（工作分析）开中心和闭中
心液压系统工作特点和优
缺点分析
开中心和闭中心液压系统工作特点和优缺点分析
同济大学黄宗益李兴华陈明
之上介绍了中位开式多路阀液压系统，目前我国（非外资企业）大多采用这种系统，而国外
先进挖掘机厂大多改用中位闭式负载敏感压力补偿多路阀系统。下面就这俩种液压系统的工
作原理及其优缺点进行分析。
壹、开中心液压系统的特点和存于的问题
开中心液压系统采用六通多路阀，各操纵阀的结构简图和液压符号如图 1所示。
(a)(b)(c)
图 1开式六通操纵阀结构简图和液压符号图
操纵阀于中位时泵压力油 P通过直通油道 D，经过各阀，最后回油箱 T，执行器动作时 P→D
的阀口逐渐关小，P→A和 B→T的阀口逐渐开大。
其调速是采用旁路回油节流和进油节流的组合，其调速作用是通过阀杆节流，控制去油缸和
回油箱的开口量来实现的，如图 1（c）所示。
由于是靠回油节流建立的压力来克服负载压力，因此调速特性受负载压力和油泵流量的影响，
多路阀的操纵调速特性如图 2（a）所示。
（a）开中心（b）闭中心压力补偿
图 2开中心和闭中心阀的调速特性
从图 2（a）开中心阀的调速特性可知：开中心油路油缸起动的阀杆行程和负荷压力、泵流量
有关。负荷压力愈高，泵流量愈小，阀杆死行程愈大（死区大）。负荷压力愈高，泵流量愈
小，调速区域愈小。轻负荷时，流量调整行程大，操纵性能好。重负荷时，流量调整行程小，
操纵性能差。速度调整操纵不稳定，阀杆操纵行程不变，但随负荷变化和泵流量变化，则油
缸速度会产生变化。
挖掘机工作过程负载压力是不稳定的，随时变化着的，液压泵的流量也于不断变化，因此使
其调速性能很不稳定，操纵困难。
开中心油路操纵性能的另壹缺点是：当壹泵供多个执行器同时动作时，因液压油是向负载轻
的执行器流动，需要对负载轻的执行器控制阀杆进行节流，特别是像挖掘机这类机械，各执
行器的负荷时刻于变化，但又要合理地分配流量，以便相互配合实现所要求的复合动作，是
很难控制的。
开中心油路第三个缺点是：要满足液压挖掘机各种作业工况要求，同时实现理想的复合动作，
是很困难的。例如，双泵合流问题：挖掘机实际工作中，动臂、斗杆、铲斗均要求能合流，
但有时却不要求合流，但对开中心油路来说，要实现有时合流，有时不合流是很困难的。
各种作业工况复合动作问题：例如：掘削装载工况，平整地面工况，沟槽侧边掘削工况等，
如何向各执行器供油，向那个执行器优先供油，如何按操作者的愿望实现理想的配油关系也
是很困难的。仍有作业装置同时动作时行走直线性等问题。
对于开中心油路光靠操纵多路阀阀杆来实现挖掘机作业动作要求是不行的。为此设计师于开
中心系统的设计上动足了脑筋，想了许多办法，采用了不少通断型二位二通阀和插装阀来改
变供油，于油路上通过设置节流孔和节流阀来实现优先供油关系。可是能够这样说，采用了
这些措施，开中心油路仍然是不理想的，仍不能满足挖掘机工作要求和理想的作业动作要求。
二、负载敏感和压力补偿
开中心油路系统的主要缺点是：司机不能按自己的愿望通过操纵多路阀阀杆来控制去执行器
的流量，因此难以控制挖掘机的作业动作，操纵性差。这个问题是六通多路阀调速方式所决
定的，要解决此问题，必须改变操纵阀的调速方式。
人们从调速阀工作原理中获得启示，调速阀是定差压力阀（减压阀或溢流阀）和可调节流阀
串联组成，如图 3所示。能够定差压力阀于前，节流阀于后；也能够节流阀于前，定差压力
阀于后。
图 3调速阀工作原理
将节流阀进出口压
力P1和 P2分别引到定差 压力阀阀芯的俩端，
由定差压力阀使节流阀
前后压差△P=P1-P2保持壹定。
通过节流阀的流量为：
式中：C为流量系数，A为节流阀口通流面积，当△P为定值时，则流量 Q仅取决于 A。不受
负载压力变化和液压泵流量变化的影响，具有自动补偿功能。这种将节流压差设定为规定值，
对流量进行自动控制称为压力补偿流量控制。
（壹）不抗饱和的负载敏感压力补偿系统
把这个原理应用于多路阀中，例如，于多路阀的各阀入口处设定差压力补偿阀，将各操纵阀
作为节流阀，将操纵阀进出口压力分别引到压力补偿阀的俩端，如图 4所示。根据调速阀工
作原理，由操纵阀改变节流口通流面积来控制去各执行器的流量，这样操纵阀就能使得各执
行器的速度只和该操纵阀杆的行程有关，和负载压力、油泵流量等无关，如图 2（b）所示。
这种压力补偿系统存于壹个严重缺点：
当液压泵流量足够时，通过操纵阀阀口的压差均能达到补偿压力，这时各阀入口的压力补偿
阀均能起调节作用，各阀的操纵相互没有干涉。当多个执行器同时动作时，其操纵阀均于大
开度下工作，各执行器总流量需求往往会超过泵的供油流量，即所谓的流量出现饱和。
这时由于且联供油，压力油首先供给低压执行器，满足低压执行器的需要，流经低压操纵阀
的压力降能达到补偿压力，其压力补偿阀能起控制流量作用。即泵流量不足时首先保证供给
低压执行器，多余下来的油才供给高压执行器，此时流向高压执行器操纵阀的流量不足，达
不到压力补偿阀起作用的压力，高压执行器动作速度降低，甚至不动。
此时达到补偿压差的低压执行器，可由其操纵阀行程来控制其速度，达不到补偿压差的高压
执行器，不能用操纵阀来控制其运动。
此现象于挖掘机上很严重，首先挖掘机要求高生产率和高速传动，要求能向壹个执行元件供
给泵的全部流量，其次挖掘机经常需要几个执行器同时动作，而且挖掘机负荷大，其压力感
应恒功率控制和发动机转速下降等因素，均使泵输出流量降低，因此经常出现泵流量饱和现
象，这种不抗饱和的负载敏感压力补偿系统于挖掘机上不能应用，必须解决此问题。
图 4各阀入口压力补偿系统
（二）抗饱和（或称分流比）负载敏感压力补偿系统
多执行器共泵供油，压力油优先流向压力低的执行器，这是液压传动的基本特性所决定的。
如果同时动作的各执行器，其负载压力均相等，就能够避免油流向压力低处的现象。实际上
各执行器负载压力不可能相等，必须想办法于液压油路上动脑筋，采取措施使它们相等。为
此开发了起负载均衡作用的压力补偿器。设置于各执行器的油路中，让它起负载均衡器的作
用。低负载的执行器通过压力补偿器的节流，使它和高负载执行器负载压力相同，使各路负
载压力相等，就避免了油优先流向低负载执行器的问题。由于各执行器的负载压力相等，使
得各操纵阀杆进出口压差均是相等的，所以各执行器同时动作时，通过各阀杆的流量只和该
阀杆的行程（节流口通流面积）有关，和各执行器的负荷无关，当流量饱和时，则根据各阀
行程成比例地减少去各路的流量，这种流量分配和调速方式，作者称为分流比负载敏感压力
补偿系统。
起负载均衡器作用的压力补偿器能够布置于各执行器油路的任何地方（操纵阀前，操纵阀后，
或执行器的回油路上）。
下面以阀前补偿为例来说明：
如图 5所示，为林德公司分流比负载敏感系统，其特点是：
于每个操纵阀前设置压力补偿阀，此压力补偿阀阀心左端受油泵压力 PP和其负载压力 PL作
用，右端受操纵阀前压力 Pm和由梭形阀引入的最高负载压力 PL1（设 PL1＞PL2，PL1=PLmax）作
用，对压力补偿阀 1取力平衡得：（设阀心左右面积相等）
PP+PLmax=Pm1+PLmax
得：PP=Pm1，即油流通过压力补偿阀无压差。
操纵阀 1进出口压差△P1=Pm1-PLmax=PP-PLmax
对压力补偿阀 2取力平衡得：
PP+PL2=Pm2+PLmax；PP-Pm2=PLmax-PL2
油流通过压力补偿阀 2的压差为 PLmax-PL2，正好补偿了俩执行器压力负荷的差值。
操纵阀 2进出口的压差为：△P2=Pm2-PL2=PP-PLmax=△P1=△P
即所有阀杆的进出口压差相等，为油泵进口压力和最高负载压力之差。
通过俩操纵杆的流量分别为：
；
对各阀△P均相同，去执行元件的流量仅取决于各阀杆的行程（K1，K2），当多执行器同时动
作时，按各阀杆行程成比例地分配去各路的油量。
图 5阀前压力补偿分流比负载敏感系统
该系统采取负载敏感泵，变量机构由油泵调节阀（泵负载敏感阀）和伺服油缸等组成，油泵
调节阀左端受油泵出口压力 PP作用，右端受最高负载压力 PLmax和弹簧力 PS作用，从油泵调
节阀阀杆力平衡可得：
PPA=PLmaxA+FSA为受压面积
△P=PP-PLmax=
该系统的补偿压差△P由油泵调节阀来设定，△P取决于弹簧力 FS，调节弹簧可改变系统压
差，但比较麻烦。如油泵调节阀采用比例电磁阀，可通过电控方便地改变△P。可变补偿压
力系统调速能够改变 K（阀杆行程）也能够改变△P（电磁阀电流）来实现。而且调速均具有
独立性，不受负载，泵流量和多执行器同时动作等影响。当各阀杆均于中位时，PLmax通回油，
压力为零，油泵压力只需克服弹簧力，油泵调节阀就处于左位，压力油进入伺服油缸，油泵
排量很小，实现中位卸载。于阀工作过程中，油泵压力和最高负载压力之间差值由油泵调节
阀决定，始终保持常数，即略高于负载压力。当执行器需要流量小时，操纵阀杆节流使节流
压差增加，造成 PP-PLmax增大，通过油泵调节阀作用，自动使泵流量减小，使节流调速变为
容积调速，使流量损失减少，使系统始终保持于所需压力和所需流量下工作。
三、开中心和闭中心优缺点对比分析
下面就挖掘机对液压系统的主要性能要求来进行探讨：
（壹）调速性能
1.开中心：执行器起动点（阀的死区）随负载和泵流量而变；调速区域随负载和泵流量而变，
重负载调速区域小，流量调整行程小；有负载漂移现象，即操纵杆位置不变，随负载改变，
执行器速度发生变化；微调和精细作业困难，调速性能差。
2.闭中心：执行器的速度只和该操纵阀杆的行程有关，和负载压力和油泵流量无关，无负载
漂移现象。
仍能够采用改变补偿压差的方法获得很好地微调功能，调速性能很好。
（二）执行器同时动作，复合操作性能
1.开中心：由于负载干涉，司机难以恰当地控制去各执行器的流量，很难相互配合实现所要
求的复合动作。为了运动上独立，需要单独壹个泵供壹个执行器。
2.闭中心：无负载干涉现象，同时动作时各执行器的运动速度只和其阀杆行程有关，司机易
按自己的愿望来控制其复合动作，单泵供多个执行器仍能保持各执行器运动的独立性，当流
量饱和时，各执行器的速度按其行程等比例地下降，这样仍保持原来的运动关系。
（三）各阀杆供油流量选择自由度
1.开中心：各阀杆最大流量由泵流量所确定不能选择，但各执行器需要的流量往往是不同的，
油缸伸出和缩回所需流量往往也是不同的。于作业过程不同工况，执行器对油泵流量需要不
同时，只能采用泵分流或合流有级设定。仍要用通断型阀来改变供油关系，采用节流孔和节
流阀来改变各路的供油量，但仍不能满足挖掘机各工况对执行器的流量要求。
2.闭中心：对任壹执行器均能通过阀杆行程按需限制最大流量，设定适宜的最高速度，能够
通过操纵阀杆行程获得低于最高速度的任意速度。
图 6为日立建机闭中心各阀的流量设定和开中心流量设定比较的示意图，从图中可见出
闭中心各阀流量设定的自由度比开中心要大得多。因此闭中心能更好地符合挖掘机工况对各
执行器的流量要求，使液压系统供油更加合理。
闭中心系统开中心系统
←流量 流量→
另外， 挖掘机是多
功能的 机械，其上
可装不 同的附属装
置，但 多种多样的
附属装 置要求不同
的流量。 对开中心来
说，阀系 统无法设定
其 流 量，对闭中
心来说， 同壹阀杆只
需调整 其行程，就能
改变流 量来符合各
种附属 装置的流量
需要。
（四）从节能和生产率上来见
节能非常重要，这不仅涉及使用成本、经济性，仍涉及能耗和排放的环境问题，反映作业效
率的生产率也非常重要。
有人认为采用负载敏感压力补偿系统进行流量控制，需要壹定补偿压差，会造成能量损失，
因此认为闭中心能量损失大，实际上这观点是不对的。因为开中心旁通回油形式，通过阀体
节流必然有液阻和能量损失，俩者从阀的角度来见是差不多的。通过阀的损失主要由阀的尺
寸选择和设计技术所决定。
必须指出分析阀和液压系统的能耗不能单纯从阀和液压系统来见，要从人机系统组合总的效
果来见。闭中心由于操纵性好，容易实现理想的操作动作，工作效率高，能耗也低。
表 1为小松公司开中心和闭中心实际土方作业对比试验的结果。生产率以单位时间土方量来
图 6 各操纵阀流量设定的自由度
度
调整区域
单边
收回 放出
卸土
举升下降
挖掘
举升 下降
(100%)(50%)
2 泵流量1 泵流量0050%
100%
动臂
斗杆
铲斗
回转
行走
后备
表示，油耗以单位燃油量的作业量来表示，采用俩个机种 10T级和 20T级，二者马力相同，
从试验结果可知，无论生产率仍是油耗均是闭中心为优。应该说明 10T级，开中心采用双泵
系统，闭中心采用单泵系统。双泵本身要比单泵系统省油，故单位时间油耗闭中心稍大于开
中心。但最终评价能耗的指标是单位燃油量的作业量，仍然是闭中心优于开中心。从对比数
据来见俩者有不少的差距。
表 1开中心和闭中心分析对比实际土方作业试验结果
机种 10T级 20T级
马力（ps） 85 85 120 120
液压系统
2泵
负流量控制
1泵
负载敏感压力补偿
2泵
负流量控制
2泵
负载敏感压力补偿
作业内容 掘削 90度回转装载作业
土方量（m3/H）
燃料（m3/H）
单位油耗作业量
（m3/L）
（五）动态性能
挖掘机工作装置是大质量惯性系统，大容积的执行器要考虑油的体积弹性系数，因此存于动
态特性问题。开中心采用旁通节流，响应快，起动平稳，而且系统稳定不易振动，从这壹点
来说，其操作感觉好，而闭中心系统靠压力补偿改变流量，使执行器速度变化。当遇到大惯
性负载时会产生压力变化快，流量跟不上现象，使压力补偿阀不能按正确补偿压力调整，产
生过度和不足调整。泵和多路操纵阀之间连接管道较长时，会引起压力传递滞后，因此闭中
心易产生响应慢，操纵控制不稳定等问题。
这是初期闭中心存于的缺点，但经过实际使用和不断改进，这些问题基本上得到解决，通过
适当调整压力补偿程度能够得到完全补偿特性，接近开中心的特性或介于俩者之间的中间特
性。
综上所述可得出以下结论：闭中心负载敏感压力补偿是为了使液压系统能更好地符合挖掘机
复杂工况而开发出来的新型的液压系统，从工作原理根本上来见，其供油和调速方式理想合
理，能更好地符合挖掘机作业要求。
作为多路阀液压系统，主要性能是操纵性，所谓操纵性就是能否按司机的愿望，快慢很自于
地控制作业装置的运动。
开中心不能实现理想的操作动作，必然产生不正确和无谓的浪费动作，必然加重司机的生理
和心理负担。装上开中心系统的挖掘机只能见成是壹台粗糙的机械，不要说生手，就是熟练
司机也很难驾驭。必然作业效率低和油耗高，这就是为什么很多挖掘机厂家过去采用开中心
现改为闭中心的原因。这个技术发展的动向希望引起我国挖掘机厂家足够的重视。
