负载敏感控制技术在TBM液压系统中的应用

孙和泽

2015年7月21日 10:32

液压技术是基于帕斯卡定律（Pascal Law），以有压流体（压力油）为介质，来实现能量传递和自动控制的一种应用技术。液压传动传递动力大，运动平稳。液压技术可应用在需要传递高功率及负载运动需要精确控制的场合。

对于液压系统来说，压力和流量是两个基本参数。液压系统的压力是由负载来确定的，而流量是系统重点要控制的变量。流量与压力的乘积为功率。因此，对该两变量进行控制，关系到系统的功率利用率问题。

论文将以负载敏感控制技术为依据，论述液压系统功率效率及控制问题。并以WIRTH TB880E隧道掘进机中液压系统作为应用实例，加以说明。

1负载敏感技术的原理

负载敏感技术，简言之，就是将负载需要的压力、流量与泵的压力、流量相匹配以最大限度地提高系统效率的技术。要提高系统效率，一方面，需要将负载的压力与泵的输出压力相适应；另一方面，泵的输出流量正好满足负载运动速度的需要。此外，还需要实现待机状态的低功耗。

如图1所示，实现负载敏感控制的系统由下列元件组成：负载敏感变量柱塞泵1，速度调节元件（节流阀）2，压力传感元件（梭阀）3。

在柱塞泵1上有压差控制阀4和压力控制阀5。压力控制阀用来限定泵的最高工作压力Pmax。负载的驱动压力Pl，通过梭阀3反馈到泵的控制口X，压差控制阀4用来设定泵的出口与执行元件（油缸）进油口之间的压差△P。从而，执行元件的运动速度取决于节流阀2的开度(节流阀的流量关系式确定Q=f（A, △P）)。即在此系统中，节流阀和压差控制阀共同组成了一个调速阀。

只要Pl≤Pmax-△P,无论负载怎么变化，泵提供的流量能始终与负载的要求相适应，而泵的输出压力为Pl+△P。

这样液压系统的效率（不计入泵的效率及执行元件的效率）为Pl/(Pl+△P)。

当系统未工作，处于待机状态时，负载压力Pl=0，系统的待机功率损耗为△PQp 。其中Qp为泵的泄露和控制流量损失。

采用负载敏感技术的优点是：系统的输出压力及流量直接取决于负载，可以大大提高系统的功率利用率。

2 应用举例

负载敏感技术在WIRTH TB880E型隧道掘进机中液压系统中的应用举例。

2.1 仰拱吊机

仰拱吊机在TBM隧道施工中担负着仰拱块铺设的功能。该液压系统主要由变量柱塞泵，比例溢流阀，单向节流阀，多路比例阀等组成。系统液压原理图见图2。

系统的液压泵采用德国REXROTH公司的10VSO系列柱塞泵，系统切断压力设定为170bar，由DR压力控制阀设定。压差由压差控制阀FR设定，REXROTH推荐设定为14bar。控制口X用于负载反馈。

系统分为两部分P1,P2。其中P1用于控制吊机的三个吊钩用于起吊仰拱块及吊机前后行走，P2用于仰拱块的左右横移及摆动。

P1部分采用德国HAWE公司的PSV型负载敏感多路比例阀控制。采用多路阀的优点是：实现无级控制，与负载变化无关（即无论负载怎么变化，三个吊钩的起升下降速度一样）；能满足多个执行元件同时工作；提高液压系统效率，减少发热；高集成性和高适应性。

为实现执行元件的速度精确控制，在多路阀的进油口处串联了定差减压阀作为压力补偿器。从而多路阀与执行元件的进油口之间的压差（由多路阀上节流阀的流量关系式确定Q=f（A, △P））即为压力补偿器的调定弹簧值。由于△P为常量，从而各执行元件的流量取决于阀口面积A的大小，即与压力无关的流量分配，可以很精准地控制执行元件的速度，保证三个吊钩的速度一样。多路阀中的溢流阀可以作为执行元件的安全阀。

系统中单向节流阀用于在待机状态下，保证泵的出口压力为压差控制阀设定的压力（同样根据节流阀的流量关系式确定），从而实现系统能量的节约。

REXROTH公司将负载敏感控制技术即LUDV系统广泛用于工程机械中，该技术具有节能和良好的控制性能。

2.2 卸碴机

卸碴机在隧道施工中承担着卸碴的重要职能。该液压系统主要由变量柱塞泵，溢流阀，梭阀，电磁换向阀，比例电磁方向阀等元件组成。

执行元件为斗门油缸和挡板油缸，行走马达。该系统为典型的负载敏感控制系统。系统液压原理图见图3。

变量柱塞泵采用德国REXROTH公司的A10VSO系列柱塞泵。比例方向阀为REXROTH公司的4WRAE6W型比例阀，用于行走马达的快慢速控制，系统的速度控制精度是相当高的。梭阀是该系统的主要传感元件。系统工作时，梭阀将负载将压力反馈给泵的控制口X。所以该系统为典型的负载敏感控制系统。

2.3 拖拉系统

拖拉系统在隧道施工中起着供应材料的作用，用于将料车拖拉至主机材料区。该液压系统动力站主要由压力/流量/功率控制变量柱塞泵，溢流阀，电磁换向阀等组成。液压动力站液压原理图见图4。

变量柱塞泵采用德国REXROTH公司的A10VSO系列柱塞泵。系统主要实现旋转马达的运动。该泵为恒功率控制，恒功率控制调节工作压力及泵的流量输出，在恒定的驱动转速下不超过预定的驱动功率，即PQ=常数（恒量）。

电磁换向阀作用：当换向阀断电时，泵上的压差控制阀FR在两侧压差的控制下动作使泵处于卸荷状态，此时流量最大；当换向阀得电时，油液压力达到泵上的压力控制阀DR设定压力时，即切断压力，从而由PQ=常数，泵的排量减小到最小。

如图5所示：当系统功率小于设定功率时，该泵将以最大流量向执行元件（马达）供油。也就是当系统的工作压力小于P1时，该系统为流量控制，此时能实现快速运动，为流量控制段。当系统的工作压力大于P1时，该系统的流量开始变化，即负载速度变慢，随着负载的变化速度相应变化，实现工进。对应曲线为双曲线，为功率控制段。其控制起点压力P1由工况而定。当负载压力达到压力切断值P2时，泵流量最小，实现系统的安全保护。此时为压力控制段。