關鍵詞：負載口獨立；機液壓差補償；能耗；運動控制
0 引言
液壓傳動與控制技術由于其結構簡單、輸出重量比大、反應靈敏、傳動平穩、響應快等特點在農業機械、工程機械、鋼鐵工業等領域得到了廣泛應用。
傳統的液壓系統由于其采用了一根閥芯同時控制著進、出口油路，產生了多余的節流損失，導致了系統能耗大、效率低，因此1987 年德國的 Backe 教授提出了負載口獨立控制技術， 即利用兩個獨立的閥分別控制著進、出口油路，從而盡量降低節流損失， 達到節能的目的[1]。此后，眾多學者對負載口獨立控制技術進行了深入研究，在組合方式、控制方法、實驗研究上取得了一定成果[2-4]。文獻[5]提出了在負載口獨立控制系統中利用機液壓差補償方法，不但可以提高系統的可靠性，而且具有一定的節能特性。
因此， 本文將分析負載口獨立液壓系統的工作原理及結構特點，對比電液壓差補償方法和機液壓差補償方法的特點，采用機液壓差補償原理，選用相關液壓元件，設計基于機液壓差補償的負載口獨立控制閥及多執行器液壓系統，并分析其工作原理， 搭建試驗平臺。
1 結構組成與工作原理：
1.1 傳統閥控液壓系統工作原理
傳統的閥控液壓系統普遍采用三位四通滑閥的結構，如圖 1 所示，利用一個多邊節流的控制閥芯 x 同時控制著液壓執行器的進、出口油路，在進口節流調速的過程中，出口同時進行節流，這就造成了多余的出口節流損失，因此，傳統控制閥的結構形式造成了重復節流損失，使得系統在一定程度上能耗上升，效率降低。同時，由于閥芯和閥體的結構決定了中位機能，一旦控制閥確定， 中位機能即確定，在實際的應用過程中，中位機能不能隨著應用工況的需求而改變，因此，傳統閥控系統的工況適應性較差。
圖 1 傳統的閥控液壓系統示意圖
1.2 負載口獨立液壓系統工作原理
負載口獨立液壓系統工作原理，如圖 2 所示，將原有的單個控制閥芯 x,分別利用四個控制閥芯 x1、x2、x3、x4 替代，從而完成對液壓執行器進、 出口油路的獨立控制， 根據液壓執行器工況需求，通過不同的控制邏輯對相應的施控制，在進口控制閥節流調速控制的同時，出口控制閥進行柔性控制，從而可以避免傳統閥控液壓系統中所出現的重復節流損失，進一步降低了系統能耗， 實現閥控液壓系統節能。
1.3 負載口獨立液壓系統布局形式
負載口獨立液壓系統的布局形式主要有兩種，如圖 3 所示， 國內外學者所研究的布局形式均是由這兩種布局形式進行變形與改進而來。圖 3（a）所示為 4-2/2 型液壓布局形式，利用四個 2/2 比例閥進行組合， 控制 1 個液壓執行器；圖 3（b） 所示為 2-3/3型液壓布局形式，利用兩個 3/3 比例閥進行組合， 控制 1 個液壓執行器。 兩種布局形式各有特點，4-2/2 型具有較高的控制柔性，可以實現多種中位機能，但是成本較高、控制難度較大；2-3/3 型布局形式成本相對較低、控制難度相對小， 但控制柔性較低， 實現的中位機能種類較少。
（a） 4-2/2 型（b） 2-3/3 型
2 負載口獨立液壓系統運動控制方法：
2.1 電液壓差補償方法
無論是傳統的液壓系統，還是新型的負載口獨立液壓系統， 其中一個最為重要的功能是運動控制。運動控制是一個難點，國內外學者在研究負載口獨立液壓系統時， 多采用電液壓差補償方法，所謂負載口獨立控制系統的電液壓差補償方法，如圖 4 所示，通過 3 個壓力傳感器檢測進口控制閥兩端的壓力、出口控制閥的壓力， 計算閥口壓降， 利用壓力——流量特性方程， 根據實際工況， 通過控制器對進、出口控制閥的閥芯進行柔性控制， 從而實現變負載工況下液壓執行器的運動控制。
然而， 負載口獨立液壓系統是一個典型的多輸入多輸出控制系統， 存在著壓力、流量的耦合控制， 是一個復雜多變的控制系統。電液壓差補償方法多采用成本較高的比例伺服閥，通過內置的閥芯位移傳感器檢測閥芯位移并以電反饋的方式實現壓力、流量的耦合控制，此種電液壓差補償方法復雜，計算量大，對控制器性能要求較高， 并且需要大量的試驗進行性能調試， 因此，很難在現有的工業機械中進行推廣應用，而工程機械或農業機械中均采用沒有內置閥芯位移傳感器的比例閥或開關閥， 現有的研究不滿足應用條件，其工程應用更進一步受到了限制。
2.2 機液壓差補償方法
為了克服電液壓差補償方法的缺點， 本文采用機液壓差補償方法，對負載口獨立液壓系統進行設計。所謂機液壓差補償方法,如圖 5 所示，采用壓力補償器對進口控制閥的壓差進行補償， 同時， 通過 2 個壓力傳感器對進、出口控制閥的壓力進行檢測， 通過控制器制定相應的進口控制閥和出口控制閥的控制方法。相比于電液壓差補償方法，減少了信號檢測點，避免了閥芯位移檢測， 增強了系統的魯棒性， 便于變負載工況下控制策略的制定，便于今后在農業機械及工程機械中進行推廣應用。
3 負載口獨立液壓系統設計：
3.1 負載口獨立控制閥設計
根據前文所述，采用機液壓差補償方法，設計負載口獨立控制閥，原理圖和三維設計圖，如圖 6 所示。采用 5 個二位二通比例閥 4 作為主控制閥，可以實現相應的邏輯控制、多種中位機能以及流量再生功能；采用壓力補償器 5 補償進口閥兩端的前后壓差，從而實現流量穩定控制；采用兩個二位三通換向閥 2 和梭閥 6 實現工作油腔的壓力傳遞到負載敏感口 LS；采用兩個二次補油閥 1，可以實現當液壓執行器兩腔吸空時進行補油； 采用保持閥 3 可以實現負載保持功能； 除此以外， 設置了兩個供油口P1、P2，兩個負載敏感口 LS1、LS2，兩個回油口 T1、T2，以及兩個測壓口 Ma、Mb。
當 A 口進油、B 口回油時， 其工作原理如下：二位二通比例閥 4.3、二位二通比例閥 4.5、二位三通換向閥 2.1、保持閥 3 同時打開則壓力油從供油口 P 1 或 P 2 進油，經過壓力補償器 5 ，再經過二位二通比例換向閥 4.3 達到 A 口， 驅動液壓執行器運動，通過 B 口回油， 經過保持閥 3， 再經過二位二通比例閥 4.5 到回油口 T1、T2，同時，A 口工作壓力通過二位三通換向閥 2.2 和 2.1，一路流入壓力補償器 5 的比較口， 另一路通過梭閥 6 流回負載敏感 LS1 或 LS2。
當 B 口進油、A 口回油時， 其工作原理與上述工作原理相似，所不同的是，二位二通換向閥 4.2 和 4.4 工作。
1.過載補油閥；2.二位三通換向閥；3.保持閥；4.二位二通比例閥；5.壓力補償器；6.梭閥。
圖 6 負載口獨立控制閥原理圖和三維設計圖
3.2 多執行器負載口獨立液壓系統設計
以挖掘機工作機構為例， 設計多執行器負載口獨立液壓系統，其他工程機械、農業機械與其類似。挖掘機工作機構負載口獨立液壓系統原理圖和實物圖如圖 7、圖 8 所示。
挖掘機的工作機構包括動臂、斗桿、鏟斗和回轉， 對應的液壓驅動執行器為動臂液壓缸、斗桿液壓桿、鏟斗液壓缸和回轉馬達，對于負載口獨立控制閥，最大的特點是其通用性，因此，可以選用同樣的負載口獨立控制閥進行控制，如圖 7 所示，選用四組負載口獨立控制閥 5.1、5.2、5.3 和 5.4 分別控制動臂液壓缸、斗桿液壓桿、鏟斗液壓缸和回轉馬達，并將四組閥的供油口 P、負載敏感口 LS 與負載敏感變量泵 7 的出油口 P、負載敏感口 LS 分別相連，將四組閥的回油口 T 與油箱相連，從而構成了整個工作機構的負載口獨立液壓系統回路。
1.動臂液壓缸；2.斗桿液壓缸；3.鏟斗液壓缸；4.回轉馬達；5.負載口獨立控制閥動臂聯、斗桿聯、鏟斗聯和回轉聯；6.發動機；
7.負載敏感變量泵；8.油箱。
打開，則壓力油從供油口 P1 或 P2 進油，經過壓力補償器 5，再經
圖 7 挖掘機工作機構負載口獨立液壓系統原理圖
4 結論：
針對電液壓差補償方法計算量大、方法復雜、成本高等缺點， 分析了機液壓差補償方法的特點，根據機液壓差補償原理，采用
5 個二位二通比例閥作為主控制閥，選用壓力補償器對進口控制閥兩端的壓差進行補償，配以梭閥、換向閥、過載補油閥等液壓輔助元件，設計了基于機液壓差補償的負載口獨立控制閥，并以挖掘機的工作機構為例，設計了挖掘機多執行器負載口獨立液壓系統，并制造與安裝了相關液壓元件，搭建了試驗平臺，為后續負載口獨立液壓系統的控制特性研究提供了良好基礎。
基金項目：國家自然科學基金青年基金項目資助（51805228）；江蘇省高等學校自然科學基金研究項目資助（18KJB460010）；江蘇省高 等學校大學生創新訓練計劃項目（201811463001Z）
作者簡介： 黃鵬輝（1999—）， 男， 河南信陽人， 本科， 研究方向： 液壓系統設計。
通訊作者： 劉凱磊（1988—）， 男， 甘肅嘉峪關人， 工學博士， 講師， 研究方向：電液比例控制技術，新型流體元件的開發與應用。
參考文獻：
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【興迪源機械液壓技術優勢】
興迪源機械嚴格按照ISO國際標準質量管理體系和5S管理標準進行質量監控和內部管理。建立有 “河南省流體壓力成形智能裝備工程技術研究中心”，核心團隊由數10名博士、碩士和各高等院校金屬成形專家教授組成，專注于液壓成形核心技術和產品工藝研發。
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