楊文兵
(中煤北京煤礦機械有限責(zé)任公司,北京 102400)
隨著各地經(jīng)濟建設(shè)工作的持續(xù)推進、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及現(xiàn)代化科技水平的明顯提高,工程機械在市場各個領(lǐng)域中出現(xiàn)越來越頻繁。在“十四五”規(guī)劃中,國家對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與發(fā)展提出了全新要求,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)既要確保高效、安全,又要注重綠色、環(huán)保和智能,只有滿足上述需求,才能加快構(gòu)建現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系。
深入研究這方面內(nèi)容可知,裝載機是工程機械的主要組成部分,也是機械工程基礎(chǔ)設(shè)施中不可缺少的一部分。總之,裝載機具有工作環(huán)境廣、機動性好以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,目前已在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。有關(guān)資料顯示,2020年,國內(nèi)裝載機銷量超過10 萬臺,與2019年同期增加8%以上,所占的市場份額約為80%,實現(xiàn)了裝載機市場的“四連升”。隨著“一帶一路”、“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的實施以及“綠色、藍天”等環(huán)境問題的日益突出,我國工程機械行業(yè)對裝載機也提出了新的要求,為滿足生產(chǎn)需要,如何對裝載機進行優(yōu)化升級就顯得更迫切。針對這方面工作,將對裝載機在投產(chǎn)使用后的功率分流傳送系統(tǒng)控制進行研究。
動力性能和燃油經(jīng)濟性是裝載機最基本的性能指標。在液壓機械功率分配系統(tǒng)中,通過對驅(qū)動系統(tǒng)的速度比進行控制,可以將柴油機調(diào)整到理想的工況,進而提高裝載機的功率和燃油經(jīng)濟性[1]。發(fā)動機在真實工況條件下可以看做一個十分復(fù)雜的系統(tǒng),將其理解為輸出轉(zhuǎn)矩是油門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系。發(fā)動機的運行狀態(tài)控制是指在節(jié)流閥開啟角度不變的情況下,發(fā)動機只能按一條確定的曲線運行,而運行在什么運行點取決于所施加的扭矩[2]。在扭矩改變時,引擎會自動調(diào)整至新的扭矩平衡狀態(tài)[3]。將發(fā)動機和調(diào)速器視為一體,通過在全過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度這兩變量的函數(shù)關(guān)系,來表達發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩,如公式(1)所示。
式中:Me為穩(wěn)態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩;α為油門開度;ne為額定轉(zhuǎn)速;M1、M2、M3為額定工作點1~3 的轉(zhuǎn)矩。將裝載機液壓機械各參數(shù)代入上述公式,得到發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)條件下的調(diào)速特性模型,如公式(2)所示。
在發(fā)動機正常運行的情況下,需要考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動所產(chǎn)生的影響,在發(fā)動機穩(wěn)定狀態(tài)下,在調(diào)速特性模型中引入曲軸波動造成的負載的大動態(tài)調(diào)速特性模型,如公式(3)所示。
式中:Mde為動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩;Jei為曲軸轉(zhuǎn)動慣量;ωe為曲軸角加速度。在此基礎(chǔ)上提出一種基于線性規(guī)劃法的發(fā)動機動態(tài)控制方法[4]。通過對不同節(jié)流閥開啟程度時的最大功率點進行擬合,獲得了最大動力特性曲線[5]。在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)調(diào)速特性曲線中,在不同的油門開度下,發(fā)動機的最大功率值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,見表1。
表1 不同油門開度下最佳動力性轉(zhuǎn)速對照表
發(fā)動機的油門開度、轉(zhuǎn)速、車速與液壓機械功率分流傳動系統(tǒng)的速比存在對應(yīng)關(guān)系。最佳速補控制是在任意油門開度和車速條件下,通過調(diào)節(jié)液壓機械功率分流傳動速比,對發(fā)動機轉(zhuǎn)速工作進行控制[6]。
對裝載機液壓機械的模糊控制是根據(jù)操作人員對系統(tǒng)的操控經(jīng)驗,并對經(jīng)驗進行總結(jié),在實際控制中將經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)模糊控制策略的一種控制方式。在駕駛員駕駛裝載機的過程中,要先選擇裝載機是按照動力性模式行駛,還是按照經(jīng)濟性模式行駛[7]。一旦選擇行駛模式,那么輸出方式就已經(jīng)決定了,不能再根據(jù)駕駛員的駕駛意愿來調(diào)整,所以,必須將駕駛員的意愿納入整個整機的智能控制策略中。在沒有明確操縱意愿的情況下,變速器將按照最優(yōu)的速比控制策略調(diào)整裝載機的運行狀態(tài)。在駕駛員操縱意圖明確的情況下,表示此時駕駛員對動力性要求更高,傳輸系統(tǒng)會按照最優(yōu)動力性速比的控制策略來調(diào)整[8]。采用動力因子D表達駕駛員的駕駛意愿,其數(shù)值范圍為0~1。當動力因子D接近0 時,說明駕駛員目前的駕駛意愿更傾向于采用最經(jīng)濟的傳動比控制策略;當動力因子D接近1 時,表示駕駛員在目前的駕駛意圖下,更傾向于采用最優(yōu)的傳動速度比控制策略。將油門開度變化量Δα模糊集用公式(4)表示。
式中:S、MS、M、MB、B分別為油門開度小、中小、中、中大和大。對應(yīng)的模糊論域為{0,1,2,3,4,5,6,7,8},實際變化范圍在0~100,量化因子為ka,取值為8/1000。將油門開度變化率dα/dt的模糊集合用公式(5)。
式中:NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別為油門開度變化率為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。為了能夠更直觀地對模糊集合進行描述,采用隸屬度函數(shù)表示模糊集合??紤]到系統(tǒng)的林敏度和穩(wěn)定性要求,將油門開度變化量的隸屬度函數(shù)用tramf 函數(shù)表示;將油門開度變化率隸屬度函數(shù)選擇用trimf 函數(shù)表示;將動力因子的歷史度函數(shù)用gaussmf 函數(shù)表示。綜上所述,得到模糊推理規(guī)則,見表2。
表2 模糊推理規(guī)則
將隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則輸入Matlab 軟件中的Fuzzy 工具箱中,獲得動力因子的控制清晰量,利用該控制量實現(xiàn)對裝載機液壓機械公路分流傳動控制。駕駛員在工作循環(huán)的各個階段,按照負荷的大小,踩下油門,根據(jù)不同的油門開度來調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,從而獲得最佳動力性速比和最佳經(jīng)濟性速比。當司機踩下油門時就可以獲得油門開度的變化量和變化率,然后通過模糊控制器獲得動力因子,從而判斷司機是需要更大的動力性還是更大的經(jīng)濟性。以輸入的目標車速為依據(jù),獲得對整機進行控制的模糊速比,通過對傳動系統(tǒng)變量泵的排量以及工作段的切換情況進行調(diào)整,獲得了傳動系統(tǒng)的實際速比,并利用 PID控制器對實際速比和目標模糊速比進行調(diào)整。
裝載機是工程項目建設(shè)與施工中使用最頻繁的一種機械設(shè)備,其最典型的工作工況是固定場地的鏟、裝作業(yè),從場地面積和裝載機布置角度出發(fā),可將其分為“I”形、“L”形、“T”形、“V”形4 種作業(yè)模式。其中“V”形工作方式以其高效、縮短工作周期而被普遍采用,其工作流程如圖1所示。
圖1 “V”形裝載機作業(yè)模式
裝載機作業(yè)主要包括6 個過程,分別為“裝載機以空載狀態(tài)向前行進(對應(yīng)圖1 中的狀態(tài)1)”、“裝載機鏟掘裝料”、“裝載機以滿載狀態(tài)向后退(對應(yīng)圖1 中的狀態(tài)2)”、“裝載機以滿載狀態(tài)向前行進(對應(yīng)圖1 中的狀態(tài)3)”、“裝載機卸載斗內(nèi)物料”、“裝載機以空載狀態(tài)向后退(對應(yīng)圖1 中的狀態(tài)4)”。
根據(jù)上述內(nèi)容,對裝載機的循環(huán)作業(yè)過程進行描述,如圖2所示。
圖2 裝載機循環(huán)作業(yè)
通過上述研究內(nèi)容可知,由于發(fā)動機自身的特點以及外部載荷的特點,因此發(fā)動機不能以恒定轉(zhuǎn)速運動。以此為依據(jù),構(gòu)建發(fā)動機仿真模型,如圖3所示。
圖3 發(fā)動機仿真模型
圖3 中,f(x)為發(fā)動機的牽引力,如公式(6)所示。
式中:f(x)為發(fā)動機的牽引力;Me為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩;ig為物料的影響系數(shù)。i0為物料容積密度。η∑為機械功率分流次數(shù)。r為發(fā)動機中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在前端輸入發(fā)動機的牽引力后,在其兩端輸入油門信號、轉(zhuǎn)速信號。
在此基礎(chǔ)上,將發(fā)動機仿真模型作為一個基于數(shù)表的萬有特性有機模型,可以在建模中,根據(jù)發(fā)動機的扭矩,輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對其運行過程的仿真。
在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,進行裝載機不同單元結(jié)構(gòu)的建模,使用計算機中的AMESim 軟件,將構(gòu)建的模型進行集成并錄入終端,根據(jù)裝載機的運行需求,設(shè)定仿真模型在運行過程中的油門開度、目標車速、裝載機裝載物料質(zhì)量以及插入阻力等參數(shù)。錄入相關(guān)參數(shù)后,統(tǒng)計設(shè)計方法在投產(chǎn)使用后的功率分流比,其結(jié)果如圖4所示。
圖4 設(shè)計方法在投產(chǎn)使用后的功率分流比統(tǒng)計
綜上所述,控制后,仿真的裝載機在起步運行階段,其工作狀態(tài)屬于純液壓工作段,在該狀態(tài)下,裝載機的功率分流比可以達到1.0,根據(jù)裝載機的運行工況,設(shè)備在第五秒開始進行鏟掘裝料,截至12s,裝載機完成鏟掘裝料。在該時段內(nèi),裝載機的功率分流比呈現(xiàn)逐步接近1.0 的趨勢,當功率分流比達到1 時,為裝載機處于一種相對良好的作業(yè)狀態(tài)。除上述提出的時段,裝載機作業(yè)過程中的其他時段均可以控制液壓流功率占比,通過對上圖的綜合分析可知,其他各個時段均可以控制液壓流功率在總功率流的50%以內(nèi),采用這種方式,提高傳動系統(tǒng)在運行過程中的傳動效率,避免裝載機空載運行的同時,實現(xiàn)機械設(shè)備的無極調(diào)速運行。
通過上述研究,得到以下2 個結(jié)論:1)根據(jù)圖4 設(shè)計方法在投產(chǎn)使用后的功率分流比統(tǒng)計結(jié)果可以看出,該設(shè)計的控制策略可以對裝載機功率分流比進行控制,通過該方式使傳動系統(tǒng)的運行處于一種較優(yōu)狀態(tài),使裝載機作業(yè)滿足具體需求。2)由于裝載機傳動系統(tǒng)本身工況具有一定的復(fù)雜性,因此,該文的研究成果可以作為研究中的參照。為發(fā)揮控制策略在傳動系統(tǒng)中更高的價值與效能,可以在后續(xù)的研究中,從以下幾個方面對該文提出的方法進行優(yōu)化:選擇更多的指標,對控制策略的應(yīng)用效果展開測試;不斷調(diào)整仿真模型的輸入?yún)?shù),通過這種方式明確傳動系統(tǒng)更多的作業(yè)條件,以此為依據(jù),制定更符合現(xiàn)代化裝載機設(shè)備的傳動系統(tǒng)控制策略,使裝載機在經(jīng)濟市場內(nèi)具有更高的經(jīng)濟性與動力性。希望通過該設(shè)計為我國工業(yè)生產(chǎn)與機械化建設(shè)等工程的持續(xù)發(fā)展予以支持。