基于燃油經(jīng)濟(jì)性的采棉機(jī)變速箱速比匹配控制策略

魏曉朝，倪向東

(1.新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心，新疆烏魯木齊 830017；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 前言

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速箱(Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT)是一種新型傳動(dòng)裝置[1]，它將機(jī)械有級(jí)傳動(dòng)和液壓無(wú)級(jí)傳動(dòng)有機(jī)地結(jié)合[2]，因而具有較高的傳動(dòng)效率和較強(qiáng)的抗動(dòng)載沖擊能力[3-4]，可以傳遞較大功率和實(shí)現(xiàn)速比連續(xù)無(wú)級(jí)變化[5-6]，適合應(yīng)用于具有復(fù)雜工作情況的采棉機(jī)。

為使采棉機(jī)具有較優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)與HMCVT進(jìn)行速比匹配。黃薛凱等[7]提出一種基于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的拖拉機(jī)HMCVT速比控制策略，該控制策略以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與HMCVT速比為控制參數(shù)，能有效提高拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性。張明柱等[8]提出一種基于拖拉機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率和HMCVT傳動(dòng)效率的HMCVT速比控制策略，該控制策略可以提高拖拉機(jī)在任意工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性。于今等人[9]為提高HMCVT速比跟蹤效果，設(shè)計(jì)出一種基于量化因子和決策因子伸縮變化的變論域模糊PID控制器。

目前，學(xué)者針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與HMCVT速比匹配的研究主要集中在拖拉機(jī)上[10-11]，針對(duì)采棉機(jī)的研究較少。且目前作者所在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的HMCVT的速比調(diào)節(jié)依然為手動(dòng)模式，無(wú)法充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。與普通非道路車(chē)輛相比，采棉機(jī)要適應(yīng)更為復(fù)雜的路況以及更加苛刻的工作條件。因此，為實(shí)現(xiàn)該HMCVT的優(yōu)勢(shì)并提高裝有該HMCVT的采棉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，提出一種基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略，對(duì)采棉機(jī)HMCVT速比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在調(diào)速特性作用下穩(wěn)定于目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，為后續(xù)開(kāi)展采棉機(jī)HMCVT田間試驗(yàn)提供一定支持。

1 HMCVT傳動(dòng)方案

采用“分矩匯速”型等差式HMCVT，其傳動(dòng)方案[12-13]如圖1所示。圖1中，ni和no為HMCVT的輸入和輸出轉(zhuǎn)速；C1和C2為離合器；B為制動(dòng)器；g1～g3為齒輪副；P1和P2為行星排；P和M為變量泵和定量馬達(dá)。

圖1 HMCVT傳動(dòng)方案

在前進(jìn)方向上，HMCVT有3個(gè)工作段，分別為純液壓段、液壓機(jī)械低速段和液壓機(jī)械高速段，分別用H、HM1和HM2表示。各工作段中離合器和制動(dòng)器的接合狀態(tài)如表1所示。

2 基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略

采棉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度由駕駛員控制，基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略如圖2所示：采棉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性要求其在運(yùn)輸或采摘時(shí)，需要根據(jù)作業(yè)環(huán)境以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)在允許速度范圍內(nèi)勻速行駛，以保證采棉機(jī)的燃油消耗率最??；當(dāng)駕駛員控制油門(mén)踏板至某一開(kāi)度時(shí)，速比匹配控制模塊采集該發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度信號(hào)，并計(jì)算此發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度下的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，然后向變量泵排量比控制模塊和換段控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)HMCVT速比的目的，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在調(diào)速特性作用下穩(wěn)定于目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速。該控制策略能使駕駛員更多地關(guān)注采摘、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，提高工作效率。

圖2 基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略框圖

由于研究側(cè)重點(diǎn)為HMCVT在HM1段和HM2段之間的速比匹配控制，故在后期仿真模型建立和分析中以HMCVT處于HM1段為初始狀態(tài)。

3 仿真模型建立

如圖3所示，基于HMCVT傳動(dòng)方案以及提出的基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略框圖，在AMESim中建立發(fā)動(dòng)機(jī)-HMCVT仿真模型。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)-HMCVT仿真模型

在速比匹配控制模塊中，輸入信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及油門(mén)踏板開(kāi)度，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性曲線，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。將發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差輸入PID控制器，輸出速比調(diào)節(jié)值，大小限定在[0，4]，再將其分別輸入給變量泵排量比控制模塊和換段控制模塊。

在變量泵排量比控制模塊中，首先由電液比例閥接收由速比匹配控制模塊發(fā)出的速比調(diào)節(jié)信號(hào)，并根據(jù)速比調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)整進(jìn)出雙作用液壓缸的流量，從而控制雙作用液壓缸活塞的位移，雙作用液壓缸活塞桿再推動(dòng)變量泵斜盤(pán)，進(jìn)行傾角的調(diào)整，進(jìn)而調(diào)節(jié)變量泵的排量比[14-15]。

在換段控制模塊中，首先接收由速比匹配控制模塊輸出的速比調(diào)節(jié)信號(hào)，并通過(guò)離散延遲函數(shù)和積分函數(shù)，將信號(hào)傳遞給兩位兩通電磁閥，再通過(guò)液壓缸進(jìn)油或出油來(lái)模擬離合器接合或脫開(kāi)，最后向離合器C1和C2輸出換段控制信號(hào)。

考慮到與所研制的HMCVT相匹配，選擇約翰迪爾4045HYC11柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為采棉機(jī)的動(dòng)力源，該發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性曲線如圖4所示。變量泵排量比、速比調(diào)節(jié)值與離合器接合狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示：當(dāng)速比調(diào)節(jié)值在[0，2]連續(xù)變化時(shí)，HMCVT處于HM1段，此時(shí)變量泵排量比在[-1，1]變化，離合器C1保持接合；當(dāng)速比調(diào)節(jié)值在[2，4]連續(xù)變化時(shí)，HMCVT處于HM2段，此時(shí)變量泵排量比在[-1，1]變化，離合器C2保持接合。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性曲線

圖5 對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 仿真分析

采棉機(jī)在運(yùn)輸和采摘時(shí)分別存在兩種典型的工作情況：(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩固定、發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度變化；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度固定、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化。針對(duì)此兩種工況進(jìn)行仿真分析。

4.1 第一種工況仿真分析

采棉機(jī)在運(yùn)輸時(shí)，負(fù)載變化較慢，可以選用大油門(mén)工作，最高行駛速度限制在25 km/h。保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，以HM1段起步，使發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度在5 s內(nèi)由0增大至0.5，25 s后使發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度在5 s內(nèi)由0.5增大至1，再25 s后使發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度在20 s內(nèi)由1減小至0.4。仿真時(shí)間設(shè)置為120 s，結(jié)果如圖6—8所示。

圖6 速比調(diào)節(jié)值(工況一)

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(工況一)

圖8 采棉機(jī)行駛速度(工況一)

由圖4—8可知，在給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度下，速比匹配控制模塊能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)HMCVT的速比，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠在目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速附近穩(wěn)定；在第0～1.1 s內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速比小于目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，故速比調(diào)節(jié)值保持為0，離合器C1在第1.1 s開(kāi)始接合，HMCVT將工作于HM1段；從第1.2 s開(kāi)始，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，速比匹配控制模塊開(kāi)始工作，向外輸出速比調(diào)節(jié)值；在第9 s，速比調(diào)節(jié)值達(dá)到2，此時(shí)離合器C1將會(huì)脫開(kāi)，離合器C2開(kāi)始接合，HMCVT將工作于HM2段；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度在第0～5 s內(nèi)由0增大至0.5后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨油門(mén)踏板開(kāi)度的增大而增大，并逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速1 421 r/min；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度在第30～35 s內(nèi)由0.5增大至1后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨油門(mén)踏板開(kāi)度的增大而增大，并逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速2 200 r/min，采棉機(jī)行駛速度穩(wěn)定于25 km/h；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度在第60～80 s內(nèi)由1減小至0.4后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨油門(mén)踏板開(kāi)度的減小而減小，并逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速1 265 r/min，采棉機(jī)行駛速度穩(wěn)定于15 km/h。

4.2 第二種工況仿真分析

采棉機(jī)在采摘時(shí)，負(fù)載變化較快，一般選用小油門(mén)工作，最高行駛速度限制在15 km/h。保持發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度為0.3，以HM1段起步，起步30 s后增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，再30 s后使負(fù)載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)至起步時(shí)水平。仿真時(shí)間設(shè)置為90 s，結(jié)果如圖9—11所示。

圖9 速比調(diào)節(jié)值(工況二)

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(工況二)

圖11 采棉機(jī)行駛速度(工況二)

由圖4、圖5、圖9—11可知：在給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度下，速比匹配控制模塊能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)HMCVT的速比，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠在目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速附近穩(wěn)定；在第0～0.4 s內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，故速比調(diào)節(jié)值保持為0，離合器C1在第0.4 s開(kāi)始接合，HMCVT將工作于HM1段；從第0.5 s開(kāi)始，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速，速比匹配控制模塊開(kāi)始工作，向外輸出速比調(diào)節(jié)值；在第8.5 s，速比調(diào)節(jié)值達(dá)到2，此時(shí)離合器C1將會(huì)脫開(kāi)，離合器C2開(kāi)始接合，HMCVT將工作于HM2段；在第0～30 s內(nèi)保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速1 241 r/min，采棉機(jī)行駛速度穩(wěn)定于13 km/h；在第30～60 s內(nèi)增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速增大，采棉機(jī)加速行駛；在第60～90 s內(nèi)使負(fù)載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)至起步時(shí)水平，采棉機(jī)開(kāi)始減速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速重新逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速1 241 r/min，采棉機(jī)行駛速度重新穩(wěn)定于13 km/h。

5 結(jié)論

(1)為提高裝有自主設(shè)計(jì)的HMCVT的采棉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，提出一種基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略；

(2)利用AMESim建立發(fā)動(dòng)機(jī)-HMCVT仿真模型，對(duì)基于燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱速比匹配控制策略展開(kāi)仿真研究；

(3)仿真結(jié)果表明此控制策略在采棉機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩固定、發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度變化和發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)踏板開(kāi)度固定、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的情況下皆具有可行性。