液压挖掘机的三种流量控制方式
成都小松检测技术研究所田少民摘要：在液压挖掘机的负载适应控制策略中，负流量（Negative Flow Control）、正流量控制（Positive Flow Control）及负荷传感器控制（Load Sensing Control）三种流量控制方式的流行称谓，是按其泵控特性来分类的。本文通过对多种厂牌型号挖掘机的比较分析，提出了旁通流量控制（By-pass Flow Control）、先导传感控制（Pilot Sensing Control）及负荷传感控制的分类。这一分类方法，对于设计时比较不同控制系统的性能和维修时理解不同控制系统结构和功能的特点，都有所裨益。
1.流量控制
在挖掘机的液压系统内，流量Q、压力P及能耗（流量损失ΔQ、压力损失ΔP）等参数的变化，反映了液压传动过程的控制特性。液压系统工作时，压力P不是系统的固有参数，而是由外负荷决定的。因此，当发动机转速n e一定时，要对液压系统的功率进行调节，其实是对液压缸、液压马达等执行元件的进油量Q a进行调节（参看图1）。
图1.流量调节
如图2所示，有两种方法调节系统流量。第一种方法是泵控方式，通过改变主泵的每转排量q来调节主泵的输出流量Q p，称为容
积调速。常见的容积调速方式包括：①利用主泵出口压力P P与主泵
排量q的乘积保持不变的恒扭矩控制；②利用发动机转速传感（ESS）
使主泵吸收的扭矩p P q与主泵转速n的乘积保持不变的恒功率控制；③在临近系统溢流压力时，减小主泵排量的压力切断控制；④配
用破碎头等作业附件时，由外部指令限定主泵最大排量的最大流量二
段控制；⑤双泵系统中，利用两泵出口压力的平均值与主泵流量乘积
保持不变的交叉功率控制（相加控制或总功率控制）；⑥多泵系统中，
因主泵组的液压总功率大于发动机的输出功率，为防止发动机出现失
速，采用了极限负荷控制。
除了容积调速，还有一种泵控方式是通过动力模式下的变功率控
制，利用外部指令设定不同工况下不同的发动机输出功率来改变主泵
转速n e，从而调节主泵输出流量Q=nq。
调节系统流量的第二种方法是阀控方式，可对主泵输出的流量进
行二次调节。这种通过改变主控阀开度来调节执行元件的进油量，称
为节流调速。常见的节流调速采用操作手柄（踏板）先导阀输出的二
次先导压力来调节主控阀的开度。
除了节流调速，还有其他多种阀控方式来调节执行元件的进油
量，例如：在不同作业模式下，利用外部指令对双泵合流与分流的控
制；动臂再生控制与斗杆再生控制；直线行走控制；复合作业时的动
臂优先控制或回转优先控制等等。
容积调速的传动效率高，但是动特性差。节流调速动特性好，但
是传动效率低。因此，在液压挖掘机上同时采用了容积调速与节流调
节，以适应作业中执行元件对流量的需求。不唯如此，为实现节能，
还要使容积调速时对主泵的控制与节流调速时对主控阀的控制协调
起来，泵控对阀控实时响应。就是说，当主控阀的节流开度关小时，
主泵的排量也要立即关小，反之亦然。这种按需供油的泵阀联合控制
被称为流量控制。
在液压挖掘机上，采用了三种流量控制方式：旁通流量控制、先
导传感控制及负荷传感控制。表1列出了部分厂牌机型采用的流量控
制方式。
图2 液压挖掘机的流量调节
表1 液压挖掘机的流量控制方式举例
注：BF—旁通流量控制PS—先导传感控制LS—负荷传感控制
N—负流量控制E/N—电子负流量控制P—正流量控制
E/P—电子正流量控制
2．.旁通流量控制
典型的旁通流量控制如图3所示。要实现旁通流量控制，液压系统在结构上应同时具备以下三个条件：①主控阀为中位开路的三位六通阀，主控阀的各叠加阀的进油路为串并联；②在主控阀中位旁通回油路的底端设置有节流元件，同时并联有低压溢流阀。在节流元件进油口设置取压口，提取该点压力，作为流量控制的信号压力Pi。用于旁通流量控制的主控阀有如川崎的KMX系列控制阀、东芝的DX22/28型和UDX36型控制阀；③主泵的控制特性一般应为负流量控制（日立EX—5系列除外），即主泵的流量变化ΔQ P与信号压力的变化ΔPi成反比，而且主泵的负流量控制阀（NC阀）在主泵调节器上的位置，应确保恒扭矩控制（TVC）优先。用于旁通流量控制的主泵有如川崎的K3V和K5V系列柱塞泵。
图3 川崎的负流量控制
2.1旁通流量控制的原理
如图3所示，旁路节流阀的节流口前后压差
ΔP=Pi=Q R2/KA
式中Pi—回油节流口前的压力。略去回油的背压时，ΔP=Pi。
Q R—主控阀中位回油流量（m3/s）。
A—回油节流口通流面积（m2）.
K—常数，与节流口的收缩系数、速度系数、油液重度等有关，K由实验决定。
对于具体的回油节流阀结构，A、K为一定数，旁通流量Q R与Pi的关系如图4第四象限所示：Q R越大，Pi越大，Q R与Pi呈抛物线的函数关系。
图4 负流量控制的流量特性
当主控阀各阀芯均处于中位时，Q R最大，控制压力Pi也最大，其值由旁路溢流阀调定（参看图3），此时主泵流量Q P最小为Qpo，如图4第一象限所示。以装用川崎精机KMX15R主阀的系统为例，旁通流量Q R最大为30L/min,此时旁通溢流阀开启，控制压力Pi达到最大值3.5MPa。
当主控阀的阀芯开度达到执行元件进油量Q A与主泵供油量Q P相等
时，中位旁通回油流量Q R接近于0，控制压力Pi变得很小，主泵流量Q P已调到最大，如图4第二象限所示。主控阀芯行程改变时，控制压力Pi随动变化，执行元件的进油量Q A为主泵供油量Q P与旁通流量Q R 之差，参看图4第二象限。
表2列出了采用旁通流量控制的部分厂牌与机型。
表2 典型的旁通流量控制
厂牌/系列型号旁通流量传感元
件
控制机理泵控特性
小松PC-3
PC-5
在主控阀中立旁
通油路下游有射
流传感器；在主泵
伺服阀的末级有
NC阀。
在射流传感器进出油口
提取压差（Pt-Pd）.由
此压差控制NC阀，对
进入主泵伺服液压缸的
先导油进行节流减压。
日立EX-3
在主控阀中立油
路末端有泵控制
阀，包括节流阀与
压力调节阀。
中立油路的旁通流量与
节流阀前的压力P N的
平方根成正比，主泵流
量Q与控制压力P N成
反比。
EX-5 泵控制阀的节流
阀（A）在主控阀
中立油路末端，而
泵控制阀的调压
旁通流量通过泵控制阀
的作用，调节流量控制
压力Pi，主泵流量Q与
控制压力Pi成正比。
