沃尔沃挖掘机电气控制的正流量系统节能技术

缪秋莲

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

沃尔沃挖掘机电气控制的正流量系统节能技术

缪秋莲

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

本文针对目前液压挖掘机能量利用率低、能量损失严重的问题，分析沃尔沃挖掘机电气控制的正流量系统节能技术，以达到提高挖掘机能量利用率、节约能源的目的。

液压泵 PWM阀 正流量控制 节能

引言

变量系统的出现，开启了节能控制的新局面，产生出一系列新的节能控制液压系统，如流量控制、负荷传感控制等方式[1]。从泵流量控制形式来看，负/正流量控制压力均反映手柄行程的大小，原来正或者负流量控制压力由液压阀件动作后，形成对应的反馈压力高低，作用于泵上来改变泵流量。因此，从原来意义上讲，负/正流量系统没有哪一个系统优于哪个系统。但是，现在采用的是电气控制的正流量系统。VECU通过采集电信号后，控制泵上的两个PWM电磁阀实现，因此优势比较明显，可以提高燃油的经济性能，根据软件实现最优的控制流量。原B型设备采用负流量控制，泵流量控制调节器非常复杂，由机械和液压共同完成泵全功率流量控制[2]。电气控制正流量控制系统，泵流量控制调节器变得非常简单。当外部负载增加时，系统压力升高，安装在泵上的工作压力传感器检测值反馈给VECU后，通过改变提供给泵上的PWM电磁阀的控制电流，改变泵流量，从而实现液压系统利用功率和发动机输出功率的匹配，提高液压系统能量利用率，提高发动机燃油利用效率，达到节能减排的效果。

1 电子液压泵控制原理[3]

沃尔沃EC220D挖掘机电子液压泵型号：K3V280D TH100R-2N01。液压泵原理图，如图1所示。

图1 液压泵原理图

Psv1、Psv2为先导泵的控制油口；A1、A2为液压主泵出油口；A3为齿轮泵出油口；a1、a2、a3、a4、a5为测压口；B1为进油口；B3为先导齿轮泵进油口；Dr为泄油口。

Psv1&Psv2是来自先导泵的先导控制压力，用于提供给泵的伺服活塞。与泵的输出压力油进行比较，在主泵压力低的时候，作用于调节器的伺服活塞，以提高泵的响应速度。它的主要作用是提供给泵上的两个流量控制比例电磁阀PWM9141和PWM9142，根据VECU提供的控制电流大小，完成对泵流量输出的控制。

电气控制类型的正流量控制，泵的调节器结构相对于B系列（负流量控制）要简单得多，理论理解是VECU提供给PWM电流越大，泵输出流量越大，成正比例控制，因此称为正流量控制。但是，这种控制同样符合原来B型设备挖掘机工作的一些特性：（1）泵输出压力升高，泵工作压力传感器传给VECU信号后，通过降低提供给PWM的控制电流减少流量，实现PQ乘积的液压系统，利用功率和发动机输出功率的匹配，即原来的全功率控制；（2）当泵的工作压力较低时，随着操作手柄的加大，相关动作的先导压力传感器检测对应手柄运动行程大小。行程越大，先导压力越高。该压力信号反馈给VECU，VECU根据该压力高低改变PWM的控制电流，改变泵的流量，即在工作压力较低状态，手柄动作行程越大，VECU控制PWM电流越大，泵输出流量越多，执行元件的速度也就越快[2]；（3）工作期间，因为从I到P模式，发动机输出功率逐渐增加，当发动机输出功率增加后，可为液压系统利用功率提供更多可能，这也就是实机测试某一动作在溢流状态下，从I模式到P模式VECU提供给PWM的控制电流逐渐增加的原因。

VECU（注：V-ECU为车辆控制单元）输出电流值至泵调节器PWM-阀。比例电磁阀PWM9141PWM9142电流形成由三个因素决定：全功率控制、操作手柄行程大小影响流量、不同发动机输出功率下对流量影响。工作负载决定了系统压力，工作模式决定了发动机输出功率，手柄动作行程先导压力高低反映流量需求。以上三个条件决定了VECU提供给PWM9141PWM9142的电流值，最终决定了泵所需的斜盘角大小，实现液压泵排量实时控制，从而使发动机-液压泵-负载之间合理匹配。EC220D挖掘机液压泵P-Q曲线（见图2）流量控制曲线为抛物线，与发动机输出功率曲线也更加吻合，能量损失达到最小，大大提高了液压系统的能量利用率，即提高发动机输出功率的利用率，达到节能减排的目的。

图2 沃尔沃EC220D挖掘机P-Q曲线

2 电子液压泵控制流程

（1）响应模式。从IECU（注：IECU为仪表控制单元）进行操作手柄灵敏度选择（A：强；N：标准；S：弱）。灵敏度不同，系统响应时间快慢不同。

（2）工作模式。从发动机转速控制开关与最大功率选择开关，选择泵最大输入扭矩。泵最大值输入扭矩由转速控制开关决定。在沃尔沃EC220D挖掘机控制系统内，具有10-档发动机转速与5种工作模式，见表1。通过旋转发动机转速控制开关，发动机转速和工作模式同时设定。该功能可使操作员根据工作条件选择发动机转速和工作模式，并获得最佳机器性能和燃油效率。

表1 EC220D非经济模式下发动机转速&工作模式控制

通常，挖掘机使用液压泵将来自发动机的机械动力转化为液压动力。因此，发动机动力应高于泵消耗动力，否则发动机可能会熄火或憋车。V-ECU（注：V-ECU为车辆控制单元）始终从E-ECU（注：E-ECU为发动机控制单元）接收当前发动机转速与当前泵压力，进而计算发动机与泵扭矩。通过改变输出至泵调节器PWM-阀的电流，平衡发动机功率与泵消耗功率。PWM-阀为比例阀。通过控制此阀，可以改变泵旋转斜盘角度，并最终改变泵排量。所以，系统可以在选择的发动机转速下，保持泵扭矩低于发动机扭矩。

（3）操作检查。VECU可以根据先导压力传感器与VCAD pro参数的值，识别动作，并准备开始控制泵。8个先导压力传感器动作检查出自动怠速、行走高低速、直线行走、安全启动停机控制、matris数据存储、中位补偿。

（4）流量需求计算。VECU决定每个泵需要输送到系统的流量。先导压力越高，流量越大（正流量控制）。泵1油主供小臂伸出、收回动作，左行走动作，大臂合流动作，备用；泵2液压油主供大臂提升、下降动作，铲斗翻出、翻入动作，右行走动作，小臂合流动作。

这里，DR1为泵1的所需排量；DR2为泵2的所需排量；AI为小臂伸出动作；AO为小臂收回；SW为回转动作；TL为左行走；BU-CON为大臂合流；BU为大臂上升动作；BD为大臂下降；BKT为铲斗动作；TR为右行走；AI-CON为小臂伸出合流动作；AO-CON为小臂收回合流动作

（5）中位补偿。正流量控制系统中，不具有流量传感阀，因此泵中位压力非常小，此较低压力将会导致液压系统响应缓慢。为了提高发动机每分钟转速较低时中位状态的反应速度，VECU可在开始时提供较大流量来实现保持状态。

（6）扭矩计算。VECU计算需要的扭矩TR=PD1*DR1+PD2*DR2。其中，TR为扭矩需求；PD1为泵1的输油压力；DR1为泵1的所需排量；DR2为泵2的所需排量；PD2为泵2的输油压力。

（7）力矩补偿。需要的扭矩必须低于最大泵输入扭矩。如果高于最大值，则VECU必须减少流量。由于系统超载，发动机每分钟转速会降低，甚至超出规格。为防止这种情况出现，VECU始终关注EECU的实际转速。如果每分钟转速急剧下降，则VECU会降低流量，以使速度恢复至目标转速。

（8）最终流量需求计算，按全功率计算，形成最终系统能提供的泵斜盘角大小。

（9）计算最终输出。根据最终流量需求，VECU选择流向泵调节器的最终输出电流。以沃尔沃EC220D机型为例，PWM阀电流与流量需求之间的数学公式为：

其中，I为电流值，DF为泵最终排量。

数学图形，如图3所示。

图3 EC220D PWM电流值图

VECU提供给PWM9141PWM9142电流值，从而决定最终泵所需的斜盘角大小，适时改变泵的排量，达到发动机-泵-负载之间的合理匹配，提高能量利用率。

3 实车验证泵控过程

（1）停机：比例电磁阀PWM9141、pwm9142电流值=0，泵斜盘角最小。

（2）启动后，没做动作，PWM9141、pwm9142电流值=250MA，泵斜盘角最小。

（3）手柄动作期间：①轻载，随手柄行程变化，按流量需求计算，提供相应电流，行程越大，电流增大，斜盘角增大；②重载时，即使全行程状况下，按全功率控制，提供相应电流，电流值减小，斜盘角减小。EC220D挖掘机利用250mA与700mA来保持最小与最大流量固定位置。

（4）中位补偿：为了提高发动机每分钟转速较低时中位状态的反应速度，VECU通过在开始时提供较大流量来实现保持状态。不同的工作模式下，有相同的初始流量，相同的动作响应时间。EC220D挖掘机采用38L/min的泵流量保证中位。

4 展望

沃尔沃B型设备采用负流量控制不需要很多传感器，成本低，是现在采用机械液压调节器很多的原因。沃尔沃D型设备采用电气控制的正流量系统虽然安装压力传感器很多，成本相对高，但从经济性来看，电气控制的正流量具有绝对优势；从节能技术发展趋势来看，电气控制的正流量液压系统仍为未来发展趋势。

[1]关秀雨.基于电喷发动机的液压挖掘机动力系统节能控制研究[D].杭州：浙江大学，20l3.

[2]汤振周.EC210B型挖掘机液压泵的控制原理与故障分析[J].安阳工学院学报，2010，9（6）.

[3]volvo EC220D-EC350DL挖掘机系统培训资料[Z].

Energy Saving Technology of Positive Flow System for Electric Control of Volvo Excavator

MIU Qiulian
(Fujian chuanzheng communications Career Academy, Fuzhou 350007)

Aiming at the use of hydraulic excavator energy energy loss rate is low, serious problems, analysis of energy saving technology is the flow of electric control system of Volvo excavator, excavator to improve energy utilization, energy conservation purposes.

hydraulic pump, PWM valve, flow control, energy