（机械电子工程专业论文）推土机动力性、经济性模拟仿真方法研究.pdf

摘要 工程机械的动力性和燃油经济性对于推土机这类循环作业式机械显得尤为重要。研 究推土机的动力性和经济性对于提高其生产率、降低燃油消耗有着重要意义，符合当前 节能环保和低碳的社会发展趋势。 本文在综合国内外研究现状的基础上，对推土机各总成和整机的工作状态进行了运 动学和动力学分析，进而对推土机各总成和整机的数学模型进行了分析或建模，得出了 从推土机水平推土阻力到发动机转矩的转换方程，为探讨推土机的动力性、经济性模拟 仿真方法提供了基础。 推土机的水平推土阻力的急剧波动，对动力性的发挥和经济性的提高有着重大影响。 论文在土体破坏理论的基础上，对推土机的推土阻力进行了分析，得出了静态牵引力的 表达式。论文在对文献中1 2 1t 1 8 0 推土机水平工作阻力现场实验数据进行分析的基础上 对推土机动态水平推土阻力平稳随机信号的连续功率谱进行了周期离散化处理，在系统 仿真软件a m e s i m 环境下对动态水平推土阻力进行了数字化模拟，其结果与原实验信 号吻合较好。 论文在分析推土机整机理论模型和和对动态水平推土阻力模拟的基础上，在 a m e s i m 仿真软件环境下，建立了发动机仿真模型，在不考虑惯性力的前提下，建立了 动态水平推土阻力到驱动轮力矩，再到发动机阻力矩问的静态转换仿真模型，最后利用 a m e s i m 仿真软件，对推土机的动力性、经济性进行了动态水平推土阻力工况下的静态 仿真，得出了发动机在动态阻力矩作用下的输出功率、平均有效压力、输出转速以及燃 油消耗量。利用仿真软件，对推土机的调速其实转速进行了搜索，得出了这一特定工况 下的发动机调速起始转速的较优值，此时发动机输出功率较大，耗油量较低。 论文所提出的仿真方法和思路，可为工程机械的动力性、经济性研究提供借鉴和参 考。 关键词：推土机，动态牵引力，发动机，功率，转矩，仿真 a b s t r a c t p o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e si sv e r yi m p o r t a n tf o r t h ec y c l e o p e r a t i o n a lm a c h i n e ss u c ha sb u l l d o z e r t h r o u g hr e s e a r c h i n gp o w e rp e r f o r m a n c e a n df u e le c o n o m yo fb u l l d o z e rh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n gi ni m p r o v i n gp r o d u c t i v i t ya n d d e c r e a s i n gf u e lc o n s u m p t i o n , a n dm e e t i n gt h ec u r r e n te n e r g ys a v i n ga n dl o w - c a r b o ns o c i e t y s d e v e l o p m e n tt r e n d s b a s e do ns y n t h e s i z i n gr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a dk i n e m a t i c sa n dd y n a m i ch a v e b e e na n a l y z e di na s s e m b l ya n dw o r k i n gs t a t eo fb u l l d o z e r t h e n ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo f a s s e m b l yo f b u l l d o z e ra n dw h o l em a c h i n eh a v eb e e na n a l y z e do rm o d e l e d i nc o n c l u s i o n , t h e c o n v e r s i o ne q u a t i o n so ft h eb u l l d o z e r sf r o mt h eb u l l d o z i n gr e s i s t a n c et ot h ee n g i n et o r q u e h a v eb e e no b t a i n e dw h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h em o m e n t u ma n de c o n o m i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d so f 。b u l l d o z e r s t h es h a r pf l u c t u a t i o n si nh o r i z o n t a lb u l l d o z i n gr e s i s t a n c eo fb u l l d o z e r sh a v ei m p o r t a n t e f f e c t so np o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y b a s e do nt h es o i lf a i l u r et h e o r yt h e r e s i s t a n c eo fb u l l d o z e rh a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h ee x p r e s s i o no fs t a t i ct r a c t i o nh a sb e e n o b t a i n e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ew o r k - s i t ee x p e r i m e n t a ld a t af r o mh o r i z o n t a lb u l l d o z i n g r e s i s t a n c eo ft 1 8 0b u l l d o z e r si nt h er e f e r e n c e1 2 jt h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t yf u n c t i o no f c o n t i n u o u ss t a t i o n a r yr a n d o ms i g n a li nd y n a m i cr e s i s t a n c eo ft h el e v e lo fe a r t h - m o v i n g b u l l d o z e rh a sb e e nt r a n s f o r m e di n t ot h ed i s c r e t e p e r i o d i cs i g n a l s b ys i m u l a t e dd y n a m i cl e v e l o fb u l l d o z i n gr e s i s t a n c e d i g i t a l l yu n d e re n v i r o n m e n to f s i m u l a t e - s o f t w a r ea d v a n c e d m o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n so fe n g i n e e r i n gs y s t e m s ( a m e s i m ) ，i tc a nb es e e n t h a t t h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h eo r i g i n a lt e s ts i g n a l b a s e do nt h e o r e t i c a lm o d e lo fb u l l d o z e r sa n a l y z e da n dd y n a m i cl e v e lr e s i s t a n c e s i m u l a t e dt h ee n g i n es i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e du n d e ra m e s i m ，a n dt h e t r a n s f o r mm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df r o mt h ed y n a m i cl e v e lr e s i s t a n c eo fb u l l d o z i n gt ot h e d r i v i n gw h e e lt o r q u eb yw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ei n e r t i a lf o r c eo ft h ep r e m i s e t h e nt h es t a t i c c o n v e r t i n g s i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e no b t a i n e di nr e s i s t a n c et o r q u eo fe n g i n e a tl a s t ，o u t p u t p o w e r , m e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e ，o u t p u ts p e e da n df u e lc o n s u m p t i o n i nd y n a m i cd r a gt o r q u eo f e n g i n eh a v eb e e no b t a i n e d ，a sd r i v i n g f o r c ea n de c o n o m yo ft h eb u l l d o z e rh a v eb e e n s i m u l a t e di n d y n a m i cl e v e lo fb u l l d o z i n gr e s i s t a n c e c o n d i t i o nb ya m e s i m t h r o u g h s e a r c h i n ge n g i n es t a r ts p e e di nr e g u l a t i o no fb u l l d o z e r sb ya m e s i m ，o p t i m u m v a l u eo ft h e l i i e n g i n es t a r ts p e e dh a sb e e no b t a i n e di np a r t i c u l a ri n i t i a lc o n d i t i o nw h i c hm e a n sa tt h a tt i m e t h ee n g i n eo u t p u tp o w e ri sl a r g e rb u tf u e lc o n s u m p t i o ni sl e s s t h es i m u l a t i o nm e t h o d sa n di d e a sw h i c hh a v eb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e rw i l lp r o v i d e r e f e r e n c e sf o rr e s e a r c h i n gi nd r i v i n gf o r c ea n de c o n o m i c so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e s k e y w o r d s ：b u l l d o z e r s ，d y n a m i ct r a c t i o n ，e n g i n e ，p o w e r ，t o r q u e ，s i m u l a t i o n i v 长安大学硕士论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 工程机械的发展，源于动力装置的不断发展。在1 9 世纪，就出现了以蒸汽机驱动 的压路机、挖掘机、起重机等，到2 0 初出现了以内燃机为动力的工程机械1 6 1 。1 8 9 7 年， 德国工程师狄塞尔( d i e s e l ) 发明了柴油发动机f 】。之后，人们将柴油发动机应用于工 程机械，使工程机械进入了快速发展时期。柴油发动机具有高热效率、低油耗、低排放 以及良好的经济性和可靠性等特点。柴油发动机的这些特点，正好可以满足动力性要求 较高的工程机械的要求。对柴油机动力性和燃油经济性的研究一般可分为两个层面，一 个层面是基于柴油机本身的动力性和燃油经济性研究，主要通过研究燃烧理论，组织合 理的配气、喷油、燃烧等研究获得满意的动力性和经济性；另一层面是柴油机与具体机 械相结合作为动力源时，对柴油动力机械整体的动力性和燃油经济性研究，它以柴油机 的应用为主。对于柴油动力机械来说，当一定的外部载荷作用于机械，使发动机的动力 特性和燃油特性随外负载而变化，特别是当外部负载是随时间变化的动态负载时，整个 柴油动力机械呈现出动态的动力特性和燃油特性，合理地调整发动机的工作状态适应外 负载的变化，以获得较好的动力特性和燃油经济特性。 工程机械的作业环境恶劣、负载变化剧烈，运行状况极其复杂，动力适应性要求较 高。工程机械的动力性研究起步较早，并且取得了较大发展。全世界范围内的能源危机 和环境问题使人们认识到提高燃油经济性对工程机械的重大意义，工程机械要持续发展， 不但要具备良好的动力适应性，还要有优越的经济性表现。这对工程机械的动力性和燃 油经济性提出了新的要求。同时工程机械企业间的竞争也使企业逐渐认识到在提高整机 动力性的同时提高它的燃油经济性，取得良好的综合性能是非常重要的。 然而，以往对于工程机械动力性和燃油经济性基本上是从静态角度进行研究，具体 方法是根据发动机实测的外特性曲线( 包括转矩曲线、功率曲线、燃油曲线等) ，确定 出发动机的工作区域，考虑外载荷的波动因素对发动机工作状态的影响，对其动力性和 经济性进行预测和估计。这方面的研究主要集中在工程机械与发动机的参数匹配方面， 有大量文献是对参数匹配的研究【8 t 9 l t l 0 】。利用发动机外特性曲线研究机器动力性和燃油 经济性方法可以很好地解决机器的动力配置问题。如果要准确的表达出机械作业中，发 动机的真实运转状态，载荷的变化对动力性和经济性的影响问题，以及进一步提高工程 第一章绪论 机械的燃油经济性，获得更高的动力性和经济性，就要研究工程机械作业的动态行为、 载荷作用机理，以及发动机的动态响应行为【1 。 推土机作为工程机械中牵引型机器的典型代表，其动力性和燃油经济性的研究对整 个工程机械动力性和燃油经济性的研究有重要的促进作用。 1 2 国内外研究的发展趋势 推土机的发展过程基本上体现了整个工程机械的发展过程。1 9 0 4 年，美国人 b e n j a m i nh o l t 研制了第一台由蒸汽机为动力的履带式推土机，后来又研制出以天然气和 汽油机为动力的推土机。美国卡特彼勒( c a t e r p i l l a ri n e ) 公司于1 9 3 1 年成功制造出第 一批以柴油机为动力的6 0 推土机。随着内燃机技术和液压技术的不断发展，现在的推 土机已经全部采用柴油机作为动力源，工作装置( 包括推土铲刀和松土器) 也已全部采 用液压驱动。 推土机在我国的发展起步较晚，新中国成立后，国内开始生产推土机。随着国民经 济的发展，国家建设对中大型推土机的大量需求，推土机领域也有了较快的发展。 对推土机的研究，从2 0 世纪7 0 年代到现在一直在进行。研究方向涉及到推土机的 各个方面，研究成果显著，这些离不开前辈们艰辛的工作。 在推土机工作装置方面的研究主要包括：在冲击载荷作用下工作装置的强度分析， 顶推梁的受力分析，推土机推土刀板模态分析，推土机工作装置的运动分析以及控制等。 在推土机传动系统方面的研究主要集中在：液力变矩器与发动机匹配的研究，行星动力 变速箱的研究，智能模糊换挡等方面的研究。在行走系统方面的研究主要涉及到履带的 减振、缓冲性能分析，行驶速度波动、滑转、制动、转向分析，行走参数匹配和随机载 荷以及控制的研究等。在推土机的载荷方面人们也进行了大量探索，其中重要的有推土 机载荷谱研究，推土机外负荷特性研究，极限载荷方面的研究等。在推土机整机动力性 能方面，上世纪8 0 年代，原西安公路学院的孙祖望等人进行了履带推土机牵引动力学 及试验方面的研究【1 1 1 2 3 1 4 1 ；9 0 年代，秦四成等进行了履带推土机动态性能及试验方法 的研刭1 2 j 【1 3 】。近年来，姚怀新等进行了工程车辆液压动力学关键问题的理论研究【8 】【9 】【l o l ； l g a t ah ，田晋跃，于英等，进行了履带式推土机动力学控制系统的研究【1 8 】【1 9 】；张琦， 冯培恩等进行了履带车辆动力性的计算机仿真【1 6 】；马鹏飞等进行了全液压推土机液压行 驶驱动系统动力学研列1 5 】。 在推土机的生产方面，为了缩短同国外同行们的差距，自1 9 7 9 年以来，国家先后 2 长安大学硕士论文 从日本小松公司、美国卡特彼勒公司等国际知名企业引进了先进的履带式推土机生产技 术，促成了后来我国推土机领域蓬勃发展的局面。目前，我国主要的推土机生产企业有： 中联重科、山推工程机械股份有限公司、一拖工程机械有限公司、上海彭浦机器厂有限 公司、河北宣化工程机械股份有限公司、天津建筑机械厂等。 随着工程要求的不断变化和科学技术的不断发展，国外工程机械领域把大量的新技 术、新发明、新结构应用到推土机上。多配制、多功能、多用途、高效节能的机型不断 涌现，不断向大型化和小型化两极发展，不断向机电一体化方向发展。由于不同学科的 交叉与渗透，微电子技术、计算机技术和先进的控制理论的迅速发展及其向机械工业的 渗透所形成的机电一体化技术在推土机上的应用，使现代化的推土机在工作效率、作业 质量、环境保护、操作性能及自动化程度诸方面都是以往所不可比拟的。可以预见，将 电子技术、自动控制技术和人工智能技术应用于推土机，是今后发展的必然趋势。在行 驶系统方面，推出了可控制履带打滑、控制静液传动的等新型设备。在传动系方面，出 现了高置驱动轮结构、差运转向机构等新型结构。由于各种各样的节能控制系统层出不 穷，不但生产效率得到提高，降低了油耗，也改善了操作员的作业环境，提高了机器的 自动化程度。 我国推土机领域在建国后，特别是改革开放以来，取得了较快的发展。许多机型从 无到有，从有到新，许多关键技术得到解决。加之不断从国外引进先进技术，加强与国 外的技术交流和合作，使我国的推土机装备水平不断提高；但和国外比起来还有较大差 距。具体表现在动力性与经济性研究方面，通常采用串形设计( 国际上已采用并行工程) ， 注重动力性能，将经济性限制在一个接受域内。这样的设计思路必然会引起装备的效率 不高、燃料浪费严重等问题。加之国内企业的设计、研究水平比较低，造成了国产机器 在技术先进性、产品质量、产品可靠性等方面都落后于国外同类产品。如何跨越技术上 的难题，缩短与国外先进水平的差距? 对推土机进行全面系统的研究，从整体效果来衡 量和评价推土机的动力性与经济性，并提出相应的改善措施，对推土机的发展来说意义 重大。 从系统的角度对推土机进行全面研究，首先应该把它放在所处的工作环境中来研究， 这里涉及到机器本身、作业对象、作业环境等因素；其次在机器内部它有工作装置、动 力装置( 发动机) 、底盘；底盘又由行走系统、传动系统等组成；此外，还要考虑人机 环境等因素，进行统一研究，寻找切实可靠的决方案。 3 第一章绪论 1 3 课题的提出与本文的研究目的和内容 ( 1 ) 课题的提出与研究意义 从推土机动力性和经济性研究的发展来看，前期的研究主要集中在发动机与设备的 功率匹配问题的研究。着重讨论机器的工作需求功率与发动机可输出的有效功率之间的 协调问题，通过发动机的功率和燃油等性能指标，来衡量发动机的工作状况的优劣【引。 根据输入载荷的状态，通过理论计算确定出发动机的工作状态，给出参考意义上的动力 性能与经济性。然而机器的具体工作状态的描述是比较模糊的，再者发动机作为工作机 的动力部分，仅从发动机的外特性来讨论整机的动力性能与经济性不是很全面的。从土 壤机器相互作用的层面探讨推土机的动力性和经济性已经成为推土机牵引性能研究的 趋势，近年来刊出的大量文献表明了这一研究趋势。 本文将推土机的具体作业状况、柴油机的特性因素、推土机的各组成部分的动力传 递和效率因素作为一个有机整体从系统层面进行综合研究，探讨推土机动力性和经济性， 这样使对推土机的牵引性能研究更全面和详细，能充分反映推土机作业过程中各因素变 化状态。 ( 2 ) 本文的研究目的与内容 通过对特定假设条件下推土机工作状态的仿真，探讨推土机动力性和燃油经济性的 仿真方法，探索在特定条件，在动态工作阻力作用下，发动机的耗油量的变化规律，并 提出提高燃油经济性的方法。 a m e s i m 是法国i m a g i n e 公司开发的一款用于工程系统建模、仿真和动态性能分析 的高级软件平台。本文将在该软件环境建立推土机的动态牵引力模拟模型、发动机模型、 调速模型、传动系统模型等最后综合组成推土机整机模型，在整机模型上进行系统仿真。 研究推土机在动态外载荷的作用下机器的动力性和经济性问题，分析动力性和经济性相 互影响关系，具体包括以下内容。 1 ) 对推土机的工作装置、行走系统、传动系统、发动机等通过理论分别建立模型 并对模型进行分析； 2 ) 对推土机动态牵引力信号的组成因素进行研究，结合t 1 8 0 推土机的牵引动力性 能实验数据对动态牵引力的功率谱函数进行离散化计算，并在a m e s i m 上对动态牵引 力进行模拟，为整机仿真提供输入依据： 3 ) 建立发动机模型、调速器模型、传动系统模型，综合成较为完整的推土机仿真 模型。对推土机进行仿真，分析仿真结果，研究推土机的动力性和燃油经济性问题。 4 长安大学硕士论文 第二章推土机各部分数学模型分析 2 1 推土机的结构组成 推土机有履带式和轮胎式，由于轮胎式推土机的应用较少，而履带式推土机具有附 着性能好，可提供的牵引力大，爬坡能力强，接地比压小，可通过性强等优点，本文以 履带式推土机作为主要研究对象。 履带式推土机主要由发动机、行驶系统、传动系统、工作装置、电气部分、驾驶室 和机罩等组成，如图2 1 所示。 1 推土刀2 履带3 顶推梁4 支撑杆5 发动机 6 提升油缸7 驾驶室8 松土器9 行走系统l o 传动系统 图2 1 推土机整机组成图 其中，传动系统的形式有机械传动式、液力机械传动式、全液压传动式等。机械传 动式的推土机传动效率高，工作可靠，但由于机械式传动系统对于外载荷突变的适应性 差，要求操作人员频繁地进行操作，增加了操作人员的劳动强度。由于人工操作换挡对 于机器来说有一定的延时，并不能在载荷的转变点选择最佳的换档操作点，这样就造成 了机械式传动的推土机的生产率下降。 液力机械传动系统通过液力变矩器把发动机和变速箱连接起来，具有一定的负荷自 适应能力，可以负载换挡，操作比机械式轻便，作业效率较高等优点；液力变矩器的缺 点是它存在高效工作区和低效工作区，而且高效工作区范围较窄，这样就不能保证较高 的传动效率，况且液力变矩器的制造精度要求很高，这些都构成了液力机械式传动系统 使用中的不利因素。 5 第二章推土机各部分数学模型分析 全液压式传动系统结构紧凑，操作简便，但对液压泵和马达的要求较高，传动效率 比机械传动低。 2 2 柴油发动机性能指标分析 在推土机的发展史上，其动力系统经历了蒸汽机时代、汽油机时代和柴油机时代， 由于柴油发动机具有高热效率、低油耗、低排放以及良好的经济性和可靠性等特点。现 代推土机基本上都采用柴油机作为动力源。 柴油发动机的工作过程是一个复杂的物理化学过程，燃料在汽缸内燃烧产生含能工 质，工质做功推动活塞，活塞带动曲轴转动，将能量以转矩和转速的形式输出【9 】【2 5 1 1 2 6 1 2 7 。 康明斯n h 2 2 0 c i 是一款直列六缸四冲程柴油发动机 4 1 。对于四冲程发动机，由吸气、 压缩、燃烧做功和排气等四个过程构成一个工作循环。发动机工作的性能优劣通过发动 机的有效指标来反映。 2 2 1 柴油发动机的性能指标 柴油发动机的有效指标包括有效功率、有效转矩、平均有效压力和有效燃料消耗率 等。 ( 1 ) 有效功率 有效功率n 。考虑了发动机能量转换和传递过程中的损失和驱动其他附件所消耗的 功率n m 。即： 札= i 一肼 在此引入机械效率： = 簧斗舞 q 1 ， 式中：t 1 m 发动机机械效率； n e 发动机有效功率，k w ； n 】发动机指示功率，k w 。 t l m 值越大，说明发动机的机械效率高，机械损失功的比例小，n e 大，说明发动机 的性能好。所以，尽量减少机械损失以提高1 1 m ，是提高发动机性能的一个重要方面。 ( 2 ) 有效转矩 有效转矩m e 指发动机曲轴输出端输出的转矩为有效转矩，它代表了发动机克服负 载的能力。有效转矩m e 与有效功率n 。的关系为： 6 长安大学硕士论文 m = 心等川一= 等 ( 2 2 ) 式中：n e 发动机的有效输出功率，k w ； m e 发动机输出的有效转矩，n m ； n 发动机输出转速，r r a i n 。 ( 3 ) 平均有效压力 平均有效压力p c ，是指发动机气缸单位容积在一个循环所产生的有效功。可以设想 是一个稳定不变的压力作用在活塞上，使活塞在做功冲程所作的功等于每循环所作的有 效功。它与发动机有效功率间的关系因此为： 札= 絮，由炯弛见= 等， ( 2 3 ) 式中：p e 发动机的平均有效压力，n i n 2 ； v h 单个发动机汽缸的容积，l ； i 发动机的汽缸数； f 发动机的冲程数； n 发动机输出转速，r m i n 。 根据n c 和m 。之间的关系，可得p c 与m 。的关系式为： 心= 半狲半 ， 式中：m e 有效转矩，1 ； n c 发动机有效功率，k w ； p e 平均有效压力，n m 2 ； v h 单个发动机汽缸的容积，l ； i 发动机的汽缸数； 百发动机的冲程数。 从上述p 。与m e 关系可看出，对于给定的发动机v h 、i 均为定值，p 。与m e 二者为 正比关系，即平均有效压力p 。反映了发动机输出转矩m 。的大小；或者说它反映了发动 机单位气缸工作容积输出转矩的大小。因此，平均有效压力是衡量发动机动力性能的一 个重要指标。 ( 4 ) 升功率 第二章推土机各部分数学模型分析 升功率n l 是指发动机在标定工况下，汽缸每单位升容积所产生的有效功率。它是 从功率方面来说明发动机气缸工作容积利用程度的一个指标。 ，：盟：p y h n i ：丝竺 l f 圪3 昕f 圪3 0 r ( 2 5 ) 式中：n l 升功率，即发动机每升汽缸容积所能产生的功率k w l ； n e 发动机有效功率，k w ； p e 平均有效压力，n n 1 2 ： v h 单个发动机汽缸的容积，l ； i 发动机的汽缸数； 百发动机的冲程数。 1 1 发动机输出转速，r m i n 。 ( 5 ) 有效燃料消耗率 有效燃料消耗率g e 表示产生单位有效功所需要的燃料消耗量。 铲瓷刈0 3 ( 2 6 ) 式中：g e 有效燃油消耗率，g ( k w - h ) ； g t 小时燃料消耗量，k g h ； n e 有效功率，k w 。 ( 6 ) 有效热效率 有效热效率指发动机所产生的有效功与所消耗的热量之比，即： 仇。署2 鲁2 暗 亿7 ， 式中：t 1 e 发动机有效热效率； w ；发动机的有效功，j ； q 1 发动机消耗的热量，j ， t 1 m 发动机机械效率； w ，l 发动机的指示功，j 。 2 2 2 性能指标的影响因素 影响发动机的有效指标的因素包括充气效率、过量空气系数等。下面分析它们如何 长安大学硕士论文 影响发动机的有效指标。 充气效率t l v ，是指实际进入气缸的新鲜充气量与进气状态下充满气缸工作容积所需 的新鲜充气量的比值，即： 巩 叩矿= j 竹 ( 2 8 ) 式中：1 1 v 充气效率效率； m 1 实际进入气缸的新鲜充气量，k g ； m f 充满气缸工作容积所需的新鲜充气量，埏。 过量空气系数a ，是指发动机燃烧l k g 燃料时实际供给的空气量与完全燃烧该燃料 所需要的理论空气量的比值： 胍 a = 上 z o ( 2 9 ) 式中：a 过量空气系数； m 1 实际进入气缸的新鲜充气量，k g ； g b 每循环供油量，k g ； l o l k g 燃料完全燃烧所需要的理论空气量，k g 。 由式2 8 和2 9 可得： 以：堕：l l v m f ：r l v 圪p , 酏 仅乇 a 乇a 乇 ( 2 1 0 ) 式中：v h 单个发动机汽缸的容积，l ； p s 进气管中的空气密度，k m 3 。 由于 a = 毒= 警2 嚣。饥= 嚣丑等见 因而， 见：a 叩。：鱼翌掣 口z o ( 2 1 1 ) 式中：p 1 平均指示压力，n m 2 ； w r l 发动机的指示功，j ； q 1 与指示功对应的消耗热量，j ； ”1 指示热效率； 1 1 m 发动机机械效率； 第二章推土机各部分数学模型分析 h u 燃料低热值，j k g 。 上式中h u 以j 蚝为单位，p 。单位为k g m 3 ，如果h u 以k j k g 为单位，则： 见= 旦皆= 墨罟叩矿，7 。， ( 2 1 2 ) 式中：p e 发动机平均有效压力，m p a ； k 1 比例常数。 所以有： ：丝! 趔：r l l r l v r l , p y h h n i 。 3 0 ： 3 x 1 0 4 a t o r ( 2 1 3 ) 对于发动机而言，燃料的粤的变化不大，可以看作基本不变，因此式2 1 3 可写成： 札：疋7 7 - - r t y p ，l i v h 刀 af ( 2 1 4 ) 式中：k 2 比例常数。 同时， ：3 6 了x 1 0 s ：生 仇爿“叩l ( 2 1 5 ) 式中：g e 有效燃油消耗率，g ( k w h ) ； k 3 比例常数。 由式2 1 2 、式2 1 4 和式2 1 5 可以得到影响发动机性能指标和燃油指标的因素，通 过对这些因素的合理改善可以提高发动机动力性能和经济性能： 1 ) 发动机的功率与气缸的有效容积、汽缸数量、转速、进气密度等成正比例关系， 因此可以通过增大发动机的气缸直径，增加气缸数目( 即增大发动机的总排量) 来提高 单机功率，但这样做要受到发动机结构方面的限制；也可以采用增压技术，增加进气密 度p 。，在保持0 【等参数不变的情况下，增加p 。可以使发动机功率按比例增长；提高发动 机的转速1 1 e ，( 即增加单位时间内发动机每个气缸做功的次数) 也可以提高发动机的功 率，但转速提高可能会引起不同程度的燃烧恶化、充气效率t 1 v 和机械效率t h n 下降，因 此会受到一定限制。 2 ) 发动机功率还受指示热效率、充气效率、机械效率和过量空气系数等的影响， 合理组织燃烧过程以提高循环指示热效率t 1 l ；改善换气过程，提高充气效率r l v ；减少发 动机内部损耗提高发动机的机械效率t 1 m ，都能够有效地提高发动机的有效功率；尽可能 1 0 长安大学硕士论文 降低过量空气系数，以提高发动机的动力性能和经济性能。 3 ) 有效燃油消耗率受到指示热效率、燃料低热值和机械效率等因素影响，提高指 示热效率t 1 1 和机械效率t 1 m 能够降低有效燃油消耗率。 2 3 推土机传动系统的模型 推土机的传动系统是连接动力源和终端行走系统的中间环节，它有两个重要的作用， 一是把发动机输出的高速转速经过减速后降低到适合行走终端的转速，二是在降低转速 的同时增大系统的输出转矩，适应终端系统的大转矩需求。 通常传动系统有机械式，液力机械式，静液压式三种形式。机械式传动系统由离合 器和变速箱组成，离合器用来接通和断开变速箱和发动机的连接，就可以实现动力的输 出和断开，变速器用来减小转速和增大转矩的目的以适应外部载荷。由于离合器采用摩 擦式，变速器采用齿轮啮合式，理论上说机械式传动系统的传动效率高。但其对载荷变 化的自动适应性较差，要通过操作人员不停地操作变化来适应外部工作载荷的变化，这 样就加大了操作人员的工作强度，而且机器效率的发挥很大程度上受到人员操作熟练程 度和对机器工作状况了解程度的限制，综合起来机械式传动系统的推土机的生产效率并 不很高。液力机械式传动系统的优点是用液力变矩器或液力耦合器代替了离合器，用行 星动力变速箱代替了定轴式变速箱，它一方面利用液力机械的缓冲作用使外载荷的突变 冲击得以缓和消除了发动机因外载荷突曾而引起的转速降低以至熄火，另一方面采用动 力换挡变速箱再不需要切断动力的情况下就可以直接换挡，使操作简单而动力应用性较 好。液压式传动系统直接采用泵马达系统来组成传动系统，发动机动力直接与泵相连， 把机械能转化为静液压能，在终端系统由液压马达转化为机械能，通过改变泵、马达的 排量就可以实现降低转速和增大转矩的目的，液压传动系统的优点是便于控制，容易实 现自动化。 机械式传动系统由离合器和定轴式齿轮变速箱构成，动力传递由传动比、齿轮间的 传动效率、啮合齿轮数量等因素确定，而且这些因素是基本固定不变的，如果不考虑传 动系统的转动惯性，则传动系统的动力传递关系有： m k = r c c m ( 2 1 6 ) 虬= m 。一帆口一m 胁 ( 2 1 7 ) 第二章推土机各部分数学模型分析 n k = 乙 仇= 叩l 仉 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) t - - 毛 ( 2 2 0 ) 式中：m k 传动系统输出转矩( 即驱动轮力矩) ，n m ； m e c 传动系统输入转矩，n m ； m e 发动机的输出转矩，n m ； m b a 辅助装置消耗的转矩，n m ； m p t o 功率输出轴消耗的转矩，n m 。 n k 传动系统输出的转速，r m i n ； n e c 传动系统输入的转速，r m i n ； ， i c 传动系统的总传动比； ”c 传动系统的总效率； i 1 i n 传动系统各组啮合齿轮的传动比； t 1 1 t 1 n 传动系统各组啮合齿轮的传动效率。 若考虑传动系统的转动惯性则， 以百：收一萼 ( 2 2 1 ) j l l c l c 式中：j c 传动系统转动部分换算至曲轴上的转动惯量； 0 发动机曲轴的转角。 2 4 推土机工作装置的数学模型 对于推土机工作装置来说，作业中要承受压缩、弯曲、冲击等多载荷种作用，受力 情况复杂。这些属于强度和刚度以及受力变形方面的问题，学者们进行了广泛的研究， 近年来在有限元软件的有力支撑下，研究进展很快【2 0 】【2 。 推土机属于循环作业设备，每个循环包括了切土、铲土、运土、卸土、重新回到铲 土点进行下一循环。推土机在铲刀切入土壤的瞬间由土壤产生的推土阻力要发生突变， 由原来的推土阻力为零急剧增大，在之后的铲土过程中阻力变化相对平稳。由于土壤结 1 2 长安大学硕士论文 构的变化，会有冲击载荷出现而且冲载荷的瞬态和大小也是随机的，在工程机械牵引动 力学研究方面习惯上把这种载荷称为动态载荷。 牵引动力性能研究中，关于推土机工作装置的研究主要表现在工作装置对载荷的响 应方面，由土壤产生的载荷要通过工作装置传递给推土机。推土机工作装置由推土板、 顶推梁、铲刀升降机构组成，如图2 1 示。 对推土装置的受力进行分析，推土机在铲土前进过程中，铲刀受到土壤切削阻力的 水平分量f d ，粘附阻力的水平分量f n ，顶推梁的推力的水平分量f l 和液压缸力的水平 分力f v 等。土壤切削阻力和铲刀粘附阻力的水平方向分量构成了推土机作业的工作阻 力f x ，如图2 2 所示。假设推土机在作业过程中位移为x ，单独以工作装置作讨论究对、 象，速度为x 对时间的一阶导数文，加速度为x 对时间的二阶导数爻。土壤切削阻力的水 平分量f d 构成了推土机载荷的重要组分，顶推梁推力的水平分量f l 主要来自推土机的 牵引力，作为克服阻力的重要成分，粘附阻力的水平分量f n 与推土板速度成正比( 相 当于阻尼力) ，液压缸力的水平分力f v 作为调整铲刀位置的辅助力，铲刀质量为m a ，则 铲刀的动力学方程为： 五+ c 一乃一e = 鸩叠= c ( 2 2 2 ) 只= 膏 m 0 + c 。证= ；c + f d = f l + f p f x = f d + f n = f d + c 。d i = f l + f v m # 式中：c m d 土壤粘附系数； f d 土壤切削阻力的水平分量，n ； f n 粘附阻力的水平分量，n ； f l 顶推梁的推力的水平分量，n ； f v 液压缸力的水平分力，n ； f a 工作装置的水平惯性力，n ； m d 铲刀质量，k g ； f x 工作阻力的水平分量，n 。 1 3 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 第二章推土机各部分数学模型分析 图2 2 工作装置受力分析图 由式2 2 2 可以看出推土装置为二阶系统。推土阻力的动态变化主要是由土壤切削阻 力f d 的变化形成的( 土壤切削阻力的分析涉及到土力学和土壤破坏理论，在第三章推 土机的载荷分析中作详细分析) ，它引起了推土机速度波动，导致了粘附阻力和顶推梁 推力以及惯性力的变化，从而诱导了推土机牵引力的动态变化。这一动态变化过程可能 会引起机器的超载问题。这里对超载状况作简要描述，超载使推土机出现滑转率增大、 发动机转速降低、燃油经济性降低等情况，有时甚至出现发动机熄火，造成了机器作业 不稳定、效率不高。通常推土机超载时的控制方法一方面是在燃油经济性良好的情况下 提高发动机的有效功率和动力的利用效率，通过监测发动机的转速的变化状况可以判断 出发动机的运行情况。针对推土机超载的情况，要尽量减小因转速降低而产生的发动机 功率降低，相反要在燃油经济性较好的条件下增加燃油供给来尽量提高发动机的功率， 克服转速降低。在保证燃油经济性较好的条件下，通过提高燃油供给来提高发动机的功 率是有限的。另一方面，减小铲土刀的切入深度，适当减小载荷也可以获得较好的动力 性能。在控制中，这两方面相辅相成，互为补充，共同作用，通过监测发动机的工作状 态和推土装置液压系统的压力变化来判断推土机的载荷状况，综合决策克服超载的方法。 2 5 推土机整机的数学模型 2 5 1 推土机履带行驶系统滑转分析 从运动学来讲，履带式推土机的行驶问题属于合成运动，当推土机在水平地面直线 行驶时，以推土机接地段履带为动系，以地面坐标系为定系，车架相对于动系作相对运 动，位移为x l ，动系和定系之间的牵连运动是履带接地段对地面的滑转运动，位移x 2 。 推土机作业的绝对运动由车架相对于接地段履带的相对运动和履带接地段对地面的滑 1 4 长安大学硕士论文 转运动合成。 图2 3 推土机行走系统作用图 位移x l 、x 2 是时间的函数，可以表示为： 五= 五( f ) ( 2 2 6 ) 置= 置( f ) ( 2 2 7 ) 式2 2 4 、2 2 5 对时间求一阶导和二阶导数就得到速度和加速度，根据速度和加速度 合成原理就可得到推土机运动的速度v 和加速度a ： ，= v l + v 三= 五o ) + 五o ) ( 2 2 8 ) a = q + a 2 = 五o ) + 五o ) ( 2 2 9 ) 式中：v 】推土机相对接地履带的相对速度，m s ； v 2 推土机接地履带相对地面之间的牵连速度，m s ： a 】推土机相对接地履带的相对加速度，1 1 1 8 2 ； a 2 推土机接地履带相对地面之间的牵连加速度，m s 2 。 由于推土机是在水平地面直线行驶( 当行驶方式变化时应考虑其他因素的影响) ， 位移、速度和加速度的方向只存在相同或相反两种情况，在速度和加速度合成时用正负 号来标明方向，就可用代数运算来代替向量运算。记推土机相对于接地履带的运动方向 为正向，由于推土机在行驶时趋于把履带从地面和推土机间拉出来，方向和推土机运动 方向相反，所以记该牵连运动方向为负。 那么推土机的行驶速度为： 1 ，= h v 2 = 五o ) 一五o ) ( 2 3 0 ) 1 5 第二章推土机各部分数学模型分析 h = 五= 五( ，) = r k m k ( 2 3 1 ) 式中：r k 驱动轮动力半径； 6 0 k 驱动轮角速度。 对于推土机的滑转运动通常用滑转率6 来表示履带对地面的滑转程度，它说明了由 滑转引起的车辆行程或速度的损失程度10 1 。 6 ：! 型：1 一兰( 2 3 2 ) 巧吩 对于推土机的其他运动形式，比如转弯、上坡、下坡，同样可以采用合成理论求得 它的速度和加速度。 2 5 2 推土机切线牵引力的分析 履带式推土机前进的驱动力( 即切线牵引力) f k 来自履带行走系统卷绕履带时地面 对