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沃尔沃挖掘机整机电控系统
缪秋莲
福建船政交通职业学院 福建 福州 350007
摘 要：本文针对沃尔沃挖掘机整机电控系统的功能以及实现途径加以研究,分析各电子控制单元之间的协调控制技术,实现发动机、液压泵、各前端操作装置等之间的电子控制.
关键词：电控技术；ECO模式；传感器；CAN总线；节能
0 引言
挖掘机电气与电子控制系统主要实现挖掘机电气系统控制及工作状态监测.随着挖掘机技术的发展,发动机、液压系统的控制越来越复杂,对电气控制系统的要求也越来越高,挖掘机电气与电子控制系统地位也越来越重要,成为挖掘机重要的组成部分,代表了挖掘机整车技术发展水平及方向.
1 沃尔沃挖掘机电子控制系统组成及功能
沃尔沃挖掘机电子控制系统如图1所示,共包含以下五个重要的电子控制单元：EECU（发动机电子控制系统）、IECU（仪表盘电子控制系统）、ECC（空调系统控制单元）、WECU（无线电子控制单元）、VECU（车载电子控制系统）.
EECU（发动机电子控制系统）功能包括（1）控制燃油量和泵喷嘴；（2）温度监测；（3）检测预热是否正在运行；（4）运行发动机速度（转/分）.
IECU（仪表盘电子控制系统）功能包括：（1）显示从传感器和机器开关接收的信息；（2）异常现象向操作员发出警告.
ECC（空调系统控制单元）功能包括：（1）温度控制；（2）空气分布和驾驶室通风；（3）软起动控制；（4）空调压缩机；（5）温度与压力监测.
VECU（车载电子控制系统）功能包括：（1）自我诊断（2）机器状态的指示；（3）应急操作；（4）防盗系统；（5）起动锁定控制；（6）安全起动和停止；（7）X1控制器；（8）快换装置控制；（9）自动增压和点增压；（10）大臂浮动位置；（11）冷却风扇控制；（12）自动发动机熄火；（13）警报控制；（14）超载警告；（15）自动怠速；（16）ECO模式；（17）功率下降等.
2 沃尔沃挖掘机重要电子控制单元功能实现
2.1 EECU发动机电子控制系统
电控柴油喷射式发动机电子控制系统主要由电子控制装置ECU、传感器和执行机构三部分组成.其中沃尔沃发动机主要传感器分布如图2所示.
发动机电子控制装置ECU接收以上各传感器的信号,判别发动机的状态,从而控制燃油喷射量与喷射时间.
2.2 发动机与液压泵功率匹配
挖掘机操作员可根据作业条件和环境选择发动机转速和作业模式以便优化机械性能和燃油效率.由EECU向VECU持续发送发动机当前信息.据此动力换挡阀将调整泵斜盘角度,以便转矩保持在设定发动机转速所产生转矩以下,使发动机输出功率与液压泵驱动马力保持平衡.图3为功率模式控制系统的原理图.
电比例液压泵实际上就是在恒功率变量泵上加装一个电液比例减压阀,电液比例减压阀的输入油压来自先导油路,电液比例减压阀输出的二次压力加至排量调节油缸一端.从而通过调节比例阀的电流大小,进而调节电液比例减压阀的二次压力,实现了对液压泵功率的调节,泵的实际功率调节曲线是根据发动力功率模式设定由控制器进行实时调节的,以保证泵的液压功率与发动机功率的实时匹配.
3 VECU（车载电子控制系统）功能实现
VECU（车载电子控制系统）如图4所示由信号输入部分（模拟信号、开关信号）、信号处理部分、控制器、监控器及控制执行机构组成.
液压挖掘机车载电子控制系统主要是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液压马达）的一些温度、压力、速度、开关量的检测并将有关检测数据输入给挖掘机的专用控制器,控制器综合各种测量值、设定值和操作信号发出相关控制信息,对发动机、液压泵、液压控制阀和整机进行控制.
3.1 挖掘机工作模式切换功能
车载电子控制系统中,可以获得10个等级的发动机转速和5种工作模式.通过旋转发动机转速控制开关,发动机转速和工作模式被同时设定.此功能允许操作员根据工作条件和环境选择发动机转速和工作模式.此功能也用来优化机器性能和燃油效率.其中I(怠速）和F（精确）模式.无论发动机负荷情况如何,控制电流值是固定的规定数值.这意味着发动机的输出功率远大于泵的输入功率.而P（最大功率）,H（重载）,G(通用）模式下,如果发动机没有负荷,它使用每个发动机转速下的指定电流值.当发动机有负荷时,VECU增加功率切换阀的电流以降低泵的功率消耗.
3.2 ECO模式（经济模式）实现
在ECO模式（经济模式）下,发动机转速降低但泵的最大排量不变,并且在P、H和G模式中泵的输入扭矩比非经济模式增加了5%.同一转速下,P、H和G模式下,ECO模式（注：ECO 模式为经济模式）比非ECO模式燃油比率低.这是由于当发动机转速降低100RPM时,曲线上的扭矩值较高,燃油功率较高而性能损失最低.同个模式下,液压泵功率切换电流值ECO模式比非ECO模式小,所需的液压油ECO模式比非ECO模式少,说明ECO模式比非ECO模式模式流量损失小.ECO模式通过以下三种途径减少流量损失：(1)回转流量限制；(2)溢流切断功能；(3)灵活的P-Q曲线.
3.2.1 回转流量限制
在回转加速时,溢流流量是为了在加速时保持溢流压力,以保持回转扭矩.但由于上车架惯性液压油处于高压状态,泵提供给回转马达的流量可能高于实际所需流量,因此液压油通过回转溢流阀释放.回转流量限制用于减少意外流量损失.
回转流量限制限制了特定时间内流向马达的流量增速比.如果操作员全行程操作回转操纵杆,则VECU限制回转马达流量,从而仅有一小部分流量溢流到油箱.通过应用回转流量限制,可以提高燃油效率而不损失回转扭矩.即在全行程操作开始到平稳转动期间,泵1的PWM阀的控制电流值减小,泵的斜盘角变小,输出流量变小,从而节省燃油,提高燃油经济效益.
3.2.2 溢流切断功能
由于溢流阀的弹簧特性,在液压压力升高至主溢流阀设定压力之前就开始进行液压溢流.液压溢流是一种能量损失.溢流切断的目的是减少通过主溢流阀溢流的液压油量.主压力传感器感知到泵压力接近溢流压力时,则VECU减小的输送至PWM阀的控制电流值,从而控制主泵流量,减少溢流损失.
3.2.3 灵活的P-Q曲线
ECO模式的流量需求通过扩大MCV阀柱（注：MCV阀柱为操作手柄行程阀柱）开口面积减少压力损失.在正常模式下,泵流量为各前端工作装置操纵杆信号流量需求的简单求和.但在ECO模式下,流量需求为各操纵杆信号流量的均方根.因此,进行复合操作时,如果操作员要拥有相同的速度,则先导操纵杆要多倾斜一些,然后MCV阀柱多移动一些,最后MCV流量面积扩大,在同样流量下,ECO模式比正常模式的阀柱开口面积大,这意味通过MCV阀的压降有所减少,减少截流损失.
（注：Q为流量,C为常数,A为截面积,ΔP为压降,ρ为密度）,相同流量Q时,A增大,ΔP为压降减少,截流损失减小[1].
3.3 自动怠速功能
当操作员打开自动怠速功能且没有使用任何操作杆和踏板时,发动机转速自动将至I1模式.这可以提高燃油经济性和降低噪音.在发动机降低转速后,若操作员改变一个输入信号时,则发动机转速恢复到先前的转速.
4 各控制单元间CAN总线技术应用
CAN(Controller Area Network)属于总线式串行通讯网络,最初被设计作为汽车中的微控制器通讯,在车载电子控制装置各ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络.随着挖掘机电子控制技术的发展,控制器的普遍采用,电喷发动机的推广,CAN总线也在逐步得到应用.控制器局域网络CAN总线是工程机械的通 讯发展趋势[2].
图5为沃尔沃挖掘机各控制单元间CAN总线连接图,图中红色和蓝色线条部分即为CAN总线技术.当今国际著名的工程机械制造商都在其最新的产品上应用了CAN总线网络,其主要应用目的有：（1）与电控发动机的CAN接口交换数据,实现节能控制与环保排放,并且可以监控发动机的运行参数和故障信息,实现发动机仪表数字化.（2）通过具有CAN接口的新型传感器采集数据,不仅可以减少接线,更可以避免模拟信号传感器的干扰问题,提高数据采集的准确性和速度.（3）多个控制器及显示单元之间相互交换数据,使得控制系统的配置和安装都更加灵活.（4）与具有CAN接口的G/GPS通讯装置连接,实现工程车辆的远程机群控制、故障诊断和管理功能.（5）与具有CAN接口的遥控系统联网,实现工程机械的遥控操作或无人驾驶.
5 展望
挖掘机电气与电子控制系统不断发展,未来的挖掘机控制势必越来越精确,越节能.沃尔沃建筑设备（中国）有限公司生产的沃尔沃系列挖掘机的电子控制系统采用电子技术势必越来越先进,有待继续开发和学习.
参考文献
[1] Volvo EC380D-480D挖掘机系统培训资料
[2] 殷鹏龙,黄红武,张军,晓明,生杰,王剑波,廖焦.基于labview和CAN的挖掘机GPS功能的
监控系统[D]. 中国工程机械学报,2012,9（3）
作者简介
缪秋莲：女,1987年生,福建船政交通职业学院机械工程系教师,高级技师,现从事工程机械方面教学和研究,通讯地址：福州市仓山区首山路112号 邮编：350007,电话：17805915020,电子邮箱：miaoqiulian@126.com
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