履帶式推土機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配仿真與探討

嚴(yán)雪冬

履帶式推土機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配仿真與探討

嚴(yán)雪冬

（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春，130022）

推土機(jī)作為工程機(jī)械的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種土石方作業(yè)。推土機(jī)工作時(shí)條件惡劣、工況復(fù)雜多變，提高其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性乃至匹配性至關(guān)重要。通過在TY165推土機(jī)中采用C399和YJ380兩種液力變矩器，進(jìn)行理論分析，得出：液力變矩器的性能參數(shù)取決于不同的行星排結(jié)構(gòu)參數(shù)D及有效直徑α的組合，最優(yōu)組合決定著最優(yōu)整機(jī)性能。通過分析對(duì)比整機(jī)性能，得出YJ380的匹配性能優(yōu)于C399的結(jié)論。

推土機(jī)；動(dòng)力傳動(dòng)系；液力變矩器；匹配；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)模型

引言

推土機(jī)是工程機(jī)械設(shè)備，可在城市建筑、道路修筑、水電基礎(chǔ)設(shè)施、港口建設(shè)、礦山開采等各種土石方作業(yè)中，實(shí)施推移積土、開渠、運(yùn)移土方、填土、清理場地、破土等施工輔助作業(yè)[1]。

在我國科研工作者努力下，我國推土機(jī)行業(yè)的制造水平和競爭力逐漸提高，其中具有代表性的企業(yè)“山推”和“宣工”擁有較強(qiáng)科研實(shí)力，其產(chǎn)品各具特色。我國制造自主品牌的推土機(jī)系列產(chǎn)品大量出口國外，促進(jìn)工程機(jī)械行業(yè)迅猛發(fā)展。

由于推土機(jī)工作條件惡劣，且作業(yè)工況復(fù)雜多變，如何改善其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性乃至匹配性，一直是各推土機(jī)制造企業(yè)密切關(guān)注的問題。實(shí)現(xiàn)推土機(jī)整機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和實(shí)際控制策略的實(shí)施，建立傳動(dòng)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，可為相關(guān)研究提供前提準(zhǔn)備和先決條件，因此顯得尤為重要[2]。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)學(xué)模型

近年來，推土機(jī)行業(yè)正朝著大型、環(huán)保、智能、節(jié)能、信息化方向發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)、信息、通訊、電子和人工智能技術(shù)在機(jī)械行業(yè)及推土機(jī)中的應(yīng)用，推土機(jī)正在邁向高度智能化階段。

現(xiàn)代推土機(jī)多采用柴油機(jī)作為動(dòng)力源，且其工作過程呈現(xiàn)多種非線性特征，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式已無法對(duì)柴油機(jī)的工作特性進(jìn)行精確描述，對(duì)此采用最小二乘擬合以及數(shù)據(jù)查表的方法，在穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其發(fā)動(dòng)機(jī)特性的描述[3]。裝載有全程調(diào)速器的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性由穩(wěn)態(tài)外特性和調(diào)速特性組成。大量研究和試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和油耗都可表示成發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度和轉(zhuǎn)速的函數(shù)[4]。

根據(jù)C6121ZG05a柴油機(jī)的原始特性數(shù)據(jù)，利用Matlab環(huán)境下的回歸分析工具進(jìn)行最小二乘擬合處理，得到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)外特性的數(shù)學(xué)模型[5]：

當(dāng)ne＞1900時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速狀態(tài)特性在各個(gè)油門開度下怠速轉(zhuǎn)速和油門位置α的關(guān)系為

由于nL和nR已知，那么在不同的油門開度下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和耗油量的調(diào)速特性方程為

最終得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩、功率及耗油量的擬合方程為

2　液力機(jī)械變矩器建模

液力變矩器的主要特征參數(shù)包括轉(zhuǎn)速比、變矩系數(shù)、力矩系數(shù)、效率、穿透性等。其中，原始特性曲線和外特性曲線是能夠表達(dá)變矩器特性的曲線。原始特性曲線是指當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，變矩系數(shù)和效率隨轉(zhuǎn)速比變化而變化的規(guī)律曲線；外特性曲線是指當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)矩與渦輪轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速比的關(guān)系曲線[6]。外分流式液力變矩器為液力機(jī)械變矩器，是液力變矩器和機(jī)械傳動(dòng)元件以不同方式組合起來的液力機(jī)械傳動(dòng)裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可通過液力和機(jī)械兩種路徑進(jìn)行傳遞，不僅具有傳動(dòng)效率高和自適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，而且擴(kuò)展了液力變矩器的應(yīng)用范圍。由于液力變矩器和行星差速機(jī)構(gòu)組成外功率分流式液力機(jī)械變矩器時(shí)，獲得了不同于原來變矩器的性能，故采用等效轉(zhuǎn)化，由一個(gè)等效變矩器所替代。

C399外分流液力機(jī)械變矩器原始特性參數(shù)為：循環(huán)圓有效直徑D=399 mm。

YJ380變矩器原始特性參數(shù)為：循環(huán)圓有效直徑D=380 mm。

2.1變速箱建模

這里所指的變速箱模型也即三檔變速箱機(jī)械系統(tǒng)模型。通過對(duì)檔位進(jìn)行查表，可得到相應(yīng)的傳動(dòng)比。其他參數(shù)如下：

① 使用質(zhì)量ms=17 800 kg；

② 滾動(dòng)阻力系數(shù)：0.1；

③ 附著系數(shù)φ=0.85；

④ 地面附著力Pφ=139.6 kN；

⑤ 工作阻力：122.3 kN；

⑥ 動(dòng)力半徑：0.404 m。

2.2推土機(jī)機(jī)身建模

推土機(jī)在工作時(shí)一方面需要克服因摩擦或變形，在行動(dòng)裝置和履帶中產(chǎn)生的行動(dòng)裝置阻力，該阻力取決于載荷和履帶張力狀況，另一方面需要克服外部來對(duì)抗履帶運(yùn)動(dòng)的阻力，其中包括車首阻力、爬坡阻力、空氣阻力、加速阻力、拖掛阻力、滾動(dòng)阻力等[7]。

（1）牽引平衡方程

不考慮瞬時(shí)動(dòng)載時(shí)，機(jī)器在牽引工況下的牽引平衡方程為：

考慮瞬時(shí)動(dòng)載時(shí)，機(jī)器在牽引工況下的牽引平衡方程為：

（2）車速 。

對(duì)于履帶式機(jī)械，

那么，

3　基于Simulink的推土機(jī)整機(jī)建模

3.1建模流程圖

建模流程圖如圖1所示。

3.2建模仿真結(jié)果

圖2和表1中的結(jié)果表明：在牽引性能相當(dāng)?shù)那闆r下，YJ380變矩器較C399外分流液力機(jī)械變矩器的經(jīng)濟(jì)性要好，經(jīng)計(jì)算，在70 s的工作循環(huán)中可節(jié)油1.074 kg。

圖1　建模流程圖

圖2　建模仿真結(jié)果

表1　建模仿真結(jié)果

4　探討與結(jié)論

本文對(duì)TY165型履帶推土機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了全面分析，采用數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)查表相結(jié)合的方法，對(duì)整機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行建模，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、兩種液力變矩器、行星變速箱、機(jī)身外界環(huán)境模型，同時(shí)忽略發(fā)動(dòng)機(jī)所屬附件功率分流和與之相關(guān)的液壓系統(tǒng)功率分流的影響，對(duì)比了兩種液力變矩器下的整機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性。

工程機(jī)械的牽引特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，與液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作性能匹配密切相關(guān)。對(duì)于液力機(jī)械變矩器而言，匹配目的在于行星排結(jié)構(gòu)參數(shù)D及有效直徑α是否組合最優(yōu)。匹配的過程也即在一定范圍內(nèi)對(duì)比尋優(yōu)的過程。D和α的變化反映在液力機(jī)械變矩器原始特性參數(shù)的變化上。

[1]諸文農(nóng), 楊紅旗, 南新旭. 履帶推土機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1986.

[2]白秀超. 履帶推土機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配分析與協(xié)同仿真[D].長春: 吉林大學(xué), 2012.

[3]易軍. 履帶車輛自動(dòng)變速系統(tǒng)智能控制策略及實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[4]金濤濤. 綜合傳動(dòng)裝置換擋品質(zhì)優(yōu)化研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2008.

[5]XU J J, CHEN Z, WANG C, et al. Simulating Study about the Power-train Matching Basing on Matlab [J]. Auto Mobile Science & Technology, 2009(5): 35-37.

[6]劉存波. 推土機(jī)液力變矩器閉鎖離合器控制系統(tǒng)研究[D]. 淄博: 山東理工大學(xué), 2009.

[7](聯(lián)邦德國)梅爾霍夫. 履帶車輛行駛力學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1989.

Dynamic System Matching Simulation and its Discussion for Crawler Bulldozer

YAN Xue-dong
(The Institute of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin, 130022, China)

Bulldozer, as one of the main types of engineering machinery, is widely used in various kinds of earthwork operations. Bulldozer’s working condition is bad, complicated and changeable, and it is very important to improve its dynamic, economic and matching performances. By adopting two kinds of hydraulic torque converter, namely, C399 and YJ380, into TY165 bulldozer, to respectively compare the performances of the whole machine, observing that matching performance of YJ380 is better than that of C399. Theoretical analysis shows that, the performance parameters of the hydraulic torque converter are determined by the combination of different structure parameters and effective diameter, and the optimum combination corresponds with the optimum performance of the whole machine.

Bulldozer Power; Transmission System; Hydraulic Torque Converter; Matching; Optimum Design; Mathematical Model

TU623.5

A

2095-8412 (2016) 05-933-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.028

嚴(yán)雪冬(1992-)，女，漢族，四川高縣人。吉林大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)碩士研究生。主要研究方向：機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。