繆秋蓮

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

沃爾沃挖掘機(jī)電氣控制的正流量系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

繆秋蓮

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

本文針對(duì)目前液壓挖掘機(jī)能量利用率低、能量損失嚴(yán)重的問題，分析沃爾沃挖掘機(jī)電氣控制的正流量系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，以達(dá)到提高挖掘機(jī)能量利用率、節(jié)約能源的目的。

液壓泵 PWM閥 正流量控制 節(jié)能

引言

變量系統(tǒng)的出現(xiàn)，開啟了節(jié)能控制的新局面，產(chǎn)生出一系列新的節(jié)能控制液壓系統(tǒng)，如流量控制、負(fù)荷傳感控制等方式[1]。從泵流量控制形式來看，負(fù)/正流量控制壓力均反映手柄行程的大小，原來正或者負(fù)流量控制壓力由液壓閥件動(dòng)作后，形成對(duì)應(yīng)的反饋壓力高低，作用于泵上來改變泵流量。因此，從原來意義上講，負(fù)/正流量系統(tǒng)沒有哪一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)于哪個(gè)系統(tǒng)。但是，現(xiàn)在采用的是電氣控制的正流量系統(tǒng)。VECU通過采集電信號(hào)后，控制泵上的兩個(gè)PWM電磁閥實(shí)現(xiàn)，因此優(yōu)勢(shì)比較明顯，可以提高燃油的經(jīng)濟(jì)性能，根據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制流量。原B型設(shè)備采用負(fù)流量控制，泵流量控制調(diào)節(jié)器非常復(fù)雜，由機(jī)械和液壓共同完成泵全功率流量控制[2]。電氣控制正流量控制系統(tǒng)，泵流量控制調(diào)節(jié)器變得非常簡(jiǎn)單。當(dāng)外部負(fù)載增加時(shí)，系統(tǒng)壓力升高，安裝在泵上的工作壓力傳感器檢測(cè)值反饋給VECU后，通過改變提供給泵上的PWM電磁閥的控制電流，改變泵流量，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)利用功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的匹配，提高液壓系統(tǒng)能量利用率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油利用效率，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 電子液壓泵控制原理[3]

沃爾沃EC220D挖掘機(jī)電子液壓泵型號(hào)：K3V280D TH100R-2N01。液壓泵原理圖，如圖1所示。

圖1 液壓泵原理圖

Psv1、Psv2為先導(dǎo)泵的控制油口；A1、A2為液壓主泵出油口；A3為齒輪泵出油口；a1、a2、a3、a4、a5為測(cè)壓口；B1為進(jìn)油口；B3為先導(dǎo)齒輪泵進(jìn)油口；Dr為泄油口。

Psv1&Psv2是來自先導(dǎo)泵的先導(dǎo)控制壓力，用于提供給泵的伺服活塞。與泵的輸出壓力油進(jìn)行比較，在主泵壓力低的時(shí)候，作用于調(diào)節(jié)器的伺服活塞，以提高泵的響應(yīng)速度。它的主要作用是提供給泵上的兩個(gè)流量控制比例電磁閥PWM9141和PWM9142，根據(jù)VECU提供的控制電流大小，完成對(duì)泵流量輸出的控制。

電氣控制類型的正流量控制，泵的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)相對(duì)于B系列（負(fù)流量控制）要簡(jiǎn)單得多，理論理解是VECU提供給PWM電流越大，泵輸出流量越大，成正比例控制，因此稱為正流量控制。但是，這種控制同樣符合原來B型設(shè)備挖掘機(jī)工作的一些特性：（1）泵輸出壓力升高，泵工作壓力傳感器傳給VECU信號(hào)后，通過降低提供給PWM的控制電流減少流量，實(shí)現(xiàn)PQ乘積的液壓系統(tǒng)，利用功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的匹配，即原來的全功率控制；（2）當(dāng)泵的工作壓力較低時(shí)，隨著操作手柄的加大，相關(guān)動(dòng)作的先導(dǎo)壓力傳感器檢測(cè)對(duì)應(yīng)手柄運(yùn)動(dòng)行程大小。行程越大，先導(dǎo)壓力越高。該壓力信號(hào)反饋給VECU，VECU根據(jù)該壓力高低改變PWM的控制電流，改變泵的流量，即在工作壓力較低狀態(tài)，手柄動(dòng)作行程越大，VECU控制PWM電流越大，泵輸出流量越多，執(zhí)行元件的速度也就越快[2]；（3）工作期間，因?yàn)閺腎到P模式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率逐漸增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增加后，可為液壓系統(tǒng)利用功率提供更多可能，這也就是實(shí)機(jī)測(cè)試某一動(dòng)作在溢流狀態(tài)下，從I模式到P模式VECU提供給PWM的控制電流逐漸增加的原因。

VECU（注：V-ECU為車輛控制單元）輸出電流值至泵調(diào)節(jié)器PWM-閥。比例電磁閥PWM9141PWM9142電流形成由三個(gè)因素決定：全功率控制、操作手柄行程大小影響流量、不同發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下對(duì)流量影響。工作負(fù)載決定了系統(tǒng)壓力，工作模式?jīng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，手柄動(dòng)作行程先導(dǎo)壓力高低反映流量需求。以上三個(gè)條件決定了VECU提供給PWM9141PWM9142的電流值，最終決定了泵所需的斜盤角大小，實(shí)現(xiàn)液壓泵排量實(shí)時(shí)控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵-負(fù)載之間合理匹配。EC220D挖掘機(jī)液壓泵P-Q曲線（見圖2）流量控制曲線為拋物線，與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線也更加吻合，能量損失達(dá)到最小，大大提高了液壓系統(tǒng)的能量利用率，即提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖2 沃爾沃EC220D挖掘機(jī)P-Q曲線

2 電子液壓泵控制流程

（1）響應(yīng)模式。從IECU（注：IECU為儀表控制單元）進(jìn)行操作手柄靈敏度選擇（A：強(qiáng)；N：標(biāo)準(zhǔn)；S：弱）。靈敏度不同，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快慢不同。

（2）工作模式。從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制開關(guān)與最大功率選擇開關(guān)，選擇泵最大輸入扭矩。泵最大值輸入扭矩由轉(zhuǎn)速控制開關(guān)決定。在沃爾沃EC220D挖掘機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)，具有10-檔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與5種工作模式，見表1。通過旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制開關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工作模式同時(shí)設(shè)定。該功能可使操作員根據(jù)工作條件選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工作模式，并獲得最佳機(jī)器性能和燃油效率。

表1 EC220D非經(jīng)濟(jì)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速&工作模式控制

通常，挖掘機(jī)使用液壓泵將來自發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)化為液壓動(dòng)力。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力應(yīng)高于泵消耗動(dòng)力，否則發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)熄火或憋車。V-ECU（注：V-ECU為車輛控制單元）始終從E-ECU（注：E-ECU為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）接收當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前泵壓力，進(jìn)而計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)與泵扭矩。通過改變輸出至泵調(diào)節(jié)器PWM-閥的電流，平衡發(fā)動(dòng)機(jī)功率與泵消耗功率。PWM-閥為比例閥。通過控制此閥，可以改變泵旋轉(zhuǎn)斜盤角度，并最終改變泵排量。所以，系統(tǒng)可以在選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，保持泵扭矩低于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

（3）操作檢查。VECU可以根據(jù)先導(dǎo)壓力傳感器與VCAD pro參數(shù)的值，識(shí)別動(dòng)作，并準(zhǔn)備開始控制泵。8個(gè)先導(dǎo)壓力傳感器動(dòng)作檢查出自動(dòng)怠速、行走高低速、直線行走、安全啟動(dòng)停機(jī)控制、matris數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、中位補(bǔ)償。

（4）流量需求計(jì)算。VECU決定每個(gè)泵需要輸送到系統(tǒng)的流量。先導(dǎo)壓力越高，流量越大（正流量控制）。泵1油主供小臂伸出、收回動(dòng)作，左行走動(dòng)作，大臂合流動(dòng)作，備用；泵2液壓油主供大臂提升、下降動(dòng)作，鏟斗翻出、翻入動(dòng)作，右行走動(dòng)作，小臂合流動(dòng)作。

這里，DR1為泵1的所需排量；DR2為泵2的所需排量；AI為小臂伸出動(dòng)作；AO為小臂收回；SW為回轉(zhuǎn)動(dòng)作；TL為左行走；BU-CON為大臂合流；BU為大臂上升動(dòng)作；BD為大臂下降；BKT為鏟斗動(dòng)作；TR為右行走；AI-CON為小臂伸出合流動(dòng)作；AO-CON為小臂收回合流動(dòng)作

（5）中位補(bǔ)償。正流量控制系統(tǒng)中，不具有流量傳感閥，因此泵中位壓力非常小，此較低壓力將會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速較低時(shí)中位狀態(tài)的反應(yīng)速度，VECU可在開始時(shí)提供較大流量來實(shí)現(xiàn)保持狀態(tài)。

（6）扭矩計(jì)算。VECU計(jì)算需要的扭矩TR=PD1*DR1+PD2*DR2。其中，TR為扭矩需求；PD1為泵1的輸油壓力；DR1為泵1的所需排量；DR2為泵2的所需排量；PD2為泵2的輸油壓力。

（7）力矩補(bǔ)償。需要的扭矩必須低于最大泵輸入扭矩。如果高于最大值，則VECU必須減少流量。由于系統(tǒng)超載，發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速會(huì)降低，甚至超出規(guī)格。為防止這種情況出現(xiàn)，VECU始終關(guān)注EECU的實(shí)際轉(zhuǎn)速。如果每分鐘轉(zhuǎn)速急劇下降，則VECU會(huì)降低流量，以使速度恢復(fù)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

（8）最終流量需求計(jì)算，按全功率計(jì)算，形成最終系統(tǒng)能提供的泵斜盤角大小。

（9）計(jì)算最終輸出。根據(jù)最終流量需求，VECU選擇流向泵調(diào)節(jié)器的最終輸出電流。以沃爾沃EC220D機(jī)型為例，PWM閥電流與流量需求之間的數(shù)學(xué)公式為：

其中，I為電流值，DF為泵最終排量。

數(shù)學(xué)圖形，如圖3所示。

圖3 EC220D PWM電流值圖

VECU提供給PWM9141PWM9142電流值，從而決定最終泵所需的斜盤角大小，適時(shí)改變泵的排量，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)-泵-負(fù)載之間的合理匹配，提高能量利用率。

3 實(shí)車驗(yàn)證泵控過程

（1）停機(jī)：比例電磁閥PWM9141、pwm9142電流值=0，泵斜盤角最小。

（2）啟動(dòng)后，沒做動(dòng)作，PWM9141、pwm9142電流值=250MA，泵斜盤角最小。

（3）手柄動(dòng)作期間：①輕載，隨手柄行程變化，按流量需求計(jì)算，提供相應(yīng)電流，行程越大，電流增大，斜盤角增大；②重載時(shí)，即使全行程狀況下，按全功率控制，提供相應(yīng)電流，電流值減小，斜盤角減小。EC220D挖掘機(jī)利用250mA與700mA來保持最小與最大流量固定位置。

（4）中位補(bǔ)償：為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速較低時(shí)中位狀態(tài)的反應(yīng)速度，VECU通過在開始時(shí)提供較大流量來實(shí)現(xiàn)保持狀態(tài)。不同的工作模式下，有相同的初始流量，相同的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。EC220D挖掘機(jī)采用38L/min的泵流量保證中位。

4 展望

沃爾沃B型設(shè)備采用負(fù)流量控制不需要很多傳感器，成本低，是現(xiàn)在采用機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器很多的原因。沃爾沃D型設(shè)備采用電氣控制的正流量系統(tǒng)雖然安裝壓力傳感器很多，成本相對(duì)高，但從經(jīng)濟(jì)性來看，電氣控制的正流量具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；從節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，電氣控制的正流量液壓系統(tǒng)仍為未來發(fā)展趨勢(shì)。

[1]關(guān)秀雨.基于電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能控制研究[D].杭州：浙江大學(xué)，20l3.

[2]湯振周.EC210B型挖掘機(jī)液壓泵的控制原理與故障分析[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（6）.

[3]volvo EC220D-EC350DL挖掘機(jī)系統(tǒng)培訓(xùn)資料[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.

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