裝載機(jī)發(fā)動機(jī)輸出功率分配特性的試驗(yàn)研究

徐禮超 ，李 煒 ，秦 超 ，尹 瑞

（1.淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

裝載機(jī)因其具有作業(yè)速度快、靈活性好、操縱簡便等特點(diǎn)，在工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。裝載機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，作業(yè)過程中不同時段傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)的功率變化明顯，為適應(yīng)這種功率變化需求，目前絕大部分裝載機(jī)都是通過人工機(jī)械調(diào)節(jié)加速踏板位置的方法來實(shí)現(xiàn)輸出功率的變化[1]，這種人為、粗略地調(diào)整發(fā)動機(jī)功率輸出的方法通常會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率高于作業(yè)實(shí)時需求功率，進(jìn)而造成動力浪費(fèi)、燃油消耗增加，或輸出功率低于作業(yè)實(shí)時需求功率，從而造成作業(yè)動力不足、工作效率低下[2-3]。為滿足裝載機(jī)作業(yè)時傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)功率的實(shí)時動態(tài)需求，提高發(fā)動機(jī)功率利用率、降低燃油消耗，在多物料實(shí)車試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究了發(fā)動機(jī)輸出功率實(shí)時分配特性，為裝載機(jī)多功率工作模式的設(shè)計與應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)車試驗(yàn)

2.1 傳感器的選用與標(biāo)定

裝載機(jī)作業(yè)時，與發(fā)動機(jī)輸出功率相關(guān)的測試參數(shù)主要有傳動軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與液壓泵出口油壓，按照文獻(xiàn)[4]中轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速計算公式，以常用的某型裝載機(jī)為測試樣機(jī)，分別對其前、后傳動軸轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，得到了傳動軸在工作過程中承受的最大轉(zhuǎn)矩為4281Nm，傳動軸最高轉(zhuǎn)速為3500r/min，結(jié)合裝載機(jī)液壓系統(tǒng)工作壓力和傳感器選用原則，選用了由BF350-3HA型應(yīng)變片構(gòu)成的轉(zhuǎn)矩傳感器與TT10K旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩?zé)o線遙測系統(tǒng)、SZGB-20型光電式轉(zhuǎn)速傳感器以及F6206-AB-T6型液壓流量傳感器。

按照傳感器常用的標(biāo)定方法，應(yīng)用傳感器標(biāo)定裝置對轉(zhuǎn)矩傳感器和液壓傳感器性能進(jìn)行了標(biāo)定，得到前、后傳動軸轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定系數(shù)分別為917.8N·m/V、882.7N·m/V以及工作泵、轉(zhuǎn)向泵、變速泵出口測點(diǎn)處的液壓傳感器標(biāo)定系數(shù)分別為8.8MPa/V、8.5MPa/V與8.6MPa/V。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建

將裝載機(jī)前、后傳動軸的轉(zhuǎn)矩信號接入數(shù)據(jù)采集儀的第1、2通道，工作泵、變速泵與轉(zhuǎn)向泵的出口油壓信號分別接入第3～5通道，發(fā)動機(jī)與前傳動軸的轉(zhuǎn)速信號則接入第7、8通道，為便于對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，試驗(yàn)時還需采集前進(jìn)檔位信號，并將該信號接入第6通道，數(shù)據(jù)采集儀采集信號后通過USB接口與計算機(jī)相連接。

2.3 實(shí)車試驗(yàn)

裝載機(jī)實(shí)際工作狀況千變?nèi)f化，實(shí)機(jī)測試的一個顯著特點(diǎn)就是試驗(yàn)過程帶有很大的隨機(jī)性，因而做好試驗(yàn)的總體設(shè)計工作就顯得非常重要。為高質(zhì)量地完成各測點(diǎn)參數(shù)的測試任務(wù)，考慮到測試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，因此在試驗(yàn)時采用了“有線測試”與“近程遙測”相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將液壓、轉(zhuǎn)速及檔位信號直接利用有線測試進(jìn)行信號采集，而轉(zhuǎn)矩信號則采用“近程遙測”方式進(jìn)行信號的同步采集[5]。

裝載機(jī)典型作業(yè)物料有松散土、半濕土、原生土、小石方與大石方，為使測試數(shù)據(jù)具有代表性，并控制測試誤差在允許范圍內(nèi)，測試時設(shè)置信號采樣頻率為1000Hz，每種作業(yè)物料取60個工作循環(huán)，分別由2名駕駛員以常用的“V”型作業(yè)方式按照設(shè)定的操作規(guī)范進(jìn)行半數(shù)作業(yè)[6]。其中鏟裝松散土?xí)r現(xiàn)場作業(yè)情況及采樣的測試參數(shù)分別，如圖1、圖2所示。

圖1 松散土鏟裝作業(yè)圖Fig.1 Work Figure of Shovelling Loose Soil

圖2 鏟裝松散土?xí)r采樣的測試參數(shù)Fig.2 Sampled Test Parameters when Shovelling Loose Soil

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

將裝載機(jī)鏟裝每種物料時采樣的60個作業(yè)循環(huán)樣本數(shù)據(jù)分為12個等間隔子樣，每個子樣包括5個作業(yè)循環(huán)，每個作業(yè)循環(huán)則由空載前進(jìn)段Ⅰ、鏟掘段Ⅱ、重載后退段Ⅲ、重載前進(jìn)及卸料段Ⅳ和空載后退段Ⅴ5個作業(yè)段構(gòu)成，因同一循環(huán)的不同作業(yè)段載荷相差較大，而不同循環(huán)的相同作業(yè)段載荷差異較小，為制取出能反映裝載機(jī)典型工作循環(huán)的載荷歷程譜，應(yīng)用nSoft軟件、采用“鏟-續(xù)-鏟”方式對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分段與合并處理，具體處理方法參見文獻(xiàn)[7]。

測試過程中，由于會有外界干擾信號影響到測試數(shù)據(jù)，因此需要采用一定的數(shù)據(jù)處理技術(shù)與方法將測試數(shù)據(jù)中的有用信號提取出來。結(jié)合裝載機(jī)實(shí)際工作情況，分別選用了帶通頻率為（110～350）Hz的巴特沃斯8階帶通濾波器對液壓泵出口油壓測試數(shù)據(jù)和低通頻率為300Hz的巴特沃斯8階低通濾波器對傳動軸轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理[8]。對于測試時出現(xiàn)的一些異值點(diǎn)，可應(yīng)用nSoft軟件對這些異值點(diǎn)進(jìn)行識別并剔除[7]。

表1 鏟裝松散土?xí)r工作泵在各作業(yè)段消耗的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩均方值及輪次統(tǒng)計表Tab.1 Mean Square Value of Consumed Engine Torque and Round Statistical Table for Each Section of Work Pump when Shovelling Loose Soil

表中：x—子樣的轉(zhuǎn)矩均值；N—子樣數(shù)；E（x2）a—各子樣的總體均方值均值。

若要以采集的有限樣本數(shù)據(jù)來代替裝載機(jī)總體作業(yè)情況，前提條件是采集的樣本數(shù)據(jù)必須要能通過平穩(wěn)性檢驗(yàn)[9-10]，現(xiàn)以鏟裝松散土?xí)r工作泵消耗發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為例（工作泵消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與其出口油壓關(guān)系式參見文獻(xiàn)[8]），采用輪次法對合并的裝載機(jī)不同作業(yè)循環(huán)的相同作業(yè)段數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)（具體檢驗(yàn)方法參見文獻(xiàn)[8]），得到的工作泵各作業(yè)段統(tǒng)計結(jié)果，如表1所示。由表 1 可知，各作業(yè)段相應(yīng)的輪次數(shù)為 r1=6，r2=7，r3=5，r4=6，r5=7。當(dāng)子樣組數(shù)N=12，顯著水平α=0.05時，查輪次分布表可知，輪次數(shù)應(yīng)在（4，9）之間。因表1中各作業(yè)段的輪次數(shù)均在該輪次區(qū)間內(nèi)，故可接受平穩(wěn)性假設(shè)條件，即認(rèn)為鏟裝松散土?xí)r工作泵在各作業(yè)段消耗的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩是平穩(wěn)的。

鏟裝松散土?xí)r前、后傳動軸與變速泵、轉(zhuǎn)向泵在各作業(yè)段消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性檢驗(yàn)方法同上所述，鏟裝松散土、半濕土、小石方、大石方時傳動軸及液壓泵在各作業(yè)段消耗發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩同鏟裝松散土的平穩(wěn)性檢驗(yàn)方法。

將通過平穩(wěn)性檢驗(yàn)的各作業(yè)段數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，按作業(yè)順序?qū)⒏鞫芜M(jìn)行連接，可得到傳動軸、液壓泵消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩歷程譜，其中前傳動軸、工作泵消耗的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩歷程譜分別，如圖3、圖4所示。

圖3 前傳動軸消耗轉(zhuǎn)矩歷程譜Fig.3 Consumed Torque Process Spectrum of the Front Drive Shaft

圖4 工作泵消耗轉(zhuǎn)矩歷程譜Fig.4 Consumed Torque Process Spectrum of Work Pump

從圖3、圖4可以看出：（1）由于裝載機(jī)鏟裝物料過程帶有比較大的隨機(jī)性，因此實(shí)時動態(tài)采集的測試數(shù)據(jù)變化也很明顯，這些數(shù)據(jù)雖經(jīng)分段合并、濾波、去異值、平穩(wěn)性檢驗(yàn)等綜合處理，但處理后的數(shù)據(jù)仍將不可避免地出現(xiàn)不規(guī)律變化情況；（2）前傳動軸在鏟掘段、重載后退段消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩較大，工作泵在鏟掘段、重載前進(jìn)及卸料段消耗轉(zhuǎn)矩較大，其余段消耗轉(zhuǎn)矩則相對較小，這與裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)情況相一致。

4 裝載機(jī)發(fā)動機(jī)輸出功率動態(tài)分配特性分析

根據(jù)發(fā)動機(jī)功率計算公式P=T×n/9550計算得到的傳動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)消耗的發(fā)動機(jī)功率歷程譜，如圖5、圖6所示。由圖可知：（1）裝載機(jī)作業(yè)時，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與傳動軸、液壓泵消耗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩均實(shí)時動態(tài)變化，因此處理得到的傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)功率也隨之瞬態(tài)變化；（2）裝載機(jī)處于鏟掘段作業(yè)時，傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)功率均處于較大值，此時要求發(fā)動機(jī)輸出較大功率來完成鏟掘物料工作，而其他段消耗發(fā)動機(jī)功率則相對較小，這些作業(yè)段要求發(fā)動機(jī)提供的動力也相應(yīng)較低。

同理，可以制取出裝載機(jī)鏟裝其他物料時傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)消耗的發(fā)動機(jī)功率歷程譜。

圖5 傳動系統(tǒng)消耗的發(fā)動機(jī)功率Fig.5 Consumed Engine Power of Transmission System

圖6 液壓系統(tǒng)消耗的發(fā)動機(jī)功率Fig.6 Consumed Engine Power of Hydraulic System

據(jù)統(tǒng)計，裝載機(jī)鏟裝原生土、松散土、半濕土、小石方與大石方的作業(yè)比例為 0.4：0.17：0.08：0.1：0.25[11]，將鏟裝上述物料時傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)的功率與相應(yīng)作業(yè)比例進(jìn)行加權(quán)平均，則可得到通常情況下裝載機(jī)鏟裝物料時傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及其共同消耗的發(fā)動機(jī)功率譜圖，如圖7所示。

圖7 裝載機(jī)鏟裝物料時的功率消耗圖Fig.7 Power Consumption Figure of Loader Shovelling the Materials

由圖7可以看出，裝載機(jī)工作在空載前進(jìn)段Ⅰ、重載后退段Ⅲ與空載后退段Ⅴ時，傳動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)共同消耗發(fā)動機(jī)的功率數(shù)值比較接近，且相對較小，重載前進(jìn)及卸料段Ⅳ消耗功率較大，鏟掘段Ⅱ消耗功率最大，據(jù)此可將發(fā)動機(jī)設(shè)為高功率、中功率與低功率3種功率工作模式。結(jié)合傳動軸轉(zhuǎn)矩、液壓泵出口油壓及液壓缸工作壓力、活塞位移等信號可確定出裝載機(jī)處于何種工作模式。

當(dāng)裝載機(jī)傳動軸轉(zhuǎn)矩、液壓泵出口油壓及液壓缸大小腔油壓均較小，動臂缸與轉(zhuǎn)向缸活塞位移較小，轉(zhuǎn)斗缸活塞位移較大（此時處于空載前進(jìn)段Ⅰ）；或傳動軸轉(zhuǎn)矩與工作泵出口油壓較小，轉(zhuǎn)向泵出口油壓、動臂缸大腔油壓均較大，轉(zhuǎn)斗缸大腔油壓及活塞位移達(dá)最大值，轉(zhuǎn)向缸活塞位移較大（此時處于重載后退段Ⅲ）；或傳動軸轉(zhuǎn)矩與工作泵出口油壓較小，轉(zhuǎn)向泵出口油壓較高，動臂缸小腔油壓及活塞位移由最大值逐漸變小（此時處于空載后退段Ⅴ）；在上述3個作業(yè)段，因傳動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)共同消耗發(fā)動機(jī)功率較低，此時可將裝載機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計為低功率工作模式。當(dāng)裝載機(jī)傳動軸轉(zhuǎn)矩由較小值逐漸變至較大值，工作泵出口油壓由最大值向最小值變化，動臂缸小腔油壓由較小值逐漸變至最大值，轉(zhuǎn)斗缸大腔油由最高值逐漸減低，而小腔油壓由很小值逐漸變至最大值，轉(zhuǎn)向泵出口油壓較高，轉(zhuǎn)向缸大小腔油壓呈較大變化，動臂缸活塞位移由0逐漸升至最大值，轉(zhuǎn)斗缸活塞位移由最大值逐漸回落到接近于0（此時處于重載前進(jìn)及卸料段Ⅳ），在此階段，因傳動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)共同消耗發(fā)動機(jī)功率較高，此時可將裝載機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計為中功率工作模式。當(dāng)裝載機(jī)傳動軸轉(zhuǎn)矩達(dá)最大值，工作泵出口油壓急劇上升且維持很高值，動臂缸大腔壓力達(dá)最大值，轉(zhuǎn)斗缸大腔壓力較大，轉(zhuǎn)斗缸活塞位移有較大增加，而動臂缸、轉(zhuǎn)向缸活塞位移基本不變（此時處于鏟掘段Ⅱ），在此階段，因傳動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)共同消耗發(fā)動機(jī)功率很高，此時可將裝載機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計為高功率工作模式。通過設(shè)定的這3種工作模式，可實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)工況輸出不同的功率，從而達(dá)到功率利用最大化，降低能耗及提高工作效率的根本目的。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用nSoft軟件、采用“鏟-續(xù)-鏟”方式對每種物料采樣的60個作業(yè)循環(huán)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，裝載機(jī)12個作業(yè)子樣不同作業(yè)段的輪次數(shù)均落在規(guī)定區(qū)間內(nèi)，各作業(yè)段消耗發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足平穩(wěn)性假設(shè)條件，因此可取裝載機(jī)鏟裝某物料時采樣的有限樣本數(shù)據(jù)來代替該物料總體作業(yè)情況。（2）將裝載機(jī)鏟裝多種物料時傳統(tǒng)系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)的功率按作業(yè)比例進(jìn)行加權(quán)平均處理，得到的上述兩系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)功率情況更具有代表性。（3）獲得的傳統(tǒng)系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機(jī)功率歷程譜圖表明，鏟掘段消耗功率最大，重載前進(jìn)及卸料段消耗功率次之，空載前進(jìn)段、重載后退段與空載后退段消耗發(fā)動機(jī)功率相對較小，這為發(fā)動機(jī)多功率工作模式設(shè)計提供了試驗(yàn)依據(jù)。