煤礦防爆車(chē)輛電控?fù)Q檔品質(zhì)及控制策略研究

陳 寧

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

目前，中國(guó)1000 萬(wàn)噸礦山中有80%采用無(wú)軌輔助運(yùn)輸方式，一般利用液力變矩器結(jié)合手動(dòng)變速箱進(jìn)行傳動(dòng)控制。駕駛員根據(jù)車(chē)輛行駛負(fù)載情況，操作變速箱，通過(guò)液力變矩器控制液壓系統(tǒng)，操作離合器結(jié)合分立，從而控制換檔動(dòng)作。 但是傳統(tǒng)的換檔方式對(duì)駕駛員要求高、在礦井下復(fù)雜路況操作頻繁，且不適用于車(chē)輛目前的自動(dòng)化、智能化及未來(lái)無(wú)人化需求。電控?fù)Q擋是礦用防爆車(chē)輛進(jìn)行智能化改造的前提，電控自動(dòng)液力換檔是采用電磁閥替換傳統(tǒng)的機(jī)械閥進(jìn)行先導(dǎo)控制，同時(shí)，換擋控制器檢測(cè)油門(mén)開(kāi)度、車(chē)速、負(fù)載、變速箱溫度等信息，根據(jù)相應(yīng)算法規(guī)律，精確控制電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)換檔。 與傳統(tǒng)的手動(dòng)換檔控制方式比較，該方式有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：①可顯著提高礦用防爆液力傳動(dòng)車(chē)輛的操縱舒適性； ②準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)最佳換檔點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多種換檔規(guī)則；③當(dāng)與不同的發(fā)動(dòng)機(jī)組合時(shí)，電子控制系統(tǒng)只需要少量的調(diào)整；④有利于提高防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的壽命。

換檔控制策略直接決定了車(chē)輛運(yùn)行換檔過(guò)程的優(yōu)劣，即換檔品質(zhì)的優(yōu)劣，進(jìn)而直接影響車(chē)輛的駕駛品質(zhì)及整體性能評(píng)價(jià)。 因此對(duì)于自動(dòng)檔車(chē)輛的換檔品質(zhì)及控制策略研究一直是一個(gè)重要的研究課題。 由于礦用車(chē)輛相比傳統(tǒng)的工程機(jī)械，其運(yùn)行工況相對(duì)較特殊：上下坡度較大（最高14°），行駛速度低（不高于30km/h），且路況差，坡道不平，浮煤或積水。 因此，有必要針對(duì)礦用防爆車(chē)輛進(jìn)行換檔品質(zhì)及控制策略的研究。

1 電液換檔車(chē)輛換檔品質(zhì)及控制策略概述

優(yōu)秀的換檔控制策略， 能夠根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前的運(yùn)行狀況、駕駛員意圖以及道路的起伏狀況，準(zhǔn)確、快速地確定施工車(chē)輛的最佳檔位， 從而提高車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)。 簡(jiǎn)單的說(shuō)，礦用車(chē)輛在井下行駛過(guò)程中，由于經(jīng)常進(jìn)行上下坡、重載運(yùn)行，因此需要獲得更強(qiáng)的扭矩。 當(dāng)駕駛員手動(dòng)駕駛車(chē)輛時(shí)，為了在操作期間獲得更強(qiáng)的動(dòng)力，駕駛員將快速選擇降檔并增加油門(mén)。 因此在自動(dòng)變速過(guò)程中，需要盡快降檔，提高輪邊扭矩；當(dāng)車(chē)輛空載或輕載長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)，駕駛員通常希望快速提高速度，因此在自動(dòng)變速時(shí)，變速箱應(yīng)提前升檔，有利于提高防爆車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。

為了使車(chē)輛在作業(yè)時(shí)能保證動(dòng)力性而在行駛時(shí)最大的提高節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。本文提出一種換檔控制策略，結(jié)合了最佳動(dòng)力性控制策略和經(jīng)濟(jì)性策略中的節(jié)能換檔規(guī)律的優(yōu)勢(shì)，不僅可以滿足動(dòng)力要求，還可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。為了研究該規(guī)律， 首先需要針對(duì)車(chē)輛換檔控制參數(shù)的選擇，分別從最優(yōu)動(dòng)力原則和最優(yōu)節(jié)能原則出發(fā)，分析換檔原理和過(guò)程。

2 換檔參數(shù)選擇

換檔參數(shù)選擇正確與否直接決定著車(chē)輛自動(dòng)換檔策略的合理性。 換檔參數(shù)的選擇一般要滿足兩個(gè)條件：首先，換檔參數(shù)要能準(zhǔn)確描述出車(chē)輛的行駛狀態(tài)，體現(xiàn)出車(chē)輛自身的作業(yè)特點(diǎn)；其次，換檔參數(shù)要容易測(cè)量，或者是容易通過(guò)其它參數(shù)計(jì)算得出。目前常用的換檔參數(shù)如下：

（1）節(jié)氣門(mén)開(kāi)度：由于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出是由節(jié)氣門(mén)開(kāi)度直接控制的，是反應(yīng)駕駛員意圖的最直接方式。同時(shí)改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度也是控制車(chē)輛速度最有效， 最敏感的方法。且節(jié)氣門(mén)開(kāi)度可以方便的通過(guò)位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，因此本文選擇節(jié)氣門(mén)開(kāi)度作為換檔參數(shù)之一。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/變矩器泵輪轉(zhuǎn)速：通過(guò)測(cè)得的泵輪轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速，可得到液力變矩器的轉(zhuǎn)速比i，并且通過(guò)控制可以將i 保持在理想范圍內(nèi)，使得變矩器的工作點(diǎn)保持在高效區(qū)，從而提高了車(chē)輛的傳動(dòng)效率，降低了燃油消耗[2]。 因此本文選擇變矩器泵輪轉(zhuǎn)速為換檔參數(shù)之一。

（3）車(chē)速：換檔策略的最終目的是控制車(chē)輛在不同狀態(tài)下保持恰當(dāng)?shù)乃俣取?車(chē)速可以通過(guò)對(duì)變矩器渦輪轉(zhuǎn)速的換算得到，因此本文未選擇車(chē)速作為換檔參數(shù)。

（4）變矩器渦輪轉(zhuǎn)速：用液力變矩器作為動(dòng)力傳動(dòng)的車(chē)輛中，渦輪與變速箱輸出軸連接，起動(dòng)力輸出作用。 渦輪轉(zhuǎn)速容易測(cè)量， 同時(shí)渦輪扭矩也可以作為反映外界負(fù)載變化的重要參數(shù)，因此在本文中選擇渦輪轉(zhuǎn)速作為換檔參數(shù)。

（5）工作油泵壓力：礦用防爆車(chē)輛的主要工況是行走工況，工作泵主要為換檔用恒壓泵（為換檔提供2 MPa 壓力）以及轉(zhuǎn)向泵（一般最多占總功率輸出的10%），因此工作油泵的壓力不高且相對(duì)穩(wěn)定[3]。 因此，本文未選取工作油泵壓力作為自動(dòng)換檔參數(shù)。

綜上所述，本文選擇油門(mén)開(kāi)度、變矩器渦輪及泵輪轉(zhuǎn)速作為車(chē)輛自動(dòng)換檔策略的控制參數(shù)， 將車(chē)輛的各種工況用這3 個(gè)參數(shù)來(lái)體現(xiàn)，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算，找出各工況下的最佳檔位分布規(guī)律。

3 換檔策略分析

3.1 動(dòng)力性換檔策略分析

換擋規(guī)律可以根據(jù)不同原則制定： 其中以換檔前后牽引力相等為依據(jù)，保證車(chē)輛有較好的牽引性能；以保持車(chē)輛換檔前后的運(yùn)行加速度不變?yōu)樵瓌t，制定換擋規(guī)律，提高車(chē)輛的加速性能。 由于礦用防爆車(chē)輛以作業(yè)為主要目的，那么就要優(yōu)先保證其動(dòng)力輸出，充分發(fā)揮車(chē)輛的牽引性能，保證完成作業(yè)任務(wù)。

圖1 是以最佳牽引力換檔為原則的策略圖，圖中，兩檔牽引力曲線交匯于A 點(diǎn)，此時(shí)兩檔的牽引力相等，為最佳牽引力控制點(diǎn)。如果當(dāng)前檔位為1檔， 則當(dāng)車(chē)速?gòu)膙A增加到vB時(shí)， 牽引力FB2大于牽引力FB1， 應(yīng)從1 檔變?yōu)? 檔； 如 果 當(dāng) 前 檔位處于第二檔，則當(dāng)車(chē)速?gòu)膙A減小到vC時(shí)，牽引力FC1大于牽引力FC2，并且檔位應(yīng)從第二檔變?yōu)榈谝粰n。

圖1 最佳牽引力換檔策略原理圖

由上文所述，根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行狀況，把節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出速度和渦輪速度用作控制參數(shù)。 分別在40%～100%開(kāi)度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器的共同操作特性以及變速器的傳動(dòng)比和效率來(lái)計(jì)算車(chē)輛的牽引力， 可以繪制相應(yīng)的牽引曲線[4]。

從上文可知， 最佳牽引力控制換擋規(guī)律是以不同檔位牽引曲線的交點(diǎn)速度作為換檔速度值。 而在同一節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下， 每個(gè)檔位之間的升檔點(diǎn)和降檔點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于不同的速比。 通過(guò)Matlab 軟件對(duì)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和變矩器速度比之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，然后繪制曲線以獲得最佳換檔規(guī)則，見(jiàn)圖2。

圖2 最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律

圖中3 條曲線是相應(yīng)的速比與升檔期間的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系。 例如，當(dāng)變矩器速度比i 處于i（23）和i（21）之間時(shí)，檔位是第二檔并保持；當(dāng)速比i 大于i（23）時(shí)，此時(shí)需要升檔，減小齒輪箱的傳動(dòng)比，以確保車(chē)輛的動(dòng)力；同理，當(dāng)速比i 小于i（21）時(shí)，則此時(shí)需要降一檔。

3.2 節(jié)能換檔策略分析

防爆車(chē)輛液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率主要取決于液力變矩器的傳動(dòng)效率[5]。 節(jié)能換檔策略的目的，是通過(guò)換檔規(guī)律將液力變矩器的工作狀態(tài)控制在高于75%的區(qū)間，最大化的提高主傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率。采用相同的負(fù)載系數(shù)和相同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度， 相鄰的兩條液力變矩器效率曲線的交點(diǎn)為節(jié)能換檔點(diǎn)， 可以得到節(jié)能換檔策略換檔曲線見(jiàn)圖3。

圖3 節(jié)能換檔曲線

圖中為某一載荷系數(shù)下油門(mén)開(kāi)度分別為40%～90%時(shí)，1 檔、2 檔和3 檔的液力變矩器效率曲線。圖中A 點(diǎn)為油門(mén)開(kāi)度40%時(shí)1、2 檔效率曲線的交點(diǎn)， 此時(shí)兩檔變矩器效率相等。 若當(dāng)前檔位為1 檔，當(dāng)車(chē)速大于vA 時(shí)，2 檔效率會(huì)大于1 檔效率，此時(shí)應(yīng)換入2 檔；若當(dāng)前檔位為2檔，當(dāng)車(chē)速小vA 于時(shí)，1 檔效率大于2 檔效率，此時(shí)應(yīng)換入1 檔。 由此可知，A 點(diǎn)即為該油門(mén)開(kāi)度下的最佳節(jié)能狀態(tài)下的換檔點(diǎn)。 將同一載荷系數(shù)下不同油門(mén)開(kāi)度的最佳換檔點(diǎn)連接即可得到該載荷系數(shù)下的最佳節(jié)能換檔曲線。與最佳動(dòng)力性換檔點(diǎn)的取法相同，在相應(yīng)的節(jié)能換檔曲線圖中找出所有相鄰檔位變矩器效率曲線交點(diǎn)即可得出全工況節(jié)能換檔車(chē)速點(diǎn)。

通常，在某一節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，可以根據(jù)變矩器的原始特性曲線確定對(duì)應(yīng)于高效區(qū)域的速比的范圍。將兩個(gè)速比分別作為節(jié)能開(kāi)關(guān)的換檔邊界， 即獲得節(jié)能換檔規(guī)則， 見(jiàn)圖4。 其中，imin是節(jié)能換檔降檔線，imax是節(jié)能換檔升檔線。 當(dāng)i＞imax時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前速度提升工作檔位；當(dāng)imax＜i＜imin時(shí)，則保持當(dāng)前檔位不變；當(dāng)i＜imin，則根據(jù)當(dāng)前速度降低工作檔位。

圖4 節(jié)能換檔規(guī)律

3.3 防爆車(chē)輛換檔策略分析

圖5 車(chē)輛動(dòng)力性與節(jié)能換檔策略換檔點(diǎn)的對(duì)比圖

橫坐標(biāo)上的投影不重合，說(shuō)明相同工況下，動(dòng)力性換檔策略和節(jié)能換檔策略的換檔車(chē)速點(diǎn)并不相同， 而且隨檔位的升高二者之間差值有增大的趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋鹤兙仄鞯拇┩感詫?dǎo)致兩種換檔策略的不同換檔速度。 因此兩種換檔策略的優(yōu)化目標(biāo)不能同時(shí)達(dá)到， 只能根據(jù)工作需要有條件地進(jìn)行選擇。

動(dòng)力性換檔策略和節(jié)能換檔策略都是理想的換檔策略，而在實(shí)際應(yīng)用中必須全面考慮車(chē)輛動(dòng)力性、傳動(dòng)效率和路況等諸多因素，糾正理想的換檔策略，以在當(dāng)前的工作條件下獲得最合適的換檔策略。

節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變化可以最直接地反映駕駛員的駕駛意圖， 并且改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度也是控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出和車(chē)輛速度的最有效方式。此外，駕駛員在駕駛工程車(chē)輛進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，若輕踩油門(mén)踏板，說(shuō)明車(chē)輛作業(yè)所需的動(dòng)力輸出要求不高， 這時(shí)應(yīng)以系統(tǒng)節(jié)能效果最好作為控制目標(biāo)；若油門(mén)踏板位置很深，說(shuō)明車(chē)輛作業(yè)所需的動(dòng)力輸出很高，這時(shí)應(yīng)以車(chē)輛動(dòng)力輸出最大化作為控制目標(biāo)。綜上所述，以動(dòng)力性換檔策略和節(jié)能換檔策略為基礎(chǔ)，采取組合方式：在較低油門(mén)開(kāi)度時(shí)采用節(jié)能換檔策略，即經(jīng)濟(jì)性優(yōu)先換檔策略；對(duì)于中等油門(mén)開(kāi)度，采用兼顧動(dòng)力和傳動(dòng)效率的換檔策略；在大節(jié)氣門(mén)打開(kāi)的情況下，采用動(dòng)力性優(yōu)先換檔策略。

為定性分析不同節(jié)氣門(mén)門(mén)開(kāi)度時(shí)， 動(dòng)力輸出和傳動(dòng)效率在換檔策略中所占的比例份額，引入“比例系數(shù)μ”對(duì)二者進(jìn)行量化分析，μ 定義如下：

式中：μ—比例系數(shù)，μ∈[0，1]；vs—換檔車(chē)速點(diǎn)；vd—?jiǎng)恿π該Q檔車(chē)速點(diǎn)；vj—節(jié)能換檔車(chē)速點(diǎn)。

由此可得出換檔車(chē)速點(diǎn)計(jì)算公式為：

從該式可以看出： （1）當(dāng)μ=0 時(shí)，vs=vj，按照節(jié)能換檔策略進(jìn)行控制；（2）當(dāng)μ=1 時(shí)，vs=vd，按照動(dòng)力性換檔策略進(jìn)行控制；（3）當(dāng)0＜μ＜1 時(shí)，按兼顧動(dòng)力性和傳動(dòng)系效率的換檔策略進(jìn)行控制。

在[0，1]的定義域上，對(duì)比例系數(shù)μ 賦值如下：

則可推算出換檔速度vs與油門(mén)開(kāi)度的函數(shù)關(guān)系。 從而可以在車(chē)輛標(biāo)定試驗(yàn)中測(cè)試到車(chē)輛的不同油門(mén)狀態(tài)下的車(chē)輛換檔速度值。

根據(jù)上述轉(zhuǎn)換規(guī)則的分析，可以得到其特征，主要表現(xiàn)在：①換檔規(guī)則的升檔線和降檔線的速比在對(duì)應(yīng)于變矩器的高效區(qū)的邊界速比內(nèi)，因此，該方法可以使變矩器保持在高效率工作區(qū)域；②當(dāng)防爆車(chē)輛處于正?？蛰d行駛或輕載長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)，本方法可以快速升檔，節(jié)省換檔時(shí)間，節(jié)省燃油。在起動(dòng)和爬升工作條件的情況下，可實(shí)現(xiàn)延遲升檔；③在升檔過(guò)程中，換檔點(diǎn)是在同一牽引力下，不同檔位的速度曲線的交匯點(diǎn)制定， 因此在升檔前后速度沒(méi)有明顯變化，沖擊小，駕駛舒適性高；④在降檔過(guò)程中，可以快速降低降檔以達(dá)到低檔位以獲得增大的驅(qū)動(dòng)力。

4 試驗(yàn)研究

本文采用了一種綜合的換檔控制策略實(shí)現(xiàn)檔位的切換，需要對(duì)全自動(dòng)控制器、變速箱以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，從而確保換檔邏輯，換檔執(zhí)行器的正確性以及控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)的可靠性[6]。

全自動(dòng)換檔控制裝置標(biāo)定試驗(yàn)主要由三部分組成：

（1）參數(shù)測(cè)量及標(biāo)定試驗(yàn)：目的是在測(cè)試之前完成速度、扭矩傳感器和壓力傳感器的安裝，連接和調(diào)試，以測(cè)試傳感器等測(cè)試組件的可靠性，并校準(zhǔn)系統(tǒng)的主要參數(shù)。

（2）樣本獲取試驗(yàn)：這部分測(cè)試的主要目的是為建立動(dòng)力總成動(dòng)力學(xué)模型提供原始測(cè)試數(shù)據(jù)。為換檔參數(shù)的選擇、學(xué)習(xí)和測(cè)試樣本的獲取，換檔規(guī)律的制定提供原始參數(shù)。

（3）自動(dòng)變速系統(tǒng)綜合性能測(cè)試試驗(yàn)：這部分測(cè)試的主要目的是驗(yàn)證電子控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的合理性和可靠性； 驗(yàn)證三個(gè)參數(shù)的轉(zhuǎn)換規(guī)則的合理性； 證明防爆車(chē)輛自動(dòng)變速控制模型和策略的正確性和實(shí)用性[7]。

本部分著重介紹自動(dòng)變速系統(tǒng)綜合性能測(cè)試試驗(yàn)內(nèi)容： 在對(duì)所有傳感器標(biāo)定之后， 調(diào)定油門(mén)開(kāi)度為10%～100%，作業(yè)載荷系數(shù)為0.25（模擬輕載工況）。 空載啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著輸出轉(zhuǎn)速不斷提高，根據(jù)三參數(shù)節(jié)能換檔規(guī)則，變速箱逐漸升檔。待升至3 檔后手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為試驗(yàn)臺(tái)加載，隨著負(fù)載增加，變速箱根據(jù)建立的換檔時(shí)間表從高速檔變?yōu)榈退贆n。 25%和50%節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，系統(tǒng)換檔狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 25%油門(mén)開(kāi)度下變速箱換檔曲線

圖7 50%油門(mén)開(kāi)度下變速箱換檔曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用本動(dòng)力換檔規(guī)律后，在整個(gè)試驗(yàn)的過(guò)程中，換檔控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且換檔準(zhǔn)確，沒(méi)出現(xiàn)頻繁換檔、循環(huán)換檔及錯(cuò)誤換檔等現(xiàn)象，可使車(chē)輛得到連續(xù)平穩(wěn)的動(dòng)力輸出， 同時(shí)隨著測(cè)功機(jī)負(fù)載增大和減小的過(guò)程中，車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的效率經(jīng)常保持在較高范圍內(nèi)，且能準(zhǔn)確降檔確保車(chē)輛具有足夠扭矩。 從而驗(yàn)證了本文所述的自動(dòng)換檔控制決策的可靠性及可行性。但是，值得說(shuō)明的是， 本文僅僅是為全自動(dòng)換檔提供了基于三參數(shù)的換檔規(guī)律，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要在該方法基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)輛在不同油門(mén)、不同負(fù)載以及工況下的換檔規(guī)律。

5 結(jié)論

本文首先分析了防爆液力自動(dòng)換檔系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，結(jié)合防爆液力傳動(dòng)車(chē)輛的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)和作業(yè)方式，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行分析， 建立同時(shí)兼顧最佳動(dòng)力性換檔特性和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔特性的換檔策略。 通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)表明，該方法可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛檔位的自動(dòng)切換，提高車(chē)輛行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性、減小了變速箱換檔沖擊、提高了駕駛?cè)藛T的駕駛操作便捷性。