魏曉朝,倪向東
(1.新疆大學工程訓練中心,新疆烏魯木齊 830017;2.石河子大學機械電氣工程學院,新疆石河子 832003)
液壓機械無級變速箱(Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission,HMCVT)是一種新型傳動裝置[1],它將機械有級傳動和液壓無級傳動有機地結合[2],因而具有較高的傳動效率和較強的抗動載沖擊能力[3-4],可以傳遞較大功率和實現(xiàn)速比連續(xù)無級變化[5-6],適合應用于具有復雜工作情況的采棉機。
為使采棉機具有較優(yōu)的燃油經(jīng)濟性,需要將發(fā)動機與HMCVT進行速比匹配。黃薛凱等[7]提出一種基于最佳燃油經(jīng)濟性的拖拉機HMCVT速比控制策略,該控制策略以發(fā)動機轉速與HMCVT速比為控制參數(shù),能有效提高拖拉機在田間作業(yè)時的燃油經(jīng)濟性。張明柱等[8]提出一種基于拖拉機最佳燃油經(jīng)濟性、發(fā)動機有效燃油消耗率和HMCVT傳動效率的HMCVT速比控制策略,該控制策略可以提高拖拉機在任意工況下的燃油經(jīng)濟性。于今等人[9]為提高HMCVT速比跟蹤效果,設計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,學者針對發(fā)動機與HMCVT速比匹配的研究主要集中在拖拉機上[10-11],針對采棉機的研究較少。且目前作者所在實驗室自主設計的HMCVT的速比調節(jié)依然為手動模式,無法充分發(fā)揮其優(yōu)勢。與普通非道路車輛相比,采棉機要適應更為復雜的路況以及更加苛刻的工作條件。因此,為實現(xiàn)該HMCVT的優(yōu)勢并提高裝有該HMCVT的采棉機的燃油經(jīng)濟性,提出一種基于燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機-變速箱速比匹配控制策略,對采棉機HMCVT速比進行調節(jié),使發(fā)動機轉速在調速特性作用下穩(wěn)定于目標燃油經(jīng)濟性轉速,為后續(xù)開展采棉機HMCVT田間試驗提供一定支持。
采用“分矩匯速”型等差式HMCVT,其傳動方案[12-13]如圖1所示。圖1中,ni和no為HMCVT的輸入和輸出轉速;C1和C2為離合器;B為制動器;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。
圖1 HMCVT傳動方案
在前進方向上,HMCVT有3個工作段,分別為純液壓段、液壓機械低速段和液壓機械高速段,分別用H、HM1和HM2表示。各工作段中離合器和制動器的接合狀態(tài)如表1所示。
采棉機發(fā)動機油門踏板開度由駕駛員控制,基于燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機-變速箱速比匹配控制策略如圖2所示:采棉機燃油經(jīng)濟性要求其在運輸或采摘時,需要根據(jù)作業(yè)環(huán)境以及負載轉矩,使發(fā)動機轉速穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟性轉速,實現(xiàn)采棉機在允許速度范圍內勻速行駛,以保證采棉機的燃油消耗率最??;當駕駛員控制油門踏板至某一開度時,速比匹配控制模塊采集該發(fā)動機油門踏板開度信號,并計算此發(fā)動機油門踏板開度下的發(fā)動機最佳燃油經(jīng)濟性轉速,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,達到調節(jié)HMCVT速比的目的,從而使發(fā)動機轉速在調速特性作用下穩(wěn)定于目標燃油經(jīng)濟性轉速。該控制策略能使駕駛員更多地關注采摘、運輸?shù)茸鳂I(yè),提高工作效率。
圖2 基于燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機-變速箱速比匹配控制策略框圖
由于研究側重點為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)。
如圖3所示,基于HMCVT傳動方案以及提出的基于燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機-變速箱速比匹配控制策略框圖,在AMESim中建立發(fā)動機-HMCVT仿真模型。
圖3 發(fā)動機-HMCVT仿真模型
在速比匹配控制模塊中,輸入信號為發(fā)動機轉速以及油門踏板開度,通過發(fā)動機最佳燃油經(jīng)濟性轉速調節(jié)特性曲線,計算出發(fā)動機目標轉速。將發(fā)動機當前轉速與目標轉速之差輸入PID控制器,輸出速比調節(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)出的速比調節(jié)信號,并根據(jù)速比調節(jié)信號調整進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變量泵斜盤,進行傾角的調整,進而調節(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節(jié)信號,并通過離散延遲函數(shù)和積分函數(shù),將信號傳遞給兩位兩通電磁閥,再通過液壓缸進油或出油來模擬離合器接合或脫開,最后向離合器C1和C2輸出換段控制信號。
考慮到與所研制的HMCVT相匹配,選擇約翰迪爾4045HYC11柴油發(fā)動機作為采棉機的動力源,該發(fā)動機的最佳燃油經(jīng)濟性轉速調節(jié)特性曲線如圖4所示。變量泵排量比、速比調節(jié)值與離合器接合狀態(tài)的對應關系如圖5所示:當速比調節(jié)值在[0,2]連續(xù)變化時,HMCVT處于HM1段,此時變量泵排量比在[-1,1]變化,離合器C1保持接合;當速比調節(jié)值在[2,4]連續(xù)變化時,HMCVT處于HM2段,此時變量泵排量比在[-1,1]變化,離合器C2保持接合。
圖4 發(fā)動機最佳燃油經(jīng)濟性轉速調節(jié)特性曲線
圖5 對應關系
采棉機在運輸和采摘時分別存在兩種典型的工作情況:(1)負載轉矩固定、發(fā)動機油門踏板開度變化;(2)發(fā)動機油門踏板開度固定、負載轉矩變化。針對此兩種工況進行仿真分析。
采棉機在運輸時,負載變化較慢,可以選用大油門工作,最高行駛速度限制在25 km/h。保持負載轉矩不變,以HM1段起步,使發(fā)動機油門踏板開度在5 s內由0增大至0.5,25 s后使發(fā)動機油門踏板開度在5 s內由0.5增大至1,再25 s后使發(fā)動機油門踏板開度在20 s內由1減小至0.4。仿真時間設置為120 s,結果如圖6—8所示。
圖6 速比調節(jié)值(工況一)
圖7 發(fā)動機轉速(工況一)
圖8 采棉機行駛速度(工況一)
由圖4—8可知,在給定的負載轉矩以及發(fā)動機油門踏板開度下,速比匹配控制模塊能夠自動調節(jié)HMCVT的速比,從而使發(fā)動機實際轉速能夠在目標燃油經(jīng)濟性轉速附近穩(wěn)定;在第0~1.1 s內,由于發(fā)動機的實際轉速比小于目標燃油經(jīng)濟性轉速,故速比調節(jié)值保持為0,離合器C1在第1.1 s開始接合,HMCVT將工作于HM1段;從第1.2 s開始,發(fā)動機的實際轉速大于目標燃油經(jīng)濟性轉速,速比匹配控制模塊開始工作,向外輸出速比調節(jié)值;在第9 s,速比調節(jié)值達到2,此時離合器C1將會脫開,離合器C2開始接合,HMCVT將工作于HM2段;當發(fā)動機油門踏板開度在第0~5 s內由0增大至0.5后,發(fā)動機轉速隨油門踏板開度的增大而增大,并逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟性轉速1 421 r/min;當發(fā)動機油門踏板開度在第30~35 s內由0.5增大至1后,發(fā)動機轉速隨油門踏板開度的增大而增大,并逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟性轉速2 200 r/min,采棉機行駛速度穩(wěn)定于25 km/h;當發(fā)動機油門踏板開度在第60~80 s內由1減小至0.4后,發(fā)動機轉速隨油門踏板開度的減小而減小,并逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟性轉速1 265 r/min,采棉機行駛速度穩(wěn)定于15 km/h。
采棉機在采摘時,負載變化較快,一般選用小油門工作,最高行駛速度限制在15 km/h。保持發(fā)動機油門踏板開度為0.3,以HM1段起步,起步30 s后增大負載轉矩,再30 s后使負載轉矩恢復至起步時水平。仿真時間設置為90 s,結果如圖9—11所示。
圖9 速比調節(jié)值(工況二)
圖10 發(fā)動機轉速(工況二)
圖11 采棉機行駛速度(工況二)
由圖4、圖5、圖9—11可知:在給定的負載轉矩以及發(fā)動機油門踏板開度下,速比匹配控制模塊能夠自動調節(jié)HMCVT的速比,從而使發(fā)動機實際轉速能夠在目標燃油經(jīng)濟性轉速附近穩(wěn)定;在第0~0.4 s內,由于發(fā)動機的實際轉速小于目標燃油經(jīng)濟性轉速,故速比調節(jié)值保持為0,離合器C1在第0.4 s開始接合,HMCVT將工作于HM1段;從第0.5 s開始,發(fā)動機的實際轉速大于目標燃油經(jīng)濟性轉速,速比匹配控制模塊開始工作,向外輸出速比調節(jié)值;在第8.5 s,速比調節(jié)值達到2,此時離合器C1將會脫開,離合器C2開始接合,HMCVT將工作于HM2段;在第0~30 s內保持負載轉矩不變,發(fā)動機轉速一直穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟性轉速1 241 r/min,采棉機行駛速度穩(wěn)定于13 km/h;在第30~60 s內增大負載轉矩,發(fā)動機實際轉速增大,采棉機加速行駛;在第60~90 s內使負載轉矩恢復至起步時水平,采棉機開始減速,發(fā)動機轉速重新逐漸穩(wěn)定于最佳燃油經(jīng)濟性轉速1 241 r/min,采棉機行駛速度重新穩(wěn)定于13 km/h。
(1)為提高裝有自主設計的HMCVT的采棉機的燃油經(jīng)濟性,提出一種基于燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機-變速箱速比匹配控制策略;
(2)利用AMESim建立發(fā)動機-HMCVT仿真模型,對基于燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機-變速箱速比匹配控制策略展開仿真研究;
(3)仿真結果表明此控制策略在采棉機負載轉矩固定、發(fā)動機油門踏板開度變化和發(fā)動機油門踏板開度固定、負載轉矩變化的情況下皆具有可行性。