CN113954843B - 一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，涉及液压机械无级变速技术领域。方法包括：实时获取发动机状态参数、液压机械状态参数、以及车辆状态参数，其中，车辆参数包括制动踏板的开度、加速踏板的开度和车辆速度；将液压机械状态参数、发动机状态参数输入至转向/作业负载估计模型中，获得转向/作业负载估计值；根据车辆速度计算得到当前车辆加速度；根据转向/作业负载估计值、制动踏板的开度、加速踏板的开度、车辆速度以及车辆加速度确定车辆当前所处的工况。本申请用于实时识别液压机械无级变速装载机的工况。

Description

一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法

技术领域

本申请涉及液压机械无级变速技术领域，尤其涉及一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法。

背景技术

国产大中型装载机普遍使用液力机械变速器，具有起步扭矩大、操作方便等优点，但工作循环中发动机转速起伏大，变矩器效率低，造成能源浪费。轮式装载机传动系统正向无级变速、混合动力方向发展。

液压机械无级变速是由液压传动和机械传动复合而成的双功率流传动形式，由功率分流机构、液压传动机构、机械传动机构、功率汇流机构四部分组成。这种传动方式具有液压传动无级变速和机械传动高效率的突出优点，适用于大功率车辆使用。

由于装载机作业过程中车速、行驶与转向/作业负载剧烈变化，液压机械无级变速器要装备装载机这种典型的高动态作业车辆，仍需深入挖掘液压机械传动系统的特性。液压机械无级变速装载机要实时估计转向/作业负载，若能获取负载值，则可以制定不同工况的速比控制策略，否则转向/作业系统工作时发动机负荷太重，不节油且易熄火；如按液力机械匹配原则，转向/作业系统不工作时，发动机负荷太轻。

发明内容

本申请提供一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，利用估计转向/作业负载估计值、车辆状态信息、踏板状态信息、车辆速度和车辆加速度确定装载机当前所处的工况，实现了装载机工况的实时识别。

为达到上述目的，本申请提供了一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，包括如下步骤：

步骤1：实时获取发动机状态参数、液压机械状态参数以及车辆状态参数，其中，所述车辆参数包括制动踏板的开度、加速踏板的开度和车辆速度；

步骤2：将所述液压机械状态参数和发动机状态参数输入至转向/作业负载估计模型中，获得转向/作业负载估计值；并根据车辆速度计算得到车辆加速度；

步骤3：根据转向/作业负载估计值、制动踏板的开度、加速踏板的开度、车辆速度以及车辆加速度确定装载机当前所处的工况。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤31：判断转向/作业负载估计值是否大于预设门限值A并且加速踏板的开度是否大于0，若是转至步骤32，若否转至步骤33；

步骤32：判断当前车辆速度是否等于0，若是，装载机处于单独作业工况；若否，装载机则处于作业/转向和行驶并行的复合工况；

步骤33：判断制动踏板开度是否大于0且加速度小于-5m/s²，若是，车辆处于急减速工况；若否，车辆则处于单独行驶工况。

进一步地，转向/作业负载估计模型的表达式为：

H段：

HM1段：

其中，

式中，T_e为发动机转矩，ε_M为马达的排量比，ε_P为泵的排量比，V_M为马达的最大排量(cm³/r)，V_P为泵的最大排量(cm³/r)，Δp为液压回路压差，η_P为泵效率，η_M为马达效率，i_{in_M}为变速器输入端到液压马达机械路的速比。

进一步地，步骤1中所述发动机状态参数包括发动机的转速和转矩；

步骤2中在获得转向/作业负载估计值后还包括步骤：对得到的转向/作业转矩估计值用低通滤波器进行预处理，滤去冲击导致的失真信号。

进一步地，还包括步骤：

根据制动踏板开度计算得到制动力矩；根据车速加速度估算得到加速阻力矩；将液压机械状态参数输入至行驶负载估计模型，获得行驶负载估计值；

利用行驶平衡方程式计算得到铲掘阻力矩和滚动阻力矩之和，令铲掘阻力和滚动阻力矩之和作为新的滚动阻力矩，并根据新的滚动阻力系数是否突变确定装载机当前是否处于铲掘工况；

行驶平衡方程式的表达式为：

T_d/ii_g＝T_f+T_acc+T_b+T_dig

式中，T_d为行驶负载估计值，T_f为滚动阻力矩，T_acc为加速阻力矩，T_b为制动力矩，T_dig为铲掘阻力矩,i为变速器速比，i_g为减速器速比。

进一步地，根据新的滚动阻力系数是否突变确定装载机当前是否处于铲掘工况具体包括以下步骤：

每隔一个步长计算并记录一次滚动阻力系数；

累计α个滚动阻力系数后对其取平均，得到α个步长的滚动阻力系数的平均值；

用下一步长计算得到的滚动阻力系数减去α个步长的滚动阻力平均值得到滚动阻力系数差值；

判断滚动阻力系数差值是否大于预设门槛值，若是，车辆处于铲掘工况。

进一步地，行驶负载估计模型的表达式为：

H段：

HM1段：

其中，

式中，T_e为发动机转矩，ε_M为马达的排量比，ε_P为泵的排量比，V_M为马达的最大排量(cm³/r)，V_P为泵的最大排量(cm³/r)，Δp为液压回路压差，η_P为泵效率，η_M为马达效率，i_{in_M}为变速器输入端到液压马达机械路的速比。

进一步地，液压机械状态参数包括回路压差、马达排量比、泵转速和泵排量比。

(1)本申请相比现有技术具有以下有益效果：本发明不仅适用于提到液压机械无级变速装载机，同样适用于其他类型的液压机械工程、农用车辆。

(2)本申请对负载进行估计，识别并提取关键阻力信息，设定合理门槛值，获取实时工况信息，用以指导液压机械无级变速装载机不同功率需求的速比控制策略的制定。

(3)本申请考虑了装载机复杂的工作工况，利用液压机械无级变速装载机状态参数易测的特点，对行驶负载和转向/作业负载进行实时估计，据此结合车辆状态信息与踏板位置信息，明确实时工况信息。

(4)本申请考虑了装载机复杂的工作工况，利用液压机械无级变速装载机状态参数易测的特点，对行驶负载和转向/作业负载进行实时估计，据此结合车辆状态信息与踏板位置信息，明确实时工况信息。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是液压机械无级传动示意性原理图；

图2是液压机械无级变速装载机变速器传动简图；

图3是实施例1液压机械无级变速装载机工况实时识别方法流程图；

图4为给定制动踏板开度与时间的关系；

图5为给定加速踏板开度与时间的关系；

图6为给定作业负载与时间的关系；

图7为给定的铲掘阻力与时间的关系；

图8为非铲掘工况识别结果；

图9为铲掘工况识别结果。

图中，1-功率分流机构，2-输出轴，3-变排量泵，4-泵轴，5-马达，6-马达轴，7-离合器K_R，8-离合器K_V，9-离合器K₃，10-离合器K₂，11-为离合器K₁，12-行星排B，13-行星排A。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，液压机械无级传动由功率分流机构1、液压传动机构、机械传动机构、功率汇流机构四部分组成。

参照图2，以等差三段式液压机械无级传动为例，该传动装置可分为液压段和液压机械段两种工况，其中液压机械段根据变排量液压元件排量ε的正负又分为液压机械前半段(ε>0)和液压机械后半段(ε<0)。

其中,传动输入轴通过其上齿轮分别与变排量泵轴4和作业泵轴上齿轮相啮合，实现分矩；泵轴4上的变排量泵3通过液压管路与马达轴6上的变排量马达5连通。功率分流后通过液压管路及齿轮传动，经过行星排机构A、B在输出轴2出实现汇流，构成完整功率流动路径。

其中，H段不论方向均为离合器K₁11、K₂10接合，正向HM1段离合器K_v8、K₂10接合，正向HM2段离合器K_v8、K₃9接合，倒车HM1段离合器K_R7、K₂10接合,倒车HM2段离合器K_R7、K₃9接合。

实施例1：本实施例为对液压机械无级变速装载机其工况进行实时识别。参见图3，识别方法包括如下步骤：

步骤1：实时获取发动机状态参数、液压机械状态参数和车辆状态参数，其中，发动机状态参数包括T_e及发动机转速n，液压机械状态参数包括回路压差Δp，马达排量比ε_m，泵转速ω_p，泵排量比ε_p，行星排A13系数k₁、行星排B12系数k₂，效率η，发动机转矩Te为ECU计算得到由CAN总线J1939传递。液压机械状态参数包括回路压差Δp可通过液压机械变速器内置压力传感器计算得到。车辆参数包括制动踏板的开度、加速踏板的开度和车辆速度。

步骤2：将T_e，回路压差Δp，ε_m，ω_p，ε_p，k，η输入至转向/作业负载估计模型中，得到转向/作业负载估计值，对得到的转向/作业转矩估计值用低通滤波器进行预处理，滤去冲击导致的失真信号；再根据车辆速度计算得到当前车辆加速度。在输入时利用上述状态参数结合TCU判断的车辆所处段位。

转向/作业负载估计模型的表达式为：

H段：

HM1段：

其中，

式中，T_e为发动机转矩，ε_M为马达的排量比，ε_P为泵的排量比，V_M为马达的最大排量(cm³/r)，V_P为泵的最大排量(cm³/r)，Δp为液压回路压差，η_P为泵效率，η_M为马达效率，i_{in_M}为变速器输入端到液压马达机械路的速比。

步骤3：根据转向/作业负载估计值、制动踏板的开度、加速踏板的开度、车辆速度以及车辆加速度确定当前装载机所处的工况。

步骤31：判断转向/作业负载估计值是否大于预设门限值并且加速踏板的开度是否大于0，若是转至步骤32，若否转至步骤33，其中门限值为实车标定得到。装载机工作时，转向/作业负载值等于作业泵转矩和其他液压泵转矩之和，由于其他液压泵转矩未知但有范围，因此预设一个门限值，令门限值A大于其他液压泵转矩的最值，以确认是作业泵正在工作而并非其他液压泵。

步骤32：判断当前车辆速度是否等于0，若是，车辆处于单独作业工况；若否，车辆则处于作业/转向和行驶并行的复合工况；

步骤33：判断制动踏板开度是否大于0且加速度小于-5m/s²，若是，车辆处于急减速工况；若否，车辆则处于单独行驶工况。

识别方法还包括步骤：根据制动踏板开度计算得到制动力矩；根据车速加速度估算得到加速阻力矩；将液压机械状态参数输入至行驶负载估计模型，获得行驶负载估计值；

车辆行驶平衡方程式T_d/ii_g＝T_f+T_acc+T_b+T_i+T_air+T_dig，由于装载机车速普遍较低，铲掘阻力远大于坡阻，因此忽略空气阻力矩和坡道阻力矩，因此行驶方程式改写为：

T_d/ii_g＝T_f+T_acc+T_b+T_dig

式中，T_d为行驶负载估计值，T_f为滚动阻力矩，T_acc为加速阻力矩，T_b为制动力矩，T_dig为铲掘阻力矩,i为变速器速比，i_g为减速器速比。用车速所得的加速度估算车辆加速阻力T_acc＝δmgr_wheel。

由于铲掘阻力矩远大于滚动阻力矩，设铲掘阻力矩加滚动阻力矩为新的滚动阻力矩，即行驶负载估计值减去制动阻力矩T_b和加速阻力矩T_acc的结果，以此算出滚动阻力平均值f₀。

每隔一个步长计算并记录一次滚动阻力系数，步长可以为0.01s，即每隔0.01秒计算并记录一次滚动阻力系数f。当累计α个滚动阻力系数f后对其取平均，得到α个步长的滚动阻力系数的平均值f₀；用下一步长计算得到的滚动阻力系数f_(α+1)减去α个步长的滚动阻力平均值f₀得到滚动阻力系数差值Δf；判断滚动阻力系数差值Δf是否大于预设门槛值Δf₀，若是装载机处于铲掘工况，反之则处于非铲掘工况。

行驶负载估计模型的表达式为：

H段：

HM1段：

其中，

式中，T_e为发动机转矩，ε_M为马达的排量比，ε_P为泵的排量比，V_M为马达的最大排量(cm³/r)，V_P为泵的最大排量(cm³/r)，Δp为液压回路压差，η_P为泵效率，η_M为马达效率，i_{in_M}为变速器输入端到液压马达机械路的速比。

行驶负载估计模型的构建步骤包括：由压力传感器测得液压回路压差Δp及控制器给η的马达排量比ε_m，计算马达转矩T_m＝(Δp，ε_m)。根据泵轴端负载平衡方程可估算出输入泵轴端转矩，即泵转矩T_m＝(ω_p，Δp，ε_p)。考虑两对行星排之间的转矩关系为T_t1:T_j1:T_q1＝1:k₁:-(1+k₁)、T_t2:T_j2:T_q2＝1:k₂:-(1+k₂)、T_t2+T_t1＝0，HM1段机械路输入转矩为T_in＝(k₁,k₂，T_m，η)，其中k₁和k₂为两行星排特征系数，η为各部分的效率。据以上所算得的转矩，得到行驶负载数学模型T_d＝(Δp，εm，ωp，εp，k₁，k₂，η)。

步骤2中转向/作业负载估计模型的构建步骤包括：利用已知发动机、液压机械、转向/作业机构存在动力系统转矩耦合关系得到可得转向/作业负载数学模型为T_W＝(T_e，Δp，ε_m，ω_p，ε_p，k₁，k₂，η)。

转矩耦合关系的表达式为：

T_W＝T_e-T_d，

其中，T_W为转向/作业机构转矩，T_e为发动机转矩。发动机转矩T_e为ECU计算得到由CAN总线J1939传递，T_d为行驶负载估计值。

参考图4-7为一段给定的作业循环，作业过程中各项信息从上至下分别为制动踏板开度、加速踏板开度、作业负载、铲掘负载。非铲掘工况识别结果如图8所示，y轴为4时进入行驶与转向/作业复合工况，y轴为1时进入单独行驶工况。铲掘工况识别结果如图9所示，在y轴为1时进入铲掘工况。

采用这种方法，液压机械无级变速装载机工作时可以对当前工况进行识别，用以指导后续针对性的速比控制策略制定，为功率合理分配打下基础，保证装载机动力性的前提，提高装载机的经济性。

本申请所采用的液压机械无级变速装载机由于作业环境复杂、工况多变，导致装载机作业动力需求多变，难以制定针对性速比控制策略，无法合理分配功率。由于不同工况负载不同，需对负载进行估计，识别并提取关键阻力信息，设定合理门槛值，获取实时工况信息，用以指导液压机械无级变速装载机不同功率需求的速比控制策略的制定。

以上对本发明所提供的一种液压机械无级变速装载机工况实时识别方法进行了详细介绍。本发明不仅适用于提到液压机械无级变速装载机，同样适用于其他类型的液压机械工程、农用车辆。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：实时获取发动机状态参数、液压机械状态参数以及车辆状态参数，其中，所述车辆状态参数包括制动踏板的开度、加速踏板的开度和车辆速度；

步骤2：将所述液压机械状态参数和发动机状态参数输入至转向/作业负载估计模型中，获得转向/作业负载估计值；并根据车辆速度计算得到车辆加速度；转向/作业负载估计模型的表达式为：

H段：

HM1段：

其中，

式中，T_e为发动机转矩，ε_M为马达的排量比，ε_P为泵的排量比，V_M为马达的最大排量(cm³/r)，V_P为泵的最大排量(cm³/r)，Δp为液压回路压差，η_P为泵效率，η_M为马达效率，i_{in_M}为变速器输入端到液压马达机械路的速比，H段为液压段，HM1段为液压机械段；

步骤3：根据转向/作业负载估计值、制动踏板的开度、加速踏板的开度、车辆速度以及车辆加速度确定装载机当前所处的工况。

2.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤31：判断转向/作业负载估计值是否大于预设门限值并且加速踏板的开度是否大于0，若是转至步骤32，若否转至步骤33；

步骤32：判断当前车辆速度是否等于0，若是，装载机处于单独作业工况；若否，装载机则处于作业/转向和行驶并行的复合工况；

步骤33：判断制动踏板的开度是否大于0且加速度小于-5m/s²，若是，装载机处于急减速工况；若否，装载机则处于单独行驶工况。

3.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，步骤1中所述发动机状态参数包括发动机的转速和转矩；

步骤2中在获得转向/作业负载估计值后还包括步骤：对得到的转向/作业负载估计值用低通滤波器进行预处理，滤去冲击导致的失真信号。

4.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，还包括步骤：

根据制动踏板的开度计算得到制动力矩；根据车速加速度估算得到加速阻力矩；将液压机械状态参数输入至行驶负载估计模型，获得行驶负载估计值；

利用行驶平衡方程式计算得到铲掘阻力矩和滚动阻力矩之和，令铲掘阻力和滚动阻力矩之和作为新的滚动阻力矩，并根据新的滚动阻力系数是否突变确定装载机当前是否处于铲掘工况；

行驶平衡方程式的表达式为：

T_d/ii_g＝T_f+T_acc+T_b+T_dig

式中，T_d为行驶负载估计值，T_f为滚动阻力矩，T_acc为加速阻力矩，T_b为制动力矩，T_dig为铲掘阻力矩,i为变速器速比，i_g为减速器速比。

5.根据权利要求4所述的一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，根据新的滚动阻力系数是否突变确定装载机当前是否处于铲掘工况具体包括以下步骤：

每隔一个步长计算并记录一次滚动阻力系数；

累计α个滚动阻力系数后对其取平均，得到α个步长的滚动阻力系数的平均值；

用下一步长计算得到的滚动阻力系数减去α个步长的滚动阻力平均值得到滚动阻力系数差值；

判断滚动阻力系数差值是否大于预设门槛值，若是，装载机处于铲掘工况。

6.根据权利要求4所述的一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，行驶负载估计模型的表达式为：

H段：

HM1段：

其中，

式中，T_e为发动机转矩，ε_M为马达的排量比，ε_P为泵的排量比，V_M为马达的最大排量(cm³/r)，V_P为泵的最大排量(cm³/r)，Δp为液压回路压差，η_P为泵效率，η_M为马达效率，i_{in_M}为变速器输入端到液压马达机械路的速比，H段为液压段，HM1段为液压机械段。

7.根据权利要求4所述的一种液压机械无级变速装载机实时工况识别方法，其特征在于，液压机械状态参数包括回路压差、马达排量比、泵转速和泵排量比。

Images