基于典型工況試驗的裝載機(jī)循環(huán)工況構(gòu)建

常 綠，徐禮超，呂 猛，劉永臣，趙艷青

（1. 淮陰工學(xué)院 江蘇省交通運(yùn)輸與安全保障重點(diǎn)建設(shè)實驗室，淮安 223003；2. 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016；3. 淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引 言

截至2015年，中國工程機(jī)械達(dá)到690.8萬輛，其中裝載機(jī)174.4萬輛[1]。裝載機(jī)不僅能對散裝物料進(jìn)行鏟裝和搬運(yùn)作業(yè)，也能進(jìn)行輕度的鏟掘工作，更換裝載機(jī)的工作裝置，還可進(jìn)行起重、裝卸木料作業(yè)。裝載機(jī)用途非常廣泛，是重要的工程機(jī)械機(jī)種之一。裝載機(jī)具有工作環(huán)境惡劣、負(fù)載變化頻繁且劇烈的特點(diǎn)，這導(dǎo)致裝載機(jī)燃油消耗量大、排放質(zhì)量差[2-3]。隨著裝載機(jī)的市場保有量不斷增加，裝載機(jī)生產(chǎn)廠家及其用戶越來越關(guān)注裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[4-9]。

裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計借鑒了汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計理念。汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)能顯著影響汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，循環(huán)工況可以虛擬試驗發(fā)動機(jī)污染物排放和燃油消耗量情況，進(jìn)而考察汽車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計是否合理。目前，還沒有類似于汽車循環(huán)工況一樣的裝載機(jī)循環(huán)工況，因而傳統(tǒng)的裝載機(jī)設(shè)計也無法基于循環(huán)工況預(yù)測其動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。針對這一情況，本文分析裝載機(jī)發(fā)動機(jī)功率分流情況，構(gòu)建了裝載機(jī)循環(huán)工況，由裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷時間歷程、鏟斗工作阻力時間歷程、工作速度時間歷程共同構(gòu)成。以ZL50裝載機(jī)為例，構(gòu)建了測試裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷、鏟斗工作阻力、工作速度的試驗方案，分析和處理試驗數(shù)據(jù)，獲得了裝載機(jī)循環(huán)工況。利用獲取的循環(huán)工況虛擬試驗ZL50裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，并與實車試驗結(jié)果對比，驗證了裝載機(jī)循環(huán)工況的正確性。利用裝載機(jī)的循環(huán)工況，在裝載機(jī)設(shè)計階段，可以虛擬試驗裝載機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，為裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)匹配、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化提供參考。裝載機(jī)循環(huán)工況的構(gòu)建具有重要的工程意義。

1 試驗方案

裝載機(jī)的作業(yè)對象主要包括原生土、大石方、松散土、小石方和半濕土5種物料[10]。本文以ZL50裝載機(jī)為試驗對象，取原生土40斗、大石方25斗、松散土17斗、小石方10斗、半濕土8斗[11-14]，合計100斗進(jìn)行試驗。根據(jù)研究內(nèi)容需要，經(jīng)過多方案研究比較以及實際安裝傳感器的可能性，確定試驗方案[10-12,15]如圖 1a所示。選則各液壓泵出口處為壓力測試點(diǎn)，圖1b所示出變速泵出口油壓、后傳動軸扭矩試驗圖片。選用武漢航天星 6220型數(shù)據(jù)采集儀，可同時采集16個通道的模擬信號；選用成都小松公司的F6206-AB-T6傳感器，可同時測量液壓系統(tǒng)壓力、流量和溫度3個參數(shù)[10]；選用TT10K旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩遙測系統(tǒng)測試傳動軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

圖1 試驗方案及試驗過程圖片F(xiàn)ig.1 Figures of experimental scheme and procedure

考慮到試驗中需同步測取的參數(shù)較多，且測試時間較長，現(xiàn)場工作條件惡劣，采用“有線測試”與“近程遙測”相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方案?！坝芯€測試”采集壓力信號?！敖踢b測”采集轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，信號發(fā)射后，利用信號采集系統(tǒng)記錄并采集，采集時遵循信號采樣定理[15-16]，所有采樣信號經(jīng)放大、整形、濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再把數(shù)字信號傳到計算機(jī)，由nsoft軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

同時測試試驗過程中裝載機(jī)的油耗情況，試驗方法如文獻(xiàn)[15]，改裝原供油系油路，將油耗傳感器串接在油箱低壓供油回路中，安裝時注意油耗傳感器上標(biāo)出的油路方向與供油系統(tǒng)柴油流向一致。注意油耗傳感器接頭處的密封，防止泄漏。各管接頭處連接好后，將管路內(nèi)及傳感器內(nèi)殘留的空氣排盡。將傳感器信號電纜的一端與油耗傳感器的對應(yīng)插座相連接，另一端與主機(jī)的油耗插座相連接。安裝、連接完畢后，起動發(fā)動機(jī)并中速運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘，觀察發(fā)動機(jī)工作是否正常，然后停熄發(fā)動機(jī)，準(zhǔn)備試驗。

2 試驗數(shù)據(jù)處理

裝載機(jī)鏟裝物料時，一般都要經(jīng)歷空載前進(jìn)接近物料堆、鏟掘、重載倒退、重載前進(jìn)及卸料、空載倒退等5個作業(yè)階段，稱為 1個作業(yè)循環(huán)。按原生土、大石方、松散土、小石方、半濕土的順序進(jìn)行試驗[14,17]，記錄每個工作循環(huán)測試的前、后傳動軸的轉(zhuǎn)矩，前傳動軸的轉(zhuǎn)速，液壓泵的壓力等參數(shù)。圖2示出了裝載機(jī)連續(xù)3個工作循環(huán)測試參數(shù)信號，A段為其中的 1個工作循環(huán)。由通道 6、7、8導(dǎo)出的測試信號可判斷出各工作循環(huán)的鏟掘作業(yè)段，圖中B段為1個工作循環(huán)中的鏟掘作業(yè)段。在前進(jìn)擋位中，工作泵壓力急劇上升段，此階段裝載機(jī)負(fù)荷最大。

圖2 裝載機(jī)載荷測試信號Fig.2 Test signal of loader in load

2.1 試驗數(shù)據(jù)去異值

測試系統(tǒng)采集信號過程中，受外界因素干擾會出現(xiàn)一些異值信號[18-19]，為更好地反映信號的內(nèi)在變化規(guī)律，須采取一定方法識別并剔除這些異值信號?；谛〔ㄗ儞Q在處理非平穩(wěn)信號中突變信息的獨(dú)特優(yōu)勢以及小波變換細(xì)節(jié)系數(shù)可有效識別信號中的異值點(diǎn)[20-22]，采用小波系數(shù)分形維數(shù)去除異值點(diǎn)的方法對分段合并后的同名作業(yè)段信號進(jìn)行預(yù)處理。利用分形維數(shù)結(jié)果確定異值點(diǎn)位置，選擇分形維數(shù)閾值二值化算法重新計算小波細(xì)節(jié)系數(shù)，最后再與未處理的近似系數(shù)重構(gòu)有效信號[23]。

2.2 試驗數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢驗

以鏟裝 40斗原生土為例，根據(jù)文獻(xiàn)[10]介紹的方法檢驗測試數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性。表 1列出裝載機(jī)鏟掘原生土?xí)r工作泵消耗轉(zhuǎn)矩信號平穩(wěn)性檢驗的過程和結(jié)果。查輪次分布表知，在子樣組數(shù)N=10，顯著水平α=0.05時，輪次數(shù)應(yīng)在（3，8）區(qū)間。由檢查結(jié)果知，各作業(yè)段輪次數(shù)分別為：空載前進(jìn)段 r1=7，鏟掘段 r2=6，重載后退段r3=7，重載前進(jìn)及卸料段r4=5，空載后退段r5=7。各作業(yè)段輪次數(shù)均在（3，8）區(qū)間內(nèi)，試驗測試信號是平穩(wěn)的。

表1 鏟掘原生土?xí)r工作泵消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩輪次統(tǒng)計Table 1 Engine torque consumed by working pump and runs statistics when loader shoveling primary soil

3 裝載機(jī)循環(huán)工況的編制

裝載機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率經(jīng)分動箱分流后，一部分驅(qū)動工作油泵、轉(zhuǎn)向油泵和變速泵工作，試驗數(shù)據(jù)處理后，可獲取典型液壓系統(tǒng)消耗的轉(zhuǎn)矩時間歷程。

3.1 裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷時間歷程的制取

按文獻(xiàn)[10]介紹的方法，制取如圖 3a所示的典型工況下工作泵消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩時間歷程圖。

同理可分別獲取典型工況下變速泵與轉(zhuǎn)向泵消耗轉(zhuǎn)矩時間歷程，這樣可獲取 3種液壓泵消耗的總轉(zhuǎn)矩，制取出如圖3b所示的典型工況下裝載機(jī)液壓系統(tǒng)載荷時間歷程[10,24]。

（3）在Unity引擎環(huán)境的菜單Edit的下拉菜單Preferences中，對External Tools項進(jìn)行設(shè)置，使其中JDK和SDK分別指向步驟（1）和（2）中安裝的路徑。

3.2 典型行駛工況的獲取

根據(jù)式（1）可求裝載機(jī)工作速度：

式中n為試驗測試得到的前傳動軸轉(zhuǎn)速，r/min；vt為裝載機(jī)工作速度，km/h；R為裝載機(jī)輪胎半徑，m；il為傳動軸以后傳動系統(tǒng)總傳動比。

ZL50裝載機(jī)驅(qū)動橋主傳動比[25]i1=4.484，輪邊減速器傳動比i2=5.08，il為兩者的乘積，il=22.78，輪胎動力半徑R=0.75 m，圖 1中通道 5為前傳動軸轉(zhuǎn)速，利用vib.sys與ncode軟件，按前述同樣的方法，對通道5測試信號經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分段、合并、消除異常峰值、平穩(wěn)性檢驗后，對測試信號進(jìn)行加權(quán)處理，可獲得前傳動軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（1）可求裝載機(jī)典型工況工作速度時間歷程[26-27]，如圖4a所示。根據(jù)圖3a中工作泵壓力變化情況，以及圖 2中的檔位信號變化情況，可以判斷出圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共 5個時間段分別為空載前進(jìn)、鏟掘、重載后退、重載前進(jìn)及卸料、空載后退5個作業(yè)時段。

3.3 鏟斗工作阻力獲取

圖1中通道6~7為測得的裝載機(jī)前、后傳動軸轉(zhuǎn)矩值，按前述同樣的方法，對通道6至7的測試信號進(jìn)行處理，可分別獲得前、后傳動軸載荷時間歷程，把前、后傳動軸載荷時間歷程相加，可獲得裝載機(jī)傳動系統(tǒng)載荷時間歷程[28-29]，如圖4b所示。

圖3 裝載機(jī)液壓系統(tǒng)消耗轉(zhuǎn)矩Fig.3 Torque consumption of loader hydraulic system

裝載機(jī)在工作過程中，需要克服鏟斗工作阻力、滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力[30]，用式（2）表示：

式中Ft為驅(qū)動力，F(xiàn)R為鏟斗工作阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)f為坡道阻力。

圖4 典型工況下裝載機(jī)傳動系統(tǒng)載荷試驗Fig.4 Load test of the loader drive system under typical working condition

鏟斗工作阻力只有在鏟掘Ⅱ時段存在，其他時段鏟斗工作阻力為0。由圖4b知，鏟掘Ⅱ時段，鏟斗工作阻力快速增加，因而消耗的轉(zhuǎn)矩也快速增加。鏟掘Ⅱ時段增加的轉(zhuǎn)矩即為鏟斗工作阻力消耗的轉(zhuǎn)矩。圖4b中傳動軸轉(zhuǎn)矩差值經(jīng)換算可獲得驅(qū)動力tF，即：

根據(jù)式（3）可得鏟斗工作阻力[14]，如圖4c所示。

3.4 裝載機(jī)循環(huán)工況

汽車的循環(huán)工況由汽車的速度—時間曲線構(gòu)成，根據(jù)汽車的循環(huán)工況，基于ADVISOR仿真軟件，可以獲取汽車行駛過程中所受阻力情況，進(jìn)而仿真計算其動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。不同于汽車，裝載機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率經(jīng)分動箱分流后，一部分經(jīng)過變矩器、變速箱、前后驅(qū)動橋和輪邊減速，用以克服鏟斗工作阻力、滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，驅(qū)動裝載機(jī)行走[14]。根據(jù)汽車的速度循環(huán)工況，可以確定汽車的滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，進(jìn)而預(yù)測汽車燃油消耗量、污染物排放量等。同理，應(yīng)用裝載機(jī)典型工況工作速度時間歷程，也可以確定滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力。

用汽車的循環(huán)工況仿真計算汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性時，汽車的整機(jī)質(zhì)量是不變的。但裝載機(jī)在 1個工作循環(huán)中，有空載前進(jìn)、鏟掘、重載后退、重載前進(jìn)及卸料、空載后退5個作業(yè)時段，因而整機(jī)質(zhì)量是變化的[29]。圖5示出ZL50裝載機(jī)整機(jī)質(zhì)量在1個工作循環(huán)中變化曲線。

圖5 裝載機(jī)典型工況整機(jī)質(zhì)量時間歷程Fig.5 Time course of total weight under typical working condition

裝載機(jī)的循環(huán)工況必須反應(yīng)發(fā)動機(jī)的功率分流情況。裝載機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率，分為 2部分，一部分經(jīng)過傳動系統(tǒng)，用以克服滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，驅(qū)動裝載機(jī)行走。類似于汽車的循環(huán)工況，裝載機(jī)的循環(huán)工況也必須包含裝載機(jī)工作速度時間歷程。不同于汽車，裝載機(jī)發(fā)動機(jī)經(jīng)過傳動系統(tǒng)消耗的功率，還有一部分用以克服鏟斗工作阻力，因而裝載機(jī)的循環(huán)工況還必須包含鏟斗工作阻力時間歷程。裝載機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率，還有一部分用于驅(qū)動液壓系統(tǒng)工作泵，因而裝載機(jī)的循環(huán)工況還必須包含液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩時間歷程。所以，典型工況下裝載機(jī)工作速度時間歷程、鏟斗工作阻力時間歷程、液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩時間歷程即構(gòu)成了裝載機(jī)的循環(huán)工況，如圖6所示。

基于裝載機(jī)虛擬仿真軟件[30]，把本文建立的裝載機(jī)的循環(huán)工況加載到虛擬仿真軟件，以ZL50裝載機(jī)為例，燃油經(jīng)濟(jì)性虛擬試驗值如表2所示。

圖6 裝載機(jī)典型工況下的循環(huán)工況Fig.6 Driving cycle of loader under typical working condition

裝載機(jī)在鏟掘物料過程中，油耗傳感器記錄了試驗過程中柴油消耗情況，按下列公式計算燃油經(jīng)濟(jì)性

式中B為裝載機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，L/h；Qt為t時間內(nèi)發(fā)動機(jī)消耗的柴油，經(jīng)校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，L；t為裝載機(jī)工作時間，h。由于試驗環(huán)境的差異，柴油的粘度、密度存在一定的差異，應(yīng)將柴油消耗量的測定值校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值。本次試驗t=7.8 h，Qt=173.50 L，計算裝載機(jī)試驗油耗如表2所示。

表2 裝載機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性試驗Table 2 Fuel economy test of the loader

比較表 2試驗情況，實車試驗和虛擬試驗結(jié)果相差5.0%，本文構(gòu)建的循環(huán)工況可行。

4 結(jié) 論

1）裝載機(jī)循環(huán)工況應(yīng)由裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷時間歷程、鏟斗工作阻力時間歷程、工作速度時間歷程構(gòu)成。

2）應(yīng)用本文構(gòu)建的裝載機(jī)循環(huán)工況，虛擬試驗ZL50裝載機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，與實車試驗結(jié)果的一致性較好（誤差為5.0%），說明本文構(gòu)建的循環(huán)工況是可以信任的。

基于裝載機(jī)虛擬仿真軟件，應(yīng)用裝載機(jī)循環(huán)工況，可虛擬試驗裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，為裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化提供參考，也可為新機(jī)型的開發(fā)和評估提供技術(shù)參考。構(gòu)建裝載機(jī)循環(huán)工況具有重要的工程意義。

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