅰ的弹簧力后，斜盘开始向最小角度附近摆动，泵输出较小的流量来维持变量柱塞泵的内部泄露，变量柱塞泵此状态被称为低压待机。工作状态如图2所示

由于阀2阀芯处于中位封闭，油液不能到达液压缸所以液压缸没有动作。

3.2.2 在此状态下如果阀2的a端输入控制油阀芯将会向右移动，泵输出的油液将会通过换向阀2的左端进入压力感应阀1左端后，推动压力感应阀阀芯向阀的右端移动接通整个系统的回路。这样泵输出的油液就可以到达油缸的A端面控制油缸活塞按照负载要求自由移动。在此状态下分析系统工作过程。

根据伯努利流量方程：

式中Q为通过阀芯孔口流量，C为阀芯流量系数，ρ为流体密度，A为先导操纵杆控制的阀2开口面积， △P为阀2进、出口压力差。可见C、ρ是常数，流量Q的大小取决于阀2的开度A与阀2的进、出口压差△P。

阀芯工作如图3所示

（1）假如阀2的a端输入的控制油压力维持不变，根据伯努利流量方程则阀2的开口面积A不变，根据以上公式可知，流过阀2的流量Q只与通过的压差△P有关系，我们来分析压差变化如何影响流量变化。

P端油液通过方向阀2和压力感应阀1 （压力感应阀的目的就是检测出负载的压力通过S端返回阀3，当有多个方向阀来控制多个负载时，压力感应阀就只是检测出最高压力来返回阀3）流到活塞缸的左端推动活塞向右移动。这样对于阀3来说，当调节螺钉左端调定一个Kx值后（通过调节螺钉可以根据客户系统需要设置不同的压差值），由于S3是定值，当负载T增加则P1增加，P1′增加，P3′增加，阀3阀芯向右移动，阀芯孔口减小，流量减小，由以上公式△P= P-P1可知，P值也要增加，阀芯在极短的时间内回到初始位置附近，同理P1减小，P值也要减小，也就是说不管负载如何变化，阀3阀芯开口是不变化的（理论上如此，实际上阀芯是在孔内一个点做高频振动），由图3可知在转速不变的情况下进入活塞Ⅱ的流量不变；斜盘摆角不会变化，泵输出的流量通过阀2保持不变，而且只输出比负载压力高出△P的油压，避免了系统的流量损失和过大的压力损失。

为了验证以上分析是否正确，我们在实验台通过做试验在输入泵转速不变的情况下将负载压力从5MPa增加到25MPa，在阀2的P1端接流量计后，实验数据记录如下表1：

表1

（2）假如阀2的a端输入的控制油压力增大，我们来分析此时各阀的受力运动情况，阀2的开口增大，根据伯努利流量方程面积增大，通过孔口的流量会增大，需要泵输出的流量增加，斜盘的摆角会增大；当阀2孔口增大的同时，通过阀2孔口的阻力减小，由图3可知，P1增加，P减小，阀3 左端的压力增加推动阀芯向右移动，孔口减小，通过阀3的流量减小，进入活塞Ⅱ的流量减小，所以斜盘要向大角度方向摆动，在转速不变的情况下，输出的流量增大。阀3的阀芯又在不同的地方处于动态平衡（以上情况是在极短的时间内完成的，由于阀3的弹簧刚度很大，当A变化引起的压力变化△P基本维持不变）。同理假如阀2的a端输入的控制油压力减小，在转速不变的情况下，输出的流量也会减小。因此对于阀3调定一个数值后，通过阀2的流量只与面积大小有关系，所以通过改变阀2的两端控制油的输入压力，完全可以控制负载的移动速度。

3.2.3 当油缸活塞继续向右移动到达油缸的最右端后

油缸不动后，油液很快在系统中停止流动，液压泵的出口油液处于封闭状态，压力升高；P1=P，根据以上对阀3的受力分析可知，阀芯3只在弹簧力的作用下恢复到初始状态对阀芯4的受力分析如下：

P×S4=Kx′

当P升高到P×S4>Kx′后阀芯4向左移动，接通泵输出的油液到活塞Ⅱ的底部，使斜盘摆向近乎为零排量的位置，液压泵停止供油，仅仅提供保持泵高压状态下的泄露。我们称泵处于高压待机状态；整个系统工作状态如图4所示。

4 结束语

通过对负载敏感系统的以上分析计算可以知道，负载敏感系统在主油泵三种工作状态下，泵输出的流量没有过多的浪费，使泵的供油压力始终高出负载压力一个较小压差△P。操作换向阀改变阀口开度，泵能自动调节并输出与负载速度要求想适应的流量，而与负载大小无关，实现泵输出功率与负载需要的匹配，极大提高了系统效率，达到了节能目的。输出的流量仅仅是提供给负载做功以及维持整个系统的泄漏；相对于以前的系统而言，避免了在高压下系统的溢流损失和过多的发热损失。

参考文献

[1]张利平.液压传动系统及设计[M]北京：化学工业出版社，2005.

[2]许福玲，陈尧明.液压与气压传动[M]北京：机械工业出版社，2007.

[3]黄宗益，挖掘机力士乐液压系统分析[J].上海：同济大学，2009.endprint

摘 要：文章对国外油路“闭中心负载敏感系统”工作原理进行了介绍，并分析了“闭中心”系统泵和阀的工作过程以及对各种工作状态进行了理论推导，依据理论分析在试验台上测试了数据，从而证明了“闭中心负载敏感系统”可按负载需要提供油液，功率损耗低，效率高。为国内中小型挖掘机使用“闭中心负载敏感系统”提供了理论依据。

关键词：负载敏感；流量；阀芯；负载敏感阀

1 引言

目前，液压挖掘机有两种油路：开中心直通回油六通阀系统和闭中心负载敏感压力补偿系统。国内厂家多采用“开中心”控制系统，而国外著名的挖掘机厂家基本上都采用“闭中心”系统。

本文重点研究及分析“闭中心负载敏感系统”，为国内在中小型挖掘机上使用负载敏感控制系统提供理论依据。

2 闭中心负载敏感系统原理

闭中心负载敏感系统简单来讲就是一种感受系统压力-流量需求，在载荷需要的工作压力下仅提供维持系统工作的必要流量，这样就可以起到节能的目的。“闭中心”系统原理如（图1）所示：首先需要一个变量柱塞泵，其次要有一个压力感应阀和换向阀。对于具有负载敏感控制的液压泵，它所输出的流量根据负载工况自动进行调节后仅提供负载实际运行所需流量，也就是液压泵将根据负载自动调节自身斜盘摆角来改变排量，满足系统对不同压力和流量的需求。系统负载所需的流量只与阀开口面积有关系。

3 液控负载敏感系统在各种状态下泵、阀工作方式的分析。

我们结合原理图来分析系统的工作过程。

液控负载敏感系统工作原理如图1。

3.1 当系统没有启动处于初始状态时变量柱塞泵在自身弹簧力的作用下，斜盘处在最大角度；在此情况下，液压泵准备在最大排量下工作，因此可向系统提供最大的流量如图1所示。

3.2 当系统启动电机或柴油机后

3.2.1 阀2封闭了泵输出的流量，流量仅仅流向阀3的右端克服阀3左端的弹簧力，当泵输出的流量产生的压力等于左端的弹簧力后，阀芯开始向左移动，阀3被接通流量通过阀3流向活塞Ⅱ当油液产生的压力加上活塞Ⅱ弹簧力等于活塞Ⅰ的弹簧力后，斜盘开始向最小角度附近摆动，泵输出较小的流量来维持变量柱塞泵的内部泄露，变量柱塞泵此状态被称为低压待机。工作状态如图2所示

由于阀2阀芯处于中位封闭，油液不能到达液压缸所以液压缸没有动作。

3.2.2 在此状态下如果阀2的a端输入控制油阀芯将会向右移动，泵输出的油液将会通过换向阀2的左端进入压力感应阀1左端后，推动压力感应阀阀芯向阀的右端移动接通整个系统的回路。这样泵输出的油液就可以到达油缸的A端面控制油缸活塞按照负载要求自由移动。在此状态下分析系统工作过程。

根据伯努利流量方程：

式中Q为通过阀芯孔口流量，C为阀芯流量系数，ρ为流体密度，A为先导操纵杆控制的阀2开口面积， △P为阀2进、出口压力差。可见C、ρ是常数，流量Q的大小取决于阀2的开度A与阀2的进、出口压差△P。

阀芯工作如图3所示

（1）假如阀2的a端输入的控制油压力维持不变，根据伯努利流量方程则阀2的开口面积A不变，根据以上公式可知，流过阀2的流量Q只与通过的压差△P有关系，我们来分析压差变化如何影响流量变化。

P端油液通过方向阀2和压力感应阀1 （压力感应阀的目的就是检测出负载的压力通过S端返回阀3，当有多个方向阀来控制多个负载时，压力感应阀就只是检测出最高压力来返回阀3）流到活塞缸的左端推动活塞向右移动。这样对于阀3来说，当调节螺钉左端调定一个Kx值后（通过调节螺钉可以根据客户系统需要设置不同的压差值），由于S3是定值，当负载T增加则P1增加，P1′增加，P3′增加，阀3阀芯向右移动，阀芯孔口减小，流量减小，由以上公式△P= P-P1可知，P值也要增加，阀芯在极短的时间内回到初始位置附近，同理P1减小，P值也要减小，也就是说不管负载如何变化，阀3阀芯开口是不变化的（理论上如此，实际上阀芯是在孔内一个点做高频振动），由图3可知在转速不变的情况下进入活塞Ⅱ的流量不变；斜盘摆角不会变化，泵输出的流量通过阀2保持不变，而且只输出比负载压力高出△P的油压，避免了系统的流量损失和过大的压力损失。

为了验证以上分析是否正确，我们在实验台通过做试验在输入泵转速不变的情况下将负载压力从5MPa增加到25MPa，在阀2的P1端接流量计后，实验数据记录如下表1：

表1

（2）假如阀2的a端输入的控制油压力增大，我们来分析此时各阀的受力运动情况，阀2的开口增大，根据伯努利流量方程面积增大，通过孔口的流量会增大，需要泵输出的流量增加，斜盘的摆角会增大；当阀2孔口增大的同时，通过阀2孔口的阻力减小，由图3可知，P1增加，P减小，阀3 左端的压力增加推动阀芯向右移动，孔口减小，通过阀3的流量减小，进入活塞Ⅱ的流量减小，所以斜盘要向大角度方向摆动，在转速不变的情况下，输出的流量增大。阀3的阀芯又在不同的地方处于动态平衡（以上情况是在极短的时间内完成的，由于阀3的弹簧刚度很大，当A变化引起的压力变化△P基本维持不变）。同理假如阀2的a端输入的控制油压力减小，在转速不变的情况下，输出的流量也会减小。因此对于阀3调定一个数值后，通过阀2的流量只与面积大小有关系，所以通过改变阀2的两端控制油的输入压力，完全可以控制负载的移动速度。

3.2.3 当油缸活塞继续向右移动到达油缸的最右端后

油缸不动后，油液很快在系统中停止流动，液压泵的出口油液处于封闭状态，压力升高；P1=P，根据以上对阀3的受力分析可知，阀芯3只在弹簧力的作用下恢复到初始状态对阀芯4的受力分析如下：

P×S4=Kx′

当P升高到P×S4>Kx′后阀芯4向左移动，接通泵输出的油液到活塞Ⅱ的底部，使斜盘摆向近乎为零排量的位置，液压泵停止供油，仅仅提供保持泵高压状态下的泄露。我们称泵处于高压待机状态；整个系统工作状态如图4所示。

4 结束语

通过对负载敏感系统的以上分析计算可以知道，负载敏感系统在主油泵三种工作状态下，泵输出的流量没有过多的浪费，使泵的供油压力始终高出负载压力一个较小压差△P。操作换向阀改变阀口开度，泵能自动调节并输出与负载速度要求想适应的流量，而与负载大小无关，实现泵输出功率与负载需要的匹配，极大提高了系统效率，达到了节能目的。输出的流量仅仅是提供给负载做功以及维持整个系统的泄漏；相对于以前的系统而言，避免了在高压下系统的溢流损失和过多的发热损失。

参考文献

[1]张利平.液压传动系统及设计[M]北京：化学工业出版社，2005.

[2]许福玲，陈尧明.液压与气压传动[M]北京：机械工业出版社，2007.

[3]黄宗益，挖掘机力士乐液压系统分析[J].上海：同济大学，2009.endprint