摘要：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。
关键词：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：K3V280DTH100R-2N01。液压泵原理图，如图1所示。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PWM9141\PWM9142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PWM9141\PWM9142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。
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。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VCADpro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。1(1\)RD=∑AI、AOSWTLBU−CONXDB2(21-)RD=∑BU、BDBKTTRXAI−CONAO−CONXCON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：VECU提供给PWM9141\PWM9142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，电气控技术经济期刊制的正流企业经济期刊量具有绝对优势；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。
作者：缪秋莲 单位：福建船政交通职业学院
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