（机械电子工程专业论文）推土机用发动机动力性能与传动形式研究.pdf

摘要 本文主要研究了变负荷工况对发动机性能的影响及推土机用发动机动力储 备性能现行评价指标扭矩适应系数j 0 和转速适应系数墨，指出j 0 和巧在 反映发动机的动力储备性能时不够全面，并进一步提出了新的动力储备性能综合 评价指标动力储备系数定；分析对比了目前推土机所采用的各种传动系统， 重点研究了液力传动和液压传动及其在推土机上的应用，并从结构、控制、效率、 牵引性能以及制造成本等各个方面对液力传动推土机和全液压推土机做了详细 的对比分析；研究了推土机的关键技术参数滑转率、牵引比和比功率，在理论上 证明了推土机额定滑转率的选取与其所采用的传动形式没有直接的关系，并指出 全液压推土机的牵引比和比功率一般要高于液力机械推土机，且随着发动机功率 的增大，其牵引比均成下降趋势；分别确定了全液压推土机和液力机械推土机牵 引比和比功率的取值，可作为其设计的理论依据；以t 0 1 5 0 c 全液压推土机为样 机，从理论和试验两个方面对全液压推土机进行了匹配理论研究，并通过牵引性 能试验数据分析、研究了1 q 1 5 0 c 样机各档位参数匹配情况，发动机工作点匹配 情况以及泵马达控制信号 关键字；推土机发动机动力性能传动系统滑转率 牵引比比功率匹配牵引性能 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo ft h em u t a t i v el o a do p e r a t i n gm o d eo nc 丑咖，s p r o p e r t ya n dt h ep r e s e n te v a l u a t i o nc r i t e r i o n ( t h ec h a r a c t e r i s t i cf a c t o ro ft o r q u e - l o a d 以a n d t h ea c c o m m o d a t i o nf a c t o ro fs p e e d ) o fe n g i n c v sp o w e rr e s t i v ep r o p e r t yf o r b u l l d o z e ra r e m a i n l y r e s e a r c h e d i ti s p o i n t c d o u t t h a t 墨a n d 墨啪t c o m p r e h e n s i v e l y r e f l e c t e n g i n e sp o w e rr e s e r v ep r o p e r t y t h c r e f o an e w c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n ( p o w e r 佗s c cf a c t o rk ) o fp o w e rg e s e r v e p r o p e r t y i s s u g g e s t e da n df o r m u l a t e d t h r o u g ht h ec o m p a r ea n da n a l y s i so ft h e t r a n s m i s s i o n t y p e o ft h e p r e s e n tb u l l d o z e m ，h y d r o s t a t i c t r a n s m i s s i o na n d h y d r o d y n a m i ct r a n s m i s s i o na n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nb u l l d o z e ra r es t u d i e d , a n d h y d r a u l i cb u l l d o z e ra n dh y d r o - m e c h a n i c a lb u l l d o z e ra r ec o n t r a s t e da n da n a l y z e d d e t a i l e d l yi ns t r u c t u r e ，c o n t r o l , e f f i c i e n c y , t r a c t i o np r o p e r t ya n dm a n u f a c t u r ec o s te t c t h ek e yp a r a m e t e r so f b u l l d o z e r , s l i pr a t i o , f o r c e - t o - w e i g h tm t i oa n dp o w e r - t o - w e i g h t r a t i o a r er e s e a r c h e d i ti sp r o v e di nt h e o r yt h a tt h es e l e c t i o no fr a t e ds l i pr a t i oo f b u l l d o z e rh a sd o n ew i t ht h et r a n s m i s s i o nt y p eo fb u l l d o z e li ti sp o i n t e do u tt h a tt h e f o r c e t o - w e i g h tr a t i oa n dp o w e r - t o - w e i g h tr a t i oo fh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r i sb i g g e rt h a n t h a to fh y d r o m e c h a n i c a lb u l l d o z e r , a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fe n g i n ep o w e r , t h e f o r c e t o w e i g h tr a t i oo fb o t hw i l ld e c l i n e i ti sc o n f i r m e ds e p a r a t e l yt h a tt h em e a n so f f o r c e t o w e i g h t r a t i oa n d p o w e r - t o - w e i g h t o f h y d r o s t a t i c b u l l d o z e ra n d h y d r o m e c h a n i c a lb u l l d o z e r , w h i c hw o u l db et h e o r e t i c a lb a s i si nd e s i g n t a k i n gt h e h y d r o s t a t i cb u l l d o z e rt q l 6 0 ca s t h cp r o t o t y p e ，t h em a t c ht h e o r yo fh y d r o s t a t i c b u l l d o z e r sa r er e s e a r c h e db yb o t hw a y so ft h e o r ya n d p r a c t i c e t h r o u g ht h ea n a l y s i s o nt h ed a t ao ft r a c t i o np r o p e r t yt e s t , t h ep a r a m e t e rm a t c ho fe a c hg r a d eo ft q l 6 0 c , t h em a t c hp o i n to fe n g i n ea n dt h ec o n t r o ls i g n a lo fp u m p sa n dm o t o r sa r es t u d i e d k e y w o r d s ： b u l l d o z e r e n g i n ep o w e rp r o p e r t y s l i pr a t ef o r c e - t o - w e i g h tr a t i op o w e r - t o - w e i g h tr a t i om a t c h t r a n s m i s s i o ns y s t e m t r a c t i o np r o p e r t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢籽馐 。年；月，3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名 ：芬荔纭 ， 飞” 口。年；a 弓b ，l 矩) 月日 第一章绪论 1 1 履带式推土机研究的背景及意义 推土机是以工业拖拉机或专用牵引车为主机，前端装有推土装置，依靠主机 的顶推力，对土石方或散状物料进行切削或搬运的铲土运输机械。推土机在建筑、 筑路、采矿、油田、水电、港口及国防等各类工程中，均获得十分广泛的应用。 自改革开放以来，国内市场对工程机械的需求量迅速增加，尤其是随着西部 大开发及国家基础设施建设步伐的加快，为我国工程机械行业的发展提供了难得 机遇。从销售情况看，1 9 9 6 到2 0 0 0 年合计销售推土机1 5 8 6 0 台，2 0 0 1 年销售推 土机3 5 0 0 台，2 0 0 2 年共销售推土机3 7 6 8 台，2 0 0 3 年达到5 0 0 0 多台，2 0 0 4 年 在宏观经济调控下也有4 0 0 0 多台“十一五”期间，国家将继续实施扩大内需的 宏观经济政策，基础设施建设还将是国民经济的热点，预计在近几年内推土机需 求将保持在年销售量3 6 0 0 - 5 0 0 0 台面对这种形势，国内各推土机生产企业都在 扩展产品种类，采用一些先进的技术来开发自己的产品或通过引进国外先进技术 来提高产品质量，并取得了一些令人满意的成就但是我们也应看到，自身和国 外先进水平存在较大差距，即使我们现有小部分产品水平达到了国际先进水平， 但这些产品的一些关键技术仍掌握在国外企业手中。 上个世纪八十年代以来，通过引进、消化、吸收，我国机械式、液力机械式 推土机从制造能力、生产规模、技术水平上基本接近或达到了国外同类产品水平， 但是近年来随着机电液一体化技术的长足发展，传统机械式、液力机械式推土机 操作繁琐，劳动强度大、生产效率低、系统故障多等缺点已使其不能很好的满足 生产作业的要求，发展智能型推土机已是大势所趋。随着科学技术的不断发展， 液压传动愈来愈显现出强大生命力，国外液压传动技术日趋成熟，在推土机上的 应用愈来愈多，大有取代传统传动形式的趋势。我国在作为推土机智能化基础的 液压传动方面的研究刚刚起步，理论研究基本处于空白状态，而国外推土机液压 传动理论和技术都处于保密状态。目前国内个别厂家生产的全液压推土机基本上 是模仿国外产品，由于缺乏理论支持，发动机与液压传动系统的匹配和整机牵引 性能远远不能满足推土机作业要求，其动力性和经济性与国外差距甚远 1 1 1 我国推土机的发展史 ( 1 ) 修造阶段 建国初期，我国尚无能力设计制造推土机这样的重型机械，在很长一段时问 内仅能在修理国外履带式拖拉机的过程中制造所需的零配件。 1 9 5 8 年天津建筑机械厂终于在前苏联斯大林舳履带式拖拉机的基础上成功 地研制出了推土工作装置，这就是我国的第一台推土机，并赋予了一个响亮的名 字一“移山履带式推土机”伽这就是我国履带式推土机的雏形，也是在 相当长的一段时间内国内推土机赖以成长发展的基础这时期的机型还有红旗 8 0 、红旗- 1 0 0 、移山- 1 0 0 。 ( 2 ) 仿制改进阶段 计划经济体制决定了当时推土机供不应求的市场状态，于是进口了一定数量 的推土机，这也给国内推土机厂家带来了研究的样机，同时也使我们初步领略到 了日、美、英、法等国先进的推土机技术，并开始探讨借鉴进口产品的技术来改 进当时现有推土机的部分结构，逐渐形成了一支科研开发的专业技术队伍 随后以法国c d - 8 c 、英国挑战者3 3 以及后来日本小松的d 8 0 a - 7 、d 8 0 a - 1 2 、 d 8 0 a - 1 5 为样机设计开发出了1 2 0 p s 、1 4 0 p s 、1 5 0 p s 等不同功率的履带式推土 机。同时也相继产生了1 2 个推土机生产厂家，逐步开发了低比压推土机、推扒 机、通井机和吊管机等专业变形设备，而此时的推土机结构也有了较大改进洲 ( 3 ) 引进消化阶段 改革开放给我国推土机行业带来了空前的良好发展机遇，从7 0 年代末至今， 已引进推土机技术近1 0 个系列1 6 个基本机型( 如表1 1 所示) 表1 1 推土机引进机型 厂家引进机型 山东推土机总厂日本小松d 8 5 a - 1 8 、d 8 5 a - 2 1 黄河工程机械厂b 本小松d 8 0 a - 1 8 天津建筑机械厂日本小松d 6 0 a - 8 、d 6 5 e - 8 、 d 6 0 e _ 8 、d 6 0 p - 8 、d 6 0 p l - 8 鞍山红旗拖拉机厂美国卡特d 6 d 、德国利勃海尔 p r 7 3 2 、p r 7 4 7 、p l 订5 l 、p r 7 6 1 宣化工程机械厂美国卡特d 6 d 上海彭浦机械厂美国卡特d 6 d 、日本小松 d 1 1 5 a - 1 青海工程机械厂美国卡特d 7 g 这些技术的引进，不但给我国推土机产品带来了崭新的技术和先进的专业标 准，而且通过各种方式接触到了先进的制造技术、工艺手段、材料品种、检测手 段以及全面质量管理等万面的内容，在消化这些技术的同时为我们的技术改造提 供了很大帮助并实现了引进技术的国产化此后，不仅在国内建立了专业零部件 2 的配套生产厂家及新材料研究生产基地，同时也相应地带动了其他产业的发展。 这些技术的引进使液力机械传动技术在我国很快成熟并成为主流的传动形式。”。 到目前，引进日本小松技术的产品国产化率已达9 0 以上。近几年我国推土机的 产量基本满足国民经济建设的需要。据统计目前国产中小功率推土机的市场占有 率为9 1 ，进口9 ，有效地降低了中小功率等级推土机的大量进口。 1 1 2 推土机国内外发展现状 1 我国推土机发展现状 ( 1 ) 我国推土机生产企业的现状 我国推土机行业现有生产企业约2 0 家左右，主要生产企业分别是河北宣化 工程机械股份有限公司、山东山推工程机械股份有限公司、上海彭浦巨力工程机 械有限公司、陕西黄河工程机械集团有限责任公司、中国一拖( 集团) 有限公司、 天津建筑机械厂，徐工集团徐州装载机厂，内蒙古第一机械制造( 集团) 有限公 司工程机械厂、三一重工股份有限公司、郑州郑工机械集团有限公司、鞍山第一 + 工程机械股份有限公司、天津鼎盛集团青海工程机械厂、广西柳工机械股份有限 公司，沈阳桥梁厂其中除三一重工为民营企业外，都属国有大型股份制企业 二劳女 上述企业生产的推土机均集中在中小功率等级范围内，大多都在2 0 0 k w 以 下。而1 6 5 马力以下的推土机销售，宣工占了近6 0 的市场份额，2 2 0 马力的中 型推土机山推占近6 0 ，而3 2 0 马力大中型产品6 0 由彭浦机器厂占领 一。 ( 2 ) 我国推土机的技术状况 目前国内履带式推土机已形成一定生产规模，研制水平有了长足进步，不仅 基本上满足了国内市场的需要，而且已打入国际市场但与世界先进水平相比还 有较大差距。产品技术水平低、可靠性较差、规格偏小，多数在2 0 0 k w 以下 近年来，各企业新产品开发力度明显加大，变型产品越来越多，技术水平得到不 断提高，各企业在系列化、多功能化方面有了很大的发展。 ( 3 ) 我国推土机行业存在的问题 1 ) 两级发展不够 如前所述，我国推土机均集中在中小功率等级范围内，超小型和大型、甚至 超大型功率机种较少，而对于像三峡工程、黄河小浪底水利枢纽工程所需的大型、 超大型推土机产量太少，部分还需依靠进口美国卡特彼勒公司和日本小松公司 的推土机产品从大到小有2 0 余个基本系列卡特的d 11n 推土机功率为 5 7 5 k w 、自重8 8 1 ，小松的d 5 7 5 a - 2 推土机的功率为8 5 8 k w 、自重1 5 0 t ，是目 前世界上最大的推土机嘶1 2 ) 技术发展水平相对滞后，研发力度不够 我国7 0 年代末至年代初引进的产品在转让厂家1 0 年前的产品目录中已 难以找到，但在我国还存在一定市场，虽然通过消化吸收，国内大多数液力机械 推土机的各项技术基本上已经达到了国际水平，而且近几年也出现了带电子监 测、监控和静液压等具有世界先进水平的产品但尚处在小批量的试制阶段目前 像小松、卡特这些国际工程机械强手除利用先进的结构外已大量应用微电子技 术、传感技术、信息处理技术、数字技术和自动控制技术在提高推土机的可靠性 实现工作状态监测监控，故障诊断、节能，操纵智能化和环境保护等方面取得了 可喜的成果嗽】。 由于前些年我国一直停留在引进产品的消化吸收上，缺乏对推土机的基础性 研究和技术创新，因此同世界先进水平相比至少相差1 5 年的时间，而且有进一 步拉大的趋势。 3 ) 质量差、可靠性差 我国推土机的平均无故障工作时间( m t b f ) 只有2 5 0 旬5 0 小时，可靠性差， 平均寿命( 第一次大修期) 是在5 0 0 0 , - 6 0 0 0 小时，而卡特和小松的推土机平均无 故障时问为5 0 0 - 6 0 0 小时，平均寿命达1 0 0 0 0 - 1 2 0 0 0 小时叫1 ，国产推土机很难满 足现代工程高质、高效、快捷、低成本的施工要求。 4 ) 外观造型设计缺乏 目前，我国许多推土机产品在外观造型方面出现了和国外产品不同程度的雷 同，已经严重影响到中国推土机产品在世界范围内的综合竞争力，一些可能涉及 知识产权问题的产品无法跨出国门参与国际竞争，甚至在国内市场也会因此类问 题而影响销售。 5 ) 缺乏配套件及相关工业的有力支持 发动机、液力变矩器、动力换档变速箱、缸、泵、阀、密封件、四轮一带、 摩擦元件、电器仪表等专业性强的零部件需专业协作配套，虽然在引进之后建立 一些网点，但真正形成规模、上档次的却寥寥无几，在品种、产量、质量上都不 能满足行业发展和用户需要瞰1 ( 4 ) 静液压推土机国内研究概况 目前，国内非静液压履带式推土机已初步形成一定生产研制水平，且有了长 足的进步，但静液压推土机研究还处于研发起步阶段，与世界先进水平相比还有 4 较大差距。国内有鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心正在从事静液压推土 机电液控制系统和静液压推土机大流量、高压力变量泵、变量马达研制工作；宣 化工程机械厂在研究静液传动技术在履带推土机上的应用；黄河工程机械集团技 术中心也正在从事静液传动技术研究与应用；三一重工最近也在研制全液压推王 机。其中以鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心取得的技术最完善其曾早 在1 9 9 6 年就与德国利勃海尔合作开发全液压推土机，并引进了三个系列多种规 格利勃海尔推土机制造技术1 9 9 7 年7 月出p r 7 5 1 样机，1 2 月出p r 7 4 2 样机， 1 9 9 8 年5 月出p r 7 3 2 样机，且p r 7 5 1 推士机在1 9 9 7 年实现国产率达6 0 ，9 8 年实现国产化率8 0 ，2 0 0 0 年实现国产化率9 0 ，鞍山第一工程机械股份有限 公司是国内最早生产、研发全液压推土机的工程机械厂家嘲 2 国外推土机的技术水平 ( 1 ) 国外推土机的新技术 1 ) 采矿铲土运输技术系统m e t s 卡特彼勒的采矿铲土运输技术系统m e t s 包括多种多样的技术产品，如无 线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制等装置，由以 下三部分组成：( 1 ) 计算机辅助铲土运输系统( c a e s ) , ( 2 ) 关键信息管理系 统( v 】m s ) ；( 3 ) c a e so f f i c e 软件。 2 ) 电子控制发动机 采用了液压驱动式电子控制喷射系统该系统根据推士机作业负荷的变化， 在数百分之一的时闻内对发动机发出最适宜的工作指令，使燃油以最适宜的喷油 压力、时刻、持续时间和油量及形态进行喷射，达到改善排放指标、降低噪声、 降低燃油消耗、提高机械可靠性、延长机器寿命、提高机械维修性等目的啪1 3 ) 自动变速器 利用负荷传感和数字处理技术，根据推土机全方位的传感反馈信息进行自动 协调控制，可获得比传统的“液力变矩器+ 行星变速箱”更高的传动效率不但 高效区的变速范露广，能保证发动机始终在最佳转速范围内工作。而且可有效避 免变矩器在失速状况下工作系统可根据推土机的作业负荷实现自动变速，生产 率可提高1 0 - - 2 0 。单位燃油生产率能提高2 4 嘶】。 4 ) 静液压转向系统 静液压转向系统是由装在后桥内的左右两个行星差速机构和变量泵、液压马 达组成。其突出优点是：转向时不切断内侧履带的动力，可充分利用整机重量和 ， 发动机功率，减少履带滑转和制动的功率损失，在弯道上推土和直线推土效果一 样。通过对泵排量的控制可实现回转半径的无级选择。转向时无附加的履带滑转， 不会破坏地面，在松软的地面也具有良好的转向作业性和通过性 5 ) 静液压传动系统 左右驱动轮分别由“液压马达+ 轮边减速器”驱动，免去繁杂的传动系统。 机械结构大为简化，转向时两侧履带都由动力驱动，因此可实现坡道和转向时推 土，若两侧马达正反转即可实现推土机原地转向。由于可方便地简化操纵程序， 提高操作自动化程度，理论上静液压传动推土机的生产率最高。l i e b h e r r 公司曾 对同等功率等级的全液压推土机和液力机械推土机进行对比试验，前者可节能 1 0 ，传动效率和生产率分别提高2 5 和1 5 - 2 5 。“。 ( 2 ) 静液压推土机国外研究情况 对于静液压推土机，国外研发商主要有利勃海尔( l i e b h e r r ) 、约翰迪尔( j o h n d e e r e ) 、n e w h o l l a n d 、美国卡特彼勒。 l i e b h e r r 公司生产的静液压推土机结构简单，易于维修；通过柴油发动机转 速传感器信号来控制行走液压泵，可最优利用发动机功率，防止发动机过载，每 条履带都由电控变量柱塞马达单独驱动，提高了机动性；行走台架减震悬挂，安 在枢轴上的弹性结构和平衡梁能有效吸收震动，运转平稳；重心低，行驶稳定性 好；工作装置外形合理，结构坚固；通过l i t r o n i c 电子智能装置对整个系统和液 压装置进行自动控制嘲。 j o h nd e e r e 公司开发了建设、林业、园艺工程，用h 系列静液压推土机取代 了1 3 4 k w 以下的g 系列履带推土机，h 系列标准型为4 5 0 ，它装备加长履带， 接地比压较低；采用液压变速装置，用单手柄完成操纵和转向控制，可实现无级 变速，通过电子智能装置对整个系统和液压装置进行自动控制嘲 n e wh o l l a n d 公司也是世界上静液压推土机的重要生产商和研发商，它的产 品装备长履带，低重心。带有减速器的静液传动使得动力能适应推土机转向，能 改善推土机直线和斜坡推土能力嘲 1 2 课题的提出 如前所述，国内推土机的研究较低，还停留在引进、吸收、消化阶段，液力 机械推土机的研制水平也是在最近几年才基本接近国外水平，而静液压传动在推 土机这样的牵引型机械行走系统中的应用才刚刚开始，研究起步很低，这就需要 在充分理解传统推土机发动机与传动系统匹配理论的基础上进行，对比不同传动 6 方式在推土机上应用的异同点，主要表现在： ( 1 ) 由于推土机自身的工况特点，其负荷总是处于剧烈的波动当中，这种 负荷的波动传递到发动机上将会使得发动机工况变得十分恶劣，进而影响到发动 机的动力性和经济性，如何降低这种影响以及发动机在这种变负荷工况下的适应 能力及其评价指标都是需要重点研究的内容； ( 2 ) 对于负荷剧烈波动的推土机而言，提高机器综合性能的根本途径是进 行传动技术的研究，不论采用何种传动方式，最大限度地提高推土机动力性和经 济性，保证推土机有最大作业生产率都是其最终目的，那么究竟何种传动方式最 适合推土机，在目前技术水平下应该采用何种传动系统，能否最大限度满足推土 机动力性、经济性、作业生产率的要求，这是我们需要进一步研究的问题； ( 3 ) 推土机滑转率、牵引比和比功率等关键技术参数的选取对发挥整机的 性能有着重要的影响，不同的传动系统是否会影响额定滑转率的选择，牵引比和 比功率的取值是否与传动形式有关，这都需要对液力机械推土机与全液压推土机 进行对比、分析，以最终确定这些关键参数的合理取值； ( 4 ) 全液压推土机发动机与传动系统的匹配及控制理论研究是个全新的课 题，我们可以通过样机从理论和实验两个方面来作一些初步的探讨 因此，开展这些有关推土机发动机与传动形式的研究具有非常积极的意义 1 3 本文主要研究内容 1 、对国内外推土机技术水平、发展历史与现状以及相关专利技术进行调研； 2 、推土机用发动机( 柴油机) 动力性能研究； 3 、推土机传动形式研究、对比； 4 、推土机关键技术参数滑转率、牵引比和比功率研究； 5 、全液压推土机匹配研究； 6 、推土机野外牵引和载荷试验分析研究。 李 第二章推土机用发动机动力性能研究 2 1 推土机用发动机的特点 2 1 1 负荷工况特点 推土机属于循环式作业机械，其作业循环包括切土、运土、卸土和返回四个 工序，其作业循环是从切削和采集土壤开始的，当铲刀前方集满土后，铲刀稍微 提起，停止切入，随即将堆积起来的土推移一定距离至卸土地点，然后卸土，用 倒档回驶到工作面，接着重新开始新的循环 图2 1 显示推土工作循环中切线牵引力的变化情况。在切土和采集土壤时， 工作阻力迅速上升到它的最大值，载荷出现峰值，在随后的运土工序内，工作阻 力一直保持较高的数值且呈现剧烈的波动性，只是在运土工序末尾，由于在推土 过程中集土的损失，才稍有下降。 f k ，t 5 l 0 ，、p 4 l，- ，、n 一 1 空栏71 ，切t 运土 1 1 空程回e 7 j 7 一 ， k，一一 图z 1 推土机切线牵引力在工作循环中的变化情况 在整个切土和运土过程中，发动机的负荷程度较高，载荷呈周期性急剧变化， 经常遇到超负荷工况，如推土机铲刀铲土过深或是遇到树根时，使发动机转速急 剧下降，甚至引起行走机构完全打滑或使发动机发生强制性熄火锄。 m e “e 瞒) l 1 2 0 8 0 4 0 0 1 tj - rxi 土 1 纠- t 7 、厂 f ur 。| nnf l) 、j lv 一j 4 81 21 62 02 4 2 8 3 2t ( s ) 图2 2 推土机发动机转矩在工作循环中的变化情况 图2 2 是发动机扭矩在切土、运土，卸土工序中的变化情况，从图中可以看 到，切入和集土阶段，发动机扭矩频频出现短时问的峰值载荷，这种峰值载荷在 集土阶段末尾可超出发动机额定扭矩2 0 - 3 0 在卸土时，常常由铲刀深深切 入以前推集的土壤之中而引起发动机负荷的急剧增长，这种峰值载荷，甚至将超 s 出发动机额度扭矩4 0 - - 6 0 o 】。 推土机卸土后，阻力迅速下降到零，而在随后空程回驶的工序中推土机所需 克服的工作阻力仅是机器的行驶阻力，它在数值上是很小的( 见图2 1 ) 。尽管在 回驶时采用高速档，然而由于速度的限制，发动机负荷程度仍然很低。在急剧的 变负荷工况下，发动机实际上不能输出最大功率，功率利用情况大大恶化。 综上所述，推土机与其他的工程机械如摊铺机等有很大的差别，使得推土机 对其所采用的发动机( 柴油机) 提出了较高要求，从使用环境和整机负荷特点可 以将其分为一般要求和特殊要求。 2 1 2 一般要求 ( 1 ) 推土机作业环境恶劣，空气中含粉尘量较大，可高达1 5 2 o g m 2 ，为 此要求发动机配有效率高、容量大，阻力小的空气滤清器，以减少机件磨损，提 高发动机的使用寿命，一般应采用二级或三级空气滤清器，并应有自动排尘装置； ( 2 ) 作业场地多为凹凸不平，使推土机底盘承受很大的冲击和振动，并传 给发动机，因此要求发动机机体有较大的刚度和强度，附件的连接要可靠； ( 3 ) 作业场地会有较大的倾斜，为保证在倾斜场地能可靠的工作，要求发 动机的润滑系、冷却系、燃油供给系、曲轴前后端密封等采取相应的措施； ( 4 ) 使用条件变化大而复杂，我国国土辽阔，幅员广大，因而要求发动机 应对各种使用条件具有良好的适应能力，发动机的润滑系、冷却系、燃油供给系 都必须采用特殊的措施m 2 1 3 特殊要求 ( 1 ) 对功率选择的要求 推土机承受脉冲负载，即负载从零突然增至满载，随后又突然卸载，作业载 荷复杂多变，呈急剧变化，故发动机功率选择应适当( 一般选择1 2 h 功率) ，并 应有一定的储备，最好是选用恒功率发动机 ( 2 ) 对发动机速度特性的要求 推土机作业时，负荷变化大且急剧，还常会出现短期超载的情况超载时， 发动机处在外特性的速度特性段工作，故转速波动量较大为提高发动机克服短 期超载的能力，除最大扭矩应满足要求外，还要求有足够大的扭矩储备率和转速 适应性系数，以使其扭矩储备较大，工作转速范围较宽 ( 3 ) 对扭矩储备系数的要求 扭矩储备系数是衡量工程机械用发动机的重要动力性指标。扭矩储备系数越 叠 大，发动机随转速的降低，其扭矩增加越快，这样可在不换档的情况下，加强克 服短期超载的能力。履带式推土机要求为2 0 - - 4 0 ，一般不应小于1 5 嘲 ( 4 ) 对转速适应性系数的要求 发动机转速适应性系数的大小，不仅可以表示克服同等阻力所需要的时间长 短，而且也能表示克服阻力潜力大小发动机转速适应性系数越大，表明它克服 相同负荷所需要的时阃越长，它既有较大的潜力可以克服外界阻力，又可在不能 克服外界阻力时，给司机有较长的时间换档否则，会因时间太短，来不及换档 而使发动机熄火。一般而言，转速适应性系数应不小于1 3 1 7 田 ( 5 ) 对发动机负荷特性的要求 为节约燃料和能源，提高推土机的经济性，推土机对发动机的负荷特性要求 是：最低耗油率越小越好，而耗油率曲线越平坦越好，以使发动机在较宽的负荷 变化范围内都能获得良好的经济性啪 ( 6 ) 对发动机调速特性的要求 由于推土机工作负荷变化大，作业工况变化频繁，为保证其负荷在较大的变 化范围内以稳定的速度作业和减少因外界负荷变化而换档的次数，提高生产率， 要求发动机在任何工况下，都能随负荷变化自动调节油量，以保持转速稳定，因 此发动机应具有全程式调速特性。此外，还可在不换档的情况下，通过改变调速 手柄的位置来改变发动机的工作转速和功率，同时也相应改变了推土机的作业速 度和负荷，即发动机由某一条调速特性曲线转到另一条调速特性曲线上工作剀 2 2 负荷工况对发动机性能的影响 2 2 1 发动机在动态负荷下的性能 n 。- 、 札 | 、| t | i | 氐 、 扯神 9 0 6 0 4 0 舯 0 专 ? ， 0 a ：、一 i i 一调遣外特性 i 曰归线 7 0 08 0 0 9 0 01 0 0 01 1 0 0m 坤吣 2 0 0 l 6 0 08 0 0 l o x ) m 扛神 图2 - 3 发动机调速外特性圈2 4 铲土过程中发动机转矩与转速的相关关系 根据文献【l 】，通常通过台架试验，可以测得发动机静态调速外特性如图2 3 所示，h ，m 。， 0 ，以分别为喷油泵供油拉杆( 油门) 的位移，输出转矩，功 率，转速。然而由于推土机工况复杂，在负荷急剧波动的动态过程中，发动机的 输出转矩和转速不可能按台架试验所确定的外特性进行变化。1 。其工作状态的波 形图围绕在m 。一n 。静态特性附近的散点图形如图2 4 所示。如用两段回归线分 别表示发动机调速和非调速区段肘。一栉。的平均统计关系，则可看到各转速下的 转矩平均值均低于发动机的静态特性这表明，由于发动机和传动系惯性引起了 瞬时输出转矩和转速偏离其静态特性，而且推土机在动态负荷条件下，其发动机 的动力性也恶化了。从图中还可以看到平均转矩低于静态特性的情况主要发生 在转速波动较大的非调速区段，而在调速区段这种偏离则较小。 l 、 p i 、 彳 ，。 l _ 连井l 性l 自归墟 l l 圈2 5 铲土工序中发动机输出轴功率和转速之间的相关关系 图2 5 为铲土工序中发动机输出轴功率和转速之间的相关关系。从图中同样 可以看到发动机平均功率低于外特性功率曲线的情况，由于发动机的转速大部分 处于额定转速之下，而且各转速下的平均转矩与静态特性相比也有较大的下降， 这就导致了发动机平均输出功率的大幅度下降。 2 2 2 影响发动机动态性能下降的原因 由前所述，因推土机作业负荷变化大且急剧，发动机的工作条件非常差，发 动机在此种变负荷工况下工作时，曲轴转速有较大的波动，而曲轴转速的波动不 利于发动机燃烧过程的形成和进展，这是因为进、排气过程中气流的惯性、发动 机零件的热惯性的约束以及供油和调速系统的惯性都改变了发动机工作过程的 合理结构。另外，变负荷工况也影响润滑系统的正常工作，使发动机零件承受 附加的动载荷作用，从而加大了发动机的机械损失此外，调速特性的非线性也 会造成发动机的功率利用不足锄所有这些，最终都将使发动机动力性和经济性 下降，发动机的实际平均输出功率和平均比油耗会大大低于它们的额定指标 对柴油机来说，在上述诸方面的影响中，变负荷工况对燃料调节系统工作的 1 l 影响最大，当发动机在稳定工况下运转时，对于每一种曲轴转速，调速器的杠杆 系统和供油齿条的位置都有着完全正确的相应位置，与稳定工况不同，在发动机 曲轴转速急剧变化的情况下，将引起调节系统严重失调“( 见图2 4 ) 调速器和 扭矩校正器的动作，由于惯性的影响而滞后于转速的变化，因而使供油齿条的位 置与供油量不能与发动机的瞬时转速相适应从而致使发动机平均功率下降。 2 2 3 提高推土机发动机动态性能的措施 上述分析结果表明，推土机时刻都在动态负荷条件下工作，因此提高发动机 动态性能的措施可以从以下几个方面着手： ( 1 ) 合理配置推土机动态负荷在发动机调速外特性上的工作点，使之有最 高的平均输出功率。 在波动负荷工况下，推土机平均阻力矩的工作点在发动机调速外特性上的配 置过高，将导致发动机经常转至非调速区段工作，平均输出转矩和转速将大大低 于额定值，从而严重恶化发动机的动力性和经济性指标。反之，平均阻力矩之工 作点配置过低，尽管发动机在调速区间工作转速变化不大，但转矩较低仍会使性 能降低。因此，对应于推土机的动态负荷，应正确配置发动机的最佳工作点啪嘲。 ( 2 ) 改善非校正段的特性即提高转矩适应性系数和转速适应性系数，使 之在波动载荷下转速变化较小，考虑到冒烟极限的限制，可通过适当降低转矩负 荷值在发动机调速特性上的配置来解决 ( 3 ) 改善调速器系统的动态特性，提高供油和调速系统的动态响应，进一 步改善调速段特性。近年来发展起来的电子调速供油装置，其速度检测和燃油供 给的快速性、准确性是传统机械调速供油系统无法比拟的，它能够根据推士机作 业负荷的变化，迅速对发动机发出最适宜的工作指令。使燃油以最适宜的喷油压 力、时刻、持续时间和油量及形态进行喷射，不仅能够快速响应变负荷工况，提 高发动机功率利用率，而且也能够达到改善排放指标、降低噪声、降低燃油消耗、 提高机械可靠性、延长机器寿命、提高机械维修性等目的。 ( 4 ) 改善发动机的动态特性，主要是飞轮惯量与载荷特性的匹配，使之有 效吸收高频段的载荷成份 发动机惯量，。愈大，则抵抗波动负荷的能力愈强，在波动负荷下转速愈稳 定，调速区段转速稳定性愈好，发动机在调速段的动态性能愈好然而当波动负 荷超出调速段达到外特性时，发动机的性能“滞后”明显，通过改变调速器的工 作点进行稳定速度的控制效果差，即动态性能变差。因而对于一个波动负荷在外 1 2 特性和调速特性上均有匹配的机器来说，必然存在着一个最佳的转动惯量嗍。 发动机的惯量设计合适，可以适当吸收较高频率的负载波动，适当降低调速 器的小幅频繁调节强度，同时动态性能也不会太差。考虑到牵引性能的需要，推 土机的附着重量比较大，这一质量的折算惯量与传动系统的折算惯量起着过滤高 频波动载荷的作用，从这个意义上来讲，就是发动机惯量的附加惯量。经验表明： 发动机的转动惯量- ，。与推土机折算惯量以两者的关系为j 。- ( 0 8 3 0 8 6 v ，时， 机器有较好的工作效果“1 由于飞轮惯量和折算惯量的吸收过滤作用，使得负载 高频成分并不作用于发动机系统，从而改善发动机的工作环境。 2 3 发动机动力性能评价指标研究 推土机在工作时，负荷总是处于波动之中，当传动系中没有不可透性的减震 装置时，负荷的波动传到发动机上引起曲轴转速和推土机行驶速度的变化，这将 影响推土机的生产率而如何有效的避免负荷工况对发动机的影响，减少发动机 转速的波动性，提高发动机的平均输出功率，除了在传动系中增加不可透性的减 振降扭装置外，我们通常还希望通过提高发动机的动力储备能力来解决。 2 3 1 现行评价指标 。 一 推土机用发动机( 主要指柴油机) 动力储备性能的好坏，目前主要是依据发 动机外特性扭矩适应系数k 和转速适应系数k 来给予评价的。所谓发动机外特 性，是指发动机油量调节拉杆固定在标定功率循环供油位置时，发动机的性能指 标( 主要指功率只、燃油消耗率以等) 随转速n 的变化关系，如图2 6 所示而 t 和墨则分别为： i b 冀i 榭i b p 6 b e 嘲 一 n mt 3 n m n 图2 6 发动机外特性曲线 e - 等( 1 ) ( 2 - 1 ) e。生p1)(2-2) 厅_ 式中lm 。最大扭矩，n m ； m 曲标定功率对应的扭矩，n m ： n 6 标定功率对应的转速，r m i r a 捍。最大扭矩对应的转速，r m i u 通常发动机工作时的正常工作转速范围在n 。一之间，而j ( _ 和k 值的实际 意义如下： 系数量0 主要说明车辆在行驶中阻力增大、发动机转速下降时扭矩自动增加 的能力，因而该值的大小反映了在车辆不换档的情况下发动机克服阻力的能力； k 值越大，车辆克服行驶阻力的潜力也越大，反之亦然。 d m h r k 图2 7 具有不同转矩适应性系数的发动机对变负荷工况的适应能力 图2 7 表示了发动机具有不同转矩适应性系数j ，i 时。对于变负荷工况的适应 能力。当转矩变化平缓而k 。值较小时( 图2 7 曲线1 ) ，发动机负荷稍有超载( 超 过额定转矩) ，阻力矩就会高于发动机的最大转矩，此时司机往往来不及及时做 出反应，调整切土深度，就导致发动机熄火因此，为了保证发动机不发生强制 性熄火，司机在操纵时就不得不适当的降低平均负荷。在这种情况下，甚至负荷 波动的最大值在大部分时间内也将低于发动机的额定转矩图2 7 曲线2 表示了 另一台发动机的转矩特性曲线，其额定转矩和额定功率与第一台相同，而转矩适 应性系数则较大在这种情况下，当外部阻力突然增大时，通常在发动机尚未熄 火前行走机构即先发生滑转( 当发动机功率与底盘重量匹配正确时) 因而司机 在作业时，有可能经常调整切削深度，尽量使发动机在额定工况下工作这样， 在同样的变负荷作业下输出功率的波动幅度较小，发动机的平均输出功率将会增 1 4 大，功率的利用情况则较好。 发动机的转矩储备过小，不仅使发动机的平均输出功率减少，还由于操纵感 较差而使司机经常处于紧张状态，容易引起司机的疲劳。而且一旦发生强制停车， 就会破坏作业的正常进程，损失有效工作时间。所有这些，最终都将导致机器生 产率的下降。因此，对于推土机来说，转矩适应性系数是衡量发动机性能的一项 非常重要的指标。 发动机的传动系统及整机是有一定质量的，当发动机减速时，这些运动质量 中储藏的惯性能量可部分地用来克服短时增长的阻力。显然转速适应性系数e 值越大，发动机转速自额定值下降到最大转矩所对应的转速期间放出的能量就越 大。k 。值越大还有助子改善机器的操纵感，使司机能及时察觉到工作阻力的增 大，从而及时调整切土深度，避免发动机发生强制性熄火然而，转速适应系数 疋过大同样也是不利的。此时，由于发动机转速下降过大，同样会降低发动机 的输出功率并导致机器生产率的下降 2 3 2 评价指标的不足之处 扭矩 n m 转遁r p m 图2 8 发动机外特性曲线对比( 扭矩) 扭矩适应系数k 和转速适应系数k 作为发动机动力储备性能的两个公认 评价指标，其意义如上所述，它们从不同的角度对发动机的动力性能进行了评价， 其作用是值得肯定的，然而它们也存在着一定程度的缺陷从图2 8 可以看出， 三条外特性曲线的扭矩适应系数j 【i 和转速适应系数疋是相同的，但很明显三台 发动机的动力储备能力存在着较大的差异，发动机1 的动力储备能力明显强于发 动机2 和发动机3 ，这主要是因为扭矩适应系数k 和转速适应系数墨只考虑了 发动机外特性曲线上的两个点：最大扭矩点和额定扭矩点，忽略了这两点之间扭 矩曲线形状的差异性，很显然，用这两个点的参数来衡量发动机的工作性能是不 够准确的，它不能够全面反映发动机的动力