基于Visual Basic卡車循環(huán)運(yùn)輸工況燃油經(jīng)濟(jì)性分析

宋俊良，周勁草

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 成都 611130；2.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

1 引言

隨著環(huán)保排放法規(guī)的嚴(yán)格及企業(yè)降成本的要求，費(fèi)用占比達(dá)到（40～55）%的燃油消耗，是降低成本的重要來(lái)源。運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算指標(biāo)常用噸百公里油耗來(lái)評(píng)價(jià)，礦山運(yùn)輸卡車的運(yùn)行工況比較固定，在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，運(yùn)輸量、距離、油耗量等的綜合最優(yōu)時(shí)，則認(rèn)為燃油消耗達(dá)到最佳[1]。車輛燃油消耗的影響因素眾多，涉及的工況也較多，建立高效燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可提升成本控制的有效性，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)[2]基于試驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)調(diào)整加載，選取空載、1/3裝載、1/2裝載、2/3裝載及滿載等工況，獲取負(fù)載變化對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響；文獻(xiàn)[3]采用一維軟件STARCD建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)能量管理模型，以此影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的各個(gè)影響因素，主要是負(fù)載和油門開度；文獻(xiàn)[4]采用三維建模軟件ADAMS，建立發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的分析模型，獲取影響燃油消耗的主要影響因素，并重點(diǎn)分析負(fù)載的影響情況；文獻(xiàn)[5]基于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，分析不同運(yùn)行工況參數(shù)，主要包括油門開度、負(fù)載等對(duì)整車油耗的影響規(guī)律，以此獲取最優(yōu)的參數(shù)組合設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]采用發(fā)動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)某車輛周期性循環(huán)運(yùn)行工況下的燃油消耗量進(jìn)行在線測(cè)試，分析不同的油門開度的影響，以獲取最佳動(dòng)力分配比。

針對(duì)井下運(yùn)輸卡車循環(huán)工況的特點(diǎn)，建立工作循環(huán)示意圖，獲取八工況各自的燃油消耗量；采用循環(huán)行駛計(jì)算法，測(cè)定運(yùn)輸卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性。基于編程語(yǔ)言VB（Visual Basic）建立卡車燃油經(jīng)濟(jì)性分析模塊，分為輸入和輸出端。分析不同車型、斜坡道坡度、運(yùn)輸量等對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。采用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，分析不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗，與系統(tǒng)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 運(yùn)輸卡車循環(huán)工況模型

礦山運(yùn)輸卡車的運(yùn)行工況比較固定，卸料-裝載-卸料完成一個(gè)工作循環(huán)工況，重載運(yùn)輸、空載返回，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)[7]，循環(huán)示意圖，如圖1所示。

圖1 工作循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Working Cycle

2.1 燃油消耗量數(shù)學(xué)模型

設(shè)定在某礦段進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)距s為2000m。斜坡道坡度15%，斜坡道長(zhǎng)度s1為1600m，約占全長(zhǎng)的80%；彎道處緩坡道坡度為5%，運(yùn)行距離s2為250m，約占全長(zhǎng)的12.5%；工作面內(nèi)平路運(yùn)行距離s3為50m；出口處距離卸料處平路距離s4為150m?？ㄜ嚨却龝r(shí)間為tw，為在巷道內(nèi)等待裝車的時(shí)間[8]。

由車輛燃油消耗率ge與小時(shí)燃油消耗量Gi的關(guān)系可知：

式中：Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率。

式中：Gi—怠速時(shí)小時(shí)燃油消耗量；gi—怠速時(shí)燃油消耗率。

（1）怠速燃油消耗量：

（2）同理，卡車在鏟運(yùn)機(jī)裝料的時(shí)間內(nèi)仍怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，此段時(shí)間內(nèi)燃油消耗量：

（3）卡車在平路s3距離內(nèi)做從靜止開始全油門加速運(yùn)動(dòng)加速至uɑ1。

加速過(guò)程分隔為若干區(qū)間，如圖2所示?？傻茫?/p>

圖2 等加速燃油消耗量Fig.2 Fuel Consumption During Equal Acceleration

車輛每個(gè)時(shí)間段末的速度分別為1km/h、2km/h……、nkm/h，相對(duì)應(yīng)各檔位牽引力為F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n。繼而計(jì)算各時(shí)間段加速度ɑi=Fi/m。由Pi=Fi=vi，可計(jì)算出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，由此可依據(jù)上述公式直接計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)燃油消耗量。

則，整個(gè)過(guò)程燃油消耗量為：

（4）卡車到達(dá)斜坡道開始以某一檔位，一定速度v勻速上坡，燃油消耗量為：

式中：gei—某車速下的燃油消耗率。

式中：ui—?jiǎng)蛩偕掀聲r(shí)的速度。

（5）卡車在出井口后為一段速度由v1到v2的勻加速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間：

加速距離s4，這段時(shí)間的平均速度v平=（v1+v2）/2，由此可推算出F平，n平，P平。則該區(qū)段的燃油消耗量為：

（6）卸載工況燃油消耗量為：

（7）卡車卸料完成后回行，在平路做由靜止開始的加速運(yùn)動(dòng)，距離為s4。根據(jù)以上公式同理可得此段耗油量為：

（8）卡車在進(jìn)入井口后沿斜坡道以某一車速uɑ3減速到uɑ4的等減速運(yùn)動(dòng)，減速時(shí)間為：

式中：uɑ2、uɑ3—起始和減速終了的車速；du/dt—減速度。

減速過(guò)程的燃油消耗量為：

（9）卡車在進(jìn)入工作面巷道后以有一車速v勻速運(yùn)動(dòng)至裝料處。此過(guò)程的燃油消耗量為：

（10）整個(gè)等速過(guò)程行經(jīng)s1的燃油消耗量為：

式中：ui—?jiǎng)蛩偕掀聲r(shí)的速度。

式中：Q—一個(gè)循環(huán)的燃油消耗量，為以上各運(yùn)行狀態(tài)燃油消耗總和；m—運(yùn)輸貨物重量；s—運(yùn)輸?shù)木嚯x。

2.2 基于VB燃油經(jīng)濟(jì)性求解模塊

循環(huán)運(yùn)行工況充分體現(xiàn)了井下運(yùn)輸卡車的工作特征，其中各路段的距離均有模塊參數(shù)輸入界面輸入數(shù)值[9]。燃油經(jīng)濟(jì)性的分析依托于整車動(dòng)力性能分析系統(tǒng)，其框圖，如圖3所示。

圖3 車輛動(dòng)力性能仿真全過(guò)程圖Fig.3 The Whole Process of Vehicle Dynamic Performance Simulation

該模塊采用的編程語(yǔ)言是（Visual Basic），后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算的結(jié)果報(bào)表以Excel文檔的形式輸出并存檔。每個(gè)工況運(yùn)行的時(shí)間根據(jù)其所處路面狀況和長(zhǎng)度有關(guān)，具體參數(shù)可在下一張燃油經(jīng)濟(jì)性模塊開發(fā)的參數(shù)設(shè)定模塊中設(shè)定具體數(shù)值。這樣就可以更準(zhǔn)確的計(jì)算運(yùn)輸卡車在具有不同特點(diǎn)的礦井下運(yùn)輸?shù)娜加徒?jīng)濟(jì)性。燃油經(jīng)濟(jì)性模塊主要包括運(yùn)輸卡車工作循環(huán)參數(shù)設(shè)定、鏟運(yùn)機(jī)工作循環(huán)參數(shù)設(shè)定、燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算三部分組成，如圖4所示。

圖4 燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模塊框圖Fig.4 Block Diagram of Fuel Economy Calculation Module

運(yùn)輸卡車工作循環(huán)參數(shù)設(shè)定是最重要的模塊之一，它要完成對(duì)卡車運(yùn)輸參數(shù)和礦井參數(shù)的讀取和分工況燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算，如圖5所示。

圖5 燃油經(jīng)濟(jì)性求解模塊Fig.5 Fuel Economy Solution Module

運(yùn)輸卡車工作循環(huán)參數(shù)設(shè)定界面中分兩個(gè)部分，如圖5 所示。第一部分為路面參數(shù)設(shè)定。第二部分是時(shí)間參數(shù)設(shè)定。燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)果查詢模塊中有三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以查詢：每噸礦公里油耗、百公里油耗和小時(shí)油耗，如圖6（b）所示。

3 燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

以某鐵礦項(xiàng)目為例，其具體參數(shù)，如表1所示。將根據(jù)礦井實(shí)際參數(shù)，計(jì)算其單個(gè)工況循環(huán)的燃油消耗量以及每天的耗油量。

表1 某礦區(qū)礦井參數(shù)表Tab.1 Mine Parameters in a Mining Area

3.1 不同車型燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

利用運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性模塊，三款運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性，車型主要參數(shù)，如表2所示。循環(huán)工況參數(shù)，如表1所示。在相同的工況循環(huán)條件下，計(jì)算系列車型的燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行對(duì)比分析，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。計(jì)算輸入模塊參數(shù)也采取相同參數(shù)設(shè)置，獲得燃油經(jīng)濟(jì)性輸出結(jié)果，如圖6所示。

圖6 運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果Fig.6 Fuel Truck Fuel Economy Calculation Result

表2 車型參數(shù)Tab.2 Model Parameters

由分析結(jié)果可知，三個(gè)車型的燃油消耗量相差不大，車型二與其他相比無(wú)優(yōu)勢(shì)；考慮車型的運(yùn)輸量，則車型二最大；考慮各因素的成本，則車型二的效益為96.8萬(wàn)元，從生產(chǎn)效益角度考慮，其優(yōu)于其他兩個(gè)車型，適合所研究工況運(yùn)輸。

3.2 斜坡道坡度影響

工況模型參數(shù)如表1所示，獲?。好繃嵉V公里油耗、每小時(shí)油耗、百公里油耗、每天油耗量、每天運(yùn)礦量、每天運(yùn)礦量與油耗量的比值。繪制設(shè)定的工況循環(huán)下運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)隨坡度變化的離散數(shù)值曲線，曲線圖，如圖7所示。

圖7 不同坡度下的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Fig.7 Fuel Economy Index under Different Slopes

從圖中可以看出，隨著坡度增加，運(yùn)輸量減小，油耗則呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；車輛每個(gè)工況循環(huán)時(shí)間增大，需要的燃油消耗量也增大，在所研究的工況循環(huán)內(nèi)，由上表分析可知，隨坡度增加，盈利減小，在該礦區(qū)坡度為15%時(shí)運(yùn)輸卡車每天油耗量達(dá)到最大值。

3.3 每工況循環(huán)運(yùn)量影響

在某礦區(qū)使用該型號(hào)卡車，斜坡道坡度為15%時(shí)，卡車的爬坡性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該坡度值，一二檔下車輛的儲(chǔ)備功率較高，因此可以考慮增加每工況循環(huán)運(yùn)量來(lái)提高運(yùn)礦量。根據(jù)運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性模塊計(jì)算同一個(gè)工況循環(huán)下，計(jì)算運(yùn)輸卡車不同載重量時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖8所示。

圖8 不同運(yùn)量的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Fig.8 Fuel Economy Indicators for Different Shipments

分析可知，百公里油耗隨卡車每工況循環(huán)運(yùn)量量增大而逐漸增大，增加每個(gè)工況循環(huán)的運(yùn)礦量，導(dǎo)致油耗增加，符合實(shí)際情況。圖中分析結(jié)果可知，小時(shí)油耗隨卡車每工況循環(huán)運(yùn)量的增加而減小。噸礦公里油耗這個(gè)燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)隨卡車每工況循環(huán)運(yùn)量量的增大而減小，也就是說(shuō)提高每工況循環(huán)運(yùn)量量可相對(duì)減小燃油消耗，這對(duì)運(yùn)輸卡車而言意義重大。每工況循環(huán)不同運(yùn)量的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，再根據(jù)運(yùn)輸卡車的盈利公式，通過(guò)對(duì)表2中每臺(tái)卡車每天運(yùn)量和每天燃油消耗量的計(jì)算，得知，當(dāng)運(yùn)輸卡車每工況循環(huán)的運(yùn)量為30t時(shí)，效益可達(dá)最大值，如圖9所示。

圖9 油耗量關(guān)系曲線Fig.9 Fuel Consumption Relationship Curve

圖中分析可知，增大運(yùn)輸卡車車廂容積，增大載重量可提高運(yùn)輸卡車的效益。

4 試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析

利用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)搭建的運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性分析模型進(jìn)行檢驗(yàn)。試樣臺(tái)，如圖10所示。包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、功率耗散裝置、水利測(cè)功機(jī)、燃油消耗測(cè)試系統(tǒng)等組成[10]。獲取不同功率、負(fù)載狀況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗，與系統(tǒng)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3、圖11（a）所示。根據(jù)表1所示的整個(gè)循環(huán)坡度情況，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度和輸出扭矩，獲取不同坡度下的燃油消耗，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11（b）所示。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試臺(tái)架Fig.10 Engine Fuel Economy Test Bench

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Test Result

圖11 測(cè)試曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of Test Curves

根據(jù)分析結(jié)果可知，獲取的燃油經(jīng)濟(jì)性變化曲線，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗先增加后減小。獲取不同坡度下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗逐漸增加，與系統(tǒng)測(cè)試趨勢(shì)一致。對(duì)比參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)獲取分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，最大誤差在7%以內(nèi)。表明測(cè)試系統(tǒng)分析結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

針對(duì)給定的工況循環(huán)，利用本節(jié)開發(fā)的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模塊，分析礦井斜坡道坡度、每工況循環(huán)運(yùn)礦量對(duì)運(yùn)輸卡車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。結(jié)果可知：（1）每噸礦公里的燃油消耗量分別為0.156L，每天的生產(chǎn)效益為96.8萬(wàn)元，所研究的運(yùn)輸卡車油耗無(wú)優(yōu)勢(shì)，但經(jīng)濟(jì)效益顯著，適合在所研究的循環(huán)工況運(yùn)行；（2）當(dāng)坡度為15%時(shí)，運(yùn)輸卡車每天油耗量達(dá)到最大值；當(dāng)卡車的載重量為30t時(shí)可使該運(yùn)輸卡車的經(jīng)濟(jì)效益最大化；（3）試驗(yàn)測(cè)試與系統(tǒng)模擬結(jié)果誤差在7%以內(nèi)，油耗的變化趨勢(shì)保持一致，表明系統(tǒng)模塊結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。