关键词：负载口独立；机液压差补偿；能耗；运动控制
0 引言
液压传动与控制技术由于其结构简单、输出重量比大、反应灵敏、传动平稳、响应快等特点在农业机械、工程机械、钢铁工业等领域得到了广泛应用。
传统的液压系统由于其采用了一根阀芯同时控制着进、出口油路，产生了多余的节流损失，导致了系统能耗大、效率低，因此1987 年德国的 Backe 教授提出了负载口独立控制技术， 即利用两个独立的阀分别控制着进、出口油路，从而尽量降低节流损失， 达到节能的目的[1]。此后，众多学者对负载口独立控制技术进行了深入研究，在组合方式、控制方法、实验研究上取得了一定成果[2-4]。文献[5]提出了在负载口独立控制系统中利用机液压差补偿方法，不但可以提高系统的可靠性，而且具有一定的节能特性。
因此， 本文将分析负载口独立液压系统的工作原理及结构特点，对比电液压差补偿方法和机液压差补偿方法的特点，采用机液压差补偿原理，选用相关液压元件，设计基于机液压差补偿的负载口独立控制阀及多执行器液压系统，并分析其工作原理， 搭建试验平台。
1 结构组成与工作原理：
1.1 传统阀控液压系统工作原理
传统的阀控液压系统普遍采用三位四通滑阀的结构，如图 1 所示，利用一个多边节流的控制阀芯 x 同时控制着液压执行器的进、出口油路，在进口节流调速的过程中，出口同时进行节流，这就造成了多余的出口节流损失，因此，传统控制阀的结构形式造成了重复节流损失，使得系统在一定程度上能耗上升，效率降低。同时，由于阀芯和阀体的结构决定了中位机能，一旦控制阀确定， 中位机能即确定，在实际的应用过程中，中位机能不能随着应用工况的需求而改变，因此，传统阀控系统的工况适应性较差。
图 1 传统的阀控液压系统示意图
1.2 负载口独立液压系统工作原理
负载口独立液压系统工作原理，如图 2 所示，将原有的单个控制阀芯 x,分别利用四个控制阀芯 x1、x2、x3、x4 替代，从而完成对液压执行器进、 出口油路的独立控制， 根据液压执行器工况需求，通过不同的控制逻辑对相应的施控制，在进口控制阀节流调速控制的同时，出口控制阀进行柔性控制，从而可以避免传统阀控液压系统中所出现的重复节流损失，进一步降低了系统能耗， 实现阀控液压系统节能。
1.3 负载口独立液压系统布局形式
负载口独立液压系统的布局形式主要有两种，如图 3 所示， 国内外学者所研究的布局形式均是由这两种布局形式进行变形与改进而来。图 3（a）所示为 4-2/2 型液压布局形式，利用四个 2/2 比例阀进行组合， 控制 1 个液压执行器；图 3（b） 所示为 2-3/3型液压布局形式，利用两个 3/3 比例阀进行组合， 控制 1 个液压执行器。 两种布局形式各有特点，4-2/2 型具有较高的控制柔性，可以实现多种中位机能，但是成本较高、控制难度较大；2-3/3 型布局形式成本相对较低、控制难度相对小， 但控制柔性较低， 实现的中位机能种类较少。
（a） 4-2/2 型（b） 2-3/3 型
2 负载口独立液压系统运动控制方法：
2.1 电液压差补偿方法
无论是传统的液压系统，还是新型的负载口独立液压系统， 其中一个最为重要的功能是运动控制。运动控制是一个难点，国内外学者在研究负载口独立液压系统时， 多采用电液压差补偿方法，所谓负载口独立控制系统的电液压差补偿方法，如图 4 所示，通过 3 个压力传感器检测进口控制阀两端的压力、出口控制阀的压力， 计算阀口压降， 利用压力——流量特性方程， 根据实际工况， 通过控制器对进、出口控制阀的阀芯进行柔性控制， 从而实现变负载工况下液压执行器的运动控制。
然而， 负载口独立液压系统是一个典型的多输入多输出控制系统， 存在着压力、流量的耦合控制， 是一个复杂多变的控制系统。电液压差补偿方法多采用成本较高的比例伺服阀，通过内置的阀芯位移传感器检测阀芯位移并以电反馈的方式实现压力、流量的耦合控制，此种电液压差补偿方法复杂，计算量大，对控制器性能要求较高， 并且需要大量的试验进行性能调试， 因此，很难在现有的工业机械中进行推广应用，而工程机械或农业机械中均采用没有内置阀芯位移传感器的比例阀或开关阀， 现有的研究不满足应用条件，其工程应用更进一步受到了限制。
2.2 机液压差补偿方法
为了克服电液压差补偿方法的缺点， 本文采用机液压差补偿方法，对负载口独立液压系统进行设计。所谓机液压差补偿方法,如图 5 所示，采用压力补偿器对进口控制阀的压差进行补偿， 同时， 通过 2 个压力传感器对进、出口控制阀的压力进行检测， 通过控制器制定相应的进口控制阀和出口控制阀的控制方法。相比于电液压差补偿方法，减少了信号检测点，避免了阀芯位移检测， 增强了系统的鲁棒性， 便于变负载工况下控制策略的制定，便于今后在农业机械及工程机械中进行推广应用。
3 负载口独立液压系统设计：
3.1 负载口独立控制阀设计
根据前文所述，采用机液压差补偿方法，设计负载口独立控制阀，原理图和三维设计图，如图 6 所示。采用 5 个二位二通比例阀 4 作为主控制阀，可以实现相应的逻辑控制、多种中位机能以及流量再生功能；采用压力补偿器 5 补偿进口阀两端的前后压差，从而实现流量稳定控制；采用两个二位三通换向阀 2 和梭阀 6 实现工作油腔的压力传递到负载敏感口 LS；采用两个二次补油阀 1，可以实现当液压执行器两腔吸空时进行补油； 采用保持阀 3 可以实现负载保持功能； 除此以外， 设置了两个供油口P1、P2，两个负载敏感口 LS1、LS2，两个回油口 T1、T2，以及两个测压口 Ma、Mb。
当 A 口进油、B 口回油时， 其工作原理如下：二位二通比例阀 4.3、二位二通比例阀 4.5、二位三通换向阀 2.1、保持阀 3 同时打开则压力油从供油口 P 1 或 P 2 进油，经过压力补偿器 5 ，再经过二位二通比例换向阀 4.3 达到 A 口， 驱动液压执行器运动，通过 B 口回油， 经过保持阀 3， 再经过二位二通比例阀 4.5 到回油口 T1、T2，同时，A 口工作压力通过二位三通换向阀 2.2 和 2.1，一路流入压力补偿器 5 的比较口， 另一路通过梭阀 6 流回负载敏感 LS1 或 LS2。
当 B 口进油、A 口回油时， 其工作原理与上述工作原理相似，所不同的是，二位二通换向阀 4.2 和 4.4 工作。
1.过载补油阀；2.二位三通换向阀；3.保持阀；4.二位二通比例阀；5.压力补偿器；6.梭阀。
图 6 负载口独立控制阀原理图和三维设计图
3.2 多执行器负载口独立液压系统设计
以挖掘机工作机构为例， 设计多执行器负载口独立液压系统，其他工程机械、农业机械与其类似。挖掘机工作机构负载口独立液压系统原理图和实物图如图 7、图 8 所示。
挖掘机的工作机构包括动臂、斗杆、铲斗和回转， 对应的液压驱动执行器为动臂液压缸、斗杆液压杆、铲斗液压缸和回转马达，对于负载口独立控制阀，最大的特点是其通用性，因此，可以选用同样的负载口独立控制阀进行控制，如图 7 所示，选用四组负载口独立控制阀 5.1、5.2、5.3 和 5.4 分别控制动臂液压缸、斗杆液压杆、铲斗液压缸和回转马达，并将四组阀的供油口 P、负载敏感口 LS 与负载敏感变量泵 7 的出油口 P、负载敏感口 LS 分别相连，将四组阀的回油口 T 与油箱相连，从而构成了整个工作机构的负载口独立液压系统回路。
1.动臂液压缸；2.斗杆液压缸；3.铲斗液压缸；4.回转马达；5.负载口独立控制阀动臂联、斗杆联、铲斗联和回转联；6.发动机；
7.负载敏感变量泵；8.油箱。
打开，则压力油从供油口 P1 或 P2 进油，经过压力补偿器 5，再经
图 7 挖掘机工作机构负载口独立液压系统原理图
4 结论：
针对电液压差补偿方法计算量大、方法复杂、成本高等缺点， 分析了机液压差补偿方法的特点，根据机液压差补偿原理，采用
5 个二位二通比例阀作为主控制阀，选用压力补偿器对进口控制阀两端的压差进行补偿，配以梭阀、换向阀、过载补油阀等液压辅助元件，设计了基于机液压差补偿的负载口独立控制阀，并以挖掘机的工作机构为例，设计了挖掘机多执行器负载口独立液压系统，并制造与安装了相关液压元件，搭建了试验平台，为后续负载口独立液压系统的控制特性研究提供了良好基础。
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目资助（51805228）；江苏省高等学校自然科学基金研究项目资助（18KJB460010）；江苏省高 等学校大学生创新训练计划项目（201811463001Z）
作者简介： 黄鹏辉（1999—）， 男， 河南信阳人， 本科， 研究方向： 液压系统设计。
通讯作者： 刘凯磊（1988—）， 男， 甘肃嘉峪关人， 工学博士， 讲师， 研究方向：电液比例控制技术，新型流体元件的开发与应用。
参考文献：
[1] Backé W. Design systematics and performance of cartridge valve controls [C].International conference on fluid power, tampere, finland. 1987, 3: 1-48.
[2] 丁孺琦，徐兵，张军辉.负载口独立控制系统压力速度复合控
制的耦合特性[J]. 浙江大学学报( 工学版)，2017，51(6)：1126- 1134.
[3] 黄伟男，权龙，黄家海，等.进出口独立控制液压挖掘机回转系
统运行特性[J].机械工程学报，2016，52(20)：159-167.
[4] Choi K, Seo J, Nam Y, et al. Energy-saving in Excavators with Application of Independent Metering Valve [J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2015, 29(1):387-395.
[5] Liu Kailei, Gao Yingjie, Tu Zhaohui. Energy saving potential of load sensing system with hydro -mechanical pressure compensa tion and independent metering[J]. International Journal of Fluid Power, 2016, 17(3):173-186.
【兴迪源机械液压技术优势】
兴迪源机械严格按照ISO国际标准质量管理体系和5S管理标准进行质量监控和内部管理。建立有 “河南省流体压力成形智能装备工程技术研究中心”，核心团队由数10名博士、硕士和各高等院校金属成形专家教授组成，专注于液压成形核心技术和产品工艺研发。
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