煤礦防爆車輛電控換檔品質及控制策略研究

陳 寧

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

目前，中國1000 萬噸礦山中有80%采用無軌輔助運輸方式，一般利用液力變矩器結合手動變速箱進行傳動控制。駕駛員根據車輛行駛負載情況，操作變速箱，通過液力變矩器控制液壓系統(tǒng)，操作離合器結合分立，從而控制換檔動作。 但是傳統(tǒng)的換檔方式對駕駛員要求高、在礦井下復雜路況操作頻繁，且不適用于車輛目前的自動化、智能化及未來無人化需求。電控換擋是礦用防爆車輛進行智能化改造的前提，電控自動液力換檔是采用電磁閥替換傳統(tǒng)的機械閥進行先導控制，同時，換擋控制器檢測油門開度、車速、負載、變速箱溫度等信息，根據相應算法規(guī)律，精確控制電磁閥動作，實現(xiàn)車輛的自動換檔。 與傳統(tǒng)的手動換檔控制方式比較，該方式有明顯的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：①可顯著提高礦用防爆液力傳動車輛的操縱舒適性； ②準確實現(xiàn)最佳換檔點，可實現(xiàn)多種換檔規(guī)則；③當與不同的發(fā)動機組合時，電子控制系統(tǒng)只需要少量的調整；④有利于提高防爆柴油發(fā)動機和變速器的壽命。

換檔控制策略直接決定了車輛運行換檔過程的優(yōu)劣，即換檔品質的優(yōu)劣，進而直接影響車輛的駕駛品質及整體性能評價。 因此對于自動檔車輛的換檔品質及控制策略研究一直是一個重要的研究課題。 由于礦用車輛相比傳統(tǒng)的工程機械，其運行工況相對較特殊：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，有必要針對礦用防爆車輛進行換檔品質及控制策略的研究。

1 電液換檔車輛換檔品質及控制策略概述

優(yōu)秀的換檔控制策略， 能夠根據車輛當前的運行狀況、駕駛員意圖以及道路的起伏狀況，準確、快速地確定施工車輛的最佳檔位， 從而提高車輛運行品質。 簡單的說，礦用車輛在井下行駛過程中，由于經常進行上下坡、重載運行，因此需要獲得更強的扭矩。 當駕駛員手動駕駛車輛時，為了在操作期間獲得更強的動力，駕駛員將快速選擇降檔并增加油門。 因此在自動變速過程中，需要盡快降檔，提高輪邊扭矩；當車輛空載或輕載長途運輸時，駕駛員通常希望快速提高速度，因此在自動變速時，變速箱應提前升檔，有利于提高防爆車輛的燃油經濟性[1]。

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

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輛自動換檔策略的合理性。 換檔參數(shù)的選擇一般要滿足兩個條件：首先，換檔參數(shù)要能準確描述出車輛的行駛狀態(tài)，體現(xiàn)出車輛自身的作業(yè)特點；其次，換檔參數(shù)要容易測量，或者是容易通過其它參數(shù)計算得出。目前常用的換檔參數(shù)如下：

（1）節(jié)氣門開度：由于發(fā)動機的動力輸出是由節(jié)氣門開度直接控制的，是反應駕駛員意圖的最直接方式。同時改變節(jié)氣門開度也是控制車輛速度最有效， 最敏感的方法。且節(jié)氣門開度可以方便的通過位移傳感器進行測量，因此本文選擇節(jié)氣門開度作為換檔參數(shù)之一。

（2）發(fā)動機轉速/變矩器泵輪轉速：通過測得的泵輪轉速與渦輪轉速，可得到液力變矩器的轉速比i，并且通過控制可以將i 保持在理想范圍內，使得變矩器的工作點保持在高效區(qū)，從而提高了車輛的傳動效率，降低了燃油消耗[2]。 因此本文選擇變矩器泵輪轉速為換檔參數(shù)之一。

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

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

（5）工作油泵壓力：礦用防爆車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穩(wěn)定[3]。 因此，本文未選取工作油泵壓力作為自動換檔參數(shù)。

綜上所述，本文選擇油門開度、變矩器渦輪及泵輪轉速作為車輛自動換檔策略的控制參數(shù)， 將車輛的各種工況用這3 個參數(shù)來體現(xiàn)，通過傳動系統(tǒng)的匹配計算，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 動力性換檔策略分析

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

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，此時兩檔的牽引力相等，為最佳牽引力控制點。如果當前檔位為1檔， 則當車速從vA增加到vB時， 牽引力FB2大于牽引力FB1， 應從1 檔變?yōu)? 檔； 如 果 當 前 檔位處于第二檔，則當車速從vA減小到vC時，牽引力FC1大于牽引力FC2，并且檔位應從第二檔變?yōu)榈谝粰n。

圖1 最佳牽引力換檔策略原理圖

由上文所述，根據車輛的實際運行狀況，把節(jié)氣門開度、 發(fā)動機輸出速度和渦輪速度用作控制參數(shù)。 分別在40%～100%開度下進行實驗，基于柴油發(fā)動機和變矩器的共同操作特性以及變速器的傳動比和效率來計算車輛的牽引力， 可以繪制相應的牽引曲線[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速度作為換檔速度值。 而在同一節(jié)氣門開度下， 每個檔位之間的升檔點和降檔點分別對應于不同的速比。 通過Matlab 軟件對節(jié)氣門開度和變矩器速度比之間的數(shù)據進行曲線擬合，然后繪制曲線以獲得最佳換檔規(guī)則，見圖2。

圖2 最佳動力性換檔規(guī)律

圖中3 條曲線是相應的速比與升檔期間的節(jié)氣門開度之間的關系。 例如，當變矩器速度比i 處于i（23）和i（21）之間時，檔位是第二檔并保持；當速比i 大于i（23）時，此時需要升檔，減小齒輪箱的傳動比，以確保車輛的動力；同理，當速比i 小于i（21）時，則此時需要降一檔。

3.2 節(jié)能換檔策略分析

防爆車輛液壓機械傳動系統(tǒng)的傳動效率主要取決于液力變矩器的傳動效率[5]。 節(jié)能換檔策略的目的，是通過換檔規(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系的傳動效率。采用相同的負載系數(shù)和相同的節(jié)氣門開度， 相鄰的兩條液力變矩器效率曲線的交點為節(jié)能換檔點， 可以得到節(jié)能換檔策略換檔曲線見圖3。

圖3 節(jié)能換檔曲線

圖中為某一載荷系數(shù)下油門開度分別為40%～90%時，1 檔、2 檔和3 檔的液力變矩器效率曲線。圖中A 點為油門開度40%時1、2 檔效率曲線的交點， 此時兩檔變矩器效率相等。 若當前檔位為1 檔，當車速大于vA 時，2 檔效率會大于1 檔效率，此時應換入2 檔；若當前檔位為2檔，當車速小vA 于時，1 檔效率大于2 檔效率，此時應換入1 檔。 由此可知，A 點即為該油門開度下的最佳節(jié)能狀態(tài)下的換檔點。 將同一載荷系數(shù)下不同油門開度的最佳換檔點連接即可得到該載荷系數(shù)下的最佳節(jié)能換檔曲線。與最佳動力性換檔點的取法相同，在相應的節(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即可得出全工況節(jié)能換檔車速點。

通常，在某一節(jié)氣門開度下，可以根據變矩器的原始特性曲線確定對應于高效區(qū)域的速比的范圍。將兩個速比分別作為節(jié)能開關的換檔邊界， 即獲得節(jié)能換檔規(guī)則， 見圖4。 其中，imin是節(jié)能換檔降檔線，imax是節(jié)能換檔升檔線。 當i＞imax時，則根據當前速度提升工作檔位；當imax＜i＜imin時，則保持當前檔位不變；當i＜imin，則根據當前速度降低工作檔位。

圖4 節(jié)能換檔規(guī)律

3.3 防爆車輛換檔策略分析

圖5 車輛動力性與節(jié)能換檔策略換檔點的對比圖

橫坐標上的投影不重合，說明相同工況下，動力性換檔策略和節(jié)能換檔策略的換檔車速點并不相同， 而且隨檔位的升高二者之間差值有增大的趨勢。分析其原因為：變矩器的穿透性導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)化目標不能同時達到， 只能根據工作需要有條件地進行選擇。

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

節(jié)氣門開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)氣門開度也是控制發(fā)動機功率輸出和車輛速度的最有效方式。此外，駕駛員在駕駛工程車輛進行作業(yè)的過程中，若輕踩油門踏板，說明車輛作業(yè)所需的動力輸出要求不高， 這時應以系統(tǒng)節(jié)能效果最好作為控制目標；若油門踏板位置很深，說明車輛作業(yè)所需的動力輸出很高，這時應以車輛動力輸出最大化作為控制目標。綜上所述，以動力性換檔策略和節(jié)能換檔策略為基礎，采取組合方式：在較低油門開度時采用節(jié)能換檔策略，即經濟性優(yōu)先換檔策略；對于中等油門開度，采用兼顧動力和傳動效率的換檔策略；在大節(jié)氣門打開的情況下，采用動力性優(yōu)先換檔策略。

為定性分析不同節(jié)氣門門開度時， 動力輸出和傳動效率在換檔策略中所占的比例份額，引入“比例系數(shù)μ”對二者進行量化分析，μ 定義如下：

式中：μ—比例系數(shù)，μ∈[0，1]；vs—換檔車速點；vd—動力性換檔車速點；vj—節(jié)能換檔車速點。

由此可得出換檔車速點計算公式為：

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

在[0，1]的定義域上，對比例系數(shù)μ 賦值如下：

則可推算出換檔速度vs與油門開度的函數(shù)關系。 從而可以在車輛標定試驗中測試到車輛的不同油門狀態(tài)下的車輛換檔速度值。

根據上述轉換規(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應于變矩器的高效區(qū)的邊界速比內，因此，該方法可以使變矩器保持在高效率工作區(qū)域；②當防爆車輛處于正常空載行駛或輕載長途運輸時，本方法可以快速升檔，節(jié)省換檔時間，節(jié)省燃油。在起動和爬升工作條件的情況下，可實現(xiàn)延遲升檔；③在升檔過程中，換檔點是在同一牽引力下，不同檔位的速度曲線的交匯點制定， 因此在升檔前后速度沒有明顯變化，沖擊小，駕駛舒適性高；④在降檔過程中，可以快速降低降檔以達到低檔位以獲得增大的驅動力。

4 試驗研究

本文采用了一種綜合的換檔控制策略實現(xiàn)檔位的切換，需要對全自動控制器、變速箱以及發(fā)動機進行試驗標定，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)的硬件和軟件設計的可靠性[6]。

全自動換檔控制裝置標定試驗主要由三部分組成：

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

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

（3）自動變速系統(tǒng)綜合性能測試試驗：這部分測試的主要目的是驗證電子控制系統(tǒng)軟硬件設計的合理性和可靠性； 驗證三個參數(shù)的轉換規(guī)則的合理性； 證明防爆車輛自動變速控制模型和策略的正確性和實用性[7]。

本部分著重介紹自動變速系統(tǒng)綜合性能測試試驗內容： 在對所有傳感器標定之后， 調定油門開度為10%～100%，作業(yè)載荷系數(shù)為0.25（模擬輕載工況）。 空載啟動發(fā)動機，隨著輸出轉速不斷提高，根據三參數(shù)節(jié)能換檔規(guī)則，變速箱逐漸升檔。待升至3 檔后手動調節(jié)測功機輸出轉矩為試驗臺加載，隨著負載增加，變速箱根據建立的換檔時間表從高速檔變?yōu)榈退贆n。 25%和50%節(jié)氣門開度下，系統(tǒng)換檔狀態(tài)試驗結果見圖6、圖7。

圖6 25%油門開度下變速箱換檔曲線

圖7 50%油門開度下變速箱換檔曲線

試驗結果表明，應用本動力換檔規(guī)律后，在整個試驗的過程中，換檔控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且換檔準確，沒出現(xiàn)頻繁換檔、循環(huán)換檔及錯誤換檔等現(xiàn)象，可使車輛得到連續(xù)平穩(wěn)的動力輸出， 同時隨著測功機負載增大和減小的過程中，車輛傳動系統(tǒng)的效率經常保持在較高范圍內，且能準確降檔確保車輛具有足夠扭矩。 從而驗證了本文所述的自動換檔控制決策的可靠性及可行性。但是，值得說明的是， 本文僅僅是為全自動換檔提供了基于三參數(shù)的換檔規(guī)律，在實際應用中，還需要在該方法基礎上進行大量的標定實驗，從而進一步優(yōu)化車輛在不同油門、不同負載以及工況下的換檔規(guī)律。

5 結論

本文首先分析了防爆液力自動換檔系統(tǒng)的特點和功能，結合防爆液力傳動車輛的運行環(huán)境特點和作業(yè)方式，對其傳動系統(tǒng)控制策略進行分析， 建立同時兼顧最佳動力性換檔特性和最佳經濟性換檔特性的換檔策略。 通過臺架試驗表明，該方法可實現(xiàn)車輛檔位的自動切換，提高車輛行駛過程中的穩(wěn)定性、減小了變速箱換檔沖擊、提高了駕駛人員的駕駛操作便捷性。