煤矿防爆车辆电控换档品质及控制策略研究

陈 宁

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

目前，中国1000 万吨矿山中有80%采用无轨辅助运输方式，一般利用液力变矩器结合手动变速箱进行传动控制。驾驶员根据车辆行驶负载情况，操作变速箱，通过液力变矩器控制液压系统，操作离合器结合分立，从而控制换档动作。 但是传统的换档方式对驾驶员要求高、在矿井下复杂路况操作频繁，且不适用于车辆目前的自动化、智能化及未来无人化需求。电控换挡是矿用防爆车辆进行智能化改造的前提，电控自动液力换档是采用电磁阀替换传统的机械阀进行先导控制，同时，换挡控制器检测油门开度、车速、负载、变速箱温度等信息，根据相应算法规律，精确控制电磁阀动作，实现车辆的自动换档。 与传统的手动换档控制方式比较，该方式有明显的优势，具体表现为：①可显著提高矿用防爆液力传动车辆的操纵舒适性； ②准确实现最佳换档点，可实现多种换档规则；③当与不同的发动机组合时，电子控制系统只需要少量的调整；④有利于提高防爆柴油发动机和变速器的寿命。

换档控制策略直接决定了车辆运行换档过程的优劣，即换档品质的优劣，进而直接影响车辆的驾驶品质及整体性能评价。 因此对于自动档车辆的换档品质及控制策略研究一直是一个重要的研究课题。 由于矿用车辆相比传统的工程机械，其运行工况相对较特殊：上下坡度较大（最高14°），行驶速度低（不高于30km/h），且路况差，坡道不平，浮煤或积水。 因此，有必要针对矿用防爆车辆进行换档品质及控制策略的研究。

1 电液换档车辆换档品质及控制策略概述

优秀的换档控制策略， 能够根据车辆当前的运行状况、驾驶员意图以及道路的起伏状况，准确、快速地确定施工车辆的最佳档位， 从而提高车辆运行品质。 简单的说，矿用车辆在井下行驶过程中，由于经常进行上下坡、重载运行，因此需要获得更强的扭矩。 当驾驶员手动驾驶车辆时，为了在操作期间获得更强的动力，驾驶员将快速选择降档并增加油门。 因此在自动变速过程中，需要尽快降档，提高轮边扭矩；当车辆空载或轻载长途运输时，驾驶员通常希望快速提高速度，因此在自动变速时，变速箱应提前升档，有利于提高防爆车辆的燃油经济性[1]。

为了使车辆在作业时能保证动力性而在行驶时最大的提高节能经济性。本文提出一种换档控制策略，结合了最佳动力性控制策略和经济性策略中的节能换档规律的优势，不仅可以满足动力要求，还可以提高燃油经济性。为了研究该规律， 首先需要针对车辆换档控制参数的选择，分别从最优动力原则和最优节能原则出发，分析换档原理和过程。

2 换档参数选择

换档参数选择正确与否直接决定着车辆自动换档策略的合理性。 换档参数的选择一般要满足两个条件：首先，换档参数要能准确描述出车辆的行驶状态，体现出车辆自身的作业特点；其次，换档参数要容易测量，或者是容易通过其它参数计算得出。目前常用的换档参数如下：

（1）节气门开度：由于发动机的动力输出是由节气门开度直接控制的，是反应驾驶员意图的最直接方式。同时改变节气门开度也是控制车辆速度最有效， 最敏感的方法。且节气门开度可以方便的通过位移传感器进行测量，因此本文选择节气门开度作为换档参数之一。

（2）发动机转速/变矩器泵轮转速：通过测得的泵轮转速与涡轮转速，可得到液力变矩器的转速比i，并且通过控制可以将i 保持在理想范围内，使得变矩器的工作点保持在高效区，从而提高了车辆的传动效率，降低了燃油消耗[2]。 因此本文选择变矩器泵轮转速为换档参数之一。

（3）车速：换档策略的最终目的是控制车辆在不同状态下保持恰当的速度。 车速可以通过对变矩器涡轮转速的换算得到，因此本文未选择车速作为换档参数。

（4）变矩器涡轮转速：用液力变矩器作为动力传动的车辆中，涡轮与变速箱输出轴连接，起动力输出作用。 涡轮转速容易测量， 同时涡轮扭矩也可以作为反映外界负载变化的重要参数，因此在本文中选择涡轮转速作为换档参数。

（5）工作油泵压力：矿用防爆车辆的主要工况是行走工况，工作泵主要为换档用恒压泵（为换档提供2 MPa 压力）以及转向泵（一般最多占总功率输出的10%），因此工作油泵的压力不高且相对稳定[3]。 因此，本文未选取工作油泵压力作为自动换档参数。

综上所述，本文选择油门开度、变矩器涡轮及泵轮转速作为车辆自动换档策略的控制参数， 将车辆的各种工况用这3 个参数来体现，通过传动系统的匹配计算，找出各工况下的最佳档位分布规律。

3 换档策略分析

3.1 动力性换档策略分析

换挡规律可以根据不同原则制定： 其中以换档前后牵引力相等为依据，保证车辆有较好的牵引性能；以保持车辆换档前后的运行加速度不变为原则，制定换挡规律，提高车辆的加速性能。 由于矿用防爆车辆以作业为主要目的，那么就要优先保证其动力输出，充分发挥车辆的牵引性能，保证完成作业任务。

图1 是以最佳牵引力换档为原则的策略图，图中，两档牵引力曲线交汇于A 点，此时两档的牵引力相等，为最佳牵引力控制点。如果当前档位为1档， 则当车速从vA增加到vB时， 牵引力FB2大于牵引力FB1， 应从1 档变为2 档； 如 果 当 前 档位处于第二档，则当车速从vA减小到vC时，牵引力FC1大于牵引力FC2，并且档位应从第二档变为第一档。

图1 最佳牵引力换档策略原理图

由上文所述，根据车辆的实际运行状况，把节气门开度、 发动机输出速度和涡轮速度用作控制参数。 分别在40%～100%开度下进行实验，基于柴油发动机和变矩器的共同操作特性以及变速器的传动比和效率来计算车辆的牵引力， 可以绘制相应的牵引曲线[4]。

从上文可知， 最佳牵引力控制换挡规律是以不同档位牵引曲线的交点速度作为换档速度值。 而在同一节气门开度下， 每个档位之间的升档点和降档点分别对应于不同的速比。 通过Matlab 软件对节气门开度和变矩器速度比之间的数据进行曲线拟合，然后绘制曲线以获得最佳换档规则，见图2。

图2 最佳动力性换档规律

图中3 条曲线是相应的速比与升档期间的节气门开度之间的关系。 例如，当变矩器速度比i 处于i（23）和i（21）之间时，档位是第二档并保持；当速比i 大于i（23）时，此时需要升档，减小齿轮箱的传动比，以确保车辆的动力；同理，当速比i 小于i（21）时，则此时需要降一档。

3.2 节能换档策略分析

防爆车辆液压机械传动系统的传动效率主要取决于液力变矩器的传动效率[5]。 节能换档策略的目的，是通过换档规律将液力变矩器的工作状态控制在高于75%的区间，最大化的提高主传动系的传动效率。采用相同的负载系数和相同的节气门开度， 相邻的两条液力变矩器效率曲线的交点为节能换档点， 可以得到节能换档策略换档曲线见图3。

图3 节能换档曲线

图中为某一载荷系数下油门开度分别为40%～90%时，1 档、2 档和3 档的液力变矩器效率曲线。图中A 点为油门开度40%时1、2 档效率曲线的交点， 此时两档变矩器效率相等。 若当前档位为1 档，当车速大于vA 时，2 档效率会大于1 档效率，此时应换入2 档；若当前档位为2档，当车速小vA 于时，1 档效率大于2 档效率，此时应换入1 档。 由此可知，A 点即为该油门开度下的最佳节能状态下的换档点。 将同一载荷系数下不同油门开度的最佳换档点连接即可得到该载荷系数下的最佳节能换档曲线。与最佳动力性换档点的取法相同，在相应的节能换档曲线图中找出所有相邻档位变矩器效率曲线交点即可得出全工况节能换档车速点。

通常，在某一节气门开度下，可以根据变矩器的原始特性曲线确定对应于高效区域的速比的范围。将两个速比分别作为节能开关的换档边界， 即获得节能换档规则， 见图4。 其中，imin是节能换档降档线，imax是节能换档升档线。 当i＞imax时，则根据当前速度提升工作档位；当imax＜i＜imin时，则保持当前档位不变；当i＜imin，则根据当前速度降低工作档位。

图4 节能换档规律

3.3 防爆车辆换档策略分析

图5 车辆动力性与节能换档策略换档点的对比图

横坐标上的投影不重合，说明相同工况下，动力性换档策略和节能换档策略的换档车速点并不相同， 而且随档位的升高二者之间差值有增大的趋势。分析其原因为：变矩器的穿透性导致两种换档策略的不同换档速度。 因此两种换档策略的优化目标不能同时达到， 只能根据工作需要有条件地进行选择。

动力性换档策略和节能换档策略都是理想的换档策略，而在实际应用中必须全面考虑车辆动力性、传动效率和路况等诸多因素，纠正理想的换档策略，以在当前的工作条件下获得最合适的换档策略。

节气门开度的变化可以最直接地反映驾驶员的驾驶意图， 并且改变节气门开度也是控制发动机功率输出和车辆速度的最有效方式。此外，驾驶员在驾驶工程车辆进行作业的过程中，若轻踩油门踏板，说明车辆作业所需的动力输出要求不高， 这时应以系统节能效果最好作为控制目标；若油门踏板位置很深，说明车辆作业所需的动力输出很高，这时应以车辆动力输出最大化作为控制目标。综上所述，以动力性换档策略和节能换档策略为基础，采取组合方式：在较低油门开度时采用节能换档策略，即经济性优先换档策略；对于中等油门开度，采用兼顾动力和传动效率的换档策略；在大节气门打开的情况下，采用动力性优先换档策略。

为定性分析不同节气门门开度时， 动力输出和传动效率在换档策略中所占的比例份额，引入“比例系数μ”对二者进行量化分析，μ 定义如下：

式中：μ—比例系数，μ∈[0，1]；vs—换档车速点；vd—动力性换档车速点；vj—节能换档车速点。

由此可得出换档车速点计算公式为：

从该式可以看出： （1）当μ=0 时，vs=vj，按照节能换档策略进行控制；（2）当μ=1 时，vs=vd，按照动力性换档策略进行控制；（3）当0＜μ＜1 时，按兼顾动力性和传动系效率的换档策略进行控制。

在[0，1]的定义域上，对比例系数μ 赋值如下：

则可推算出换档速度vs与油门开度的函数关系。 从而可以在车辆标定试验中测试到车辆的不同油门状态下的车辆换档速度值。

根据上述转换规则的分析，可以得到其特征，主要表现在：①换档规则的升档线和降档线的速比在对应于变矩器的高效区的边界速比内，因此，该方法可以使变矩器保持在高效率工作区域；②当防爆车辆处于正常空载行驶或轻载长途运输时，本方法可以快速升档，节省换档时间，节省燃油。在起动和爬升工作条件的情况下，可实现延迟升档；③在升档过程中，换档点是在同一牵引力下，不同档位的速度曲线的交汇点制定， 因此在升档前后速度没有明显变化，冲击小，驾驶舒适性高；④在降档过程中，可以快速降低降档以达到低档位以获得增大的驱动力。

4 试验研究

本文采用了一种综合的换档控制策略实现档位的切换，需要对全自动控制器、变速箱以及发动机进行试验标定，从而确保换档逻辑，换档执行器的正确性以及控制系统的硬件和软件设计的可靠性[6]。

全自动换档控制装置标定试验主要由三部分组成：

（1）参数测量及标定试验：目的是在测试之前完成速度、扭矩传感器和压力传感器的安装，连接和调试，以测试传感器等测试组件的可靠性，并校准系统的主要参数。

（2）样本获取试验：这部分测试的主要目的是为建立动力总成动力学模型提供原始测试数据。为换档参数的选择、学习和测试样本的获取，换档规律的制定提供原始参数。

（3）自动变速系统综合性能测试试验：这部分测试的主要目的是验证电子控制系统软硬件设计的合理性和可靠性； 验证三个参数的转换规则的合理性； 证明防爆车辆自动变速控制模型和策略的正确性和实用性[7]。

本部分着重介绍自动变速系统综合性能测试试验内容： 在对所有传感器标定之后， 调定油门开度为10%～100%，作业载荷系数为0.25（模拟轻载工况）。 空载启动发动机，随着输出转速不断提高，根据三参数节能换档规则，变速箱逐渐升档。待升至3 档后手动调节测功机输出转矩为试验台加载，随着负载增加，变速箱根据建立的换档时间表从高速档变为低速档。 25%和50%节气门开度下，系统换档状态试验结果见图6、图7。

图6 25%油门开度下变速箱换档曲线

图7 50%油门开度下变速箱换档曲线

试验结果表明，应用本动力换档规律后，在整个试验的过程中，换档控制系统稳定可靠且换档准确，没出现频繁换档、循环换档及错误换档等现象，可使车辆得到连续平稳的动力输出， 同时随着测功机负载增大和减小的过程中，车辆传动系统的效率经常保持在较高范围内，且能准确降档确保车辆具有足够扭矩。 从而验证了本文所述的自动换档控制决策的可靠性及可行性。但是，值得说明的是， 本文仅仅是为全自动换档提供了基于三参数的换档规律，在实际应用中，还需要在该方法基础上进行大量的标定实验，从而进一步优化车辆在不同油门、不同负载以及工况下的换档规律。

5 结论

本文首先分析了防爆液力自动换档系统的特点和功能，结合防爆液力传动车辆的运行环境特点和作业方式，对其传动系统控制策略进行分析， 建立同时兼顾最佳动力性换档特性和最佳经济性换档特性的换档策略。 通过台架试验表明，该方法可实现车辆档位的自动切换，提高车辆行驶过程中的稳定性、减小了变速箱换档冲击、提高了驾驶人员的驾驶操作便捷性。