基于柔性小区段屏蔽策略的JJC动力系统优化控制

李 懿，吴庆立，吕茂印，牛学信

(株洲时代电子技术有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引 言

JJC型接触网检修车(以下简称JJC)是我国自主研制的高铁接触网检修列车。该车共有12节车厢，可同时起升10节长度共为174 m的作业平台，容纳200多人同时进行接触网检修作业，彻底克服了传统平台只能单点检修作业的缺点，创造了接触网检修作业的新模式；同时JJC还集办公、会议、餐饮、起居等多种舒适生活设施于一体，具有广泛的市场需求[1],其整车如图1所示。

图1 JJC型接触网检修车

作业走行系统是整车的核心部分，JJC的1车与12车上各包含一套动力系统，动力系统主要由司机台、潍柴某型号发动机、福伊特某型号液力变矩器构成，如图2所示。

图2 动力系统构架图

通常液力变速箱传动系统是采用基于力矩进行速度控制[2-3]，但由于JJC车辆长达200多米，实际行车过程中1车与12车的行车工况往往存在差异，基于力矩进行速度控制的方式并不适用于JJC的动力系统，为了保障1车与12车的两套动力系统输出速度一致，针对JJC动力系统本文提出了基于速度控制策略。

1 JJC走行系统速度控制策略

基于速度控制策略描述如下：系统上电后，司机推动如图3所示的油门手柄，控制操作台(Vehicle Control Unit，VCU)将油门手柄开度信号S(0%～100%之间的模拟信号)同时发给发动机控制器(Engine Control Unit，ECU)和液力变矩器控制器(Torque-converter Control Unit，TCU)。

图3 油门手柄

ECU接收到信号后，通过调节燃油的喷油量实现发动机转速的调节，最终实现发动机转速ne(800～2 100 r/min之间)与油门手柄输入的目标转速匹配；TCU接收到信号后，将对应油门手柄开度信号数值发送作为自身目标档位的“NOTCH”值，最终液力变矩器根据“NOTCH”值和车速作为换挡的依据。

1车和12车之间的VCU可以通过现场总线进行实时通信，行车过程中的ECU和TCU可以接收到同一个油门手柄开度信号值，进而保证了两套动力系统输出速度的一致性。

基于速度控制解决了的JJC动力系统速度不一致问题，但也存在以下两方面不足之处：

(1) 行车过程中，油门手柄位于换挡临界点时，发动机易出现燃油压力增大，导致燃油回路泄荷阀打开，进而出现“跛形保护”故障。

(2) 油门手柄快速推向最大时，由于发动机实时速度与目标速度相差较大，发动机会较大限度的喷射燃油，一方面会导致柴油燃烧不充分，另一方面也会导致加速度太大，出现打滑现象。

2 发动机与变矩器特性分析

2.1 发动机特性分析

目前对发动机的特性研究，基本上都是在发动机的万有性曲线基础上进行发动机外特性研究。发动机外特性是指在供油量调节机构保持不变的前提下，发动机力矩Me、功率Pe、be燃料消耗率等参数随着转速ne的变化而发生变化的关系[4]。装配在JJC上的潍柴某型号发动机的基本参数如表1，表2是对该型号发动机进行外特性试验测试数据。

表1 发动机参数

表2 发动机外特性试验测试数据

根据表2的试验测试数据，力矩Me、功率Pe、燃油率be分别分段三次插值计算，可得到如图4所示的发动机外特性曲线。

图4 发动外特性曲线

由图4可知，随着发动机的转速增加，发动机输出功率逐渐增大，当转速到达2 100 r·min-1时，输出功率基本达到额定功率；输出转矩随着转矩的增大先增大后减小，转速在1 200 r·min-1时输出转矩达到最大值；燃油率随着转速增大逐渐增大。

2.2 变矩器特性分析

在对福伊特变矩器进行特性分析前，先简要介绍液力变矩器的工作原理，变扭器是液力变矩器中的核心结构，图5是变扭器的结构和变扭器工作过程简图。

由图5可知，变扭器主要由泵轮、涡轮、导轮组成，柴油发动机输出(飞轮)与变矩器的泵轮(输入)刚性连接，开始转动时泵轮带动液力变扭器内的传动油转动，传动油转动带动涡轮(输出)，最后经过固定的导轮叶片，再次回到泵轮完成循环。泵轮使柴油机的机械能转换成传动油的流动能量；涡轮通过减缓传动油速度和改变传动油方向吸收流动能量并再转换成机械能；导轮的作用是，无论涡轮流出方向如何，始终保持理想的泵轮流入方向。导轮吸收泵轮与涡轮间的扭矩差，并以这种方式实现扭矩转换。

图5 变扭器结构图1.泵轮 2.涡轮 3.导轮

由上述变扭器工作原理可知：在忽略液力变矩器工作时自身能力损耗情况是，发动机施加在泵轮轴上的力矩MB、发动机方向传递给涡轮轴上的力矩MT和壳体对导轮的支反力矩Md之和等于零，即：

MB+MT+Md=0

(1)

为了更加直观的看到变矩器输出轴换挡时的力矩变化，在分析变矩器工作原理基础上，重点对变矩器输出力FT与车速V关系曲线，FT与V分别由下面式(2)、(3)计算得出：

(2)

V=kπDne

(3)

式中：λ为发动机到变矩器输出轴之间的传动效率；D为车轮直径；k为车轮轴与发动转速的传动比。

通常k值由变矩器的增速齿轮和输出齿轮两部分决定，增速齿轮速比取值为：1∶ 2～1∶ 2.6之间，输出齿轮速比取值为：1∶ 1.5～1∶ 2之间。使用变矩器专用测量分析仪，可直接测试得到变矩器输出力FT与车速V关系曲线如图6所示。

图6 变矩器输出力FT与车速V关系

图6中，1、2两条曲线分别是轨道在0‰和25‰坡度的工况下产生的阻力。由图6可知，变矩器输出力FT随着车速增大而逐渐减小，图中虚线框表示车速到达78 km/h时变矩器的换挡点。

3 柔性小区段屏蔽算法实现

通过发动机和变矩器的特性分析不难发现，导致JJC的发动机与变矩器动力匹配缺陷的根本原因在于：发动机没有以力矩作为反馈控制。理论上讲，针对JJC快速推拉油门手柄和变矩器换挡点造成的动力匹配问题，还需要分别按式(4)、(5)对发动机的稳定调速率δ1和瞬时调速率δ2进行测试和计算，在求出两个调速率值的基础上，然后建模求解调速时间内的发动机燃油变化率，最后通过实验验证计算过程的正确性[5]。

(4)

(5)

式中：n为标定转速；n1为负荷突变前的转速；n2为负荷突卸时的最大瞬时转速；n3为空负荷时的稳定转速。

考虑到JJC动力系统已经装车，完全具备实验条件，因此可以跳过调速率和燃油变化率等参数的计算过程，使用油门缓冲时间Td对快速推拉油门手柄的情况进行缓冲，同时使用换挡屏蔽系数ζ对变矩器在换挡点的频繁换挡进行屏蔽处理。

假设变矩器换挡点对应的油门手柄信号值为Sc，油门手柄在某时刻的输出信号值为S(t), VCU系统的采样时间为Δt，若S(t+Δt)∈[0,Sc-ζ]∪[Sc+ζ,1],则柔性缓冲算法可表示如下式(6)：

S(t+Δt)=

(6)

对于S(t+Δt)∈(Sc-ζ,Sc+ζ)这种情况，则用下式(7)来进行屏蔽处理：

(7)

在式(6)、(7)的基础上，只需对VCU系统进行出现编写，即可实现JJC动力系统的柔性小区段屏蔽算法，具体算法流程如图7所示。

图7 柔性小区段屏蔽算法流程

完成VCU程序编写后，可以通过试验得出油门缓冲时间Td和换挡屏蔽系数ζ两个参数的最优值。

4 结 论

在分析发动机与变矩器的动力特性基础上，先采用柔性缓冲控制解决了整个发动机转速区间上的速度突变，然后采用小区段屏蔽控制策略解决了液力变矩器在换挡点上存在的“频繁换挡”问题。目前，对投入作业现场的JJC型接触网作业车进行跟踪和数据采集，实际行车结果表明，采用柔性小区段屏蔽控制后JJC动力系统运行良好，无跛形保护。

参考文献：

[1] 李 武，宋明耀.JJC型接触网作业车平台控制系统[J].铁道机车与动车，2015,11(11)：14-16.

[2] 孙德臣，周 斌，支 琪.MatrixVB在发动机与液力变矩器动力匹配中的应用[J].机电信息，2011，9(18)：159-160.

[3] 王建超，吴仁智，韩同杰，等.基于MATLAB的液力变矩器与发动机匹配的计算与分析[J].建筑机械，2011，12(23)：119-121+19.

[4] 高 杨，张宏超.工程机械发动机与液力变矩器匹配方法研究[J].化工管理，2015,5(14)5-7.

[5] 孙德臣.工程机械发动机与液力变矩器匹配方法研究[D].成都：西南交通大学，2011.