液壓技術(shù)是基于帕斯卡定律（Pascal Law），以有壓流體（壓力油）為介質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)能量傳遞和自動(dòng)控制的一種應(yīng)用技術(shù)。液壓傳動(dòng)傳遞動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。液壓技術(shù)可應(yīng)用在需要傳遞高功率及負(fù)載運(yùn)動(dòng)需要精確控制的場(chǎng)合。

對(duì)于液壓系統(tǒng)來說，壓力和流量是兩個(gè)基本參數(shù)。液壓系統(tǒng)的壓力是由負(fù)載來確定的，而流量是系統(tǒng)重點(diǎn)要控制的變量。流量與壓力的乘積為功率。因此，對(duì)該兩變量進(jìn)行控制，關(guān)系到系統(tǒng)的功率利用率問題。

論文將以負(fù)載敏感控制技術(shù)為依據(jù)，論述液壓系統(tǒng)功率效率及控制問題。并以WIRTH TB880E隧道掘進(jìn)機(jī)中液壓系統(tǒng)作為應(yīng)用實(shí)例，加以說明。

1負(fù)載敏感技術(shù)的原理 

負(fù)載敏感技術(shù)，簡(jiǎn)言之，就是將負(fù)載需要的壓力、流量與泵的壓力、流量相匹配以最大限度地提高系統(tǒng)效率的技術(shù)。要提高系統(tǒng)效率，一方面，需要將負(fù)載的壓力與泵的輸出壓力相適應(yīng)；另一方面，泵的輸出流量正好滿足負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度的需要。此外，還需要實(shí)現(xiàn)待機(jī)狀態(tài)的低功耗。

如圖1所示，實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感控制的系統(tǒng)由下列元件組成：負(fù)載敏感變量柱塞泵1，速度調(diào)節(jié)元件（節(jié)流閥）2，壓力傳感元件（梭閥）3。

在柱塞泵1上有壓差控制閥4和壓力控制閥5。壓力控制閥用來限定泵的最高工作壓力Pmax。負(fù)載的驅(qū)動(dòng)壓力Pl，通過梭閥3反饋到泵的控制口X，壓差控制閥4用來設(shè)定泵的出口與執(zhí)行元件（油缸）進(jìn)油口之間的壓差△P。從而，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度取決于節(jié)流閥2的開度(節(jié)流閥的流量關(guān)系式確定Q=f（A, △P）)。即在此系統(tǒng)中，節(jié)流閥和壓差控制閥共同組成了一個(gè)調(diào)速閥。

只要Pl≤Pmax-△P,無論負(fù)載怎么變化，泵提供的流量能始終與負(fù)載的要求相適應(yīng)，而泵的輸出壓力為Pl+△P。

這樣液壓系統(tǒng)的效率（不計(jì)入泵的效率及執(zhí)行元件的效率）為Pl/(Pl+△P)。

當(dāng)系統(tǒng)未工作，處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，負(fù)載壓力Pl=0，系統(tǒng)的待機(jī)功率損耗為△PQp 。其中Qp為泵的泄露和控制流量損失。

采用負(fù)載敏感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)的輸出壓力及流量直接取決于負(fù)載，可以大大提高系統(tǒng)的功率利用率。

2 應(yīng)用舉例

負(fù)載敏感技術(shù)在WIRTH TB880E型隧道掘進(jìn)機(jī)中液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用舉例。

2.1 仰拱吊機(jī)

仰拱吊機(jī)在TBM隧道施工中擔(dān)負(fù)著仰拱塊鋪設(shè)的功能。該液壓系統(tǒng)主要由變量柱塞泵，比例溢流閥，單向節(jié)流閥，多路比例閥等組成。系統(tǒng)液壓原理圖見圖2。

系統(tǒng)的液壓泵采用德國REXROTH公司的10VSO系列柱塞泵，系統(tǒng)切斷壓力設(shè)定為170bar，由DR壓力控制閥設(shè)定。壓差由壓差控制閥FR設(shè)定，REXROTH推薦設(shè)定為14bar。控制口X用于負(fù)載反饋。

系統(tǒng)分為兩部分P1,P2。其中P1用于控制吊機(jī)的三個(gè)吊鉤用于起吊仰拱塊及吊機(jī)前后行走，P2用于仰拱塊的左右橫移及擺動(dòng)。

P1部分采用德國HAWE公司的PSV型負(fù)載敏感多路比例閥控制。采用多路閥的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)無級(jí)控制，與負(fù)載變化無關(guān)（即無論負(fù)載怎么變化，三個(gè)吊鉤的起升下降速度一樣）；能滿足多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作；提高液壓系統(tǒng)效率，減少發(fā)熱；高集成性和高適應(yīng)性。

為實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的速度精確控制，在多路閥的進(jìn)油口處串聯(lián)了定差減壓閥作為壓力補(bǔ)償器。從而多路閥與執(zhí)行元件的進(jìn)油口之間的壓差（由多路閥上節(jié)流閥的流量關(guān)系式確定Q=f（A, △P））即為壓力補(bǔ)償器的調(diào)定彈簧值。由于△P為常量，從而各執(zhí)行元件的流量取決于閥口面積A的大小，即與壓力無關(guān)的流量分配，可以很精準(zhǔn)地控制執(zhí)行元件的速度，保證三個(gè)吊鉤的速度一樣。多路閥中的溢流閥可以作為執(zhí)行元件的安全閥。

系統(tǒng)中單向節(jié)流閥用于在待機(jī)狀態(tài)下，保證泵的出口壓力為壓差控制閥設(shè)定的壓力（同樣根據(jù)節(jié)流閥的流量關(guān)系式確定），從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的節(jié)約。

REXROTH公司將負(fù)載敏感控制技術(shù)即LUDV系統(tǒng)廣泛用于工程機(jī)械中，該技術(shù)具有節(jié)能和良好的控制性能。

2.2 卸碴機(jī)

卸碴機(jī)在隧道施工中承擔(dān)著卸碴的重要職能。該液壓系統(tǒng)主要由變量柱塞泵，溢流閥，梭閥，電磁換向閥，比例電磁方向閥等元件組成。

執(zhí)行元件為斗門油缸和擋板油缸，行走馬達(dá)。該系統(tǒng)為典型的負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。系統(tǒng)液壓原理圖見圖3。

變量柱塞泵采用德國REXROTH公司的A10VSO系列柱塞泵。比例方向閥為REXROTH公司的4WRAE6W型比例閥，用于行走馬達(dá)的快慢速控制，系統(tǒng)的速度控制精度是相當(dāng)高的。梭閥是該系統(tǒng)的主要傳感元件。系統(tǒng)工作時(shí)，梭閥將負(fù)載將壓力反饋給泵的控制口X。所以該系統(tǒng)為典型的負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。

2.3 拖拉系統(tǒng)

拖拉系統(tǒng)在隧道施工中起著供應(yīng)材料的作用，用于將料車拖拉至主機(jī)材料區(qū)。該液壓系統(tǒng)動(dòng)力站主要由壓力/流量/功率控制變量柱塞泵，溢流閥，電磁換向閥等組成。液壓動(dòng)力站液壓原理圖見圖4。

變量柱塞泵采用德國REXROTH公司的A10VSO系列柱塞泵。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)。該泵為恒功率控制，恒功率控制調(diào)節(jié)工作壓力及泵的流量輸出，在恒定的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下不超過預(yù)定的驅(qū)動(dòng)功率，即PQ=常數(shù)（恒量）。

電磁換向閥作用：當(dāng)換向閥斷電時(shí)，泵上的壓差控制閥FR在兩側(cè)壓差的控制下動(dòng)作使泵處于卸荷狀態(tài)，此時(shí)流量最大；當(dāng)換向閥得電時(shí)，油液壓力達(dá)到泵上的壓力控制閥DR設(shè)定壓力時(shí)，即切斷壓力，從而由PQ=常數(shù)，泵的排量減小到最小。

如圖5所示：當(dāng)系統(tǒng)功率小于設(shè)定功率時(shí)，該泵將以最大流量向執(zhí)行元件（馬達(dá)）供油。也就是當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力小于P1時(shí)，該系統(tǒng)為流量控制，此時(shí)能實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，為流量控制段。當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力大于P1時(shí)，該系統(tǒng)的流量開始變化，即負(fù)載速度變慢，隨著負(fù)載的變化速度相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)工進(jìn)。對(duì)應(yīng)曲線為雙曲線，為功率控制段。其控制起點(diǎn)壓力P1由工況而定。當(dāng)負(fù)載壓力達(dá)到壓力切斷值P2時(shí)，泵流量最小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)。此時(shí)為壓力控制段。

筆者全程參與了吐庫二線鐵路中天山隧道TBM液壓系統(tǒng)的組裝，調(diào)試，監(jiān)測(cè)等工作。TBM液壓系統(tǒng)龐大，控制較巧妙。理解負(fù)載敏感控制技術(shù)，對(duì)液壓回路的壓力及工作壓力有指導(dǎo)意義。特別是調(diào)試仰拱吊機(jī)，及拖拉系統(tǒng)中，動(dòng)力站中的電磁換向閥的作用不容忽視。

仰拱吊機(jī)調(diào)試時(shí)，就是因?yàn)殡姶艙Q向閥(圖2中，序號(hào) 8) A,B口油管布置錯(cuò)誤，而導(dǎo)致變量柱塞泵啟動(dòng)后直接變成DR壓力控制泵，該泵失去了FR壓差控制作用，即不能滿足負(fù)載流量匹配的要求。

拖拉系統(tǒng)中電磁換向閥的作用，對(duì)電氣控制提供了很好的指導(dǎo)意義。

3結(jié)論

隨著變量泵的應(yīng)用，負(fù)載敏感控制技術(shù)在現(xiàn)代液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。特別是變量泵和各種比例閥件的組合，使得液壓控制越來越精確。

負(fù)載敏感控制有以下特點(diǎn)：

1） 負(fù)載敏感控制技術(shù)能提高系統(tǒng)的效率，并節(jié)能；

2）運(yùn)用負(fù)載敏感控制技術(shù)可以消除系統(tǒng)的溢流損失。泵源的流量輸出可與負(fù)載的流量要求完全匹配。

3）在不考慮泵源的容積效率情況下，負(fù)載敏感系統(tǒng)的效率是與變量柱塞泵的壓差控制閥的設(shè)定壓力有關(guān)。