基于載荷譜的50裝載機發(fā)動機動態(tài)動力性能評價

過鵬，姜鋒（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

基于載荷譜的50裝載機發(fā)動機動態(tài)動力性能評價

過鵬，姜鋒
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

對50裝載機發(fā)動機的動態(tài)動力性能建模進行了分析，研究了基于載荷譜的動態(tài)動力性能評價指標及方法，并運用該評價指標及方法對載荷譜試驗數據進行了分析、評價。

載荷譜裝載機發(fā)動機動態(tài)動力性能評價方法

1 前言

50裝載機是工程機械中最主要的機種之一，廣泛用于各種基建、礦物開采及物料的裝卸、短途運輸等，作業(yè)范圍廣、工況復雜多變、使用環(huán)境惡劣，即50裝載機的負載變化劇烈，運行狀況復雜。這導致了50裝載機的動力源負荷變化同樣劇烈、沖擊大，在這個復雜的動態(tài)過程中，充當動力源的發(fā)動機實際動態(tài)動力性能受到作業(yè)動態(tài)負荷的影響，而發(fā)動機穩(wěn)態(tài)動力性能沒有充分考慮到復雜的動態(tài)負荷帶來的激勵，與實際作業(yè)中的動態(tài)動力性能表現有較大差別，因此有必要研究分析并評價發(fā)動機的動態(tài)動力性能。

2 建模及分析

50裝載機傳動系統(tǒng)一般為機械液力傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)在液力變矩器之前主要為機械部分，可以用液力變矩器與發(fā)動機這兩個零件組成系統(tǒng)的動態(tài)動力特性來代替整機的動態(tài)動力特性，下面著重分析液力變矩器以及發(fā)動機的動態(tài)動力特性。

2.1 發(fā)動機的動態(tài)動力性能模型

50裝載機的作業(yè)工況是復雜的非平穩(wěn)隨機過程，本文用發(fā)動機曲軸角加速度來表達這個動態(tài)過程，可用下式表示

式中，

Me——發(fā)動機曲軸輸出力矩，N·m；

Mz——發(fā)動機所受阻力矩，N·m；

ωe——發(fā)動機曲軸角速度，rad/s；

Je——發(fā)動機旋轉系統(tǒng)的轉動慣量，kg/m2。

2.2 整體動態(tài)動力性能模型

有研究表明[1]，渦輪角加速度在-52rad/s2與52rad/s2之間時，可以忽略液力變矩器內部液力動態(tài)效益，這時只要考慮把其慣量加入裝載機整個傳動系統(tǒng)的慣量影響中去即可。本文將液力變矩器轉動慣量記為JH并加入式（1），可以得到

其中，轉動慣量Je+JH是常量，所以發(fā)動機所受阻力矩Me與MZ發(fā)生變化時就會導致發(fā)動機曲軸角加速度dωe/dt發(fā)生變化。同樣式（2）就表達了發(fā)動機受到的主動、阻力矩的變化情況，即發(fā)動機在動態(tài)負荷下的動力性能。

3 常用動力性能評價方法

3.1 基于發(fā)動機與液力變矩器匹配的評價方法

通過發(fā)動機特性、液力變矩器特性二者匹配的輸入特性得出輸出特性，然后分析二者共同輸出特性來評價匹配品質。這是以發(fā)動機穩(wěn)態(tài)特性為前提，僅僅反映了發(fā)動機穩(wěn)定工況下的性能，而在裝載機作業(yè)中，負荷的波動性是其基本特征。

因此這種靜態(tài)的評價方法并不能反映出發(fā)動機動態(tài)過程品質的優(yōu)劣[2]，只能作為整車與發(fā)動機的初步匹配。

3.2 基于發(fā)動機臺架試驗的評價方法

發(fā)動機臺架試驗一般體現了發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)性能，此外，也可以通過下面兩種方法來模擬突加載與突加速部分工況：

（1）柴油機在一個初始轉速下，通過測功器對其輸入突變負荷，對比不同突變負荷下的性能參數來評價柴油機的動態(tài)動力性能。但該項試驗需要考慮測功器的加載頻率能力等因素，能否達到模擬實際作業(yè)的要求有一定實際難度。

（2）柴油機在特定負荷下，分析從一個初始速度提升至一個特定速度的響應時間，以此來衡量其加速性能。

通過這些發(fā)動機臺架試驗，可以預判實際作業(yè)時部分動態(tài)動力性能，但無法考慮傳動系統(tǒng)中其余部分的轉動慣量等因素，試驗結果缺乏全面性。

3.3 基于裝載機整機型式試驗的評價方法

裝載機整機的型式試驗一般由牽引力試驗、作業(yè)效率試驗、等距離加速時間試驗以及（滿載提升時間、卸載時間以及下降時間）三項和試驗內容組成。

這些試驗中的動態(tài)因素大都為可預期的，如牽引力試驗側重于動力性而非動態(tài)動力性，三項和試驗比較側重于柴油機的加速性能，同樣有一定局限性。

4 基于載荷譜的評價指標與方法

上述幾種試驗方法對于考核柴油機動態(tài)動力性能存在一定的局限性，無法全面評價實際作業(yè)工況。通過分析整車試驗中發(fā)動機載荷譜試驗數據，來評價發(fā)動機動態(tài)動力性能試驗相對更有針對性，它可以直接測定、記錄表示裝載機實際作業(yè)特征的各項參數的時域函數，通過概率統(tǒng)計來避免各種偶發(fā)因素影響[3～4]。

4.1 評價指標

裝載機是一種循環(huán)工作的機械裝置，對于每個循環(huán)工況來說，它主要由掘進、舉升后退、前進卸料等多工況組成。圖1是裝載機一段工況的速度載荷譜，一條曲線為轉速-時間工況曲線，對其進行數據處理，分段擬合出工況曲線的趨勢線，同時還可以分解出一個隨機項曲線，見圖2。

圖1 50裝載機（部分）速度載荷譜

圖2 50裝載機單工作循環(huán)隨機項

分析裝載機的實際作業(yè)工況，在典型性工作模式下，每個工作循環(huán)都可以分解為趨勢線、隨機項曲線。趨勢線由機器的工作模式確定，取決于工作機器是裝載機還是推土機以及它的具體操作、作業(yè)方式，是一個確定性分量項，確定性分量項中的各段不同趨勢是由裝載機的不同作業(yè)段的工況來確定的。而圖2中隨機分量項則由具體工作對象以及工作機器本身的特性所決定[4～5]。

即可將dωe/d t分解為一個確定性分量項和一個隨機分量項，得到

式中，

ωqs、ωsj——發(fā)動機曲軸角速度的確定性分量項、隨機分量項，rad/s；

Meq、Mej——發(fā)動機曲軸輸出力矩的確定性、隨機分量項，N·m；

MZq、MZj——發(fā)動機所受阻力矩的確定性、隨機分量項，N·m。

式（3）～（5）代入式（2）得到

式（6）的物理意思是，載荷譜確定性分量項dωqs/d t代表發(fā)動機對于工作機器（本文為裝載機）的工作模式性負荷(Meq-MZq)響應的動態(tài)動力性能，而載荷譜隨機分量項dωsj/d t則代表發(fā)動機在這種工作模式下遇到外部動態(tài)負荷和發(fā)動機自身的激勵(Mej-MZj)而響應的動態(tài)動力性能。本文用隨機量dωqs/d t和dωsj/d t作為載荷譜試驗中發(fā)動機動態(tài)動力性能的評價指標。

4.2 評價方法

50裝載機作業(yè)中造成的阻力矩MZ、曲軸力矩Me變化一般有四種可能，分別為加載、卸載與加速、減速，其中突加載、突加速性能是整機與發(fā)動機配套和駕駛員最關注的。

4.2.1 突加載工況

突加載工況是50裝載機發(fā)動機最為惡劣的變負荷工況之一，在突加載負荷激勵下，發(fā)動機能產生強烈的動態(tài)響應。這種響應體現了發(fā)動機對突加載的適應能力，用式（3）來表示。在相同dωqs/d t下，dωsj/d t變化幅值、頻率較小，則認為發(fā)動機在整機突加載工況中能發(fā)揮出良好的動態(tài)動力性能。

4.2.2 突加速工況

突加速工況在裝載機工作循環(huán)中占比同樣較大，體現了發(fā)動機對突加速的應對能力，用式（3）來表示。在相同dωqs/d t下，dωsj/d t變化幅值較大，則認為發(fā)動機在整機突加速工況中能發(fā)揮出良好的動態(tài)動力性能，對駕駛員的加速意圖響應迅速，這也是受期望的。

4.2.3 數據處理

圖2中的隨機分量項為一系列離散數據，不適合直接比較，本文對其進行快速傅立葉變換，轉換為比較隨機分量項的頻譜圖參數：幅值、頻譜的品質，這樣就可以考核發(fā)動機在此階段突加載、加速的動態(tài)動力性能。圖3為一段載荷譜隨機分量項的頻譜圖。

圖3 50裝載機（部分）載荷譜隨機分量頻譜

5 試驗及分析

5.1 試驗方案

本文分別對某型50裝載機裝配2種不同轉動慣量飛輪的D6114柴油機進行載荷譜等試驗，轉動慣量見表1。兩種柴油機除飛輪不同外，其余配置一致。

表1 D6114柴油機旋轉件轉動慣量表

兩種柴油機臺架穩(wěn)態(tài)性能特性幾乎一致，另外裝載機液力變矩器等零部件不改變，即根據這兩種輸入特性匹配而得的輸出特性同樣幾乎一致，所以無法判斷柴油機動態(tài)動力性的差異。

（1）“V”形作業(yè)試驗，作業(yè)物料為鐵礦石，其密度為2 500 kg/m3，路線固定。具體工作流程：V型交叉點為起點、料堆處以及卸料處為V型兩個頂點，工作循環(huán)包括表2中的5個作業(yè)段。

表2 裝載機作業(yè)、檔位對照表

（2）等距離加速時間測試，裝載機預備完成后，原地起步掛I檔，記錄通過0～2m、0～4m直至0～15m所需的時間，以及三項和測試，即滿載提升時間、卸載時間與下降時間之和。

5.2 “V”形作業(yè)載荷譜試驗結果及分析

試驗記錄步長為0.1 s，將兩種柴油機載荷譜（轉速-時間）5次試驗數據進行處理，并取均值，見圖4和圖5。由圖4可以看出，表2中第1～4階段這4個工況中，兩組數據趨勢比較一致，而第5階段工況則區(qū)別較大。

圖4 50裝載機載荷譜柴油機轉速-時間圖

圖5 50裝載機載荷譜柴油機油門開度圖

由圖5可以看出，第1、2、4這3個工況中兩種柴油機油門開度一致性較高，第3工況14.7～21 s區(qū)間和第5工況的34～38.5 s區(qū)間“平均1”與“平均2”曲線有很大差異，“平均2”曲線在此區(qū)間為油門起伏很大，這也解釋了兩條曲線在圖4中對應階段的差異情況，即第1、2、4三個工況可對比性較高，作為本次試驗重點分析對象，其余兩個工況可對比性低，不予分析。

分別對圖4中的平均1和平均2這兩條曲線進行處理，取置信度0.95以上，按前述的五個工況區(qū)間分段回歸擬合為六次多項式（六次多項式系數很敏感，需復核），最后組合為圖6趨勢分量圖，并得到圖7隨機分量圖。下面研究第1、2、4這3個工況隨機分量圖。

圖6 50裝載機載荷譜速度-時間趨勢分量圖

圖7 50裝載機載荷譜速度-時間隨機分量圖

圖7 中組成隨機分量的兩條離散數據不適合直接比較，因此首先對第1、2、4三個工況的隨機分量項進行快速傅立葉變換，得到三個工況速度隨機分量頻譜圖，見圖8、圖9和圖10。分析這些頻譜圖替代考核原隨機分量圖的離散參數，以分析發(fā)動機動態(tài)動力性能。

圖8 50裝載機載荷譜工況1隨機分量頻譜圖

圖9 50裝載機載荷譜工況2隨機分量頻譜圖

圖10 50裝載機載荷譜工況4隨機分量頻譜圖

圖8是裝載機啟動、前進至料堆工況，裝載機空載前進，負荷小但波動頻繁。前段工況時間內，油門一直100%開啟，接近料堆時放開油門，柴油機轉速降低，該工況運行品質更側重于考察柴油機的突加速性能，裝載機僅受行駛阻力，液壓泵基本無功率消耗，最大功率密度基本在1 Hz以內。由圖6可知，此階段兩種方案趨勢項基本一致，即dωqs/d t基本相同，此時曲線“平均1”的dωsj/d t變化幅值較大，則認為柴油機在整機突加速工況中能發(fā)揮出良好的動態(tài)動力性能。

在圖9的鏟料舉升工況中，發(fā)動機負荷最為惡劣，油門開度一直為100%，受到鏟斗進入料堆的切入深度、速率以及受到阻力等因素的影響，柴油機轉速變化頻繁，最大功率密度基本在2.3 Hz以內，該工況側重考核柴油機的突加載性能。由圖6可知，此階段兩種方案dωqs/d t基本相同，曲線“平均2”的dωsj/d t類似變化幅值時頻率較小，柴油機在整機突加載工況中能發(fā)揮出良好的動態(tài)動力性能。

圖10為換擋前進至卸料處卸料工況，油門開度在初始階段后同樣達到100%，直至最后鏟斗舉升、卸料基本完成，柴油機轉速下降至接近怠速，整車換擋準備倒退，功率譜密度集中在0.8 Hz以下。該工況類似于第1工況，區(qū)別在于第4工況是滿載突加速。

表3為各工況頻率、功率等參數對照表。試驗數據隨機分量的頻譜分布表明，第1、4工況著重體現了柴油機的突加速性能，這兩種工況下，慣量較小的“平均1”系統(tǒng)，動態(tài)動力性能較優(yōu)；第2工況著重體現了柴油機的突加載性能，在這種工況下，慣量較大的“平均2”系統(tǒng)，動態(tài)動力性能較優(yōu)。

表3 各工況參數對照表

5.3 整車型式試驗結果及分析

表4為整車型式試驗的部分數據。表中數據表明，在這兩種試驗中，1#柴油機加速性能較優(yōu)，即這種試驗方法更多側重于考核柴油機帶負載情況

表4 整車型式試驗（部分）

下的突加速性能，并不能準確地全面評價實際作業(yè)中的突加載工況等動態(tài)動力性能。

6 結束語

（1）常用幾種動力性能評價方法對于評價柴油機動態(tài)動力性能有不同的側重點或局限性，而基于載荷譜試驗的評價方法、指標可以較全面而針對性地分析評價具體作業(yè)階段的動態(tài)動力性能，對優(yōu)化柴油機的動態(tài)動力性能提供了明確的指標，便于更有目的性地改進配套質量。

（2）在一定工作模式下，可以用載荷譜速度-時間曲線的隨機分量dωsj/d t分析柴油機隨外部動態(tài)負荷和柴油機產生的自身激勵而響應的動態(tài)動力性能，并能在頻譜中體現出來。

（3）系統(tǒng)轉動慣量大導致曲軸加速度變小，柴油機突加速動態(tài)動力性能變差，同樣系統(tǒng)轉動慣量小，雖然發(fā)動機突加速性能向優(yōu)良方向發(fā)展，但是抗負荷波動能力變差。就通過優(yōu)化系統(tǒng)轉動慣量而改進系統(tǒng)動態(tài)動力性能而言，這是一個折中的方法，該方法可以為此提供更全面和針對性的試驗評價結果，有一定的指導性。

（4）從統(tǒng)計分析的角度來說，分析的基礎與平均值準確性密切相關，本文試驗次數還是較少，且?guī)砹艘欢ǖ牟焕绊憽?/p>

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[5]過鵬.50輪式裝載機用發(fā)動機動力性能匹配[D].同濟大學，2014.

Evaluation of the Dynamic Power PerformanceofEngine for50 Loaderbased on Load Spectrum

Guo Peng,Jiang Feng
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China）

In thispaper,the dynamic power performancemodelof the 50 loaderengine isanalyzed,the dynamic powerperformanceevaluationmethodsand parametersbased on the load spectrum are studied,and the testdataof load spectrum isanalyzed and evaluated by using theevaluationmethodsand parameters.

load spectrum,loader,engine,dynam ic power performance，evaluationmethods

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.002

來稿日期：2017-03-17

過鵬（1976-），男，工程師，主要研究方向為柴油機應用匹配。