（动力机械及工程专业论文）装载机动力优化匹配的研究.pdf

山东大学硕+ 学位论文 摘要 如何提高装载机的动力性及经济性是装载机及柴油机厂家都非常关心的问 题。对装载机动力匹配进行研究、计算及优化，具有重要的工程实用价值。目 前，装载机的匹配工作主要包括：计算液力机械传动系统的性能，提出优化方 案；进行装载机实际工作循环试验，处理并分析试验结果。本文从工程实用性 角度出发，对装载机动力匹配的计算理论及路谱试验数据的处理方法两方面进 行研究，开发了一款具有针对性的装载机动力匹配软件，并通过试验验证了其 可靠性，主要研究内容包括： ( 1 ) 通过阅读大量前人对汽车及工程机械液力机械传动系统性能的研究成 果，结合国内z l 5 0 装载机自身的技术特点，总结了装载机动力匹配计算的理 论依据、计算流程及评价方法。此外，从工程实用性的角度出发，提出了针对 装载机的路谱试验数据处理方法及计算流程。 ( 2 ) 采用m a t l a b 语言开发一款具有针对性的装载机动力匹配软件，用于装 载机传动系统的匹配计算及试验数据的处理。与国内一些科研院校自行开发的 液力机械传动系统计算软件相比有以下特点：首先，该软件在功能上得到了扩 展，除了能进行更详尽的动力匹配计算，还能按照工程上的规范处理路谱试验 数据，并计算工作循环中其它难以测量的参数，从而使该软件具有更高的工程 实用价值；其次，该软件在算法上得到了改进，用户可选择不同的拟合( 插值) 算法以适应不同的输入数据，方程的求解采用了更为精确及快速的向量化算法。 ( 3 ) 使用自行开发的软件对某z l 5 0 装载机的两种型号进行动力匹配预测。 在计算时，结合装载机实际的工作情况，选取四种方案计算柴油机与液力变矩 器的共同工作性能，分五种情况计算装载机的牵引性能，分四种情况计算装载 机的加速性能。在计算装载机长距离运输工况的牵引性能时，通过牵引试验的 最高车速及最大牵引力试验数据验证了软件对牵引性能计算的准确性。最后， 通过对计算结果的评价及对比，针对这两款装载机提出了优化方案。 ( 4 ) 对装载机在实际工作循环的路谱试验数据进行了具有工程实用价值的 数据分析和处理，用于验证所编制软件的可靠性。通过分析柴油机运行情况， 绘制了柴油机运行区域分布云图，验证了动力匹配计算结果的合理性；对大量 试验数据进行统计平均，获得了该两款柴油机的扭矩及油耗修正曲线，可用于 山东大学硕士学位论文 皇詈i 鼍詈詈! 皇詈詈皇皇皇詈詈皇詈! ! ! 窖曼! 量鲁詈詈皇皇鼍量! 曼! ! 暑鼍皇鼍! ! 皇皇! 詈詈詈量詈詈皇曼鼍曼皇鼍曼鼍詈! ! ! ! ! ! ! 曼皇曼詈曼詈量皇詈 今后的匹配工作；对多个循环下的装载机工作循环的工作时间及瞬时油耗积分 进行统计平均，获得了每个循环的平均时长及平均油耗量，用于比较这两款装 载机的动力性和经济性；并且计算了装载机循环过程中其它难以测量的传动系 参数，进一步评价了传动系统的匹配性能。 本文进行了装载机动力匹配研究，开发了相应的匹配软件，可提高今后装 载机动力匹配的效率和可靠性。 关键词：装载机；液力传动；动力匹配；软件开发 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti so f g r e a tc o n c e mt ow h e e ll o a d e ra n dd i e s e le n g i n em a n u f a c t u r e r st h a th o w t oi m p r o v e d y n a m i ca n de c o n o m i cp r o p e r t yo fw h e e ll o a d e r i th a sg r e a te n g i n e e r i n g p r a c t i c a lv a l u ef o rr e s e a r c h ，c a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fw h e e ll o a d e rp o w e r m a t c h i n g a tp r e s e n t ，t h em a i np o w e rm a t c h i n gw o r ko fw h e e ll o a d e ri n c l u d e s ：t h e c a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h eh y d r a u l i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t e s t a n da n a l y s i so fw h e e ll o a d e r sa c t u a lw o r k i n gc y c l e b a s e do nt h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c a lp o i n to fv i e w , t h i sp a p e rf o c u so nt h ec a l c u l a t i o nt h e o r yo fw h e e ll o a d e r p o w e rm a t c h i n ga n dt h em e t h o do fp r o c e s s i n gr o a ds p e c t r u mt e s td a t a a n da s o f t w a r et a r g e t e do nw h e e ll o a d e r p o w e rm a t c h i n gw a sd e v e l o p e d ，a n d i t s r e l i a b i l i t yw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n t so ft h i ss t u d yi n c l u d e ： b yr e a d i n gl a r g ea m o u n tr e f e r e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l e sa n d c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y sh y d r a u l i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n dc o m b i n i n g t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fz l 5 0w h e e ll o a d e r ；t h e o r e t i c a lb a s i s ，p r o c e s sa n d e v a l u a t i o nm e t h o do ft h ec a l c u l a t i o nf o rw h e e ll o a d e r p o w e rm a t c h i n gw a s s u m m a r i z e d i na d d i t i o n ，b a s e do na ne n g i n e e r i n gp r a c t i c a lp o i n to fv i e w , t h i sp a p e r h a sp r o p o s e dt h ep r o c e s s i n gm e t h o d sa n dc a l c u l a t i o np r o c e s s e so fr o a ds p e c t r u m t e s td a t af o rt h ew h e e ll o a d e r n e ws o f t w a r et a r g e t e do nt h ep o w e rm a t c h i n go fw h e e ll o a d e rw a sd e v e l o p e d u s i n gm a t l a bl a n g u a g e ，w h i c hc a nb e u s e d o nc a l c u l a t i o no fw h e e ll o a d e r s t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dr e s u l t s p r o c e s s i n g c o m p a r e dw i t h o t h e rs o f t w a r eo f h y d r a u l i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n sc a l c u l a t i o n ，i t sm a i nf e a t u r e sa r e ：f i r s t l y ，t h e s o f t w a r ei se x p a n d e di nf u n c t i o n e x c e p tf o rt h ec a l c u l a t i o no fp o w e r m a t c h i n g ，i t a l s oc a np r o c e s sr o a ds p e c t r u mt e s td a t aa c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n g s p e c i f i c a t i o n s ，a n d c a l c u l a t eo t h e rp a r a m e t e r si nt h ew o r k i n gc y c l ew h i c ha r eh a r dt om e a s u r e s e c o n d l y , t h es o f t w a r eh a sb e e ni m p r o v e do nt h ea l g o r i t h m u s e rc a nc h o o s ed i f f e r e n tf i t t i n g ( i n t e r p o l a t i o n ) a l g o r i t h m st oa d a p td i f f e r e n ti n p u td a t a , a n dt h ee q u a t i o ni ss o l v e db y am o r ea c c u r a t ea n df a s ta l g o r i t h m i i i 山东大学硕士学位论文 t h ep o w e rm a t c h i n gp e r f o r m a n c eo ft w ok i n do fz l s 0w h e e ll o a d e rw a s p r e d i c t e db y t h en e ws o f t w a r e d u r i n gt h ec a l c u l a t i o n ，c o m b i n ew i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c so fw h e e ll o a d e r , f o u rp r o g r a m s w e r ec h o s et oc a l c u l a t et h e p e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n ea n dh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rw o r k i n g t o g e t h e r , f i v e c a s e sw e r ed i v i d e dt oc a l c u l a t et h et r a c t i v ep r o p e r t y , a n df o u rc a s e sw e r ed i v i d e dt o c a l c u l a t et h ea c c e l e r a t ep r o p e r t y t h ea c c u r a c yo ft r a c t i v ep r o p e r t yc a l c u l a t e db yt h e s o f t w a r ew a sv e r i f i e db yt h et r a c t i v ee x p e r i m e n td a t ao ft h eh i g h e s ts p e e da n dt h e m a x i m u mt r a c t i o nf o r c ei nt h ec a l c u l a t i o no fl o n g - d i s t a n c et r a n s p o r tc o n d i t i o n s f i n a l l y , o p t i m i z a t i o ns c h e m e sf o r t h e s et w ow h e e ll o a d e r sw e r ep r e s e n t e db y e v a l u a t i o na n dc o m p a r i s o nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t i no r d e rt ov e r i f yt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h i ss o f t w a r e ，t h ew h e e ll o a d e r sr o a d s p e c t r u mt e s td a t ao ft h ea c t u a lw o r kc y c l ew e r ep r o c e s s e da n da n a l y z e da c c o r d i n g t op r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i n c l u d e t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：f i r s t l y , o p e r a t i o nr e g i o nd i s t r i b u t i o no f d i e s e le n g i n ep l o t t e db ya n a l y s i st h ed i e s e le n g i n e s o p e r a t i o nc o n d i t i o nw a su s e dt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo f c a l c u l a t e dr e s u l t s s e c o n d l y , t h em o d i f i e dc u r v e so ft o r q u ea n df u e lc o n s u m p t i o nf r o mt h es t a t i s t i c a la v e r a g eo fa l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t ac a nb eu s e df o rt h ef u t u r ew o r k o fw h e e ll o a d e r p o w e rm a t c h i n g t h i r d l y , t h es t a t i s t i c a la v e r a g ed a t ao fw o r k i n gt i m ea n df u e l c o n s u m p t i o nf r o ml o t so ft e s td a t ao fw o r k i n gt i m ea n di n t e g r a l o fi n s t a n t a n e o u s f u e lc o n s u m p t i o nd u r i n gw h e e ll o a d e rc y c l er u nc a nb e u s e df o rc o m p a r et h e d y n a m i ca n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h et w ow h e e ll o a d e r s a n dl a s t l y , o t h e r p a r a m e t e r sw h i c ha r eh a r dt om e a s u r ed i r e c t l yi nt h ec y c l er u nw e r ec a l c u l a t e dt o e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h em a t c h i n go ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h es t u d yo fw h e e ll o a d e rp o w e rm a t c h i n gw a sc a r d e do u t ，a n dn e ws o f t w a r e w a sd e v e l o p e dw h i c hc o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n dr e l i a b i l i t yo fp o w e r m a t c h i n g k e yw o r d s ：w h e e ll o a d e r , h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，p o w e rm a t c h i n g ，s o f t w a r e d e v e l o p i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 轮式装载机是工程建设机械中最主要的机种之一，主要用于基础建设、煤 矿开采、货运站及港口物料的装卸等。机动性、作业速度、效率和操作上的优 势使得装载机抢占了土石方工程中的大部分市场。这几年来，虽然挖掘机行业 发展迅猛，抢占了装载机在土石方工程中的部分市场份额，但它们属于两种不 同种类的工程机械，并且轮式装载机以其极高的性价比，赢得大部份客户的青 睐。随着国家对基础建设投资的增长，其市场需求也在稳定的增加。未来十年 内，我国城市化、高铁、机场、码头、港口建设也将会持续发展，装载机行业 的市场需求较为乐观。 目前，国内装载机行业已经步入了成熟发展期，生产厂家很多，仅专业生 产装载机的厂家就有三十多家，比较大型的有柳工、龙工、厦工、临工、常林、 山工等。据( 2 0 1 1 年中国装载机市场分析及预测报告显示：2 0 1 0 年全国装载 机销量达2 0 万台，其中柳工、龙工、厦工、临工销量前四企业占有率达到6 6 ， 销量前八企业占有率达到8 0 以上，市场高度集中，小企业在需求增速放缓的 大环境下，面临生死考验。z l 5 0 装载机，即5 吨装载机是目前市场占有率最高 的产品。国内的5 吨装载机，几十年前几乎所有国内厂家都用同一套图纸，随 着技术的发展与进步，目前国内最新的产品是第四代了。 1 2 装载机动力匹配国内外研究现状 对于工程机械的行走机构传动系统，董宝田等人【l 】经过对比液力机械传动 与液压传动，得出在牵引性能与经济性能上，液压传动均优于液力机械传动。 但液压系统国产配件可靠性低，通常都选用价格昂贵的国外产品，并且对工作 环境要求苛刻。因此，目前只有小部分装载机采用液压传动系统，绝大部份的 装载机行走机构仍使用传统的液力机械传动。 液力机械传动的核心就是液力变矩器，液力变矩器的原理很简单，就是将 机械能转化为液体动能，液体动能再转化为机械能。图1 1 为国内某型号的液 力变矩器的内部结构图。 山东大学硕士学位论文 图1 1 液力变矩器内部结构 图1 1 中，三个叶轮从左到右依次是涡轮、导轮和泵轮。工作时，泵轮旋 转带动变矩器内工作油液流动，工作油液经过导轮冲击涡轮，进而使涡轮旋转。 液力变矩器在装载机上应用已经很多年了，它之所以能一直被广泛沿用至今， 主要是其具有以下几方面优点： 1 ) 自动变速的功斛2 , 3 , 4 1 。根据外部负荷的大小，自动改变输出转速与扭矩。 外部负载增大时，变矩器减速增矩；外部负载减小时，变矩器增速减矩。正是 因为变矩器的自动变速的功能，使车辆能够适应波动剧烈的外部负荷。在进行 柴油机与液力变矩器匹配时，通常将它们的共同工作点匹配到柴油机额定工作 点附近，则能保证柴油机能够经常在额定工作点工作，具有较高的动力性与经 济性。 2 ) 防止柴油机超载熄火。当外界负载过大时，变矩器的泵轮无法带动涡轮 旋转，这时柴油机仍能运转，但只对变矩器的工作油液做功，泵轮负载不会超 过柴油机的最高负载，因而能保证柴油机不会熄火。 3 ) 提高传动系统寿命。由于泵轮与涡轮之间不像机械传动那样直接采用刚 性联接，它们之间动力的传动以工作油液为介质。因此，液力传动具有普通机 械传动所不具有的吸收冲击与振动的特性【5 ，6 1 。实验表明：发动机曲轴的扭转振 幅通过液力变矩器后，可降低5 0 以上1 7 j 。 4 ) 简化驾驶员的操纵需求【8 ，9 1 。特别是对于装载机这类工作负载剧烈变化 的工程机械，使用双涡轮变矩器后，只需设置两个前进档一个倒退档。在整个 工作循环过程中，只需在进前一栏与倒退一栏之间进行切换，从而大大降低了 驾驶员的操纵疲劳。 2 山东大学硕士学位论文 5 ) 液力元件可靠度高，使用寿命长；液力变矩器工作油液为无机矿物油， 保养简单，使用时间长。 液力变矩器在装载机上的大量使用极大的简化了装载机的传动系统结构， 国产装载机主要采用以下几种传动方案【l o 】： 1 ) 双涡轮4 元件变矩器+ 行星式变速器( 两个前进档，一个倒档) 。 2 ) 单涡轮3 元件变矩器+ 定轴式变矩器( 4 进3 退，主要采用z f 变速器) 。 3 ) 单涡轮3 元件变矩器+ 定轴式变矩器( 4 进4 退、4 进2 退或3 进2 退， 国产变速器) 。 图1 2 为国内z l 5 0 装载机的传动系统简图。图中：1 为一级涡轮输出轴； 2 为二级涡轮输出轴：3 为一级涡轮输出减速齿轮副；4 为二级涡轮输出增速齿 轮副；5 为变速箱输入轴；6 ，1 1 为制动器；7 ，8 为前后行星排；9 为二档输入 轴；l o 为受压盘；1 2 为闭锁离合器；1 3 为二档油缸轴；1 4 为离合套：1 5 为前 桥输出轴；1 6 为前后桥离合器；1 7 为后桥输出轴；1 8 为一级涡轮；1 9 为二级 涡轮；2 0 为转向泵；2 l ，2 2 为单向离合器；2 3 为轴。 图1 2 装载机动传动系统【1 1 1 图1 2 中，变速泵和工作泵均在图中没有标示出来，在实际装配关系中， 工作泵、转向泵和变速泵三个主要油泵分别联接在变矩器输出的三个端口上， 由柴油机通过齿轮对直接驱动，如图1 3 所示。 山东大学硕十学位论文 鲁皇皇詈皇! 皇! 詈皇詈鼍詈鼍i , 图1 3 液力变矩器外观 液力变矩器作为液力机械传动系统的核心部件，其性能的好坏对整个传动 系统的影响至关重要。液力变矩器的使用已有几十年历史了，国内外大量的研 究者对它的性能作了大量的研究【1 2 1 8 1 。国外一些的研究者还对它的内部流动进 行了计算【1 9 屯2 1 ，通过流动的情况分析液力变矩器的性能【2 3 2 6 1 。近年来，随着国 内c f d 技术的发展，国内的吉林大学【2 7 3 0 1 、同济大学 3 1 , 3 2 】、武汉理工【3 3 j 等科 研院校也开始采用c f d 技术模拟变矩器内部流动，并分析变矩器的性能。 早在上个世纪7 0 年代，许多国外汽车厂商和科研机构便开始着手开发汽车 传动系统计算软件，例如美国通用、福特、康明斯等国外汽车公司，它们都开 发了各自的汽车性能计算软件，但这些软件都只在企业内部流通，用户较少。 目前商业化最成功的是a v l 公司的c r u i s e 软件，其次是美国g a m m a t e c h n o l o g i e s 公司的g t - s u i t e 软件中的d r i v e 模块，这两款商业软件被大量运用 于商用车的车辆性能仿真计算上。另外，使用非常广泛的还有a d v i s o r 高级车 辆仿真软件，该软件是美国能源部在m a t l a b 和s i m u l i n k 环境下开发的一款免 费软件，具有一定的权威性，因而被大量科研院校及机构使用，在被a v l 公司 收购前，它的最后免费版本是a d v i s o r 2 0 0 2 。这些通用的汽车性能计算软件通常 都会自带一些欧洲和美国的驾驶循环工况，可以方便的对商用车的动力性与经 济性进行计算。以上三款软件均具有一定的权威性，在国内均有大量的用户 【m 3 6 1 。目前还没有权威且通用的装载机工作循环标准，并且装载机工作循环过 程比较复杂，因此，前面提到的这些商业软件还不能直接用于装载机工作循环 的模拟。 4 山东大学硕七学位论文 国外对装载机整机建模技术进行了大量的研究，一些国外大型工程机械公 司都搭建了详细的装载机整车模型，图1 4 为l m s 公司为某客户搭建的具有负 荷敏感系统的装载机详细模型( 液压系统部分) 【3 7 1 ，该模型对铲土过程进行了大 量的简化，故未能有效的模拟装载机的工作循环过程。由于装载机液压系统建 模过程比较复杂，故目前国内尚未有研究者建立包括行走机构和工作机构的装 载机详细模型。随着m a t l a b s i m u l i n k 建模技术的发展，国内外研究者【3 8 川1 采用 s i m u l i n k 搭建了一系列装载机传动系统模型，进行装载机行驶过程的模拟。这 些模型的建模思路基本一致，如图1 5 所示。模型在建立过程中，均进行了大 量的简化，忽略了装载机的液压系统部分，直接将油泵扭矩消耗和柴油机附件 扭矩消耗作为某个固定的值进行扣除，铲土过程的外负荷直接采用文献i l l 】中提 到的铲土受力计算公式进行计算。由于在建模过程中进行了过多的假设，导致 计算结果过分的偏离真实情况，最终无法进行试验验证。如果采用这样过分简 化的模型去模拟装载机的实际工作循环，工程实用价值受到很大局限。国内装 载机动力匹配的研究长期处于缓慢发展状态，无法适应当前装载机动力匹配工 作的需求。因此，目前国内相关厂家也正在积极寻求更好的装载机动力匹配计 算解决方案。 图1 4 具有负载敏感系统的装载机液压系统f 3 7 | 山东大学硕士学位论文 图1 5 简化的装载机整车模型1 3 御 为了更准确更真实的模拟装载机传动系统，一些国外资金充足的研究机构 已开始采用硬件在环实时仿真的方法，比较典型的有n a d s 系统与d s p a c e 系 统。n a d s 系统由美国爱荷华大学大量的专家和研究团队研发，是世界上最先 进的驾驶模拟系统之一。研究者m a t t h e w 4 3 】使用n a d s 系统建立卡特彼勒公司 9 8 0 gs i im w l 装载机动力传动系统的实时仿真模型，仿真的结果与实际试验 结果吻合较好。此外，r b r i t c h i eb r o s 公司与爱荷华大学的r o g e r t 删也都使 用n a d s 系统建立了类似的装载机实时仿真模型。d s p a c e 系统是目前广泛采 用的性价比较高的实时仿真系统，是由德国的d s p a c e 公司开发的一款基于 m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统及半实物仿真的软硬件工作平台。a t l a s w e y h a u s e n 公司使用d s p a c e 建立了装载机完整的传动系模型【4 5 】。 尽管实时仿真模型能够获得令人满意的结果，但价格昂贵，建模需要的时 间周期长，而单纯通过软件模拟工作循环又难以获得令人满意的结果。因此， 基于这两点考虑，国内液力机械传动系的匹配工作基本上还是基于柴油机与变 矩器匹配和整车牵引性能的理论计算，再结合装载机实际工作循环试验进行研 究。液力机械传动使用已有几十年的历史了，国内外研究者对液力机械传动的 匹配性能进行了大量宝贵的研究【协5 4 1 ，这些研究基本上都是着重于研究柴油机 与液力变矩器共同工作的输入与输出特性，而没有针对装载机油泵的扭矩消耗 进行详细的考虑。考虑到匹配工作计算量大，并且手工计算精度低，研究者们 通常偏向于使用计算机进行匹配计算工作。国外商业软件价格昴贵，故研究者 6 山东大学硕七学位论文 们偏向于使用免费的a d v i s o r ( 2 0 0 2 及之前的版本) 进行二次开发或者自行编制 具有自主知识产权的汽车性能计算软件，例如，吉林大学王国强等人【5 5 】基于 a d v i s o r 进行改进，增加了装载机动力性能仿真模块：国内一些研究机构及大学 使用v b 、v c 或m a t l a b 开发了一些针对柴油机与液力变矩器共同工作计算与 牵引性能计算的软件与程序【5 6 “2 1 。这些软件主要针对液力传动车辆或推土机， 它们在计算时把柴油机附件和液压系统的扭矩消耗当作一个已知的固定值进行 扣除，再进行柴油机与液力变矩器匹配计算，并在共同工作性能计算的基础上 进行牵引性能的计算。它们没有针对装载机这种特殊的工程机械进行更多更详 细的研究，也没有通过装载机牵引性能试验和实际工作循环试验进行详细的验 证。 1 3 课题主要研究内容及意义 本文在借鉴大量的液力机械传动理论已有成果的基础上，结合装载机自身 的技术特点，进行装载机动力匹配的研究，包括以下内容： 1 ) 匹配计算和试验数据处理的理论分析及算法研究。在对装载机液力机械 传动系统进行理论分析的基础上，总结了装载机动力匹配计算的理论依据、计 算流程及评价方法。对于工作循环试验数据，除了进行传统的数据处理之外， 还采用向量化快速算法绘制柴油机运行区域分布云图、使用路谱数据修正柴油 机台架试验数据、使用路谱数据计算工作循环中其它难以直接测量的传动系参 数。 2 ) 开发装载机动力匹配软件。编制相对完善并且具有自主知识产权的装载 机动力匹配软件。该软件除了能够进行详尽的装载机动力匹配计算，还能够快 速处理多达上百万的试验数据，输出具有标准格式的结果和图形，提高用户的 工作效率。 3 ) 装载机动力匹配性能预测及优化。使用自行开发的软件对山东临工 z l 5 0 装载机的两种型号进行动力匹配计算。结合装载机实际的工作情况，选取 四种方案计算柴油机与液力变矩器的共同工作性能，分五种情况计算装载机的 牵引性能，分四种情况计算装载机的加速性能。并通过牵引试验的最高车速和 最大牵引力试验数据验证了软件对牵引性能计算的准确性。最后，通过对这两 款装载机动力匹配计算结果的评价及对比，提出针对这两款装载机的优化方案。 7 山东大学硕士学位论文 4 ) 装载机路谱数据分析。对两款装载机的实际工作循环进行路谱采集，并 对试验数据进行具有工程实用价值的数据处理：分析柴油机运行情况，绘制柴 油机运行区域分布云图，修正柴油机特性曲线，计算装载机工作循环过程中其 它难以通过试验直接测量的传动系参数。 装载机行业竞争日益激烈，如何提高产品的市场竞争力现己成为装载机生 产厂家最关心的问题。装载机通常用于工程建设，缩短工时与节约成本是客户 最关注的问题。因此，装载机生产厂家越来越关注于如何提高装载机的行走驱 动系统的动力性与经济性。目前液力机械传动车辆使用的柴油机大多工作在非 理想的工作区域，未能实现柴油机与液力机械传动系统的最佳匹配【6 3 1 。装载机 的工作环境非常恶劣，外部工作阻力变化剧烈，工作油泵扭矩消耗波动也很大， 所有这些原因都严重影响装载机传动系的性能。本文对装载机液力机械传动系 统进行研究，并编制了一款针对装载机匹配工作的软件，达到了快速计算装载 机动力传动系统及处理工作循环试验数据的目的，无论对于提高匹配工作的效 率还是快速实现柴油机及变矩器的合理选型都具有相当重要的现实意义。 8 山东大学硕士学位论文 第二章装载机动力匹配及试验数据处理的理论与算法 装载机动力传动系统的各部件是相互影响的，必需进行合理的匹配，才能 使装载机具有良好的动力性与经济性。进行装载机动力匹配时，通常需要进行 传动系统性能的理论计算与装载机整车试验分析两方面的工作。 2 1 柴油机与液力变矩器共同工作特性 柴油机与液力变矩器共同工作性能的计算是液力机械传动系统匹配的核 心，需分别建立柴油机与液力变矩器的数学模型，求取它们共同工作时的输入 特性，进而获取它们共同工作时的输出特性。 2 1 1 柴油机数学模型 针对装载机经常处于全油门工作的工作特点，采用柴油机全油门速度特性 曲线进行匹配计算，即柴油机全油门时的功率、扭矩、总油耗、比油耗等性能 参数随转速变化的关系。由于这些变量之间存在一定的内在联系( 公式( 2 1 ) 与公 式( 2 2 ) ) ，在实际使用时，为了简化对已知量的获取，只需获取柴油机的扭矩和 比油耗( 或总油耗) 随转速的变化关系即可。 p = 2 x t x n ( 6 0 x 1 0 0 0 ) k w ( 2 - 1 ) g = g p 1 0 0 0 ( 2 2 ) 现代柴油机通常装有全制式调速器，它的扭矩曲线分为外特性段与调速特 性段两部分，如图2 1 所示。外特性段通常为两边低中间高的弧形曲线，调速 段可近似认为是一条随转速增加迅速减小直线。 9 山东大学硕士学位论文 g z 疑 辑 $ 景 涨 柴油机转速( r m i n ) 图2 1 柴油机扭矩曲线 由柴油机台架实验获取的各项性能试验数据是一系列孤立的点，在计算时 不能直接使用。因为本文在进行匹配计算时采用向量化快速算法，所以需要将 试验数据点进行拟合( 插值) ，以获取更多的数据点，从而提高计算的精度。 在日常的科研实验数据处理中，基于最小二乘法的多项式拟合在各行各业 被广泛的采用，拟合结果也得到广泛认可。但是，多项式拟合并不是万能的， 有一些情况下无论如何调整它的拟合阶数，均无法获取理想的结果。这时，可 采用样条曲线插值，样条插值通常有线性插值或三次方样条插值两种方式( 很多 商业软件都默认采用线性插值) 。在实际的工作中，将拟合后曲线与原始数据点 绘于同一个图形上，通过改变算法并观察图形，找出较优的拟合( 插值) 算法。 图2 2 是某1 7 5 k w 柴油机的速度特性曲线，其中：扭矩曲线外特性段是采用5 次多项式拟合，调速段采用线性拟合；比油耗曲线的外特性段与调速段均采用 三次方样条插值；功率曲线是根据转速与扭矩数据按照公式( 2 1 ) 进行计算获取 的。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 9 5 1 5 6 至1 1 7 瓣7 8 蚤3 9 0 , _ , 1 0 0 0 善8 0 0 凶6 0 0 耄4 0 0 2 0 0 0 i 蠹 _ _ - 一- - 一，i _ h - 一_ 卜- - 一- 。_ - k ： 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 02 2 0 02 4 0 0 柴油机转速( r r a i n ) 图2 2 柴油机速度特性曲线 4 0 0 买 3 5 0 善 3 0 0 蕊 2 5 0 娶 2 0 0 冬 1 5 0 2 1 2 液力变矩器数学模型 液力变矩器具有小范围自动变速的功能，外界负载大时减速增矩，外界负 载小时增速减矩。对于装载机动力匹配，通常采用稳态下的原始特性进行计算。 在国内，液力变矩器的原始特性通常采用泵轮的变矩比k 、效率r 与泵轮扭矩 系数屯( 或千转扭矩嘤) 随变速比i 的变化关系来表示。泵轮扭矩系数矗通常 用于理论研究，在实际工程应用中使用较多的是千转扭矩璁，即变矩器泵轮 转速为1 0 0 0 r m i n 时，泵轮吸收的扭矩，可通过试验直接获取，不需要换算。 泵轮扭矩系数与千转扭矩之间的关系可由公式( 2 3 ) 进行描述。 m b g = p g 无b d x 1 0 6 ( 2 3 ) 式中，m b g 为变矩器泵轮千转扭矩；p 为液力变矩器工作油密度；g 为重 力加速度；飞为泵轮扭矩系数；d 为变矩器有效直径； 与柴油机性能数据的处理方法类似，需对离散的变矩器性能数据点进行拟 合( 插值) 。在软件中可选择多种拟合算法，主要有多项式拟合、线性插值与三 次方样条插值三种算法。在实际计算时，在同一图形中同时绘制拟合结果曲线 与原始数据点，通过观察选择合适的拟合算法。图2 3 即为某单涡轮变矩器原 始特性曲线，图中三条曲线均采用线性样条插值的方式获取( 由于数据点充足， 故线性插值的结果也比较理想) 。 山东大学硕士学位论文 变矩器变速比 图2 3 某单涡轮变矩器原始特性曲线 斗 簿 誉 高 2 暑 2 1 3 柴油机与液力变矩器共同工作输入特性计算 柴油机与液力变矩器共同工作输入特性就是在不同的变矩器变速比下，柴 油机与变矩器共同工作时，液力变矩器输入端( 泵轮) 的转速与扭矩。共同输入 特性计算流程如图2 4 所示。 1 2 柴油机数变矩器数 学模型学模型 00 扣除附件及油 计算变矩器输 泵扭矩消耗 入特性 士 中间变速装置 的转换 j _ 到达泵轮输入 泵轮负荷 端的扭矩曲线 抛物线 图2 4 柴油机与液力变矩器共同工作输入特性计算流程 对流程中主要步骤说明如下： 山东大学硕士学位论文 1 ) 扣除附件及油泵扭矩消耗 柴油机的附件及装载机液压系统的三个主要油泵c - 作泵、转向泵与变速泵) 都是由柴油机直接驱动的，这些都会消耗柴油机的扭矩。因此在进行共同工作 输入特性计算时，需扣除扭矩消耗，获取柴油机到达变矩器泵轮端的净扭矩。 为了简化计算，将扭矩消耗分两个部分来考虑，即驱动柴油机附件需要的扭矩 1 b a 与驱动三个主要油泵需要的扭矩t p t o 。 柴油机附件的扭矩消耗t b 。与柴油机的转速有关，可由实验数据进行拟合 ( 插值) 获取。如果没有实验数据，通常也可以直接扣除额定扭矩的1 0 作为附 件扭矩消耗。 驱动三个主要油泵所需的扭矩t p t o 可采用公式( 2 - 4 ) 与公式( 2 5 ) 计算，t i , t o 为三个主要油泵扭矩消耗之和。 尥2 丽p q r l ( 2 - 4 ) 乃加= m + m 2 + 坞 ( 2 - 5 ) 式中，丝为油泵扭矩消耗( n m ) ；p 为油泵工作压力( b a r ) ；q 为油泵排量 ( m l r ) ；r 为油泵总效率；仉为油泵容积效率；f 。为柴油机驱动轴与油泵驱动 轴之间的传动比；m 一坞分别为工作泵、转向泵和变矩泵的扭矩消耗( n m ) 。 2 ) 中间变速装置的转换 柴油机与液力变矩器之间可能还存在一个中间减速器，这时需要对柴油机 的扭矩与转速采用公式( 2 - 6 ) 进行修正。 t 刀毒? i x r i 弘6 ， = 互 r 吖 式中， ”为柴油机经中间减速器后的转j 塞( r m i n ) ；t 为柴油机经中间减 速器后的扭矩( n m ) ；f 为中间减速器的变速比；叩为间减速器的效率； 目前，国内绝大部份装载机均没有采用中间传动装置，故在计算时可直接 忽略此项。 3 ) 计算液力变矩器的输入特性 液力变矩器的输入特性是反映不同变速比时，泵轮吸收的扭矩m 占随泵轮 转速变化的规律，可采用公式( 2 7 ) 计算。 山东大学硕士学何论文 m b = 厶p g 嵋 ( 2 7 ) 式中：m b 为泵轮负荷扭矩( n m ) ；p 为变矩器工作油密度( k g m 3 ) ；g 为重 力加速度( 1 “s 2 ) ；九为泵轮转矩系数( m i n 2 ( m r 2 ) ) ；为泵轮转速( r m i n ) ；d 为 泵轮的有效直径( m ) 。 因此，对于给定的液力变矩器( d 一定) 与给定的工作油液( p 一定) 在给定的 工况( 如一定) 下，液力变矩器的输入特性曲线是一根通过坐标原点的抛物线， 即公式( 2 8 ) 。 m b = c 2( 2 - 8 ) 式中：c2p 9 2 b d 5 ，在确定工况下c 为常数，为泵轮转速。对于穿透性液 力变矩器，由于泵轮转矩系数随不同的工况而变化，液力变矩器的输入特性曲 线为过原点的一束抛物线，抛物线的宽度由的变化幅度决定。 在进行匹配计算工作时，变矩器厂家通常不提供泵轮转矩系数，而是直接 提供变矩器的千转扭矩憾，这时，可采用公式( 2 9 ) 进行计算液力变矩器的输 入特性。 m b = m b s 2 1 0 6 ( 2 - 9 ) 4 ) 求取两曲线的交点 共同工作的必要条件是：柴油机输出到液力变矩器的净扭矩和转速与液力 变矩器泵轮端的扭矩和转速相等。因此，根据柴油机到达泵轮端的净扭矩曲线 和液力变矩器负荷扭矩抛物线，求出两曲线的交点，即可求出工同工作时的泵 轮转速与扭矩。 两曲线的交点的求取，传统的做法是，即将两曲线通过多项式拟合，再采 用解析算法计掣6 4 1 。这样会存在两方面的问题：一是对实验数据进行多项式拟 合时，不一定能获取理想的拟合结果，如果拟合后的曲线与实际情况偏离很远， 即使获取解析解也是没有意义的；二是假设多项式拟合结果比较理想，理论上 能获取比较精确的解，但仍然存在计算速度慢，效率低的问题。本文采用的 m a t l a b 进行编程，m a t l a b 对数值及矩阵运算速度很快，对符号运算( 即求解析解) 效率较低。因此，在文献6 5 1 的基础上，本文提出一种改进的算法。该算法基本 原理参见图2 5 ，现对算法说明如下： 1 ) 根据具体的实验数据点选择最佳的拟合或插值算法，获取向量m a t r i xx 对应的向量m a t r i x _ y 。这样，就可以使用向量m a