装载机液压机械功率分流传动系统的控制及仿真分析

杨文兵

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

随着各地经济建设工作的持续推进、经济产业的迅速发展以及现代化科技水平的明显提高，工程机械在市场各个领域中出现越来越频繁。在“十四五”规划中，国家对基础设施的建设与发展提出了全新要求，基础设施建设既要确保高效、安全，又要注重绿色、环保和智能，只有满足上述需求，才能加快构建现代化基础设施体系。

深入研究这方面内容可知，装载机是工程机械的主要组成部分，也是机械工程基础设施中不可缺少的一部分。总之，装载机具有工作环境广、机动性好以及生产效率高等优点，目前已在许多领域广泛应用。有关资料显示，2020年，国内装载机销量超过10 万台，与2019年同期增加8%以上，所占的市场份额约为80%，实现了装载机市场的“四连升”。随着“一带一路”、“中国制造2025”等国家战略的实施以及“绿色、蓝天”等环境问题的日益突出，我国工程机械行业对装载机也提出了新的要求，为满足生产需要，如何对装载机进行优化升级就显得更迫切。针对这方面工作，将对装载机在投产使用后的功率分流传送系统控制进行研究。

1 控制策略

1.1 发动机特性速比控制策略

动力性能和燃油经济性是装载机最基本的性能指标。在液压机械功率分配系统中，通过对驱动系统的速度比进行控制，可以将柴油机调整到理想的工况，进而提高装载机的功率和燃油经济性[1]。发动机在真实工况条件下可以看做一个十分复杂的系统，将其理解为输出转矩是油门开度和发动机转速的函数关系。发动机的运行状态控制是指在节流阀开启角度不变的情况下，发动机只能按一条确定的曲线运行，而运行在什么运行点取决于所施加的扭矩[2]。在扭矩改变时，引擎会自动调整至新的扭矩平衡状态[3]。将发动机和调速器视为一体，通过在全过程中发动机转速和油门开度这两变量的函数关系，来表达发动机的输出转矩，如公式（1）所示。

式中：Me为稳态下的输出转矩；α为油门开度；ne为额定转速；M1、M2、M3为额定工作点1～3 的转矩。将装载机液压机械各参数代入上述公式，得到发动机在稳态条件下的调速特性模型，如公式（2）所示。

在发动机正常运行的情况下，需要考虑曲轴转速波动所产生的影响，在发动机稳定状态下，在调速特性模型中引入曲轴波动造成的负载的大动态调速特性模型，如公式（3）所示。

式中：Mde为动态输出转矩；Jei为曲轴转动惯量；ωe为曲轴角加速度。在此基础上提出一种基于线性规划法的发动机动态控制方法[4]。通过对不同节流阀开启程度时的最大功率点进行拟合，获得了最大动力特性曲线[5]。在发动机稳态调速特性曲线中，在不同的油门开度下，发动机的最大功率值所对应的转速，见表1。

表1 不同油门开度下最佳动力性转速对照表

发动机的油门开度、转速、车速与液压机械功率分流传动系统的速比存在对应关系。最佳速补控制是在任意油门开度和车速条件下，通过调节液压机械功率分流传动速比，对发动机转速工作进行控制[6]。

1.2 基于驾驶员驾驶意图的征集模糊速比控制策略

对装载机液压机械的模糊控制是根据操作人员对系统的操控经验，并对经验进行总结，在实际控制中将经验转变为相应模糊控制策略的一种控制方式。在驾驶员驾驶装载机的过程中，要先选择装载机是按照动力性模式行驶，还是按照经济性模式行驶[7]。一旦选择行驶模式，那么输出方式就已经决定了，不能再根据驾驶员的驾驶意愿来调整，所以，必须将驾驶员的意愿纳入整个整机的智能控制策略中。在没有明确操纵意愿的情况下，变速器将按照最优的速比控制策略调整装载机的运行状态。在驾驶员操纵意图明确的情况下，表示此时驾驶员对动力性要求更高，传输系统会按照最优动力性速比的控制策略来调整[8]。采用动力因子D表达驾驶员的驾驶意愿，其数值范围为0～1。当动力因子D接近0 时，说明驾驶员目前的驾驶意愿更倾向于采用最经济的传动比控制策略；当动力因子D接近1 时，表示驾驶员在目前的驾驶意图下，更倾向于采用最优的传动速度比控制策略。将油门开度变化量Δα模糊集用公式（4）表示。

式中：S、MS、M、MB、B分别为油门开度小、中小、中、中大和大。对应的模糊论域为{0，1，2，3，4，5，6，7，8}，实际变化范围在0～100，量化因子为ka，取值为8/1000。将油门开度变化率dα/dt的模糊集合用公式（5）。

式中：NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别为油门开度变化率为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。为了能够更直观地对模糊集合进行描述，采用隶属度函数表示模糊集合。考虑到系统的林敏度和稳定性要求，将油门开度变化量的隶属度函数用tramf 函数表示；将油门开度变化率隶属度函数选择用trimf 函数表示；将动力因子的历史度函数用gaussmf 函数表示。综上所述，得到模糊推理规则，见表2。

表2 模糊推理规则

将隶属度函数和模糊推理规则输入Matlab 软件中的Fuzzy 工具箱中，获得动力因子的控制清晰量，利用该控制量实现对装载机液压机械公路分流传动控制。驾驶员在工作循环的各个阶段，按照负荷的大小，踩下油门，根据不同的油门开度来调整发动机的转速，从而获得最佳动力性速比和最佳经济性速比。当司机踩下油门时就可以获得油门开度的变化量和变化率，然后通过模糊控制器获得动力因子，从而判断司机是需要更大的动力性还是更大的经济性。以输入的目标车速为依据，获得对整机进行控制的模糊速比，通过对传动系统变量泵的排量以及工作段的切换情况进行调整，获得了传动系统的实际速比，并利用 PID控制器对实际速比和目标模糊速比进行调整。

2 仿真分析

2.1 装载机作业工况分析

装载机是工程项目建设与施工中使用最频繁的一种机械设备，其最典型的工作工况是固定场地的铲、装作业，从场地面积和装载机布置角度出发，可将其分为“I”形、“L”形、“T”形、“V”形4 种作业模式。其中“V”形工作方式以其高效、缩短工作周期而被普遍采用，其工作流程如图1所示。

图1 “V”形装载机作业模式

装载机作业主要包括6 个过程，分别为“装载机以空载状态向前行进（对应图1 中的状态1）”、“装载机铲掘装料”、“装载机以满载状态向后退（对应图1 中的状态2）”、“装载机以满载状态向前行进（对应图1 中的状态3）”、“装载机卸载斗内物料”、“装载机以空载状态向后退（对应图1 中的状态4）”。

根据上述内容，对装载机的循环作业过程进行描述，如图2所示。

图2 装载机循环作业

2.2 建立发动机仿真模型

通过上述研究内容可知，由于发动机自身的特点以及外部载荷的特点，因此发动机不能以恒定转速运动。以此为依据，构建发动机仿真模型，如图3所示。

图3 发动机仿真模型

图3 中，f（x）为发动机的牵引力，如公式（6）所示。

式中：f（x）为发动机的牵引力；Me为发动机转矩；ig为物料的影响系数。i0为物料容积密度。η∑为机械功率分流次数。r为发动机中转子转速。在前端输入发动机的牵引力后，在其两端输入油门信号、转速信号。

在此基础上，将发动机仿真模型作为一个基于数表的万有特性有机模型，可以在建模中，根据发动机的扭矩，输出转子转速，实现对其运行过程的仿真。

2.3 仿真结果分析

在上述内容的基础上，进行装载机不同单元结构的建模，使用计算机中的AMESim 软件，将构建的模型进行集成并录入终端，根据装载机的运行需求，设定仿真模型在运行过程中的油门开度、目标车速、装载机装载物料质量以及插入阻力等参数。录入相关参数后，统计设计方法在投产使用后的功率分流比，其结果如图4所示。

图4 设计方法在投产使用后的功率分流比统计

综上所述，控制后，仿真的装载机在起步运行阶段，其工作状态属于纯液压工作段，在该状态下，装载机的功率分流比可以达到1.0，根据装载机的运行工况，设备在第五秒开始进行铲掘装料，截至12s，装载机完成铲掘装料。在该时段内，装载机的功率分流比呈现逐步接近1.0 的趋势，当功率分流比达到1 时，为装载机处于一种相对良好的作业状态。除上述提出的时段，装载机作业过程中的其他时段均可以控制液压流功率占比，通过对上图的综合分析可知，其他各个时段均可以控制液压流功率在总功率流的50%以内，采用这种方式，提高传动系统在运行过程中的传动效率，避免装载机空载运行的同时，实现机械设备的无极调速运行。

3 结论

通过上述研究，得到以下2 个结论：1）根据图4 设计方法在投产使用后的功率分流比统计结果可以看出，该设计的控制策略可以对装载机功率分流比进行控制，通过该方式使传动系统的运行处于一种较优状态，使装载机作业满足具体需求。2）由于装载机传动系统本身工况具有一定的复杂性，因此，该文的研究成果可以作为研究中的参照。为发挥控制策略在传动系统中更高的价值与效能，可以在后续的研究中，从以下几个方面对该文提出的方法进行优化：选择更多的指标，对控制策略的应用效果展开测试；不断调整仿真模型的输入参数，通过这种方式明确传动系统更多的作业条件，以此为依据，制定更符合现代化装载机设备的传动系统控制策略，使装载机在经济市场内具有更高的经济性与动力性。希望通过该设计为我国工业生产与机械化建设等工程的持续发展予以支持。