李 懿，吳慶立，呂茂印，牛學信

(株洲時代電子技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引 言

JJC型接觸網(wǎng)檢修車(以下簡稱JJC)是我國自主研制的高鐵接觸網(wǎng)檢修列車。該車共有12節(jié)車廂，可同時起升10節(jié)長度共為174 m的作業(yè)平臺，容納200多人同時進行接觸網(wǎng)檢修作業(yè)，徹底克服了傳統(tǒng)平臺只能單點檢修作業(yè)的缺點，創(chuàng)造了接觸網(wǎng)檢修作業(yè)的新模式；同時JJC還集辦公、會議、餐飲、起居等多種舒適生活設施于一體，具有廣泛的市場需求[1],其整車如圖1所示。

圖1 JJC型接觸網(wǎng)檢修車

作業(yè)走行系統(tǒng)是整車的核心部分，JJC的1車與12車上各包含一套動力系統(tǒng)，動力系統(tǒng)主要由司機臺、濰柴某型號發(fā)動機、福伊特某型號液力變矩器構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 動力系統(tǒng)構(gòu)架圖

通常液力變速箱傳動系統(tǒng)是采用基于力矩進行速度控制[2-3]，但由于JJC車輛長達200多米，實際行車過程中1車與12車的行車工況往往存在差異，基于力矩進行速度控制的方式并不適用于JJC的動力系統(tǒng)，為了保障1車與12車的兩套動力系統(tǒng)輸出速度一致，針對JJC動力系統(tǒng)本文提出了基于速度控制策略。

1 JJC走行系統(tǒng)速度控制策略

基于速度控制策略描述如下：系統(tǒng)上電后，司機推動如圖3所示的油門手柄，控制操作臺(Vehicle Control Unit，VCU)將油門手柄開度信號S(0%～100%之間的模擬信號)同時發(fā)給發(fā)動機控制器(Engine Control Unit，ECU)和液力變矩器控制器(Torque-converter Control Unit，TCU)。

圖3 油門手柄

ECU接收到信號后，通過調(diào)節(jié)燃油的噴油量實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne(800～2 100 r/min之間)與油門手柄輸入的目標轉(zhuǎn)速匹配；TCU接收到信號后，將對應油門手柄開度信號數(shù)值發(fā)送作為自身目標檔位的“NOTCH”值，最終液力變矩器根據(jù)“NOTCH”值和車速作為換擋的依據(jù)。

1車和12車之間的VCU可以通過現(xiàn)場總線進行實時通信，行車過程中的ECU和TCU可以接收到同一個油門手柄開度信號值，進而保證了兩套動力系統(tǒng)輸出速度的一致性。

基于速度控制解決了的JJC動力系統(tǒng)速度不一致問題，但也存在以下兩方面不足之處：

(1) 行車過程中，油門手柄位于換擋臨界點時，發(fā)動機易出現(xiàn)燃油壓力增大，導致燃油回路泄荷閥打開，進而出現(xiàn)“跛形保護”故障。

(2) 油門手柄快速推向最大時，由于發(fā)動機實時速度與目標速度相差較大，發(fā)動機會較大限度的噴射燃油，一方面會導致柴油燃燒不充分，另一方面也會導致加速度太大，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

2 發(fā)動機與變矩器特性分析

2.1 發(fā)動機特性分析

目前對發(fā)動機的特性研究，基本上都是在發(fā)動機的萬有性曲線基礎上進行發(fā)動機外特性研究。發(fā)動機外特性是指在供油量調(diào)節(jié)機構(gòu)保持不變的前提下，發(fā)動機力矩Me、功率Pe、be燃料消耗率等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)速ne的變化而發(fā)生變化的關(guān)系[4]。裝配在JJC上的濰柴某型號發(fā)動機的基本參數(shù)如表1，表2是對該型號發(fā)動機進行外特性試驗測試數(shù)據(jù)。

表1 發(fā)動機參數(shù)

表2 發(fā)動機外特性試驗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2的試驗測試數(shù)據(jù)，力矩Me、功率Pe、燃油率be分別分段三次插值計算，可得到如圖4所示的發(fā)動機外特性曲線。

圖4 發(fā)動外特性曲線

由圖4可知，隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動機輸出功率逐漸增大，當轉(zhuǎn)速到達2 100 r·min-1時，輸出功率基本達到額定功率；輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩的增大先增大后減小，轉(zhuǎn)速在1 200 r·min-1時輸出轉(zhuǎn)矩達到最大值；燃油率隨著轉(zhuǎn)速增大逐漸增大。

2.2 變矩器特性分析

在對福伊特變矩器進行特性分析前，先簡要介紹液力變矩器的工作原理，變扭器是液力變矩器中的核心結(jié)構(gòu)，圖5是變扭器的結(jié)構(gòu)和變扭器工作過程簡圖。

由圖5可知，變扭器主要由泵輪、渦輪、導輪組成，柴油發(fā)動機輸出(飛輪)與變矩器的泵輪(輸入)剛性連接，開始轉(zhuǎn)動時泵輪帶動液力變扭器內(nèi)的傳動油轉(zhuǎn)動，傳動油轉(zhuǎn)動帶動渦輪(輸出)，最后經(jīng)過固定的導輪葉片，再次回到泵輪完成循環(huán)。泵輪使柴油機的機械能轉(zhuǎn)換成傳動油的流動能量；渦輪通過減緩傳動油速度和改變傳動油方向吸收流動能量并再轉(zhuǎn)換成機械能；導輪的作用是，無論渦輪流出方向如何，始終保持理想的泵輪流入方向。導輪吸收泵輪與渦輪間的扭矩差，并以這種方式實現(xiàn)扭矩轉(zhuǎn)換。

圖5 變扭器結(jié)構(gòu)圖1.泵輪 2.渦輪 3.導輪

由上述變扭器工作原理可知：在忽略液力變矩器工作時自身能力損耗情況是，發(fā)動機施加在泵輪軸上的力矩MB、發(fā)動機方向傳遞給渦輪軸上的力矩MT和殼體對導輪的支反力矩Md之和等于零，即：

MB+MT+Md=0

(1)

為了更加直觀的看到變矩器輸出軸換擋時的力矩變化，在分析變矩器工作原理基礎上，重點對變矩器輸出力FT與車速V關(guān)系曲線，F(xiàn)T與V分別由下面式(2)、(3)計算得出：

(2)

V=kπDne

(3)

式中：λ為發(fā)動機到變矩器輸出軸之間的傳動效率；D為車輪直徑；k為車輪軸與發(fā)動轉(zhuǎn)速的傳動比。

通常k值由變矩器的增速齒輪和輸出齒輪兩部分決定，增速齒輪速比取值為：1∶ 2～1∶ 2.6之間，輸出齒輪速比取值為：1∶ 1.5～1∶ 2之間。使用變矩器專用測量分析儀，可直接測試得到變矩器輸出力FT與車速V關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 變矩器輸出力FT與車速V關(guān)系

圖6中，1、2兩條曲線分別是軌道在0‰和25‰坡度的工況下產(chǎn)生的阻力。由圖6可知，變矩器輸出力FT隨著車速增大而逐漸減小，圖中虛線框表示車速到達78 km/h時變矩器的換擋點。

3 柔性小區(qū)段屏蔽算法實現(xiàn)

通過發(fā)動機和變矩器的特性分析不難發(fā)現(xiàn)，導致JJC的發(fā)動機與變矩器動力匹配缺陷的根本原因在于：發(fā)動機沒有以力矩作為反饋控制。理論上講，針對JJC快速推拉油門手柄和變矩器換擋點造成的動力匹配問題，還需要分別按式(4)、(5)對發(fā)動機的穩(wěn)定調(diào)速率δ1和瞬時調(diào)速率δ2進行測試和計算，在求出兩個調(diào)速率值的基礎上，然后建模求解調(diào)速時間內(nèi)的發(fā)動機燃油變化率，最后通過實驗驗證計算過程的正確性[5]。

(4)

(5)

式中：n為標定轉(zhuǎn)速；n1為負荷突變前的轉(zhuǎn)速；n2為負荷突卸時的最大瞬時轉(zhuǎn)速；n3為空負荷時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

考慮到JJC動力系統(tǒng)已經(jīng)裝車，完全具備實驗條件，因此可以跳過調(diào)速率和燃油變化率等參數(shù)的計算過程，使用油門緩沖時間Td對快速推拉油門手柄的情況進行緩沖，同時使用換擋屏蔽系數(shù)ζ對變矩器在換擋點的頻繁換擋進行屏蔽處理。

假設變矩器換擋點對應的油門手柄信號值為Sc，油門手柄在某時刻的輸出信號值為S(t), VCU系統(tǒng)的采樣時間為Δt，若S(t+Δt)∈[0,Sc-ζ]∪[Sc+ζ,1],則柔性緩沖算法可表示如下式(6)：

S(t+Δt)=

(6)

對于S(t+Δt)∈(Sc-ζ,Sc+ζ)這種情況，則用下式(7)來進行屏蔽處理：

(7)

在式(6)、(7)的基礎上，只需對VCU系統(tǒng)進行出現(xiàn)編寫，即可實現(xiàn)JJC動力系統(tǒng)的柔性小區(qū)段屏蔽算法，具體算法流程如圖7所示。

圖7 柔性小區(qū)段屏蔽算法流程

完成VCU程序編寫后，可以通過試驗得出油門緩沖時間Td和換擋屏蔽系數(shù)ζ兩個參數(shù)的最優(yōu)值。

4 結(jié) 論

在分析發(fā)動機與變矩器的動力特性基礎上，先采用柔性緩沖控制解決了整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)間上的速度突變，然后采用小區(qū)段屏蔽控制策略解決了液力變矩器在換擋點上存在的“頻繁換擋”問題。目前，對投入作業(yè)現(xiàn)場的JJC型接觸網(wǎng)作業(yè)車進行跟蹤和數(shù)據(jù)采集，實際行車結(jié)果表明，采用柔性小區(qū)段屏蔽控制后JJC動力系統(tǒng)運行良好，無跛形保護。

參考文獻：

[1] 李 武，宋明耀.JJC型接觸網(wǎng)作業(yè)車平臺控制系統(tǒng)[J].鐵道機車與動車，2015,11(11)：14-16.

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[3] 王建超，吳仁智，韓同杰，等.基于MATLAB的液力變矩器與發(fā)動機匹配的計算與分析[J].建筑機械，2011，12(23)：119-121+19.

[4] 高 楊，張宏超.工程機械發(fā)動機與液力變矩器匹配方法研究[J].化工管理，2015,5(14)5-7.

[5] 孫德臣.工程機械發(fā)動機與液力變矩器匹配方法研究[D].成都：西南交通大學，2011.