开中心和闭中心液压系统工作特点和优缺点分析

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1、开中心和闭中心液压系统工作特点和优缺点分析同济大学 黄宗益 李兴华 陈明 以上介绍了中位开式多路阀液压系统，目前我国（非外资企业）大多采用这种系统，而国外先进挖掘机厂大多改用中位闭式负载敏感压力补偿多路阀系统。下面就这两种液压系统的工作原理及其优缺点进行分析。 一一、开中中心液压压系统的的特点和和存在的的问题 开开中心液液压系统统采用六六通多路路阀，各各操纵阀阀的结构构简图和和液压符符号如图图1所示示。 (aa) (bb) (c)图1开式六六通操纵纵阀结构构简图和和液压符符号图 操操纵阀在在中位时时泵压力力油P通通过直通通油道DD，经过过各阀，最最后回油油箱T，执执行器动动作时PPD的阀阀口逐

2、渐渐关小，PPA和BBT的阀阀口逐渐渐开大。 其其调速是是采用旁旁路回油油节流和和进油节节流的组组合，其其调速作作用是通通过阀杆杆节流，控控制去油油缸和回回油箱的的开口量量来实现现的，如如图1（cc）所示示。 由由于是靠靠回油节节流建立立的压力力来克服服负载压压力，因因此调速速特性受受负载压压力和油油泵流量量的影响响，多路路阀的操操纵调速速特性如如图2（aa）所示示。 （aa）开中中心 （bb）闭中中心压力力补偿图2 开开中心和和闭中心心阀的调调速特性性 从从图2（aa）开中中心阀的的调速特特性可知知：开中中心油路路油缸起起动的阀阀杆行程程与负荷荷压力、泵泵流量有有关。负负荷压力力愈高，泵泵流

3、量愈愈小，阀阀杆死行行程愈大大（死区区大）。负负荷压力力愈高，泵泵流量愈愈小，调调速区域域愈小。轻轻负荷时时，流量量调整行行程大，操操纵性能能好。重重负荷时时，流量量调整行行程小，操操纵性能能差。速速度调整整操纵不不稳定，阀阀杆操纵纵行程不不变，但但随负荷荷变化和和泵流量量变化，则则油缸速速度会产产生变化化。 挖挖掘机工工作过程程负载压压力是不不稳定的的，随时时变化着着的，液液压泵的的流量也也在不断断变化，因因此使其其调速性性能很不不稳定，操操纵困难难。 开开中心油油路操纵纵性能的的另一缺缺点是：当一泵泵供多个个执行器器同时动动作时，因因液压油油是向负负载轻的的执行器器流动，需需要对负负载轻的

4、的执行器器控制阀阀杆进行行节流，特特别是像像挖掘机机这类机机械，各各执行器器的负荷荷时刻在在变化，但但又要合合理地分分配流量量，以便便相互配配合实现现所要求求的复合合动作，是是很难控控制的。 开开中心油油路第三三个缺点点是：要要满足液液压挖掘掘机各种种作业工工况要求求，同时时实现理理想的复复合动作作，是很很困难的的。例如如，双泵泵合流问问题：挖挖掘机实实际工作作中，动动臂、斗斗杆、铲铲斗都要要求能合合流，但但有时却却不要求求合流，但但对开中中心油路路来说，要要实现有有时合流流，有时时不合流流是很困困难的。 各各种作业业工况复复合动作作问题：例如：掘削装装载工况况，平整整地面工工况，沟沟槽侧边边

5、掘削工工况等，如如何向各各执行器器供油，向向那个执执行器优优先供油油，如何何按操作作者的愿愿望实现现理想的的配油关关系也是是很困难难的。还还有作业业装置同同时动作作时行走走直线性性等问题题。 对对于开中中心油路路光靠操操纵多路路阀阀杆杆来实现现挖掘机机作业动动作要求求是不行行的。为为此设计计师在开开中心系系统的设设计上动动足了脑脑筋，想想了许多多办法，采采用了不不少通断断型二位位二通阀阀和插装装阀来改改变供油油，在油油路上通通过设置置节流孔孔和节流流阀来实实现优先先供油关关系。但但是可以以这样说说，采用用了这些些措施，开开中心油油路仍然然是不理理想的，仍仍不能满满足挖掘掘机工作作要求和和理想的

6、的作业动动作要求求。二、负载敏敏感和压压力补偿偿 开开中心油油路系统统的主要要缺点是是：司机机不能按按自己的的愿望通通过操纵纵多路阀阀阀杆来来控制去去执行器器的流量量，因此此难以控控制挖掘掘机的作作业动作作，操纵纵性差。这这个问题题是六通通多路阀阀调速方方式所决决定的，要要解决此此问题，必必须改变变操纵阀阀的调速速方式。 人人们从调调速阀工工作原理理中获得得启示，调调速阀是是定差压压力阀（减减压阀或或溢流阀阀）和可可调节流流阀串联联组成，如如图3所所示。可可以定差差压力阀阀在前，节节流阀在在后；也也可以节节流阀在在前，定定差压力力阀在后后。图3 调调速阀工工作原理理 将将节流阀阀进出口口压力P

7、P1和P2分别引引到定差差压力阀阀阀芯的的两端，由由定差压压力阀使使节流阀阀前后压压差P=PP1-P2保持一一定。 通通过节流流阀的流流量为：式中：C为为流量系系数，AA为节流流阀口通通流面积积，当P为定定值时，则则流量QQ仅取决决于A。不不受负载载压力变变化和液液压泵流流量变化化的影响响，具有有自动补补偿功能能。这种种将节流流压差设设定为规规定值，对对流量进进行自动动控制称称为压力力补偿流流量控制制。（一）不抗抗饱和的的负载敏敏感压力力补偿系系统 把把这个原原理应用用于多路路阀中，例例如，在在多路阀阀的各阀阀入口处处设定差差压力补补偿阀，将将各操纵纵阀作为为节流阀阀，将操操纵阀进进出口压压力

8、分别别引到压压力补偿偿阀的两两端，如如图4所所示。根根据调速速阀工作作原理，由由操纵阀阀改变节节流口通通流面积积来控制制去各执执行器的的流量，这这样操纵纵阀就能能使得各各执行器器的速度度只与该该操纵阀阀杆的行行程有关关，与负负载压力力、油泵泵流量等等无关，如如图2（bb）所示示。 这这种压力力补偿系系统存在在一个严严重缺点点： 当当液压泵泵流量足足够时，通通过操纵纵阀阀口口的压差差都能达达到补偿偿压力，这这时各阀阀入口的的压力补补偿阀都都能起调调节作用用，各阀阀的操纵纵相互没没有干涉涉。当多多个执行行器同时时动作时时，其操操纵阀都都在大开开度下工工作，各各执行器器总流量量需求往往往会超超过泵的

9、的供油流流量，即即所谓的的流量出出现饱和和。 这这时由于于并联供供油，压压力油首首先供给给低压执执行器，满满足低压压执行器器的需要要，流经经低压操操纵阀的的压力降降能达到到补偿压压力，其其压力补补偿阀能能起控制制流量作作用。即即泵流量量不足时时首先保保证供给给低压执执行器，多多余下来来的油才才供给高高压执行行器，此此时流向向高压执执行器操操纵阀的的流量不不足，达达不到压压力补偿偿阀起作作用的压压力，高高压执行行器动作作速度降降低，甚甚至不动动。此时达到补补偿压差差的低压压执行器器，可由由其操纵纵阀行程程来控制制其速度度，达不不到补偿偿压差的的高压执执行器，不不能用操操纵阀来来控制其其运动。 此

10、此现象在在挖掘机机上很严严重，首首先挖掘掘机要求求高生产产率和高高速传动动，要求求能向一一个执行行元件供供给泵的的全部流流量，其其次挖掘掘机经常常需要几几个执行行器同时时动作，而而且挖掘掘机负荷荷大，其其压力感感应恒功功率控制制和发动动机转速速下降等等因素，都都使泵输输出流量量降低，因因此经常常出现泵泵流量饱饱和现象象，这种种不抗饱饱和的负负载敏感感压力补补偿系统统在挖掘掘机上不不能应用用，必须须解决此此问题。图4 各各阀入口口压力补补偿系统统（二）抗饱饱和（或或称分流流比）负负载敏感感压力补补偿系统统 多多执行器器共泵供供油，压压力油优优先流向向压力低低的执行行器，这这是液压压传动的的基本特

11、特性所决决定的。如如果同时时动作的的各执行行器，其其负载压压力都相相等，就就可以避避免油流流向压力力低处的的现象。实实际上各各执行器器负载压压力不可可能相等等，必须须想办法法在液压压油路上上动脑筋筋，采取取措施使使它们相相等。为为此开发发了起负负载均衡衡作用的的压力补补偿器。设设置在各各执行器器的油路路中，让让它起负负载均衡衡器的作作用。低低负载的的执行器器通过压压力补偿偿器的节节流，使使它与高高负载执执行器负负载压力力相同，使使各路负负载压力力相等，就就避免了了油优先先流向低低负载执执行器的的问题。由由于各执执行器的的负载压压力相等等，使得得各操纵纵阀杆进进出口压压差都是是相等的的，所以以各

12、执行行器同时时动作时时，通过过各阀杆杆的流量量只和该该阀杆的的行程（节节流口通通流面积积）有关关，和各各执行器器的负荷荷无关，当当流量饱饱和时，则则根据各各阀行程程成比例例地减少少去各路路的流量量，这种种流量分分配和调调速方式式，作者者称为分分流比负负载敏感感压力补补偿系统统。 起起负载均均衡器作作用的压压力补偿偿器可以以布置在在各执行行器油路路的任何何地方（操操纵阀前前，操纵纵阀后，或或执行器器的回油油路上）。 下下面以阀阀前补偿偿为例来来说明： 如如图5所所示，为为林德公公司分流流比负载载敏感系系统，其其特点是是： 在在每个操操纵阀前前设置压压力补偿偿阀，此此压力补补偿阀阀阀心左端端受油泵

13、泵压力PPP和其负负载压力力PL作用，右右端受操操纵阀前前压力PPm和由梭梭形阀引引入的最最高负载载压力PPL1（设设PL11PL22，PL11=PLmmax）作作用，对对压力补补偿阀11取力平平衡得：（设阀阀心左右右面积相相等） PPP+PLmmax=Pm11+PLmmax得：PP=Pm11，即油油流通过过压力补补偿阀无无压差。 操操纵阀11进出口口压差P1=Pm11-PLmaax=PPP-PLmaax 对对压力补补偿阀22取力平平衡得： PPP+PL22=Pm22+PLmmax； PP-Pm2=PPLmaax-PL2 油油流通过过压力补补偿阀22的压差差为PLLmaxx-PL2，正正好补偿

14、偿了两执执行器压压力负荷荷的差值值。 操操纵阀22进出口口的压差差为： P2=Pm22-PL2=PPP-PLmaax=P1=P 即即所有阀阀杆的进进出口压压差相等等，为油油泵进口口压力和和最高负负载压力力之差。 通通过两操操纵杆的的流量分分别为： ； 对对各阀P均相相同，去去执行元元件的流流量仅取取决于各各阀杆的的行程（KK1，K2），当当多执行行器同时时动作时时，按各各阀杆行行程成比比例地分分配去各各路的油油量。图5 阀阀前压力力补偿分分流比负负载敏感感系统 该该系统采采取负载载敏感泵泵，变量量机构由由油泵调调节阀（泵泵负载敏敏感阀）和和伺服油油缸等组组成，油油泵调节节阀左端端受油泵泵出口压

15、压力PPP作用，右右端受最最高负载载压力PPLmaax和弹弹簧力PPS作用，从从油泵调调节阀阀阀杆力平平衡可得得： PPPA = PLLmaxxA+FFS A为为受压面面积P=PPP-PLmaax= 该该系统的的补偿压压差P由油油泵调节节阀来设设定，P取决决于弹簧簧力FS，调节节弹簧可可改变系系统压差差，但比比较麻烦烦。如油油泵调节节阀采用用比例电电磁阀，可可通过电电控方便便地改变变P。可可变补偿偿压力系系统调速速可以改改变K（阀阀杆行程程）也可可以改变变P（电电磁阀电电流）来来实现。而而且调速速都具有有独立性性，不受受负载，泵泵流量和和多执行行器同时时动作等等影响。当当各阀杆杆都在中中位时，

16、PPLmaax通回回油，压压力为零零，油泵泵压力只只需克服服弹簧力力，油泵泵调节阀阀就处于于左位，压压力油进进入伺服服油缸，油油泵排量量很小，实实现中位位卸载。在在阀工作作过程中中，油泵泵压力与与最高负负载压力力之间差差值由油油泵调节节阀决定定，始终终保持常常数，即即略高于于负载压压力。当当执行器器需要流流量小时时，操纵纵阀杆节节流使节节流压差差增加，造造成PPP-PLmaax增大大，通过过油泵调调节阀作作用，自自动使泵泵流量减减小，使使节流调调速变为为容积调调速，使使流量损损失减少少，使系系统始终终保持在在所需压压力和所所需流量量下工作作。三、开中心心和闭中中心优缺缺点对比比分析 下下面就挖

17、挖掘机对对液压系系统的主主要性能能要求来来进行探探讨：（一）调速速性能 11.开中中心：执执行器起起动点（阀阀的死区区）随负负载和泵泵流量而而变；调调速区域域随负载载和泵流流量而变变，重负负载调速速区域小小，流量量调整行行程小；有负载载漂移现现象，即即操纵杆杆位置不不变，随随负载改改变，执执行器速速度发生生变化；微调和和精细作作业困难难，调速速性能差差。 22.闭中中心：执执行器的的速度只只与该操操纵阀杆杆的行程程有关，与与负载压压力和油油泵流量量无关，无无负载漂漂移现象象。 还还可以采采用改变变补偿压压差的方方法获得得很好地地微调功功能，调调速性能能很好。（二）执行行器同时时动作，复复合操作

18、作性能 11.开中中心：由由于负载载干涉，司司机难以以恰当地地控制去去各执行行器的流流量，很很难相互互配合实实现所要要求的复复合动作作。为了了运动上上独立，需需要单独独一个泵泵供一个个执行器器。 22.闭中中心：无无负载干干涉现象象，同时时动作时时各执行行器的运运动速度度只与其其阀杆行行程有关关，司机机易按自自己的愿愿望来控控制其复复合动作作，单泵泵供多个个执行器器仍能保保持各执执行器运运动的独独立性，当当流量饱饱和时，各各执行器器的速度度按其行行程等比比例地下下降，这这样仍保保持原来来的运动动关系。（三）各阀阀杆供油油流量选选择自由由度 11.开中中心：各各阀杆最最大流量量由泵流流量所确确定

19、不能能选择，但但各执行行器需要要的流量量往往是是不同的的，油缸缸伸出和和缩回所所需流量量往往也也是不同同的。在在作业过过程不同同工况，执执行器对对油泵流流量需要要不同时时，只能能采用泵泵分流或或合流有有级设定定。还要要用通断断型阀来来改变供供油关系系，采用用节流孔孔和节流流阀来改改变各路路的供油油量，但但仍不能能满足挖挖掘机各各工况对对执行器器的流量量要求。 22.闭中中心：对对任一执执行器均均能通过过阀杆行行程按需需限制最最大流量量，设定定适宜的的最高速速度，可可以通过过操纵阀阀杆行程程获得低低于最高高速度的的任意速速度。图6为日立立建机闭闭中心各各阀的流流量设定定与开中中心流量量设定比比较

20、的示示意图，从从图中可可看出闭闭中心各各阀流量量设定的的自由度度比开中中心要大大得多。因因此闭中中心能更更好地符符合挖掘掘机工况况对各执执行器的的流量要要求，使使液压系系统供油油更加合合理。 闭中心心系统 开中中心系统统流量 流量图6各操纵阀流量设定的自由度度调整区域单边收回放出卸土举升下降挖掘举升下降(100%)(50%)2泵流量1泵流量0050%100%动臂斗杆铲斗回转行走后备 另另外，挖挖掘机是是多功能能的机械械，其上上可装不不同的附附属装置置，但多多种多样样的附属属装置要要求不同同的流量量。对开开中心来来说，阀阀系统无无法设定定其流量量，对闭闭中心来来说，同同一阀杆杆只需调调整其行行程

21、，就就能改变变流量来来符合各各种附属属装置的的流量需需要。（四）从节节能和生生产率上上来看 节节能非常常重要，这这不仅涉涉及使用用成本、经经济性，还还涉及能能耗和排排放的环环境问题题，反映映作业效效率的生生产率也也非常重重要。 有有人认为为采用负负载敏感感压力补补偿系统统进行流流量控制制，需要要一定补补偿压差差，会造造成能量量损失，因因此认为为闭中心心能量损损失大，实实际上这这观点是是不对的的。因为为开中心心旁通回回油形式式，通过过阀体节流必必然有液液阻和能能量损失失，两者者从阀的的角度来来看是差差不多的的。通过过阀的损损失主要要由阀的的尺寸选选择和设设计技术术所决定定。 必必须指出出分析阀阀

22、和液压压系统的的能耗不不能单纯纯从阀和和液压系系统来看看，要从从人机系系统组合合总的效效果来看看。闭中中心由于于操纵性性好，容容易实现现理想的的操作动动作，工工作效率率高，能能耗也低低。 表表1为小小松公司司开中心心和闭中中心实际际土方作作业对比比试验的的结果。生生产率以以单位时时间土方方量来表表示，油油耗以单单位燃油油量的作作业量来来表示，采采用两个个机种110T级级和200T级，二二者马力力相同，从从试验结结果可知知，无论论生产率率还是油油耗都是是闭中心心为优。应应该说明明10TT级，开开中心采采用双泵泵系统，闭闭中心采采用单泵泵系统。双双泵本身身要比单单泵系统统省油，故故单位时时间油耗耗

23、闭中心心稍大于于开中心心。但最最终评价价能耗的的指标是是单位燃燃油量的的作业量量，仍然然是闭中中心优于于开中心心。从对对比数据据来看两两者有不不少的差差距。表1 开开中心和和闭中心心分析对对比 实际土土方作业业试验结结果机种10T级20T级马力（pss）8585120120液压系统2泵负流量控制制1泵负载敏感压压力补偿偿2泵负流量控制制2泵负载敏感压压力补偿偿作业内容掘削90度度回转装装载作业业土方量（mm3/H）1.01.041.01.13燃料（m33/H）1.01.021.01.04单位油耗作作业量（mm3/L）1.01.021.01.09（五）动态态性能 挖挖掘机工工作装置置是大质质量惯

24、性性系统，大大容积的的执行器器要考虑虑油的体体积弹性性系数，因因此存在在动态特特性问题题。开中中心采用用旁通节节流，响响应快，起起动平稳稳，而且且系统稳稳定不易易振动，从从这一点点来说，其其操作感感觉好，而而闭中心心系统靠靠压力补补偿改变变流量，使使执行器器速度变变化。当当遇到大大惯性负负载时会会产生压压力变化化快，流流量跟不不上现象象，使压压力补偿偿阀不能能按正确确补偿压压力调整整，产生生过度和和不足调调整。泵泵和多路路操纵阀阀之间连连接管道道较长时时，会引引起压力力传递滞滞后，因因此闭中中心易产产生响应应慢，操操纵控制制不稳定定等问题题。 这这是初期期闭中心心存在的的缺点，但但经过实实际使

25、用用和不断断改进，这这些问题题基本上上得到解解决，通通过适当当调整压压力补偿偿程度可可以得到到完全补补偿特性性，接近近开中心心的特性性或介于于两者之之间的中中间特性性。 综综上所述述可得出出以下结结论：闭闭中心负负载敏感感压力补补偿是为为了使液液压系统统能更好好地符合合挖掘机机复杂工工况而开开发出来来的新型型的液压压系统，从从工作原原理根本本上来看看，其供供油和调调速方式式理想合合理，能能更好地地符合挖挖掘机作作业要求求。 作作为多路路阀液压压系统，主主要性能能是操纵纵性，所所谓操纵纵性就是是能否按按司机的的愿望，快快慢很自自在地控控制作业业装置的的运动。 开开中心不不能实现现理想的的操作动动作，必必然产生生不正确确和无谓谓的浪费费动作，必必然加重重司机的的生理和和心理负负担。装装上开中中心系统统的挖掘掘机只能能看成是是一台粗粗糙的机机械，不不要说生生手，就就是熟练练司机也也很难驾驾驭。必必然作业业效率低低和油耗耗高，这这就是为为什么很很多挖掘掘机厂家家过去采采用开中中心现改改为闭中中心的原原因。这这个技术术发展的的动向希希望引起起我国挖挖掘机厂厂家足够够的重视视。13