挖掘机负载反馈液压系统的应用分析
节能是现代液压传动发展的方向。节能液压系统是根据负载需要供给压力和流量，使流量消耗最少。目前，节能效果较好的液压系统是负载反馈系统，该系统多用于负载较多，工况变化较大的工程土方机械。从控制方式上又可分为泵控方式和阀控方式。
泵控负载反馈液压系统是根据负载需要控制变量泵的输出流量的回路。
阀控负载反馈液压系统是通过三通调速阀来调节系统流量满足负载的需要。阀控负载反馈系统一般使用定量液压泵。
1.泵控负载反馈液压系统的工作原理如图1所示，泵的变量机构根据节流器两端的压力变化来调节泵的排量。设计者可设定一个压力值p0作为调节目标，在系统稳定工作时，Δp= p0，如想改变系统工作状态，通过调节节流面积来改变Δp值，使之偏离p0值。这时泵的变量机构就会作出反应，调节泵的排量来改变Δp值，直至Δp= p0，系统就可稳定地工作在新的流量状态。在应用负载反馈原理的液压系统中，只要改变节流面积，就可以有效地控制泵的排量，从而控制工作机构的速度。节流器也可以是节流阀，也可以是方向阀，如手动换向阀或电磁比例换向阀等。
系统在工作过程中，如泵的排量已达到最大值，无论节流面积如何增大，系统流量也不会继续增加，此时，称系统处于“流量不饱和”状态。显然，阀对执行机构已失去了控制。
图1所示单负载泵控负载反馈系统，其流量变化可用式（1）来计算：Q=CfΔp1/2 （1）式中：C——流量系数f——阀开口面积
由式（1）可以作出系统的流量变化曲线（图2），由曲线Ⅰ可以看出，当f>fmax时，无论f如何变化，系统流量不会发生变化。所以，匹配合理的系统应工作在曲线Ⅰ的上升段，即节流面积
图3所示为多负载泵控制负载反馈液压系统示意图。该系统的工作特性为泵工作压力满足最大负载需要，流量满足所有负载需要。负载之间的压力差由补偿器补偿，即对压力较小的负载，其补偿器要衰减掉一定压力，使各控制阀两端压差与其控制流量相对应。这样在泵的有效变量范围内，各负载可以有效地受各自控制阀的控制。
如多负载负载反馈系统处于“流量不饱和”工作状态，即流量不能同时满足各工作负载的需要，各负载的工作速度控制关系将发生变化，负载较大的将首先因得不到充足的流量供给而失效。
2.实际系统设计过程中遇到的问题在工程土方机械上采用负载反馈液压系统，国外已很普遍，但在国内尚处于尝试阶段。我单位在设计某型工程车辆时选用负载反馈液压系统，试制过程中，遇到了这样的问题：据理论计算，液压泵的流量可以满足所有负载同时工作的需要，但实际工作时却出现执行机构动作不协调，重载部位控制失灵等，系统处于“流量不饱和”状态时出现的现象。如图4所示，液压缸甲和乙是车辆上的相邻部件，分别执行两个动作。由于工作状态的不同，两液压缸的工作负荷不断变化，液压缸甲的工作压力往往大于乙的压力。试验中，同时操纵甲、乙两液压缸时，出现了三种不同情况。
1)两液压缸工作正常，其工作速度分别受控于各自的控制阀，且控制灵活。
2)在某些工作状态，乙缸工作正常，甲缸工作速度变慢，而且无论液压缸甲控制阀开启多大，工作速度依然很慢。
3)液压缸乙动作，甲不动，而一旦乙停止工作，液压缸甲则突然快速启动，其可控制性能同时恢复。
通过不断分析排查，证实了引起上述故障的原因的确是甲、乙两液压缸流量不足。甲、乙两液压缸工作时，液压泵始终在很小的排量下工作。使甲、乙两液压缸流量不足，处于局部“流量不饱和”状态。引起故障的根本原因是在设计时对负载反馈液压系统的工作性质理解不充分，忽略了管路液阻对系统操纵性的影响。
考虑到供油管路压降对反馈信号的影响，按图5所示原理对负载反馈液压系统进行分析。节流阀流量公式仍和式（1）类似：Q`=CfΔp1/2 （2）供油管路的流量公式可近似用典型长管节流的液阻公式：Q`=xΔp2/L （3）式中：x——流量系数L——管路有效阻力段长度按照图5 中各量值之间的关系，可以列出方程组：Q`=CfΔp11/2Q`=xΔp2/L （4）Δp=Δp1+Δp2由此可得出图5所示系统的操纵关系即Q`—f关系：Q`2/C2f2+ Q`L/x－Δp=0 （5）解方程（5）得到：Q`=Cf（L2C2f2/4x2+Δp）1/2－LC2f2/2x （6）比较式（6）和（1）当L＝0时，Q`=Q当L≠0时，Q`<Q改变L的大小，可以作出一组Q—f曲线，图2中曲线Ⅱ为其中之一。比较图2曲线Ⅰ和Ⅱ，可以得出以下结论：
1)对于按Qmax对应fmax理想条件设计的负载反馈液压系统，如果供油管路过长，实际供油量将远远小于液压泵的最大流量Qmax，系统很容易进入“流量不饱和”状态而导致操纵失灵。
2)曲线随f增大而上升的速率始终小于曲线Ⅰ，而且随f的增大越来越小，说明系统操纵灵敏度较小，且随着阀口开度f的增大，越来越迟钝。因此，可以认为负载反馈系统如存在较长供油管路，从操纵品质上考虑也是不可接受的。通过对图5所示系统的分析，我们可以对图4所示系统的故障现象作出解释。
1)当甲、乙两液压缸都处于速度较小的工作状态，液压泵供油充足，则系统呈现正常的负载反馈系统工作状况。
2)当甲、乙两液压缸对流量的需求增加时，由于供油管路AB对反馈信号的影响，液压泵不能对甲、乙两液压缸的用油量作出正确判断，从而不能提供充足的流量。这时甲、乙两液压缸所处的位置就局部进入“流量不饱和”状态；又由于甲液压缸的负荷大于乙液压缸，因此甲缸首先得不到充足的流量而速度变慢。
3)甲液压缸不动，乙液压缸动作，实际上是现象2的进一步恶化，而这里乙液压缸停止工作，系统总的用油量就会减少，且从前面分析可以看出，即使管路液阻很大，液压泵也不会停止供油。因此，甲液压缸在乙液压缸停止工作后恢复动作就不难理解了。
综上所述，在设计泵控负载反馈液压系统时，应注意以下几点：
1)系统布置应尽可能采用短的供油管路和较大供油管径，以减少管路液阻对反馈信号的影响。
2)在和系统流量匹配时，应考虑到管路液阻的影响。如单纯进行泵—阀—负载匹配，就会出现流量供应不足的现象。
3)如系统不能避免采用较长供油管路，就不宜采用泵控负载反馈系统。