輪式裝載機(jī)推土作業(yè)效率分析及改進(jìn)

覃忠平

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

云南某建材有限公司位于玉溪地區(qū)易門縣，主要生產(chǎn)硅酸鹽水泥，日產(chǎn)熟料量3 000 t，屬當(dāng)?shù)刂髽I(yè)。硅酸鹽水泥熟料是以石灰石和粘土為主要原料，經(jīng)破碎、配料、磨細(xì)制成生料，然后在水泥窯中煅燒而成。在配料工序，該客戶使用輪式裝載機(jī)推土石料，然后鏟起倒入料倉?？蛻舴答佡徺I我司的某型輪式裝載機(jī)推土作業(yè)效率比某品牌的低。經(jīng)檢查，整機(jī)各項性能指標(biāo)正常，需提升性能以滿足作業(yè)工況需求。

1 工況分析

作業(yè)環(huán)境：推土作業(yè)工況如圖1 所示，土石料堆放在棚架里，堆高1 m 左右。土石料粒度較小，濕度和粘度較低，屬松散中低密度物料。

圖1 推土作業(yè)工況

作業(yè)過程：鏟斗放平，輪式裝載機(jī)掛一檔向前直線推土，推行距離約30 m，接近料斗后收提動臂，卸料，然后倒車到起點位置開始下一循環(huán)。推土過程中，隨著鏟斗里堆積的物料增多，阻力增大，整機(jī)前進(jìn)速度下降，但沒有出現(xiàn)整機(jī)停止不前，輪胎打滑的現(xiàn)象。我司產(chǎn)品在推土行程中段開始落后于某品牌的產(chǎn)品。

2 原因分析

根據(jù)工況分析，輪式裝載機(jī)推土過程主要受到物料作用在鏟斗的阻力f阻，作用在輪胎的驅(qū)動力F驅(qū)。由于兩型輪式裝載機(jī)整機(jī)重量差異不大，因此滾動阻力不作為考慮因素。整機(jī)受力分析見圖如圖2。根據(jù)動力學(xué)方程：F驅(qū)-f阻=ma，整機(jī)的作業(yè)加速度與驅(qū)動力F驅(qū)、阻力f阻、整機(jī)重量m有關(guān)。整機(jī)重量相當(dāng)，阻力f阻大或驅(qū)動力F驅(qū)小，會造成加速度小，整機(jī)速度提速慢，表現(xiàn)出作業(yè)效率低。

圖2 推土工況受力分析

由于鏟斗接觸地面和物料，作用在鏟斗的阻力f阻與鏟斗的鏟斗的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)；根據(jù)裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖3，發(fā)動機(jī)輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速，一部分通過與泵輪連接的分動齒輪傳遞給液壓系統(tǒng)的工作泵和轉(zhuǎn)向泵以及變速箱的變速泵；一部分通過變矩器吸收后傳遞給變速箱，再通過傳動軸傳遞給驅(qū)動橋，經(jīng)驅(qū)動橋輪邊降速增扭后傳遞給輪胎，輪胎與地面的摩擦力驅(qū)動車輛前進(jìn)。因此，驅(qū)動力F驅(qū)主要與發(fā)動機(jī)功率、變矩器性能、液壓泵消耗功率有關(guān)。在直線推土狀態(tài)，液壓系統(tǒng)不做功，損耗的功率為油液溢流發(fā)熱造成的能力損失。

圖3 裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

通過上述分析，造成輪式裝載機(jī)推土效率低的可能原因如圖4 所示。

圖4 推土效率低可能原因

與同場地作業(yè)的某品牌產(chǎn)品對比，鏟斗的結(jié)構(gòu)型式相同，發(fā)動機(jī)額定功率相同；變速箱和液壓系統(tǒng)不同。我們可以通過增大發(fā)動機(jī)功率來提高驅(qū)動力，但需重新選型和匹配，周期長，成本高。因此，提高推土效率，可通過提高變矩器能容，降低液壓損耗功率來實現(xiàn)。

3 改進(jìn)方案

3.1 液力變矩器的工作原理

用戶用于推土的我司某型輪式裝載機(jī)配置的變矩器是雙渦輪液力變矩器，雙渦輪液力變矩器的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。液力變矩器通過固定在罩輪上的彈性板與發(fā)動機(jī)連接，罩輪與泵輪連接。發(fā)動機(jī)帶動泵輪一起旋轉(zhuǎn)，并將其轉(zhuǎn)矩施加于泵輪上。當(dāng)泵輪旋轉(zhuǎn)時，泵輪內(nèi)的葉片將帶動工作液體一起做牽引的圓周運(yùn)動，還會迫使液體沿著泵輪葉片間的通路做相對運(yùn)動。當(dāng)工作液體受到泵輪葉片的作用而離開泵輪時，就可以獲得一定量的動能和壓能，實現(xiàn)了把發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的動能過程。從泵輪流出的高速液流，在經(jīng)過一段無葉片區(qū)域后，將進(jìn)入渦輪，高速的液流將沖擊渦輪的葉片，帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，同時使渦輪軸上能夠獲得一定的轉(zhuǎn)矩來克服外阻力而做功。此時，這個高速液流在渦輪中的運(yùn)動仍然是兩部分構(gòu)成的。一個是與旋轉(zhuǎn)的渦輪一起運(yùn)動的牽引運(yùn)動，另一個是在渦輪葉片流道內(nèi)的相對運(yùn)動。從渦輪流出的液流將進(jìn)入導(dǎo)輪，導(dǎo)輪在工作時是固定不轉(zhuǎn)的，導(dǎo)輪的作用是改變液體的動量矩和液流能的形式。液流從導(dǎo)輪流出后重新流入泵輪[1]。

圖5 雙渦輪液力變矩器結(jié)構(gòu)

3.2 發(fā)動機(jī)與變矩器匹配分析

變矩器與發(fā)動機(jī)連接形成新的動力裝置，其共同工作輸出扭矩和轉(zhuǎn)速給變速箱，通過計算可得各檔位的驅(qū)動力和車速。驅(qū)動力的計算公式見公式（1），在變速箱、驅(qū)動橋總傳動比和傳動效率不變，輪胎半徑不變情況下，渦輪吸收的扭矩越大，則驅(qū)動力越大；渦輪扭矩與泵輪扭矩和變矩系數(shù)相關(guān)，計算公式見式（2）。各種工況下的泵輪扭矩通過發(fā)動機(jī)與變矩器匹配共同工作特性曲線交點獲取，如圖6。因此整機(jī)能發(fā)揮的最大驅(qū)動力取決于渦輪失速狀態(tài)下的變矩系數(shù)和泵輪扭矩。

圖6 發(fā)動機(jī)－變矩器共同工作特性曲線

式中：F驅(qū)為整機(jī)驅(qū)動力（kN）；MT為變矩器渦輪扭矩（N·m）；i總為總傳動比；η總為總傳動效率；r為驅(qū)動輪胎半徑；K為變矩器的變矩系數(shù)；MB變矩器泵輪扭矩（N·m）。

3.3 變矩器改進(jìn)措施和效果

變矩系數(shù)和泵輪的公稱扭矩為液力變矩器主要性能參數(shù)。液力變矩器是通過葉柵進(jìn)行機(jī)械能和流體動能的轉(zhuǎn)換，在循環(huán)園直徑相同的條件下，通過調(diào)整葉柵即泵輪葉片中間流線進(jìn)出口角度、進(jìn)出口邊厚度，導(dǎo)輪、渦輪葉片的進(jìn)口角、出口角，進(jìn)口邊圓頭半徑，出口邊圓頭半徑參數(shù)，獲得不同性能的葉柵方案。

運(yùn)用計算流體動力學(xué)（CFD）方法仿真分析，性能臺架測試，最終確定最優(yōu)方案。改進(jìn)前、改進(jìn)后變矩器特性參數(shù)見表1。通過匹配計算，整機(jī)最大驅(qū)動力提高了10%。

表1 改進(jìn)前后液力變矩器性能參數(shù)

3.4 液壓系統(tǒng)功率損耗分析及改進(jìn)

輪式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的主要功能是驅(qū)動和控制工裝裝置動作以及整機(jī)轉(zhuǎn)向。發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液力能。客戶使用的我司某型輪式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)為傳統(tǒng)的定量液壓系統(tǒng)，工作泵和轉(zhuǎn)向泵均為固定排量。泵的流量隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而加大，推土過程，整機(jī)全程大油門，工作裝置無動作，整機(jī)無轉(zhuǎn)向動作，大量的液壓油將通過閥和管路流回油箱，由于存在背壓和沿程管路的摩擦阻力，產(chǎn)生大量的熱量，造成能量損失。傳統(tǒng)定量合流液壓系統(tǒng)的效率一般在50% ～55%之間。傳統(tǒng)定量合流液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖7。當(dāng)前國內(nèi)外高端裝載機(jī)有采用雙變量液壓系統(tǒng)，即采用負(fù)載傳感變量柱塞泵、負(fù)載傳感閉中位控制閥等液壓元件，泵輸出流量與負(fù)載流量需求匹配，理論上不存在溢流、節(jié)流、中位損失，但成本較高[2]。定變量液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵為變量柱塞泵，工作泵為定量齒輪泵，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按需供油，工作裝置無動作、轉(zhuǎn)向器不工作時，變量泵輸出流量為零，無中位損失，定變量合流液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖8[3]。該系統(tǒng)在成本增加不多的條件下，降低液壓系統(tǒng)功率損耗，在V 型鏟裝工況下，液壓系統(tǒng)效率達(dá)到 67% ～ 72%[4]。

圖7 傳統(tǒng)定量合流液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖8 定變量合流液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

液壓泵扭矩消耗扣除計算見公式（3）。發(fā)動機(jī)將有更多的扭矩與變矩器匹配，使整機(jī)具備更大的驅(qū)動力。如圖9。

式中：M泵為液壓泵扭矩（N·m）；g為重力加速度；P為壓力（MPa）；Q為流量（L/min）；n為轉(zhuǎn)速（r/min）；η為效率。

改進(jìn)前，定量系統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的參數(shù)p轉(zhuǎn)向速= 1.8 MPa，Q轉(zhuǎn)向速= 122 L/min，n轉(zhuǎn)向速= 1 660 r/min，η轉(zhuǎn)向速=0.98 ；工作泵空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的參數(shù)p工作泵=1.5 MPa，Q工作泵= 335 L/min，n工作泵= 2 200 r/min，η工作泵=0.98。分別代入公式（3）計算可得：轉(zhuǎn)向泵消耗的扭矩M轉(zhuǎn)向速= 20.6 N·m，工作泵消耗的扭矩M工作泵= 35.6 N·m，合計為 56.2 N·m。

改進(jìn)后，定變量系統(tǒng)應(yīng)用于推土工況的輪式裝載機(jī)，工作裝置無動作，轉(zhuǎn)向油缸無動作，轉(zhuǎn)向泵輸出流量為零，消耗扭矩為零，只有工作泵空轉(zhuǎn)消耗扭矩。工作泵空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的參數(shù)p工作泵= 1.5 MPa，Q工作泵=205 L/min，n工作泵= 1 660 r/min，η工作泵= 0.98；代入公式（3）計算可得工作泵消耗的扭矩M工作泵= 28.8 N·m。

由上述計算可知，推土工況下，定變量液壓系統(tǒng)扭矩消耗比定量液壓系統(tǒng)減少了27 N·m。發(fā)動機(jī)將有更多的扭矩與變矩器匹配，改進(jìn)前，改進(jìn)后在推土工況下發(fā)動機(jī)的扭矩曲線如圖9 所示。

圖9 改進(jìn)前，改進(jìn)后發(fā)動機(jī)扭矩曲線

綜合變矩器性能提升，定變量液壓系統(tǒng)扭矩消耗減少，經(jīng)匹配計算，整機(jī)最大驅(qū)動力由原來的160 kN 提高到了179 kN。

4 結(jié)語

本文針對輪式裝載機(jī)推土工況，分析影響作業(yè)效率的因素，通過提高變矩器性能、應(yīng)用定變量液壓系統(tǒng)的方案，提升了整機(jī)牽引性能，提高了推土作業(yè)效率。樣機(jī)改造后，經(jīng)實際工況應(yīng)用，滿足了用戶需求。