负载敏感泵的工作原理

东风灬

       本人液压小白，刚毕业参加工作，发现工程机械中负载敏感系统应用较广泛，自学了负载敏感泵的控制方式，有些许感悟，特来和大家分享一下。本文主要介绍应用负载敏感泵的单执行机构的负载敏感系统在工作过程中泵的变量情况及泵的工况，本人液压基础不高，以液压初学者的身份和水平，结合自己学习过程中的疑惑点，尽量详细的介绍负载敏感泵的工作原理，其中错误之处，还望大家批评指正。

        首先介绍一下负载敏感泵的职能原理图（此图为力士乐A10VO原理图），该泵的组成如图1所示（点画线框中），最上面的二位三通阀（实际为O型中位机能的三位三通阀，为表示方便，以二位阀表示）为负载敏感阀，也称为压力-流量控制阀，该改阀的左侧弹簧为软弹簧，一般设置压力为200PSI，即1.4MPa；下面的阀为压力补偿阀，左边弹簧为硬弹簧，设置压力较高，该阀的功能相当于溢流阀，通常情况下不会开启，控制系统的最大工作压力；负载敏感阀的右侧有一个阻尼1，使负载的一部分油回到油箱，这样将会损失部分效率，而使负载敏感阀阀芯在运动过程中减小压力冲击，提高稳定性，另外还可以防止多路阀系统闭中心时的压力阻塞；压力补偿阀右边的阻尼3作用和阻尼1类似，可提高压力补偿阀阀芯位移稳定性；从泵中引出的控制油经过负载敏感阀的阀口（可视为可变液阻）与阻尼3可组成C型液压半桥，当压力补偿阀的左位工作时，压力补偿阀阀口与阻尼2、3（阻尼2、3串联为固定液阻）组成C型液压半桥，这两个C型液压半桥控制进入变量活塞缸的油液压力，根据C型半桥的特性（降低压力和流量增益），阀口的变化不会引起变量活塞缸内油液压力的剧烈变化，可以提高控制稳定性，泵的排量控制稳定，也有利于减少对执行机构的压力冲击；泵的变量通过变量活塞缸控制（怎么判断原理图中泵的排量是变大还是变小呢？看图中斜盘的倾角，当变量缸向左移时，斜盘倾角减小，排量减小）。该泵出油口串联一个节流阀（该节流阀具有节流调速功能，可以是换向节流阀，多路阀，电液比例节流阀），然后与负载（系统）相连接，在负载引出控制压力（图中是PLS，即Load Sensing）至变量泵的X口，进入负载敏感阀的左侧，而阀右侧引入的控制压力为泵的出油口压力P。

东风灬

RE: 负载敏感泵的工作原理

图1 负载敏感泵原理图

东风灬

        下面叙述负载敏感系统的具体工作过程，为更加直观，将原理图中的节流阀换成了换向节流阀（阀口具有节流减压的功能），此处简称换节阀：

1、尚未启动状态

        当泵尚未启动时，处于原始状态，参照图1，系统中的油液压力为0，负载敏感阀受预设定的弹簧力作用（1.4MPa），右位工作。变量活塞缸（以下简称变量缸）中的油液压力为0，斜盘在弹簧力的作用下倾角最大，即泵将在最大排量状态下启动。

2、刚开始启动状态

        如图2所示，泵刚开始启动时，系统内的压力很小，尚未建立起足够的压力，泵的压力油作用在负载敏感阀右端，但泵的输出压力不足以克服负载敏感阀左端的弹簧力，阀右位工作，泵处于排量最大的工作状态。

      

图2 泵刚开始启动，压力尚未升高时

3、泵启动，换节阀处于中位时

        如图3所示，当泵启动，而换节阀处于中位时，泵输出的压力油不能输送至系统，相当于在密闭容腔内，由于油液本身的弹性模量及泵持续工作并输出流量，油液的压力将会升高，负载敏感阀将受到高压油的作用，克服预先设定的弹簧力，阀芯右移，左位工作，高压油被引入至变量活塞缸（以下简称变量缸），由于上下两个变量缸的作用面积不同，在油液压力下，斜盘倾角将会减小，因为换节阀处于中位，泵输出的压力油将会一直作用至变量缸，泵的排量将会达到最小，此时泵输出压力油的流量最小，仅能满足泵的内泄漏，压力为1.4MPa（负载敏感阀设定的弹簧力），泵处于低压待机工况。此时有人可能会有疑问，你怎么就能确定泵的最小流量刚好满足内泄漏呢，实际工况下怎么可能刚好满足内泄漏？（1）我们先来分析最小流量比内泄漏小的情况，当最小流量不能满足内泄漏时，泵输出的流量全部用于内泄漏，没有多余的流量建立压力，油液的压力将降至0，负载敏感阀只受弹簧力的作用，阀芯左移，右位工作，变量缸与油箱接通，斜盘只受弹簧力的作用，倾角增大，排量增大，泵输出的流量增大，除满足内泄漏之外将会产生多余的流量，此部分流量将会使压力升高，克服负载敏感阀的弹簧力，阀左位工作，从而使泵的排量再次减至最小。此情形下，负载敏感阀的阀芯将左右移动，维持作用在变量缸的油液压力；（2）当最小流量比内泄漏所需流量高时，多余流量将会使泵的压力持续增大，只能通过外接溢流阀控制其最大压力。因此，此种情况应该不会出现，在泵的设计之初就将此种情形避免。

图3 泵启动，换节阀处于中位，泵处于低压待机工况

东风灬

4、换节阀处于工作位时

        当换节阀刚切换至工作位时，如图4所示，泵输出的压力尚不能推动负载，通过换节阀的流量为0，负载敏感阀两端压力相同，在弹簧力的作用下右位工作，泵处于最大排量的工况。

        当换节阀切换至工作位，泵输出油液的压力推动负载时，如图5所示，图中换节阀右位工作，泵输出的高压油经过换节阀口，进入液压缸，推动负载工作，另外引出PLS控制油路作用在负载敏感阀的右侧，此时阀芯左侧受到泵输出的的控制压力油FP，右侧受到换节阀中引出的控制油FPLS和弹簧力F弹的作用，由于负载运动，流量持续进入液压缸，通过换节阀的流量不为零，油液在通过换节阀口（换节阀口相当于可变液阻）后会产生压降△P，故PLS<P，因此作用在负载敏感阀阀芯三个力的平衡关系与△P有关。要分析泵的变量方式，需要分析负载敏感阀的工作状态，而其工作状态又与换节阀有关，下面分析换节阀开启后泵输出的流量变化情况。

        现在分析阀口开度与阀芯所受三个力的平衡关系，首先需要说明一点，换节阀的阀口开度是由操纵者控制的，且由于并没有其他油路（此系统为单执行机构），泵输出的流量除泄漏外将全部经过换节阀口，当开启换节阀，阀口具有一定开度时，负载敏感阀的阀芯受力有三种情况：1）当FP=FPLS+F弹时，负载敏感阀O型中位机能工作，变量缸的油口关闭，泵的排量处于恒定值，液压缸匀速运动；2）当FP<FPLS+F弹时，阀芯左移（弹簧刚度及阀芯位移较小，不考虑阀芯移动时弹簧力的变化），右位工作，变量缸与油箱连接，在弹簧力的作用下泵的排量增大，导致泵的输出流量增大，而换节阀的阀口开度不变，导致阀口的压降增大，PLS由负载决定，△P增大导致泵的输出压力P增大，直至FP=FPLS+F弹；3）当FP>FPLS+F弹时，阀芯右移，左位工作，压力油进入变量缸，导致泵的排量减小，即通过换节阀的流量降低，压降△P降低，导致P减小，直至FP=FPLS+F弹。因此，无论阀口开度如何变化，负载敏感阀均会通过自身的调节功能，维持1.4MPa的恒定压差，压力表1和2的压力差将稳定在1.4MPa。

        而操纵者想要控制负载（即液压缸）的运动速度时，通过控制换节阀比例电磁铁的电流控制阀口开度，当控制换节阀的阀口开度减小时，换节阀口处的液阻增大，压降增大，导致P增大，从而导致FP>FPLS+F弹，即与3）的情况相同，使负载速度降低；当控制换节阀的阀口开度增大时，换节阀口处的液阻减小，压降减小，导致P减小，从而导致FP<FPLS+F弹，即与2）的情况相同，使负载速度增大。因此，通过控制换节阀，简接控制泵的排量大小，进而控制负载的速度。即感应系统的压力和流量需求，提供所需的压力和流量，此即负载敏感系统的含义。

   

图4 换向阀处于工作位，压力尚不能推动负载

   

           图5 换向阀处于工作位，负载运动时

东风灬

5、液压缸活塞运动至行程终点，换节阀不动时

        如图6所示，换节阀仍处于右位工作，但液压缸运动至形成终点时，负载敏感阀的左右两侧的压力相同（液压缸不再移动，换节阀处的流量为0，P和PLS之间的压降为0，虽然阻尼1处有一部分油液泄漏，但对压降影响不大），在弹簧力的作用下右位工作，泵的排量增大，液压泵的输出流量无处释放，压力将被憋高，当压力高至压力补偿阀的设定压力时，阀左位工作，负载敏感阀失去作用，压力油通过压力补偿阀被引至变量缸，使泵的排量降至最低，此时泵的输出流量仅能满足内泄漏，此种工况下泵的输出压力为压力补偿阀的设定压力，流量为0，称为泵的高压待机工况。此时也许又会产生疑问，泵的输出最小流量如果比内泄漏低或高呢？若最小流量比内泄漏低，则压力降低，导致压力补偿阀右位工作，泵的排量增大，除内泄漏的多余流量再次使泵的输出压力憋高，使压力补偿阀开启，泵的排量降低；若最小流量比内泄漏高，则应外接溢流阀，限制泵的最大工作压力。另外，溢流阀的设定压力应比压力补偿阀的设定压力高，否则，泵在最大排量下溢流，造成较大的功率损失。

图6 换节阀不动，但液压缸运动至终点时，泵处于高压待机工况

6、液压缸运动至行程终点，换节阀中位时

        如图7所示，当换节阀切换至中位时（注意：此图中的换节阀与前面的换节阀略有不同，由于前图中的换节阀职能符号并不影响分析，故采用了简便画法），液压缸不会再有流量输入，作用在负载敏感阀弹簧腔处的压力油将通过阻尼1卸荷（此处阻尼1的功能即防止换节阀闭中心时的压力阻塞），阀左位工作，压力油进入变量缸，使泵处于最小排量状态。此时，泵的输出压力和负载敏感阀的设定压力相同，即1.4MPa，泵再次处于低压待机工况。

图7 换节阀切换至中位，泵再次处于低压待机工况

        此次分析的是单执行机构的负载敏感系统，而工程机械中一般会要求多个液压缸的复合动作，即多执行机构的负载敏感系统，其基本原理与此相似。由于本人水平有限，错误和不足之处请大家多批评指正。

参考文献

吴晓明. 《液压变量泵（马达）变量调节原理与应用》

吴根茂. 《新编实用电液比例技术》

液压贼船. 负载敏感泵的基础知识

林清安（译）. 负载敏感（LS）控制系统工作原理与操作（伊顿）

力士乐样本. 行走机械液压产品样本 第一部分 液压泵

xuran0401

讲的很详细，学习了

Use

讲的很好，辛苦作者了。当多负载时只需将所有AB口的输出用单向阀隔离即可。最高压力送到负载敏感阀即可。而其它较小的负载就用压力补偿阀进行压力补偿，保持流量不变，实现流量协调，当流量饱和时，阀后补偿的系统所有压降减少，仍然保持速度协调降低，这就是LUDV系统。以上是开环控制系统的工作原理。
如果是闭环控制系统，则每个较小的负载用阀口开度变化来调节，如果也出现了流量饱和，则系统的所有输出同比降低，也可以实现速度协调控制。
这就 实现了油泵对负载的流量跟踪和压力跟踪。

东风灬

Use 发表于 2018-12-9 21:14
讲的很好，辛苦作者了。当多负载时只需将所有AB口的输出用单向阀隔离即可。最高压力送到负载敏感阀即可。而 ...

谢谢您的评论！说实话，单泵对多执行机构的负载敏感系统我还没有完全搞懂。此处我想请教一下，压力补偿器的作用，除了排除负载变化对控制流量的影响之外，是否还有使多个负载不同的油缸做复合动作时同时运动的作用？

Engineer_hao

讲的很详细，受益了！

hilead999

东风灬 发表于 2018-12-10 08:19
谢谢您的评论！说实话，单泵对多执行机构的负载敏感系统我还没有完全搞懂。此处我想请教一下， ...

单泵对多执行机构的负载敏感系统我还没有完全搞懂——主要是通过梭阀来实现