负荷传感控制液压系统
武汉水利电力大学 董光源
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加习沁.)(.,(-心摘要 本文通过分析负荷传感控制特点 , 以 日本小松 P C Zo o 、 P C 2 20 挖掘机液压系统为典型 , 全
面分析其负荷传感 ( O L S S ) 液压控制原理 , 并简要介绍 P C 系列 O L S S 发展概况 。
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叙词 : 液压系统 负荷 传感控制
负荷传感控制及其特点
自 80 年代以来 , 液压新技术在工程机械
须域的应用取得长足的进步 。 它使液压系统在
充分满足机器功能的前提下 , 有着更佳的经济
性 、 可靠性和舒适性 。 其中 , 带负荷传感控制
(简称为 O L S S ) 的新型液压系统 , 在许多最
新开发的机器 L的出现和进一步发展 , 尤其引
人注 口 。
带负荷传感控制的液压系统 , 其动力元件
J电常是变量泵 。 所谓负荷传感控制 , 即通过某
种形式的传感器检测出的负荷变化信号 , 能对
仁泵的流量自动作相应的机一液调节 (或称流
墩补偿 ) , 使主换向阀 ( 负荷传感阀 ) 节流点
上的压差保持为常量 。 即泵的压力总是等于负
荷压力 一与节流压差之和 , 从而使得主泵的流量
始终 与换向阀上所调节的需要流量 ( 即阀开口
量 ) 相一致 。 它的主要优点具体
现在 :
( 1) 当执行元件不工作 ( 换向阀操作在中
位 ) 或液压缸运动至终点而换向阀仍在工作位
置时 , 能自动使变量泵处于 “零排量调节 ” , 仅
保持最低的输出流量 ( 以维持微小泄漏量 ) 和
工作压力 ( 以维持最小工作压差 ) , 即所谓 “待
命工作流量和工作压力 ” , 使得这时系统的环
流损失和操纵力减至最小 。
(2) 当执行元件工作而换向阀需操纵作节
流微调时 , 由于主泵输出流量与负载需要流量
(由阀开 口量控制 ) 始终处于最佳匹配 。 因
此 , 系统在运动中几乎无溢流损失 , 则系统效
率得到显著提高 。
(3) 由于执行元件的工作速度仅与换向阀
的开 「J量 成正 比例控制 , 而 与负荷变化无关
( 即使几个执行元件同时由一个泵供油时也如
此 ) 。 因此 , 提高了调节控制精度 , 增大 r 系
统 _ L 作刚度 。
由于负荷传感控制 O L S S 液压系统主 要
在 于节能 。 因此 , 又常称为节能型液压 系统 。
据有关资料统计 , 与普通液压系统相 比 , 采用
. 负荷传感控制 ‘ O L S S 液压系统 , 不仅能有效
地控制系统发热 , 而且还能使燃料 节约 10 %
一4 0 % 。
2 PC ZOO
、
P C 2 2 0挖掘机负荷传感控制
液压系统原理分析
该系统为双泵变量总功率调节 , 中位开式
负荷传感控制液压系统 ( 原理图如图 1 ) 。 系
统调定最大工作压力为 32 . SM P a 。
为达到轻便地操作 , 该系统分别采用手动
减压阀先导阀 ( 即 p p C 阀 ) 5 、 6 、 7 对相应
液动主换向阀 8 进行按 比例控制 , 即先导阀手
柄操作量与主换向阀开 口量大小相一致 。 控制
压 力 ( 3 . 2M P a) 由增压泵 3 通过蓄能器 4 提
供 。
增压泵除了直接向操作系统提供控制油
外 , 它还向主泵 1 的调节控制器提供控制油
源 。
执行元件的主换向阀呈并接的两个阀组 ,
左主泵 P A I 向回转 、 斗杆和右行走工作油路
— 2 0 -一 五程机械 , 199 5( l )
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主泵进行容积控制 ( 即总功率调节 ) 。 它接受
来 自 P A : 、 P A : 和 P 。信号 , 依靠这三个信号
压力之和与其弹簧力的平衡关系来控制 。 如系
统在轻载下工作时 , 由于 P A , 和 P A Z 均较
低 , 故 T V C 阀不能动作 ( 见图 l 位置 ) , 则
来自增压泵的控制压力 P S V 即为 T V C 阀的输
出压力 户。 。 因这时的 P 。 较大 ( 也即 P ec n 较
大 ) , 听以主泵的排量 q 也较大 。 反 之 , 当系
统在 重载 「工作时 , 由于 P A , 和 P A : 增大 ,
在克服弹簧力后使 T V C 阀换成节流位置 (负
载越大 , 节流作用越大 ) , 这使得 T V C 阀的
输出压力 p 。 下 降 , 导致主泵排量 q 也随之降
低 。 总功率调节特性为一双曲线 , 如图 3 所
示 。 通过 T V C 阀的调节 , 能使主泵的输人转
矩经常处于恒定状态 , 即 M 人 二f (p X 妇 -
常量 ( 也称恒力矩控制 ) 。 这时发动机的输人
转矩与液压主泵的输人转矩 , 进人最佳配合状
态 。 发动机的最大有效功率利用也处于最佳状
太
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;+ P ^ 2
而产生动作 。 由于在 N C 阀中的节流作用 ,
使得其输出的控制压力 P ec n 产生变化而控制
主泵的排量 , 达到主换向阀在中位操作及微调
操作中 , 以减少环流损失和溢流损失的作用 ,
同时还能使微调精度得到显著提高 。
C 、 、
图 4 C O 控制
重载
令 , 载
认、\
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图 3 总功率调节特性
切断阀 C O 用来对主泵进行单泵调节 。 当
主泵出 口负载压力达到接近溢流调定压力时 ,
该阀即换位产生节流作用 , 并随着负载压力刀
高而节流作用加大 , 使 C O 阀输出压力 p 。 减
小 , P二n 亦减小 , 于是主泵输出流量 q 也相
应减小 。 这种控制的结果 , 是使溢流功率损失
减小 , 如图 4 所示的 A B C 部分 。 这种情况一
般发生在液压缸到达终点 , 而又未及时地将主
换向阀切换成中位时进行的控制 。
闭合阀 N C 是根据主换 向阀的开 口 量 ,
通过喷嘴传感器检测 出的压 差信号 ( Pl 一八 , )
喷嘴传感器由节流喷嘴和溢流阀组成 。 溢
流阀的调定压力为 l . 6 M P a 。 现将通过喷嘴传
感器的 N C 控制工作原理 ( 如图 5 所示 ) 说
明如一下 :
(1) P N C一泵中位控制
当主换向阀 5 操作在中位时 , 主泵的流量
是由主换向阀的中位开式机能通向喷嘴传感器
6 。 这时由节流喷嘴 9 喷射形成较大的 p , 压力
作用于 N C 阀阀芯 1 1 的 L 端 。 由于溢流阀 7
儿乎不溢流 , 故溢 流阀出口 八 , 压力很小 ( 通
向油箱 , 接近于零 ) , 使压差 (Pl , 户 最 大 。
在 P , 压力小 于弹簧 12 压力与阀芯 1 1 下端 儿
压力之和时 , 阀芯 11 被推 下, 则 b 、 c 腔开「J
逐渐关闭 ( 产 生节流 ) , b 、 a 腔开 [:l ( 通 油
箱 ) 逐渐开 大 。 这样 , N C 阀的输出压 力
Pe cn 为最小 。 随着 P ec n 的值减至最小 , 则主
泵的排量亦最小 。 这时由于不是全流量而是最
小的流量在作环流 , 故中位时的环流损失也最
/J 、
。
(2 ) P F C
一日泵微动控制
当主换向阀 5 操作在工作位置时 , 若主换
向阀通向执行元件的开口量越大 (说明需要加
大执行元件的工作速度 ) , 则由主换向阀通向
喷嘴传感器 6 的开 口量就越小 (通过喷嘴传感
器的流量也越小 ) 。 这时由于有负载作用 , 喷
嘴传感器的溢流阀 7 是打开溢流的 , 故溢流阀
一 2 2 一一 J 一程机械 , 19 95门)
出口压力 P 、 比不溢流时大 。 而节流喷嘴 9 喷
射形成 的压力 P 。 也较小 , 所 以压差信号
仇一J ) 也越小 。 这样 , N C 阀阀芯 11 被推向
往上移动 , 使 b 、 c 腔开 口逐渐加大 (节流作
用越小 ) , 使 N C 阀输出压力 P ec n 越大 (通
过伺服阀使主泵斜盘倾角越大 ) , 则主泵排量
q 亦越大 。 这不仅减少了主溢流阀的溢流损
失 , 且主泵排量增大只随操纵杆的行程 ( 主换
向阀的开 口量 ) 成比例地增大 , 而与负载大小
的变化无关 , 这样使系统工作刚度大为改善 。
以下进一步简要介绍图 1 液动控制阀组中
的回转优先 (顺序 ) 阀 10 、 斗杆 竹流阀 1生和
直线行走阀 12 等的功能和控制原理 。
联 , 以保持同步 (直线行走 ) 。
该系统的斗杆与动臂动作 , 还可以控制
L O 和 H i 实现合流而获得两种工作速度 。
3 P C系列负荷传感控制液压系统发展
概况
444 一一一 555
CCCCCCCCCCCCC OOO T VCCC
33333333333
22222222222222222
近几年来 , 随着液压技术和微电子技术的
进一步发展 , 日本小松 P C 系列 O L S S 液压系
统经历着由低级到高级的发展阶段 。
早期 O L SS 液压系统均 为电气式 O L S S
液压系统 , 用液压泵动力控制代替传统的液压
阀控制 , 以达到节能的 目的 它能根据作业内
容选择 一种合适的动力方式 , 并 自动设立 一与这
种动力方式最适合的动力和发动机参数 ( 转速
等 ) 。 现在一般都在电气式 O L SS 基础上增装
了由微型计算机组成的控制箱 , 直接控制液压
操
纵阀
液压泵髯
图 5 N C 控制原理图
1
. 通油箱 2 . 伺服缸 3 . 伺服阀 4 . 5 . 主换向
阀 6 . 喷嘴传感器 7 . 溢流阀 8 . 油箱 9 节流喷
嘴 10 , 活塞 11 . 阀芯 12 . 弹簧 13 . 通向伺服阀
14
、 来自 C O 、 T V C 阀
呕呕又啊厄厄
控控制箱箱
若若微机 )))
电川器
图 6 P C 20 0 一5 型挖掘机 O L S S 液压控制系统
回转优先 (顺序 ) 阀是在同时操作回转与
斗杆时 , 该阀则 自动换向右位对斗杆油路产生
节流作用 , 以免大量油液流向斗杆 , 使回转速
度得到保证 。 斗杆节流阀走在斗杆 、 动臂或铲
斗同时操作时 , 对斗杆油路产生节流作用 , 以
保证同时操作的同步性 。 直接行走阀是为了防
止在行走中 , 因同时操作了回转 、 动臂 、 斗杆
和铲斗时 , 通过行走梭阀 13 来的控制油使其
自动换成左位 , 则这时左右行走工作油路相并
泵 的输出 , 则称电子式 O L S S 液压系统 ( 如
P C ZOO一5 型挖掘机 ) 。 这是 一种液压挖掘机 上
机电液一体化 , 具有代表性的新型节能系统 ,
如图 6 如示 。 它能有效地利用发动机的功率和
降低液压系统的损失 。 这种系统是用发动机的
转速传感器和高压喷油泵调速器杆角度检测传
感器 , 检测随主液压泵负载发生的发动机转速
变化 , 装有微机的控制箱接受该信号并加以计
算 。 然后将结果作为信号又输向 T V C 阀 , 通
过 T V C 阀使发动机的输出转矩与主液压泵接
受的转矩 , 经常处于最佳配合状态 。 另外 , 还
I二程机械 , 1995 ( l ) 一2 3一
由 N C 、 C O 阀分别控制主泵排量以减少液压
厂作业方式选择洲论 _ .
‘ :三种方式最 ( l:匹配机能
流量控制( p N C , p P C )机能
关闭(C O )机能解除 关自江(断 开 、机能
泵分离 扫t能
仅限 J几P C 20 0泵A V A N C E )
卜M L’c 系味
一一控制系统统
月月 泵控制系统统
月月提高挖掘 , , 系统统
日日自如戈速速系统统
自动 !暖机, 防过热
系统一
自动暖机机能
防 !1飞过热机能
回转控制系统 巨踌专锁定机能回车专停车, 制动机能
运行和更节能的目的 。 在此基础上 , 近年日本
小松又新开发出一种能对液压泵和发动机 (转
速 ) , 具有复合控制功能的动力控制系统 , 称
为智能型 O L S S 系统 ( 或 P E · M U C 系统 ) 。
它 由曾装在 P C 20O一3 型挖掘机上 的电子式
O L S S 液压系统发展而成 , 它可根据作业内容
周密设定动力和发动机转速 。 该系统是具有 8
种机能的机电液一体化系统 , 由 3 个辅助系统
构成 ( 发动机控制系统 、 泵控制系统和监控系
统 ) , 系统的机能应靠这些辅助系统的协调动
作来实现 , 其系统的复合控制框图 , 如图 7 所
不 。
行走控制系统 行走时泵的控制机能手动 ·自动换档机能 参考文献
自身诊断机能
图 7 P E . MU C 系统的机能
损失 。 这种系统能根据作业内容 ( 由操纵台发
出指令 , 有重挖掘 、 挖掘 、 平整和微动等作业
项目 ) 自动选择 H 、 S 、 L 三种动力方式 。 H
为 10 0% 利用发动机功率 , S 、 L 为区间动力
方式 (如 80 % 和 60 % 利用发动机功率 ) 。 但
电子式 O L S S 液压系统仍属于液压泵动力控
制范畴 。
为使动力控制进一步优化 , 以达到更安全
董光源等合编 . 液压传动和液力传动 北京 : 水
利电力出版社 , 19 91 , 5
牟洪海译 . 液压挖掘机用监测器 . 国外工程机
械 , 19 89 ( l )
陈典正译 . 工程机械用液压泵的技术发展动向.
国外工程机械 , 19 91 (6)
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董光源译 . 论工程机械液压系统节能 . 水利电力
科技 , 19 83 ( 3 )
(‘J女稿 日期 : 199 4刁4 一 11 )
之 厂公 之 佗 ‘ 己布, 之少i 、 <
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~ 乙公灼产沙弓扣句伽.),..)伽刃臼、叼自目自\叼储引份入勺自自伪呻(..)份、呼介、叫议消息 中国液气密工业协会液力传动分会变矩器专业委员会一届三次会议
于 I 夕夕4 年 11 月 刃 日一刁 2 月 2 日在天津召开 。 出席会议的有全国液力变矩器专业生
产企业 、 工程机械生产企业 、 高等院校 、 科研院所等数十个单位参加 。
会议开始 , 天津工程机械研究所所长李鹤鹏同志到会发表了热情的讲话 。 会上传达
了机械部基础装备司张志英司长在无锡召开的 “液气密行业振兴工作座谈会 ”上的讲话 。
会议期间作了液力元件
手册内容的宣贯 ; 进行了液力元件用密封件技术讲座 ; 传达
了液力分会一届四次理事会通过的关于产品质量工作和标准工作的文件 。 会上初步提出
了九五年应制仃 、 修仃的技术标准目录 。 与会代表在会上交流了改革开放以来企业的重
大发展和生产 、 管理方面的经验 。 拟定了一九九五年变矩器专业委员会许浚动内供稿
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— 2 4 — 工程机械 , 19 95( l )
C o n s tr u e t i o n M a c h i n e r y a n d E q u i Pm e n t
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m o u kl s u r fa e e o n N
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o f b l a d e IP r o fl l e a r e e lo s e t o t h o s e i n s t a nd a r d
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h im a r y d i s e u s si o n o n e n宙 o n m e n t P r e se r v a ti o n
e h a r a e t er o f e o n s tr u d i o n m a e h in e r y
R e q u i r e m e n t s i n e n v i r o nm e nt P r es e rva t io n
o f m e e h a n i e a l一e l e e t r i e Pr o d u e t s a r e b e i n g m o r e
a nd mo r e a t t a e h e d a t t e nt i o n t o b y a ll e o u nt r ie s
.
I n t h i s P a P e r , t h e d e fi n i t i o n o f e n v i r o nm e n t Pr e s
-
e r v a t io n e h a r a e t e r o f e o ns t r u e t i o n m a c h i n e ry
a nd r e l e v e nt r e g u l a t i o ns a nd er it e r i a i n d e
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u nt r i e s a r e d e s e r ib e d
.
C o m P r e h e ns i v e
m e ns u r e s t o im Pr o v e e n v ir o n m e n t P r e s e r v a t io n
e h a r a ct e r o f co ns t r uc t io n ma n h ine r y a r e Pr e s
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Ke y w o r d s : C o n s t r u e tio n m a ch ine r y N Oi se V i
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一3 8 — 工程机械 , 199 5( l )