負載敏感控制技術在TBM液壓系統中的應用

孫和澤

2015年7月21日 10:38

液壓技術是基于帕斯卡定律（Pascal Law），以有壓流體（壓力油）為介質，來實現能量傳遞和自動控制的一種應用技術。液壓傳動傳遞動力大，運動平穩。液壓技術可應用在需要傳遞高功率及負載運動需要精確控制的場合。

對于液壓系統來說，壓力和流量是兩個基本參數。液壓系統的壓力是由負載來確定的，而流量是系統重點要控制的變量。流量與壓力的乘積為功率。因此，對該兩變量進行控制，關系到系統的功率利用率問題。

論文將以負載敏感控制技術為依據，論述液壓系統功率效率及控制問題。并以WIRTH TB880E隧道掘進機中液壓系統作為應用實例，加以說明。

1負載敏感技術的原理

負載敏感技術，簡言之，就是將負載需要的壓力、流量與泵的壓力、流量相匹配以最大限度地提高系統效率的技術。要提高系統效率，一方面，需要將負載的壓力與泵的輸出壓力相適應；另一方面，泵的輸出流量正好滿足負載運動速度的需要。此外，還需要實現待機狀態的低功耗。

如圖1所示，實現負載敏感控制的系統由下列元件組成：負載敏感變量柱塞泵1，速度調節元件（節流閥）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。負載的驅動壓力Pl，通過梭閥3反饋到泵的控制口X，壓差控制閥4用來設定泵的出口與執行元件（油缸）進油口之間的壓差△P。從而，執行元件的運動速度取決于節流閥2的開度(節流閥的流量關系式確定Q=f（A, △P）)。即在此系統中，節流閥和壓差控制閥共同組成了一個調速閥。

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

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

當系統未工作，處于待機狀態時，負載壓力Pl=0，系統的待機功率損耗為△PQp 。其中Qp為泵的泄露和控制流量損失。

采用負載敏感技術的優點是：系統的輸出壓力及流量直接取決于負載，可以大大提高系統的功率利用率。

2 應用舉例

負載敏感技術在WIRTH TB880E型隧道掘進機中液壓系統中的應用舉例。

2.1 仰拱吊機

仰拱吊機在TBM隧道施工中擔負著仰拱塊鋪設的功能。該液壓系統主要由變量柱塞泵，比例溢流閥，單向節流閥，多路比例閥等組成。系統液壓原理圖見圖2。

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

系統分為兩部分P1,P2。其中P1用于控制吊機的三個吊鉤用于起吊仰拱塊及吊機前后行走，P2用于仰拱塊的左右橫移及擺動。

P1部分采用德國HAWE公司的PSV型負載敏感多路比例閥控制。采用多路閥的優點是：實現無級控制，與負載變化無關（即無論負載怎么變化，三個吊鉤的起升下降速度一樣）；能滿足多個執行元件同時工作；提高液壓系統效率，減少發熱；高集成性和高適應性。

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

系統中單向節流閥用于在待機狀態下，保證泵的出口壓力為壓差控制閥設定的壓力（同樣根據節流閥的流量關系式確定），從而實現系統能量的節約。

REXROTH公司將負載敏感控制技術即LUDV系統廣泛用于工程機械中，該技術具有節能和良好的控制性能。

2.2 卸碴機

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

執行元件為斗門油缸和擋板油缸，行走馬達。該系統為典型的負載敏感控制系統。系統液壓原理圖見圖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，用于行走馬達的快慢速控制，系統的速度控制精度是相當高的。梭閥是該系統的主要傳感元件。系統工作時，梭閥將負載將壓力反饋給泵的控制口X。所以該系統為典型的負載敏感控制系統。

2.3 拖拉系統

拖拉系統在隧道施工中起著供應材料的作用，用于將料車拖拉至主機材料區。該液壓系統動力站主要由壓力/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。系統主要實現旋轉馬達的運動。該泵為恒功率控制，恒功率控制調節工作壓力及泵的流量輸出，在恒定的驅動轉速下不超過預定的驅動功率，即PQ=常數（恒量）。

電磁換向閥作用：當換向閥斷電時，泵上的壓差控制閥FR在兩側壓差的控制下動作使泵處于卸荷狀態，此時流量最大；當換向閥得電時，油液壓力達到泵上的壓力控制閥DR設定壓力時，即切斷壓力，從而由PQ=常數，泵的排量減小到最小。

如圖5所示：當系統功率小于設定功率時，該泵將以最大流量向執行元件（馬達）供油。也就是當系統的工作壓力小于P1時，該系統為流量控制，此時能實現快速運動，為流量控制段。當系統的工作壓力大于P1時，該系統的流量開始變化，即負載速度變慢，隨著負載的變化速度相應變化，實現工進。對應曲線為雙曲線，為功率控制段。其控制起點壓力P1由工況而定。當負載壓力達到壓力切斷值P2時，泵流量最小，實現系統的安全保護。此時為壓力控制段。