基于负载独立流量分配系统（LUDV）的新型液压挖掘机液压系统

姜 鹏，吕秀梅,2，王 涛，王占武

（1.辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000；2.阜新市产业技术研究院，辽宁 阜新 123000；3.沈阳卓信机电设备有限公司，辽宁 沈阳 110000；4.辽宁北辰液压气动有限公司，辽宁 阜新 123000）

液压挖掘机是一种在露天矿山连续开采中广泛应用的设备，具有高效连续作业等优点[1]。目前液压挖掘机大多采用全液压驱动模式，为了节约能量、降低油温和提高控制精度，以及使同步动作的几个执行元件在运动时互不干扰，较先进的液压挖掘机都采用了负载敏感泵与比例负载敏感多路阀技术。目前液压挖掘机常用的流量分配系统可分为传统的LS 负载敏感系统即压力补偿器位于换向阀前的阀前补偿系统和压力补偿器位于换向阀阀后的负载独立流量分配的LUDV 系统[2]。当液压挖掘机需要多个执行机构同时动作时，挖掘机执行机构需要的流量超过液压系统泵的最大流量（即流量饱和）时，传统的阀前补偿系统，负载较高侧节流阀口两端压差下降，当达不到压力补偿阀的设定压力时，压力补偿阀就会失去流量分配的作用，使得几个机构不能同时动作，油液全部流向低负载的执行元件，导致多个动作时，会出现争油现象。因此，现在更多的工程机械采用LUDV 系统，尤其在需要全液压驱动的挖掘机液压系统中，与LS 系统相比，LUDV 具有更好的抗流量饱和特性[3]，当流量不足时，执行元件的运行相对速度根据各联换向阀主阀芯的行程等比例地减少，不会有任何一个动作出现停止现象。

1 LUDV 多路阀工作原理

1.1 LUDV 多路阀中压力补偿阀工作原理

LS 多路阀系统与LUDV 多路阀系统不同之处在于LUDV 系统是先节流后补偿。LUDV 系统是将压力补偿阀布置在换向阀可变节流口之后，由于液压换向阀一般都是双作用，有A、B 2 个油路，为了避免2 个油路都设置压力补偿阀，减少结构的复杂程度，因此将换向阀换向部分设在压力补偿阀之后[4]。LUDV 多路阀原理简化图如图1。LUDV 多路阀结构如图2。

图1 LUDV 多路阀原理简化图

图2 LUDV 多路阀结构

1）液流动方向P 到A。液压泵出口的液压油进入到换向阀的P 腔，通过换向阀主阀芯6 上的节流槽7 进入到换向阀的P′腔，进入P′腔的压力油经过压力补偿器4，作用于A 口侧单向阀3，打开单向阀后进入A 口侧的Pc，然后压力油通过换向阀主阀芯6 上的环槽11 进入换向阀的A 口。

2）油液流动方向P 到B。液压泵出口的液压油进入到换向阀的P 腔，通过换向阀主阀芯6 上的节流槽7 进入到换向阀的P' 腔，进入P' 腔的压力油经过压力补偿器4，作用于B 口侧单向阀3，打开单向阀后进入B 口侧的Pc，然后压力油通过换向阀主阀芯6 上的环槽11 进入换向阀的B 口。

3）负载反馈LS。每联的负载反馈通道LS 之间互通。经过换向阀后P'的压力作用于压力补偿器阀芯的左侧，LS 反馈压力和压力补偿器弹簧力共同作用于压力补偿器阀芯的右侧。当换向阀不工作时，压力补偿阀的阀芯处于最右端，此时压力油既不通往A、B，也不通往LS 油路，当P 口压力升高时，压力补偿器阀芯将右移使P 口与A/B 相同，当压力继续升高时，阀芯将继续右移，此时P′不经过节流，直接与A/B 口相同，同时通过另一节流孔与LS 相通；当多片多路阀同时工作时，负载较低的压力补偿器只能处于开度较小的中位，P′与LS 口不通，P′经节流后通向A/B，起均衡负载作用。因此，LS 压力反馈通道可以检测出多个执行机构中的最高负载压力，并将压力反馈至负载敏感泵。

1.2 LUDV 多路阀中压力补偿阀受力计算

LUDV 系统简化原理图如图3，pL1、pL2为液压系统的负载压力。

图3 LUDV 系统简化原理图

换向阀出口压力作用于压力补偿器左端，压力补偿器右端受压力补偿器的弹簧和最高负载压力共同作用[5]。则对压力补偿器进行受力分析如下：

式中：pm1、pm2为换向阀1 和换向阀2 的出口压力，Pa；pLmax为饱和压力，Pa；Fs1、Fs2为压力补偿器的弹簧力，N；A1、A2为压力补偿器的阀芯压力作用面积，cm2。

在压力补偿阀的作用下：pm1＝pm2

式中：△p1、△p2为换向阀1 和换向阀2 前后两端压差，Pa；pp为泵出口压力，Pa。

此时△p1＝△p2，所以即使各执行元件负载压力不等，各换向阀的进出口压差始终保持相等。负载压力较低的执行机构通过压力补偿器的节流作用，获得与负载较高的执行机构大小相同的压力。这样每一联根据节流程度不同，产生不同的压差，达到均衡负荷的目的，避免当多个执行机构同时动作时，此时执行机构需要的流量超过液压系统泵的最大流量（即流量饱和）时，油液全部流向低负荷执行器。进入执行机构的流量可以根据流量计算公式得出[6]：

式中：Q 为通过阀的流量，m/s；Cd为流量系数；A 为阀的面积，m2；ρ 为油液黏度，kg/m3；△p 为阀前后压差，Pa。

无论负载如何变化△p1＝△p2，因此通过的流量分配阀进入执行元件的流量与负载无关，只取决于节流阀的开口度从而保证了执行元件的运行相对速度根据各联换向阀主阀芯的行程等比例地减少。因此，当各执行元件的动作同时动作时，各个执行元件互不干扰，不会出现流量分配不均现象，能够轻松地实现各复合动作平稳的进行[7]。

2 液压挖掘机液压系统

由于LUDV 系统多路阀的出现，改变了传统挖掘机复杂的多泵合流控制机制，使得单泵与LUDV多路阀的负荷传感控制系统挖掘机系统变得更加实用，同时结构更加简单。

2.1 负载敏感泵的选择

基于新型的LUDV 多路阀系统，建立新型的液压挖掘机液压系统，该新挖掘机系统选择力士乐A11V260 系列泵作为液压正铲的主要动力源，为液压系统提供动力，液压泵的控制方式选择LRDS 控制方式的的变量泵，该控制方式具有负载敏感-压力切断-恒功率控制等功能[7]，可以满足液压挖掘机各种复杂工作的要求。该泵同时还具有节能、保护发动机、防止压力过高导致安全事故等优点。

负载敏感是一种流量控制，根据负载敏感阀LS口反馈至泵的负载阀的调节口，负载压力，调节泵的排量，使泵的排量与执行器的流量相适应[8]。当执行元件不工作时，换向阀不换向，LS 压力不反馈至泵的控制口，泵小排量运行，当执行元件运行时，LS 压力反馈至泵的控制口，泵根据按需提供对应的流量。

恒功率控制是控制斜盘摆角度满足压力、流量的乘积即功率保持恒定，具体原理是压力增加，流量相匹配的较少，形成压力、流量1 个增加1 个减少的匹配线性关系，从而保证功率是恒定的。可以保证当压力过高时，不会损坏发动机，同时可以充分利用发动机的效率。

压力切断控制是防止液压系统压力过高，当系统负载压力到达泵设定的压力切断数值时，压力切断阀左位导通，此时排量减少，较少到几乎为0（泵体会有少许排量以满足泵本身的内泄漏）时，泵处于恒压状态，系统压力不会随负载而继续提高了，这样实现了压力切断，从而防止压力进一步提高，保护系统的安全。此时，泵的排量很小，与传统的阀控溢流系统（大流量溢流）相比，该系统的产热量较小，液压系统油温升高不明显，系统更加可靠，同时更加节约能源。

2.2 负载敏感比例多路阀的选择

选用力士乐M7-22 系列负载敏感阀，该阀内设有二次压力安全阀、流量负载压力补偿器，具有重复精度高、滞环低等优点，同时，液压比例控制器可通过阀芯行程限位进行流量调节[9-10]。选择合适的平衡阀等控制元件以及行走马达、回转液压马达、液压油缸等执行元件以及液压附件等搭建基于LUDV 系统的新型液压挖掘机的液压系统。

3 结语

基于A11VO 系列负载敏感泵和M7-22 系列负载敏感多路阀组合使用，搭建了基于负载敏感的液压挖掘机阀后压力补偿流量分配系统，并对此套液压系统在改造的液压挖掘机上进行试验应用。采用阀后压力补偿系统的液压挖掘机多个动作同时动作时，更加平稳，液压挖掘机在进行复合动作时，没有出现负载较大执行元件动作停止不动现象。因此，基于LUVD 系统的新型液压系统与传统的LS 系统相比，在实现多执行元件同时工作时而不受负载影响的同时LUDV 系统具有更好的抗流量饱和特性。