負(fù)流量控制與正流量控制在液壓挖掘機(jī)中的應(yīng)用

姜 鵬，李經(jīng)天，宋海濤，鄒 偉，呂秀梅,3

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市生態(tài)環(huán)境治理發(fā)展有限公司，遼寧 阜新 123000；3.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000）

液壓挖掘機(jī)是一種在露天礦山連續(xù)開(kāi)采中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，主要適用于大型露天礦高效地開(kāi)采作業(yè)，具有高效連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前液壓挖掘機(jī)大多采用全液壓驅(qū)動(dòng)模式，最大量被采用的是開(kāi)式的液阻回路[2]。常見(jiàn)的多執(zhí)行器開(kāi)式液阻回路可以分為2大類(lèi)，一類(lèi)是不含定壓差減壓閥的簡(jiǎn)單液阻回路，另一類(lèi)是含有定差壓閥的負(fù)載敏感回路。與負(fù)載敏感系統(tǒng)相比，簡(jiǎn)單液阻回路構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗污能力強(qiáng)，元器件成本低，被廣泛應(yīng)用于露天礦上開(kāi)采過(guò)程中的大型工程機(jī)械中。

1 負(fù)流量控制回路

負(fù)流量控制回路（Negative Control System，負(fù)控制系統(tǒng)）是20 世紀(jì)70 年代開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)，因?yàn)槠淠苄Э偟膩?lái)說(shuō)比定流量系統(tǒng)高，被生產(chǎn)商廣泛采用[3]。如住友、加藤、斗山、現(xiàn)代、卡特等。在國(guó)內(nèi)中小型挖掘機(jī)上的應(yīng)用至今仍十分普遍。這個(gè)回路之所以被稱為負(fù)流量控制，是因?yàn)樗褂玫谋玫淖兞刻匦裕嚎刂茐毫υ礁撸瑒t泵的斜盤(pán)擺角越小，泵的排量越小，從而輸出流量越小。

1.1 負(fù)流量控制回路與工作原理

負(fù)流量控制原理圖如圖1。

圖1 負(fù)流量控制原理圖

負(fù)流量控制回路液壓系統(tǒng)包括負(fù)流量變量泵和六通換向閥。各組換向閥閥片之間，可并聯(lián)使用，閥V1與閥V2，可優(yōu)先使用，閥V1與閥V2對(duì)閥V3，也可串聯(lián)使用。換向閥在閥組的旁路通道出口處設(shè)有1個(gè)固定節(jié)流口J，此時(shí)旁路流量q0流過(guò)節(jié)流口J 時(shí)建立壓力p0，然后將p0引到泵變量機(jī)構(gòu)來(lái)控制泵的排量V。換向閥反饋回的壓力p0越低，泵的排量V則越大。換向閥的任一閥片開(kāi)啟都將減少q0，從而降低p0，相應(yīng)增大泵的排量V。同時(shí)，在多路閥中設(shè)有常閉式溢流閥作為安全閥[4]。

1.2 負(fù)流量控制回路的壓降

1）當(dāng)所有換向閥都在中位，泵提供的流量qP全部通過(guò)固定節(jié)流口J，旁路流量q0較高，因此，通過(guò)節(jié)流孔產(chǎn)生的壓力p0也較高，在控制壓力p0的作用下，則此時(shí)泵的排量V 較小。

2）當(dāng)閥V1切換到工作位，泵提供的流量qP經(jīng)過(guò)2 條通道回油箱——旁路通道流量q0和工作通道流量q1。泵提供的流量qP如何分配，則不僅取決于各節(jié)流口的大小，也取決于驅(qū)動(dòng)壓力pA1。而旁路通道流量q0又影響控制壓力p0，從而影響改變泵的排量V，從而影響qP[5]。

3）當(dāng)閥V1、閥V2切換到工作位，泵提供的流量qP，經(jīng)過(guò)3 條通道回油箱——旁路通道q0和工作通道q1、q2。如何分配，則不僅取決于各節(jié)流口的大小，也取決于驅(qū)動(dòng)壓力pA1和pA2。因此，各工作通道的工作流量還受到其他通道負(fù)載大小的干擾。

1.3 負(fù)流量變量泵

負(fù)流量變量泵是一個(gè)外控變量泵，變量機(jī)構(gòu)受外來(lái)的控制壓力控制，當(dāng)控制壓越高時(shí)，泵的斜盤(pán)擺角越小，泵排量越小，輸出的流量越小[6]。

負(fù)流量變量泵在控制壓力p0超過(guò)3.5 MPa 時(shí)，排量V 最小，幾乎為0。但若完全無(wú)流量，則控制壓力也不可能建立。因此，負(fù)流量控制系統(tǒng)不會(huì)工作在這個(gè)工況點(diǎn)。當(dāng)所有換向閥都在中位時(shí)，泵還是必須輸出一些流量，排量V 一般約為最大排量Vmax的10%，p0約為3.0 MPa。

在p0低于控制壓力臨界值p0min（1.0 MPa）時(shí)，排量就達(dá)到最大。因此，只要有1 個(gè)換向閥的旁路接近關(guān)閉，旁通流量q0接近0 時(shí)，泵就會(huì)達(dá)到最大輸出排量[7]。

1.4 負(fù)流量系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)過(guò)程

整個(gè)開(kāi)啟過(guò)程的時(shí)間順序如下：換向閥動(dòng)作→旁路口變小，導(dǎo)致泵出口壓力升高→泵出口壓力高于驅(qū)動(dòng)壓力后，有工作流量→旁路流量降低，控制壓力減小→泵排量變大。這就使得泵的排量控制永遠(yuǎn)滯后于換向閥的動(dòng)作。因此，操作時(shí)有滯后感，而且滯后隨負(fù)載不同而變化。為了克服上述缺點(diǎn)，可以采用正流量控制回路[8]。

2 正流量控制回路

正流量控制回路（Positive Control System）之所以被稱為正流量控制，是因?yàn)樗褂玫谋玫淖兞刻匦裕嚎刂茐毫υ礁撸瑒t泵的斜盤(pán)擺角越大，泵的排量越大，從而輸出流量越大[9]。正流量變量泵的變量特性與負(fù)流量變量泵正好相反。

2.1 正流量控制回路與工作原理

正流量控制原理圖如圖2。

圖2 正流量控制原理圖

正流量控制回路液壓系統(tǒng)包括正流量變量泵和六通液控?fù)Q向閥。推動(dòng)操作控制換向閥的主閥芯換向的液控先導(dǎo)手柄（先導(dǎo)式減壓閥），由于液控先導(dǎo)手柄為先導(dǎo)式減壓閥，會(huì)將手柄偏轉(zhuǎn)量成比例的轉(zhuǎn)化為主換向閥的換向先導(dǎo)控制回路中的先導(dǎo)控制壓力，此時(shí)，先導(dǎo)控制壓力便會(huì)推動(dòng)換向閥主閥芯移動(dòng)。從而達(dá)到六通換向閥換向的目的。同時(shí)，各操縱手柄的先導(dǎo)控制壓力，通過(guò)梭閥進(jìn)行壓力比較，選出最高的控制壓力pc。將控制壓力pc引到泵變量機(jī)構(gòu)的控制口，來(lái)控制泵的斜盤(pán)擺角，從而改變排量V。控制壓力pc越高，則泵的排量V 越大。當(dāng)pc=0時(shí)，V 最小，只輸出很少量的備用流量q0。當(dāng)換向閥在中位時(shí)，旁路可以讓讓多余的備用流量q0通過(guò)。同時(shí)，在多路閥中設(shè)有溢流閥作為安全閥[10]。

在正流量控制回路中，只要推動(dòng)先導(dǎo)液控手柄動(dòng)作，輸出控制壓力，泵排量就會(huì)隨之改變；同時(shí)，換向閥主閥芯也會(huì)隨之動(dòng)作，此時(shí)，換向閥的旁路口變小，工作口會(huì)打開(kāi)；泵出口壓力升高。

正流量控制回路還是使用六通換向閥，這點(diǎn)與負(fù)流量控制相同，只是沒(méi)有旁路出口的節(jié)流口J。因此，從負(fù)流量控制比較容易切換到正流量控制。

2.2 正流量控制回路的壓降圖

壓降狀況與負(fù)流量控制壓降圖相比，正流量控制回路無(wú)旁路節(jié)流口J。

1）當(dāng)所有換向閥都在中位，泵提供的流量qP全部通過(guò)主閥芯的中位時(shí)的T 口回油箱，此時(shí)背壓較低，控制壓力pc較低，在控制壓力pc的作用下，則此時(shí)泵的排量V 較小。

2）當(dāng)閥V1切換到工作位，旁路尚未關(guān)閉時(shí)，泵提供的流量qP經(jīng)過(guò)2 條通道回油箱——旁路通道流量q0和工作通道流量q1。泵提供的流量qP如何分配，則不僅取決于各節(jié)流口的大小，也取決于驅(qū)動(dòng)壓力pA1。而工作通道流量q1又影響控制壓力pc，從而影響改變泵的排量V，從而影響qP。

3）當(dāng)閥V1切換到工作位，旁路關(guān)閉時(shí)，泵提供的流量qP全部經(jīng)過(guò)工作通道流量q1回油箱。此時(shí)，工作通道流量q1又影響控制壓力pc，從而影響改變泵的排量V，從而影響qP。

4）當(dāng)閥V1、閥V2切換到工作位，旁路關(guān)閉時(shí)，泵提供的流量qP，經(jīng)過(guò)2 條通道回油箱——工作通道q1和工作通道q2。如何分配，則不僅取決于各節(jié)流口的大小，也取決于驅(qū)動(dòng)壓力pA1和pA2。同時(shí)通過(guò)梭閥比較pA1和pA2的大小，取最大值做為控制壓力pc反饋至變量泵，改變泵的排量。因此，各工作通道的工作流量還受到其他通道負(fù)載大小的干擾。

2.3 正流量變量泵

正流量變量泵是1 個(gè)外控變量泵，變量機(jī)構(gòu)受外來(lái)的控制壓力控制，當(dāng)控制壓越高時(shí)，輸出的流量越大[11]。正流量變量泵在控制壓力pc超過(guò)控制壓力臨界值時(shí)，排量V 會(huì)從極小開(kāi)始增加。在控制壓力pc達(dá)到3.5 MPa 時(shí)，泵的排量V 達(dá)到最大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)正流量控制和負(fù)流量控制液壓系統(tǒng)的分析，并通過(guò)在挖掘機(jī)上的多次試驗(yàn)，得到結(jié)論：負(fù)流量控制泵的排量控制永遠(yuǎn)滯后于換向閥的動(dòng)作，操作時(shí)有滯后感，而且滯后隨負(fù)載不同而變化。正流量控制回路中，只要推動(dòng)先導(dǎo)液控手柄動(dòng)作，輸出控制壓力，泵排量就會(huì)隨之改變；同時(shí)，換向閥主閥芯也會(huì)隨之動(dòng)作，響應(yīng)更迅速，但是正流量控制和負(fù)流量控制都存在復(fù)合動(dòng)作共同動(dòng)作時(shí)相互干擾現(xiàn)象，為了減少相互干擾的途徑，可以采用帶有定壓差閥的負(fù)載敏感系統(tǒng)。