什么是负荷传感(LS)和压力补偿？

原文发表于： Lee戏说液压理论与实战 微信公众号

在讲解负荷传感之前，首先明白如下基础知识：

        什么叫“压力补偿”？

        为什么需要“压力补偿”？

      “压力补偿”的分类及其在液压系统的安装位置？

         一、压力补偿的功能、分类和特点：  

       根据下面的经典流量方程式可知，通过节流阀口的流量Q不但与该节流阀口的面积A(对于阀而言，即阀的开口度Xv)有关，还与其前后的压差△P=Pp-PL有关。

      在工业上常用单个节流阀用于流量（即执行元件，如油缸的速度V=Q/A）的粗略调节；

      但有些场合，比如机床的工进进刀、锯床的进刀、几只油缸同步的场合，要求速度精细的场合，单纯的节流阀就不能满足要求了。

        比如：

       有些要求多只油缸同步的场合，好多人采用节流阀同步，经常发现，初期调节好大致同步后，来回几次，根本就不同步了，特别是严重偏载的场合，油缸犯卡，甚至根本不能正常使用。

       比如：

      下料用的锯床，若油缸活塞杆带动的切割锯进刀不均匀速度不稳定时，就会导致锯条容易断掉。

      此时若用节流阀控制进给速度时，由于节流阀的进口是油泵压力Pp，由溢流阀设定，可以认为不变，但由于棒料里和型材材料夹渣和疏密度、厚薄、受力等不同会导致节流阀后的负载压力PL会变化。

      换句话说，尽管进刀速度已经调到，即经过节流孔进入油缸的流量尽管已经调好开度Xv，但由于节流阀前后压差△P=Pp-PL变化，导致锯床进刀速度不稳定，就会容易断掉锯条。

       所以，你如果仔细看看锯床上阀的铭牌，实际上它采用的是一种调速阀，而不是节流阀。

       其实，根本的问题：节流阀前后的压差△P=Pp-PL不恒定。

       为此，必须想办法使得节流阀前后压差△P=Pp-PL=常数。

       液压上，把这种节流阀的前后压差△P变为恒定常数的方法，称为压力补偿。

       所以压力补偿阀是一个自动调整阀口变化，从而实现恒压的辅助阀，称为“定压差压力阀”。

       它常常与节流阀相互组合在一起，共有两种形式：

       1)串联式，称为二通压力补偿阀，处于阀与负载之间，可以采用多个，用于多个支路上；

       2)并联式，称为三通压力补偿阀，处于油泵与阀之间，仅仅有一个。

        综上可知，压力补偿的目的是：

        通过实时感应外负载压力PL的变化，压力补偿阀自动实时调整节流阀阀口前后压差△P并且使得△P=恒定常数；从而保证节流阀阀口的流量Q仅仅与节流阀的阀口开口度X有关；便于控制速度流量。

       压力补偿阀+节流阀是具有调节速度/流量功能的阀，国内教材上称为“调速阀”或“流量控制阀”。

流量控制阀—调速阀

        ■调速阀的作用就是：

       调节流量Q，控制执行元件的运动速度V=F/A。

       但它与节流阀相比，其所调节的流量稳定；并且该流量仅仅取决于调速阀开口度Xv的大小，而不受负载变化PL影响。

        ■调速阀的分类：

       ①串联式减压节流型调速阀（二通调速阀）

       国外称之为：二通压力补偿阀+节流阀

       ②溢流节流型调速阀（三通调速阀）。

       国外称之为：三通压力补偿阀+节流阀

        ①减压节流型调速阀

       ■组成：减压阀和节流阀串联;

       ◆原理：靠定差减压阀来保持节流口两端的压差恒定，所以叫二通压力补偿;

       ▲适用：对负载变化大，运动稳定性高的场合;

       注意：由于该阀共有两个通口((Pp和PL)，故又叫二通流量控制阀，国外习惯于叫二通压力补偿阀。

        ②溢流节流型调速阀

        ■组成：溢流阀和节流阀并联

        ◆原理：靠定压作用的溢流阀进行压力补偿，保持节流口前后压差恒定，所以叫三通压力补偿;

        注意：由于该阀共有三个通口((Pp和PL、T或P2)，故又叫三通流量控制阀，国外习惯于叫三通压力补偿阀。

【注意：

        上图图a)若用于行走机械方向机的转向器时，常常称为“单稳阀”；它用于单油泵供油用来保证转向器不随发动机的转速变化而影响方向机的忽沉忽漂，便于转向器的操作。

       下面两图中，图b)称为具有单向压力补偿的“优先阀”，图c)称为具有双向压力补偿的“优先阀”，压力补偿阀的出口没有连通T口，而是另外一个支路的工作油口P2；

       这种阀常常用于行走机械上的方向机，称为优先阀；用于保证优先保证转向阀的流量不随发动机的转速变化而波动，同时多余的流量不回油箱T口，而是通过工作油口P2通向行走机械的其它工作装置，形成合流。】

       图c)中带圆圈的那个伺服阀在工程机械上常常称为(方向机)转向器或流量放大阀。

        ▲适用：对速度稳定性要求较高，且功率较大的进油路节流调速系统。

       1.若用于串联单油路带节流阀阀口和并联多油路带节流阀阀口功能的情况时，可以保证各路的流量稳定，仅仅与阀的开口度Xv有关。

       此时容易实现单路匀速动作；多路不同负载的复合动作、同步动作等。

       压力补偿阀可以串联装在节流阀的进口，称为阀前补偿，如力士乐的M4电比例多路阀、林德的VW阀、哈威的PSL/PSV电比例多路阀；

       也可以装在节流阀的出口，称为阀后补偿，如力士乐的M7电比例多路阀。

       2.若用于定量油泵出口处的外部，称为溢流节流阀，国外称为“三通压力补偿阀”；

       它是基于动态封闭容腔压力公式：

       待到油泵压力Pp与负载压力PL达到弹簧设定压力值（如0.9～2.5MPa）时，自动通过三通压力补偿阀的T口溢流，从而实现了压力适应，功率匹配，节能省油/省电，减小油液发热。

       德国哈威资料上，把定量油泵+三通压力补偿阀的组成系统，称为开中心负荷传感系统。

       当在零位（即空载或无任何操作的间歇时间），油泵通过三通压力补偿阀（国内称为溢流节流阀）以极小的压力Pp≈0流回油箱，但定量油泵的流量Q不变，我本人称之为“压力卸荷”。

       3.若用于恒压变量油泵的内部，称为LS(即负荷传感)阀，它实际上也是一个“三通压力补偿阀”，它只不过是与油泵组装在一起，起控制油泵排量的作用。

        它也是基于动态封闭容腔压力公式：

       待到油泵压力Pp与负载压力PL达到弹簧设定压力值（如0.9～2.5MPa）时，自动通过油泵内部的LS阀(实质上也是三通压力补偿阀)调节油泵的排量，从而实现了压力适应，功率匹配，节能省油/省电，减小油液发热。

       德国哈威资料上，把变量油泵+LS阀的组成系统，称为闭中心负荷传感系统。

       当在零位（即空载或无任何操作的间歇时间），油泵通过LS阀使得油泵配流盘倾角几乎为零，以极小的流量Qp≈0排出，仅仅补偿内部系统泄漏量，但变量油泵的流量P不变，我本人称之为“流量卸荷”。

各联/各路支路上添加压力补偿的实际目的和用途：

       串联式压力补偿阀与带节流阀口功能的阀（比如电液方向节流阀、电液多路四通阀）组合后，可以使得通过阀口的流量Q仅仅受控于节流阀口的开口度，即阀芯位移Xv；不再受其阀口前后压差△P的干扰。

       通常对于多路（联）的比例换向阀而言，其进油口均为油泵压力Pp，而各支路（各联）对应的执行元件的外负载大小不一样，有的轻、有的重。

       若没有压力补偿时，油液会优先流向负载轻的那一路（那一联），直至轻负载运行结束后才能依次进入相对较重的那一路，导致若同时操纵复合动作（至少两个执行元件工作）失效。

       但加上压力补偿后，多路阀的进口都是油泵压Pp，虽然各路（各联）负载PL不同，但由于二通压力补偿阀的自身补偿功能，完全可以满足通过阀口的流量不受外负载的干扰，仅仅取决于阀芯的位移，即阀芯的开口度Xv。

压力补偿，通常为两种：

        1、串联式减压阀+节流阀（减压阀在前的，称为阀前补偿；否则，为阀后补偿。）==调速阀

       由于减压阀的主油口有两个，国内沿用国外叫二通压力补偿阀；

       它常常用于单个支路上，保证在节流阀的阀口开度不论如何调节，其前后压差△P不变；便于根据流量方程式Q=kA，调节节流阀的开度x，就可以控制执行元件（油缸、油马达）的运行速度。

       在行走机械上，通常多路阀的每一联控制一个支路，它掌控着执行元件的正方向和反方向运动，其阀芯移动时的开口就相当于节流阀。若正反方向都想控制速度的话，可以将每一联换向阀的出口处A、B之间连接一个三通口的梭阀（高压信号选择器），可以从中取出正反方向实时外负载的压力信号作用于二通压力补偿阀上，使得补偿阀压差上升调节，保证一个近似恒定数值。

        2.并联式溢流阀+节流阀==溢流节流阀

       由于溢流阀是一种差压式溢流阀，它有三个主油口，故称为三通压力补偿阀。

       其中一个口为回油箱的T口，当油泵供油产生的压力大于负载所需压力时，就溢流，故国外有时也称为多余流量阀。

       为此，“三通压力补偿阀”要比“二通压力补偿阀”多了一项功能：

       它不但能够保证节流阀阀口前后压差△P的恒定，还能够自动使得油泵动力源头的压力仅仅比最大外负载压力PL仅仅高出0.9～2.5MPa左右，实现压力适应，功率匹配，节能省油/省电，减少系统油液发热。

       这就是所谓的负荷传感（LS）系统！

       它通过采用梭阀或梭阀选择网络，实时感应或检测到整套工作装置中的最大外负载所产生的最大负载压力PL信号，使得油泵动力源头的压力Pp实时地仅仅高出最大负载压力PL（0.9～2.5）MPa来获得压力适应，同时满足系统流量QL需要。这样的液压系统不但压力适应，功率匹配，同时减少了油液发热，节能、省油/省电。
【注意：

       a.若油泵动力源头的流量Qp≥QL时，可以满足电比例多路阀操作的复合动作，LS系统即可适用；

       b.否则，就会出现所谓的“流量饱和”问题。这样多路阀中的高负载联的流量（即速度）不能受控，操作控制会失效。

      此时，可以采用相对更先进的与负载无关的流量共享LUDV系统，其实它是将在各联上的阀前补偿（常开式二通压力补偿阀）改为了阀后补偿（常闭式二通压力补偿阀）而已。

       c.当然各个厂家的此类功能阀也略有不同，比如林德、哈威、布赫等阀前阀后结构不同，但也可以解决流量饱和的控制失效问题，可以查阅相关资料。】

二、采用“负荷传感”的优点和特点：

        ①为了节能，实现负载适应和功率匹配；

         ②既适用于单比例节流阀系统+两个工作油口之间梭阀系统；

      此处的每个梭阀是一个3通口的阀，它是一个高压信号选择阀。

       即两侧高、低压进，中间高压出。通过流量极小。

【注意：

      还有一种梭阀与上述“高压信号选择阀”明显不同，

       如上图所示d)中的滑阀式梭阀，称为热油梭阀（冲洗阀）是以输出流量Q为目的，是闭式系统中的冲洗阀，用于冷却和过滤】。

       又可满足多联比例节流阀组+梭阀组（或者梭阀选择网络）系统。

    注意：

       单比例节流阀中的节流阀和多联比例节流阀组中的节流阀

，通常配装串联式二通压力补偿阀（有阀前补偿和阀后补偿两种），实现复合动作；

         所谓“压力补偿”方法：

        前者、后者均采用油泵出口处并联三通压力补偿阀（定量油泵的阀在外部，称为三通压力补偿阀；变量油泵的阀在内部，称为LS阀）+支路串联二通压力补偿阀+节流阀的场合；

        ③同时满足压力适应，又能满足支路流量稳定的场合；

       ④共有两种模式：开中心（定量油泵+三通压力补偿阀）和闭中心（恒压变量油泵+LS阀）。

 三、负荷传感的作用原理

大家都知道：

       从上面油泵所需的输入驱动功率公式可知，原动机的功率取决于执行元件（油缸、油马达）的压力P和流量Q。

       如果油泵能够实时跟踪执行元件中的实际工况中的压力PL，并且满足其流量QL，实现按需仅仅略高一点余量提供匹配，那么整套液压系统就能够节能(对行走机械就是省油)，实现负载适应或功率匹配。

        这种液压系统称为：负荷传感系统，即LS系统。

        所谓“负荷传感”，即英文“Load Sensing”，它指的是油泵这个“动力源头”能够实时察觉到“外负载所导致的压力(即PL=FL/A)变化”，从而仅仅满足比所需负载压力高出（0.9～2.5）MPa左右的油泵压力Pp供油即可，即Pp≈PL+(0.9～2.5)。

      这如同人扛麻袋一样，若麻袋重50kgf，我就出51kgf的力；若是重100kgf，我就出102kgf。仅仅比所需的外负载稍多出点力即可，能省则省。

      为什么要多出(0.9～2.5)MPa压力呢？这是考虑了从油泵动力源头外负载之间管路及节流阀、二通压力补偿阀的全部压力损失。

【注意：

      普通调速阀（串联式减压阀+节流阀）的压降△P≥0.5～1MPa；为此，油泵压力Pp必须要比负载压力高出0.5～1MPa；

       否则由于减压阀不能起调节作用，而使得调速阀仅仅起节流阀作用，不能达到调速阀稳定流量、速度均匀的效果。】

    1.对于单个油路单动作而言，

       由于执行元件（油缸、油马达）通过换向阀而实现工作腔进出油口的切换，而油泵动力源头也相应实时跟踪执行元件的工作状态，如油缸的伸出、缩回，油马达的正反转。

       此时可以在换向阀工作进出口A和B之间添加一个三通梭阀（或由两个面对面单向阀组成），就可以任何工作状况时的外负载所导致的压力PL的变化。

      然后连接到油泵源头。

        1.若是定量油泵，则连接到三通压力补偿阀的弹簧侧压力腔，如上图所示；达到Pp-PL=Fs/A，即油泵动力源头压力仅仅比所需的负载压力多出一个固定弹簧的压力，约2.5MPa左右，其余多余流量溢流掉。

        2. 若是变量油泵，则连接到油泵内部的LS接口(实际上也是一个三通压力补偿阀的弹簧侧压力腔，不过该阀控制的是油泵的排量)，如下图所示。它实际上是根据“动态封闭容腔压力与流量之关系公式”：

       通过调整油泵的排量q来适应外负载的最高压力，满足Pp-PLS=Fs/A=常数，实现负载适应，功率匹配。

      a.若是定量油泵，就连接到一个三通压力补偿阀，即俗称的三通溢流阀，或者叫差压式溢流阀。

      这个阀的符号及其原理如下图所示。

      其实质是根据下式：

       由上述公式可知，使得压降△P=常数；这样通过比例节流阀的流量Q仅仅与阀口的面积A，也就是与阀口的开度相关，便于采用电控或手动来控制执行元件的输出速度（或转速），并且速度不再受负载变化的干扰。

【值得特别强调的是：

       此时油泵动力源头Pp不但与系统中最高外负载所需的压力PL相适应，并且能够与系统所需的总流量QL也匹配；这样完全实现了油泵与最高外负载的功率匹配，节能省油/省电。】

       三通压力补偿阀的另外表达符号，其实这种表达更形象，更准确。

       当油泵动力源头的压力Pp与反映外负载所需的最高压力PL实时相互比较，而大于弹簧力Fs/A时，三通压力补偿阀打开溢流；否则处于弹簧侧的断开功能位置，不断供油，来根据如下公式：

      通过快速向系统管路、执行元件的容腔内不断供油，而使得系统压力Pp满足外负载压力PL多出一个弹簧压力的要求，即Pp-PL=Fs/A，达到适应负载，功率匹配。

     该阀方框外的两条竖线表示阀芯是连续无级变化的。

       b.若是恒压变量油泵，就连接到油泵本体上标注LS的接口，这个LS实际上也是一个三通压力补偿阀，不过它是组装与油泵内部，控制的是油泵的排量。

 根据动态封闭容腔压力公式：

       通过调节油泵的排量q来达到与外负载最高工作压力的压力适应和功率匹配，节能、省油/省电。

    2.并联多支路复合动作而言，

        所谓复合动作，即至少两个动作同时进行。

       此时由于外负载肯定有轻中重之分，油泵动力源头实时跟踪的肯定是重负载的压力PLh信号，而不能是轻负载PLl压力信号。

       单个或者多个油路中的外负载FL的大小变化而导致的压力P的高低变化，从而使得液压动力源头实时跟踪它的变化，及时作出调整，仅仅满足比单油路最高压力高出2.5MPa的压力供油即可；也或者比并联多油路中同时做复合动作的相对较高压力的那个高出2.5MPa的压力供油即可。

四、多路阀的负荷传感和压力补偿的控制要点：

       1.负载传感LS控制

      一般指系统能自动地将负载所需压力PL或流量QL变化的信号，传到三通压力补偿阀或泵变量控制机构的LS阀口，使其压力参量发生变化(这一功能就是所谓负载传感LS(,或称负荷感知,负荷敏感)，从而调整供油单元的运行状态，使其几乎仅向系统提供负载所需要的液压功率(压力PL与流量QL的乘积)，最大限度地减少压力与流量两项相关损失。

       负载传感LS是从基本原理角度，对这种系统的称呼。

       而从其达到的实际工程效果角度，常称为负载适应，负载匹配或功率匹配，有时直称节能系统。

       由此也可看到，负载传感是个系统问题，而不单是个控制阀的问题;

       其技术包括主要在油泵动力源头及相应的控制部分，只在大闭环系统中，才牵涉到液动机部分。

       实施负载传感控制，具体是提高原动机利用效益，减小系统发热，达到机械设备结构紧凑和节能的目的。

2.负载压力补偿      

       负载压力补偿，是流量控制阀范围的一个技术问题。

       它要解决的问题是：在负载压力大幅度变化(主要干扰)和/或油泵动力源头的压力波动(次要干扰)时，通过流量阀的流量能保持其调定值不变。传统的办法就是给节流口串联或并联一个压力补偿器。

       2.压力补偿控制：

       是通过消耗一部分能量，来换取工作节流阀口的压差基本不变(如前所述,负载敏感是为了节能)。

      其工程实施方法就是在节流阀(单个节流阀,方向节流阀–方向阀,多个并联的方向节流阀–多路阀)的基础上，加上压力补偿器，使其具有所控制的流量不受负载变化影响的调速阀。

       如果不考虑电液控制等新技术，而仅考察传统的所谓机液压力补偿机理，则有两种基本的压力补偿器—串联于节流口的二通压力补偿器，并联于节流口的三通压力补偿器。这两种补偿器,其工程实际应用上有重要的差别。

       a.三通压力补偿器多置于【节流器–节流阀口，方向节流阀口，多路(方向节流)阀阀口】进口(油源与节流器之间)；

        而二通压力补偿器，既可置于进口(油源与节流器之间) ，也可在出口(节流器与负载之间)；也就是所谓的阀前补偿和阀后补偿。

       b.通常情况下，配置二通压力补偿器的系统，为恒(定)压系统。

         负载变化时，补偿器保持节流器前后压差△P不变，克服负载而多余的或大或小的压差，都消耗在补偿器的补偿阀口上。

       二通补偿器只能起到负载压力补偿作用。即仅仅保持节流器阀口压差不变。

       c.三通压力补偿器的特点是在保持节流器阀口压差△P不变的情况下，总是使泵出口压力Pp实时地仅比负载压力PL高出一个定压差△P（补偿器阀口压差），从而达到了负载适应。

五、负荷传感系统的目前常用套路及其优缺点

       1.常用套路：

       20世纪70年代初，在恒压变量泵发展的基础上，出现了负荷传感这种功率适应系统。

       负荷传感系统主要通过一个负荷传感泵来控制。此泵是在恒压泵的基础上，加上一个负载敏感阀，以保持此阀压力恒定为原则来调节泵的排量，达到恒流量调节的目的。

       这种系统比节流调速系统节约能量，不仅避免了溢流损失；而且相比闭式容积传动系统，它通过“负载梭阀组”特别适用于多负载并联工况，即复合动作的操作，被广泛用于工程机械中。

       此种方式得到各国学者的普遍重视，在70年代进行了大量广泛、深入的研究，至今已比较成熟，并有大量工业产品在市场上出现。

       2.负荷传感系统的缺点是:

       (1)主管道仍然有附加节流损失。

       (2)尽管在单一负载下，它的效率很接近闭式容积传动系统；但是，在多个变化较大的负载并联的工况下，由于只能与最大负载相适应，效率将大大下降。

       (3)在负载离油源较远的条件下，细长的负载压力反馈管道可能会引起不稳定。

      因此，负荷传感泵和负载敏感阀需经过仔细的动态设计，只能配套使用。

      也就是说，倘若你选用这个公司的功率适应泵，而采用另一个公司的负载敏感阀，尽管规格相配，元件合格，组成的系统却可能失效。