第一节多路阀主油路液压系统
多路阀是工程机械液压系统的重要部件，它是组成液压系统的主要部分，确定了液压泵向各液压作用元件的供油路线和供油方式，多液压作用元件同时动作时的流量分配，如何实现复合动作，决定了工程机械作业时运动学和动力学的特性，动作优先和配合，合流供油和直线行走等。它的设计依据是能否更好地满足工程机械作业要求和工况要求。工程机械多路阀有采用通用的多路阀，但为了更好的满足工程机械的性能要求，不少工程机械采用专用多路阀，专用多路阀液压系统应该是由了解和熟悉工程机械的主机厂来设计。液压系统原理图设计好后，多路阀的结构设计、工艺制造设计可由主机厂委托液压件厂来生产制造。
一，多路阀基本類型
工程机械多路阀液压系统大致可分为两大类：开中心直通六通阀系统和闭中心四通阀（负载敏感阀）系统，两者差异较大，需要分别讨论。
1，多路阀各阀之间油路连接基本方式
多路阀各阀之间油路连接方式主要是液压泵压力油向各阀供油连接方式，供油方式不同则多路阀阀杆同时动作，实现多液压动作元件复合动作时，其运动特性和力学特性不同。多路阀内阀杆油路连通基本方式有串联式、并联式、优先式（串并联）三种。
2 2
1
12
2
1
1
2
2
1
1
（a）串联式（b）并联式（c）串并联式
图14 多路阀阀杆油路连接基本方式
1．串联式（图13（a）所示）
前联换向阀的回油口和后联换向阀的进油口相连，串联油路的特点可以实现两个和两个以上液压动作元件同时动作。液压泵的工作压力是同时工作液压元件压力的总和。
在初期挖掘机上曾采用过这种油路。但是挖掘机一般都在重负荷下工作，为了使结构紧凑，减轻重量，每个液压作用元件都按液压泵压力设计，不允许两个液压元件串联工作，因此串联油路目前在挖掘机上不采用。
2．并联式（图13（b）所示）
液压泵出口压力油并联供给各阀杆，各阀回油并联回油箱，并联油路特点是多路阀杆同时动作时，泵供油首先进入负荷压力最低的液压元件，负荷高的液压元件由于压力低不能动。要实现多液压元件同时动作，必须通过低负荷阀杆节流，提高系统油压，通过各阀杆开口量控制去各液压元件的流量来实现同时动作时的调速。因此并联方式要实现复合动作，须有高超的技术。但是不稳定，随各液压元件负荷变化情况和发动机转速等因素变化。可以说该油路实现同时复合动作较困难。
3．优先式（串并联式）（图13（c）所示）
液压泵出口压力油按上下油优先顺序供油，上游的阀杆打开进行工作时，就把下游阀杆的进油路切断了，因此下游阀就得不到液压泵压力油，就无法动作。优先阀回油路并联回油，虽然如果上游阀杆不在最大开度位置，部分油会通过节流口流向下流阀，存在下流阀控制的液压元件动作的可能性。但是严格来说优先油路只能一个液压作用元件动作。
2，多路阀中位卸载方式
（1）,开中心卸載:多路阀处于中位不工作时,液压泵所供压力油能通过各阀杆直接回油箱,各阀杆都处于进油口和回油口相通,也就是中位是开式的,我们称它为开中心.
（2,）闭中心通过卸载阀来卸载:多路阀在中位时,各阀杆进油口都处在关闭状态,液压泵所供压力油不能通过多路阀,被封闭的压力油,必須通过設立缷载阀来卸荷,多路阀中位是关闭的,所以称为闭中心.
第二节开中心多路阀主油路系统
一，开中心多路阀油路布置及表达方式
挖掘机作业装置复杂动作多，开中心多路阀应采用多种供油方式，除串联式不能采用外，一般采用并联式和优先式相组合的复合油路。
目前开式油路采用六通阀，有两条供油通路：
直通供油道：在阀杆中位时，该油道通，可通过各阀杆回油箱，实现中位卸载功能，该供油道是优先式油道，在各阀杆之间可组成优先油路，上游阀杆动作，切断此油道，下游阀杆得不到供油。
并联供油道：并联地向各阀杆供油，在各阀杆之间组成并联油路。
目前挖掘机多路阀上采用的开式油路都是两者组合油路，利用不同的组合方式，可以形成各种形式并联和优先复杂组合的油路系统。进一步还可以在直通供油道和并联供油道中加上液控阀和电控阀，可实现更为复杂供油关系的阀组，来满足挖掘机复杂多样的作业工况要求。
为了清晰了解和搞懂多路阀液压系统，深入理解其设计意图，必须把较复杂的多路阀液压系统图尽量简化，去粗取精，突出核心内容，能说明问题，便于理解分析和讨论。
对多路阀来说主要的是供油路线，液压泵是怎样向各阀供油的，它们的供油方式和供油关系。另外，各阀是怎样回油的，即回油路线和方式。多路阀主油路是各阀的供油和回游路线，一般回油路较简单，各阀杆都有一条回油道，彼此并联连接，不用表示都能理解。
在挖掘机多路阀中，集成了液压作用元件油路所需的阀，应该把这些属于各液压作用元件的油路部分取掉，把它们放入液压作用元件油路中去讨论。
我们将多路阀主油路以简图来表示，在简图中主要表达液压泵压力油如何通向各液压作用元件，因为供油方式决定液压传动特性，尽量减少液压线路,取除掉一些次要液压綫,把液压主要油路尽量以简洁明暸的方式,把它夲质问题表达出来,容易看懂，便于分析研究讨论在各种操纵情况下，可能的供油路线和供油方式，其液压传动路俴特点，其流量分配和功率分配是否符合挖掘机要求。
多路阀液压系统（主油路）简图如图14所示，各阀以长方块表达上面注明该阀控制的液压作用元件，图中只表示供油路线和供油有关的阀（以液压符号表示），将主压力阀也省略不画了。
川崎系列多路阀液压系统
现代R200LC-7 多路阀液压系统
供油路线：P1泵并联供油道通过D阀向回转阀供油，通过C阀向动臂合流阀和斗杆阀供油。C阀为回转优先阀。当回转和斗杆收缩同时动作，回转和动臂举升同时动作时，该阀由回转先导联动操纵或电磁阀操纵，使供向斗杆阀和动臂合流阀节流。
D阀为动臂优先阀，当回转和动臂（或斗杆）联合操纵，为降低回转速度采用动臂优先。采用开关型电磁阀可实现有级调节，比例型电磁阀可实现无级调节。
合流功能：
动臂提升时单向合流采用直通供油道，经动臂合流阀阀外合流，由动臂提升先导操纵油压P B联动操纵。斗杆合流采用双阀杆在阀外合流。铲斗合流：由用户任选，阀回油合流由铲斗先导操纵油压P k联动操纵A 阀。
行走直线性：采用直行阀分泵供油方式。
图16 现代R200LC-7多路阀液压系统
（二）开中心多路阀液压系统归纳总结
从以上分析可知，开中心六通阀液压系统，要解决双泵合流，作业和行走同时动作直线性等问题，要满足液压挖掘机各种作业工况要求，实现理想的复合动作都较困难的。为此设计师动了不少脑筋，想了不少措施，增加了各种控制阀，也采用各种控制方法，例如：液压系统连动操纵；设定作业工况用电磁阀来控制；当然，也可以采用微机来控制。但是由于开中心六通阀液压系统本身特性所决定，要实现复合动作满足各作业工况要求是困难和不理想的，要更好的满足各种作业工况复合动作要求，最好采用中位闭式负载感应压力补偿系统，并充分利用电子控制技术。现将开中心多路阀液压系统特点归纳总结如下：
（一）多路阀的阀组分块和分泵供油，每一阀组有二条供油道、直通供油道和并联供油道。直通供油道可实现优先供油，并联供油道可实现并联供油。在设计多路阀时可灵活应用使阀和阀之间组成优先关系或并联关系。
（二）为了满足多种作业工况复合动作要求，还需采用简单的通断型二位二通阀和插装阀，把油从某一油路直接引到另一油路，并往往采用单向阀防止油反流，沟成单向通道。采用了这个措施，使设计自由度大大增加，可实现更复杂的供油关系，以满足工况需要。
通断阀操纵有以下三种方式：
1.采用操纵阀的先导操纵油连动操纵，先导操纵油在控制操纵阀杆移动的同时，连动操纵通断
阀。
2.采用操纵阀中增加一条油道，作为控制通断阀的油道，这样在操纵操纵阀的同时，也操纵了
通断阀的开和闭。
3.采用电磁阀操纵。
为了实现复杂的供油关系，有时需将以上几种通断阀操纵方式同时应用。
（三）开中心多路阀系统在并联供油给多个液压作用元件时，需解决向谁优先供油问题，例如：动臂优先、回转优先等，在该系统中解决的方法是对非优先供油的油路加上节流装置，采用固定的节流孔或可变节流孔。固定节流孔结构简单，但调节性能差，不能适应工况变化的要求，可变节流孔调节性能好，能适应工况变化的要求，但结构复杂，一般需要采用电液比例控制，通过人手动电操纵或微机自动操纵。
（四）开中心多路阀一般采用双泵或三泵，有些液压作用元件（动臂、斗杆和铲斗）所需功率大，要合流供油，该系统采用二种合流方式：
1.阀内合流：例如双泵合流供给一个阀杆，由该阀杆控制供油给所需合流的液压作用元件，双
泵合流的油通过一个阀杆供油，该阀杆的孔径设计需考虑多泵供油所需的流通面积。
2.阀外合流：例如双泵分别通过一个阀杆，在阀杆外合流供油给所需合流的液压作用元件，这
样，操纵阀就要增加一个阀杆。并且这两阀杆要连动操纵。显然操纵阀结构要复杂些，体积
要大些，但由于流经阀杆的是单泵流量，阀杆孔径可小，而且有可能与其他阀杆通用。（五）作业装置同时动作时行走直线性问题，在开中心多路阀系统有以下三种方式：
1.三泵系统：左右行走马达由单独一个泵供油，剩下一个泵供作业装置。
2.采用二位二通阀，使左右行走马达组成并联油路，此方法结构很简单，不足之处是行走和作
业同时动作，行走和作业是并联供油关系，因此作业装置动作将引起行走速度波动。
3.采用直行阀，由一泵单独供行走（并联供油），另一泵单独供作业，两者相互独立，因此作业
装置动作不会引起行走速度波动。
有些直行阀在直行位置作业和行走同时动作时，作业油路可通过单向阀和节流孔供油给行走，这样作业装置油路多余的油可供给行走马达，以增加行走速度。
（三），开中心六通多路阀存在的问题
工程机械初期曾广泛采用六通多路阀，有二条供油路，直通供油路可组成优先油路，中位时直通回油箱进行卸载。并联供油路，组成并联油路。把二种油路采用各种方式组合起来，就构成了复杂多变的工程机械油路。
（二）操纵阀的开口特性和调速特性
操纵阀在中位时泵压力油P通过直通油道，通过各阀，最后回油箱T，执行器动作时P
其调速是采用旁路节流和进油节流的组合，其调速作用是通过阀杆节流，控制去油缸和回油箱的开口量来实现的，如图2（b）所示。
由于是靠回油节流建立的压力来克服负载压力，因此调速特性受负载压力和油泵流量的影响，如图2（c）所示，图中①表示低负载，②表示高负载。当滑阀行程一定，负荷压力增大，去油缸的流量减小，如图2（d）所示。
从图2(c)开中心阀的調速特性可知:开中心油路油缸起动的阀杆行程与负荷压力和泵的流量有关.随着负载压力增加和液压泵流量的减少，阀杆调速的死区（空行程）增大，而阀杆有效调速范围的行程减小,轻负载时調速区域行程大,操纵性能较好;重负载时,調速区域行程小,调速特性曲线（流量随行程变化）变陡，阀杆行程稍有变化，流量变化大,操纵性能差,当操纵阀杆行程一定保持不变,但由于负载变化和泵流量改变也会引起油缸速度变化，使调速操作性能差。这是开式油路的一大缺点。
工程机械工作过程负载压力是不稳定变化着的，液压泵的流量也在不断变化，因此使其调速操作性能很不稳定，操纵困难。而且阀杆操纵力大，由于负荷压力变化引起阀口ΔP变化，液动力变化造成阀杆操纵力改变，操纵力的不规则性，使微调控制更加困难。
开式油路操纵性能另一缺点是：当一泵供多个执行器同时动作时，因液压油是向负载轻的执行器流动，需要对负载轻的执行器控制阀杆进行节流，特别是像工程机械这类机械，各执行器的负荷时刻在变化，但又要合理地分配流量，能相互配合实现所要求复合动作，是很难控制的，操纵性差。
另外开中心直通型油路由于很难控制去各执行器的流量，要适应工程机械各种作业工况的流量分配要求和实現理想的复合动作是困难的.为此,設计师对开中心多路阀油路系统动了不少脑筋,采用了各种措施,不得不在多路阀中加上各种控制阀(例如通断型二位二通阀和插装阀等),来改变供油关系.，因此有些工程机械不能采用通用多路阀，而必须采用专用多路阀，其结构很复杂。
总之，这类油路可控性差，司机要精确控制工作装置是很困难的，全靠司机感觉、经验和临场发挥。因此司机操作要求注意力高度集中，其精神负担和心理负担是很重的。
第三節中位闭式负载敏感和压力补偿油路
液压传动存在的问题：
液压传动是工程机械理想的传动装置，工程机械的进步和发展依赖液压技术。目前工程机械是液压工业最大的市场，液压件一半以上用于工程机械，工程机械对液压技术提出了很高的要求，液压技术的发展主要是满足工程机械的需要，液压技术的水平主要体现在工程机械上，例如：液压件的大型化、小型化和高压化等，最高使用压力已达70MPa。工程机械和液压技术两者互相促进共同发展。
因此有必要深入分析液压传动的特点及其存在的问题，工程机械对液压传动所提出的要求，以便进一步提高和改进液压传动的性能。
液压传动通过管道连接传递能量，恰如生物血管，只需管路就能把能量输送到需要的地方。给设计布置上带来了很大的灵活性和方便性，液压传动容易实现各种运动形式，很适合工程机械多处需要动力，多作业装置，实现复杂运动的要求。
液压传动传递的功率密度大（单位体积或单位重量所传递的功率）、结构紧凑、重量轻，适合工程机械强劲有力，重型大马力的要求。
液压传动具有优良的传动性能，传动平稳，易防止过载，调速简单，具有无级变速性能，维修简单，使用寿命长等，能很好地满足工程机械的传动性能要求。
液压传动具有良好的操纵控制性能，液压是机械和电子的接口，电液控制是机电信一体化的关键技术。
但是液压传动存在着不尽人意的不足之处，有的已经改进，还有待解决的问题需进一步动脑筋。在工程机械使用过程中存在着以下需解决的问题。
1.节能要求：适应负载变化提供负载所需要的液压功率（流量和压力），尽量减少流量和压力损失，将节流调速改变为以容积调速为主，特别按负载需要提供负载所需的流量。要求液压系统能反向吸收作业装置的能量，具有能量再生利用的储能功能。
2.调速要求：希望操纵阀控制调速时，不受负载压力变化和油泵流量变化的影响，能按人的操纵指示来调速。
3.复合动作操纵要求：单泵供多执行器：当多执行器同时动作时，要求相互不干涉，能够操纵各执行器按所需流量供油。合理地分配流量，实现理想复合动作。
4.液压泵（单泵或多泵）和原动机的匹配问题：能充分利用原动机的功率，保持在发动机最大功率点工作，同时能防止发动机熄火；为了节能，要求液压泵和发动机联合工作在最经济点上。
5.单泵供多执行器压力损失问题：当单泵供几个执行器时，根据帕斯卡原理，系统压力由克服最大负荷所需压力来确定，因此供给负荷较低的油路中，必然存在压力损失，能不能利用电路中变压器这样东西来解决这个问题，人们正在探索。
上述的液压传动存在的问题，需要人们解决，推动着液压技术的发展，其中有些问题已解决，60年代提出了液压传动和控制的新概念——负载敏感（Load Sensing）和压力补偿（Pressure Compensation），就是解决节能、调速和复合动作等的一项技术措施。
一负载敏感和压力补偿概念
为了降低液压系统能耗,提高机械生产效率,改善系统可控性,降低系统油温,延长液压系统寿命,20世纪五六十年代提出的液压传动和控制的新概念:负载敏感和压力补偿.負载敏感和压力补偿尚未有明确的定必义.人们有广义的理解和狭义的理解,还有待于液压界明确,这里仅談一些作者看法。
（一）负载敏感：
负载敏感是一个系统概念，因此应称为负载敏感系统,由于概念上的模糊性,作者认为宜从广义性来理解,，可把它看作是一个意义广泛的名词。（即广义的负载敏感）。
负载敏感通过感应检测出负载压力，流量和功率变化信号，向液压系统进行反馈，实现节能控制、流量和调速控制、恒力矩控制、力矩限制、恒功率控制、功率限制、转速限制、同时动作和与原动机动力匹配等控制的总称。负载敏感系统所采用的控制方式包括液压控制和电子控制。
从负载敏感系统的液压元件来看可分：
负载敏感阀：将压力、流量和功率变化信号，向阀进行反馈，实现控制功能的阀。
负载敏感泵：将压力、流量和功率变化信号，向泵进行反馈，实现控制功能的泵和马达。
(二) 压力补偿：
开中心油路系统的主要缺点是:司机不能按自巳的愿望通过操纵多路阀阀杆来确切地控制去液压作用元件的流量,因此难以控制挖掘机的作业动作,操纵性差.这个问题是六通阀調速方式所决定的,要解决此问題,必須改变操纵阀的調速方式.
人们从調速阀工作原理中获得启示：調速阀是对节流閥进行压力补偿,調速阀是定差压力阀(減压阀或溢流阀)和可調节流阀串联组成,如图所示.可以定差压力阀在前,节流阀在后;也可以节流阀在前,定差压力阀在后.
将节流阀进出口压力P1和P2分別引到定差压力阀阀芯的两端,由定差压力阀使节流阀前后压差 P=P1-P2保持一定.
通过节流阀的流量为:Q=CA
式中:C为流量系数,A为节流阀口通流面积,当 P为定值时,則流量Q仅取决于A.不受负载压力变化和液压泵流量变化的影响,具有自动补偿功能.
将压差设定为规定值进行的自动控制都叫压力补偿。
压力补偿流量控制：不受负荷压力变化和液压泵流量变化的影响，由设定节流压差值
对流量进行自动控制，称为压力补偿流量控制。 在多路阀节流调速中，根据流量基本计算式，p k Q ?=,在多路阀阀杆进出口設置定差压力阀,使阀杆进出口压差保持不变（=?p 常数），只要通过改变阀杆行程来调节阀的开口面积（反映在k 上）,就能通过改变阀的开度，不受负载和液压泵流量影响，改变和控制流量，利用流量控制阀的原理来进行调速..
在变量泵变排量控制系统,設置泵变排量定差調压阀(压力补偿器),使泵的出口油压和最高液压作用元件的油压之问保持一定,对泵的排量(流量)进行調节.
(三) 负载敏感压力补偿基本组成原理
负载敏感压力补偿基本组成如图 所示,由以下基本部分组成:
控制和确定去液压作用元件流量的节流机构(节流孔等).
检出压差的負载感应阀.
提供必要流量和压力的变量泵(实现按需供油).
图 4 负载敏感压力补偿的基本组成
操作者通过节流机构,調节节流口(阀杆)开度,控制去液压作用元件的流量.负载感应阀感知节流口的进出口压力差,发出控制信号使变量泵按指令提供负载所需的流量和压力.用压力阀使油路中的压差(泵出口油压和負载油压之间的压差)保持一定来調节泵的流量.即在保持油路压差一定的条件下,改变操纵阀开口的节流程度,来調节供给液压作用元件的流量,同时发出压力信号给变量泵,改变泵排量提供相匹配的流量.
二，初期的负载敏感阀系统：该系统采用四通阀，并联供油
（一）
该负载敏感系统由定量泵、阀组入口溢流阀型压力补偿器、操纵阀杆可变节流器和梭阀网络组成。在四通多路阀组入口处设旁通型压力补偿流量控制阀（又称溢流阀型压力补偿器或三通压力补偿器），其工作原理和调速阀相同，在定差溢流阀后，设节流阀组成调速阀。
操纵阀杆可控的开口面积变化起可变节流阀作用（如图3b 所示）。
操纵阀的进口压力和经操纵阀杆节流去液压作用元件的压力分别引到定差溢流阀阀心的左右两端。当操纵阀多阀杆同时动作时，通过梭阀网络检出执行器中负荷压力最高的压力，作用到定差溢流阀的右端。 通过操纵阀的流量γp
g a c Q ???=2
式中：c ：流量系数，a ：节流开度（与阀行程有关），g ：重力加速度，
γ：油的比重，Δp ：补偿阀压差
其中c ，g ，γ可认为是常数，则p ka Q ?=，由于补偿阀压差一定，则通过操纵阀的流量由阀杆行程所决定，与负荷无关,流量和阀杆行程之问关系如图3(c)示;流量和负荷压力的关係如图3(d ）所示。
该系统的特点是：
1. 在操纵阀杆都处于中位时，溢流阀背面油压回油箱，起卸载阀作用，中位卸载压力为
3.5bar 左右。由于中位通过卸载阀卸油，操纵阀杆是封闭的，油液不通过阀杆，因此俗称闭式（闭中心）油路。
2. 有一个操纵阀杆动作时，油泵通过该阀组的流量，由该阀杆的行程所确定，和其负载和
油泵流量无关，泵的出口压力比负载压力约高10bar 左右，（用于克服补偿器液阻和操纵阀液阻）。
3. 多个操纵阀杆同时动作时，泵入口旁通压力补偿阀只响应最高负载压力.即油泵去阀组的
流量是由阀组进口压力和梭阀网络检出的最高负载压力之差所确定的,油泵通过阀组入口压力补偿阀后並联向各阀供油,各阀之间的流量分配受负载和阀杆开度等影响,是不确定的。
4. 溢流旁通型压力补偿阀可作为优先供油阀，即将旁通回油箱改为旁通供给下游阀。该阀
首先保证它控制的阀的供油需要，剩下的才供给其下游阀.例如负载敏感液压转向系统,当转向和工作装置共泵供油时,为确保转向优先供油,在转向阀入口处常采用溢流旁通型压力补偿阀,如图 所示
图4 各阀杆压力补偿系统
仅在阀组入口设旁通型压力补偿流量控制阀，在多阀杆同时动作时，只是负荷压力最高的得到补偿，而其他阀杆流量是不确定的，为了解决此问题，在操纵阀各阀杆前增设减压阀型压力补偿流量控制阀（或称直通型或二通型压力补偿器），如图4（a）所示，减压阀型压力补偿流量控制阀如图4（b）所示。
该阀与调速阀工作原理相同，它是在定差减压阀后设节流阀组成调速阀，操纵阀杆可控开口面积变化起可变节流阀的作用。操纵阀阀杆入口压力和经操纵阀杆节流后去液压作用元件的压力分別引到定差减压阀阀芯的左右两端。
其通过流量p
k
Q?
=，当减压阀弹簧力设定后，Δp可认为不变，因此通过阀杆的流量只和k（阀杆行程）有关，基本不受负载压力和油泵流量变化的影响，多阀杆同时动作时彼此没有影响，提高了各阀杆的调速控制性能。减压阀型压力补偿流量控制阀设计压降一般为7bar左右，