礦用自卸車動力總成匹配研究

陳玉杰，史美麗，胡 偉，郭永志

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

前言

非公路礦用自卸車是指在露天場合為完成巖石土方運輸與礦石運輸等任務而使用的一種專業化車輛，主要用于露天礦山、港口碼頭、水利水電工地和交通基礎設施建設等大型施工現場[1]。

非公路礦用自卸車分為礦用剛性自卸車、礦用鉸接自卸車、礦用寬體自卸車（以下簡稱寬體自卸車）。

寬體自卸車作為中國特有的行業，按照《GB T 35194— 2017土方機械非公路機械傳動寬體自卸車技術條件》，需要按照國家強制非道路排放標準。

本文基于寬體自卸車整車可靠性、動力性、經濟方面的要求，從動力總成角度出發，總結了大馬力電控機型非道路第三階段柴油機開發的過程中的成果。

1 礦區工況及用戶需求介紹

礦山工況環境嚴苛，見圖2。礦區絕大部分分布在高溫、高原、高寒地區。路況：坡道、彎道多，坡道坡度大。用途：運送剝離土層，司機駕駛習慣粗暴，使用保養不規范；配件調運困難。

圖2 非公路礦用自卸車作業環境

運行工況一般為：等待裝載—重載上坡—卸載—空載下坡，運距較短，單程距離一般在3 km～5 km，最長不超過10 km。

圖3 礦用自卸車典型路譜

隨著國家政策的完善和相關產業結構調整的深入，用戶的規模和實力將不斷增強，其在選擇過程中將更加注重綜合效益，對發動機要求按照客戶關注程度依次為：可靠性、服務、動力性、經濟性等[2]。

圖4 整車重點關注指標圖示

圖5 礦車用發動機排量占比變化趨勢圖

隨著國家進行礦區的整合，大型礦區的逐漸增多，大噸位整車增加有效載重量，降低了作業車輛密度，減少人工、管理等成本。因此大噸位整車需求將越來越多。

2 發動機動力總成匹配解決方案

動力總成脫離借鑒車機匹配的路線，采用：大馬力發動機+小速比變速箱+大速比后橋，可有效提升變速箱效率，降低發動機及后橋效率。

動力總成合理匹配，使發動機常用轉速向低轉速偏移，使發動機常用轉速由額定點轉速降低，降低發動機負荷率，提升可靠性及壽命，并降低常用轉速油耗率[3]。

高轉速發動機+少檔位變速箱，保證換擋平順性前提下，變速箱結構簡化，無副箱結構，整車動力總成故障率大幅降低。

2.1 大馬力發動機匹配研究

下表1為現市場主流某12 L礦車發動機與某13 L礦車發動機動力總成。

表1 非公路礦用自卸車動力總成

通過相應的建模及分析，通過整車功率平衡匹配圖6所示可得出以下信息：

圖6 整車功率平衡匹配圖示

（1）**12.420+7DS220+11.75—車速8.6 km/h—270 kW；

（2）2擋2 200 r/min，車速8.6 km/h，最大爬坡度9.18%；

（3）**13.530+8DS260+11.75—車速9.8 km/h—303 kW；

（4）2擋2 070 r/min，車速9.8 km/h，最大爬坡度8.57%。

通過分析得出以下大馬力匹配優勢：

（1）最佳油耗區域擴大，最佳經濟區轉速范圍1 100 r/min～1 500 r/min，最佳油耗區向高速區域移動。

（2）扭矩提升，使運行點向左移動。

2.2 高轉速發動機匹配研究

高轉速發動機匹配方案優勢：

（1）額定轉速提高11%，給換擋操作預留了充足的轉速下降區間，解決了少檔位變速箱級差偏大帶來的換擋困難問題；

（2）滿足了司機在礦區復雜路況下減少換擋頻率的需求，實現了礦區車輛低檔位、大油門、高車速模式的常態化運行。

如圖7所示：在8%坡度條件下：1 900 r/min+10.84配置二檔爬坡動力性足夠，經濟性改善。

圖7 換擋轉速變化a

考慮到換擋間隙車速下降，2 100 r/min+11.75配置，換擋后車速降到4.5 km/h，轉速降到1 145 r/min；1 900 r/min+11.75/10.84配置，換擋后轉速降到1 077 r/min；本工況下可以使用1 900 r/min+10.84配置。

如圖8所示：在15%坡度條件下：三種配置二檔爬坡均比較困難，動力性偏差，一檔行駛車速過慢，運輸效率低。

圖8 換擋轉速變化b

本工況下無法使用1 900 r/min+10.84配置。

2.3 發動機性能開發要求

考慮到礦區復雜的道路情況，發動機運行工況點主要集中在調速段，在相同扭矩下，高轉速發動機功率大，車速高，克服阻力能力強。

推廣大馬力、高轉速發動機更適合用戶駕駛安全及換擋平順，提升運輸效率，降低發動機油耗[4]。

3 適應礦區嚴苛的自然環境

如圖9所示：加大增壓器蝸殼、減小壓殼，改善高速段增壓效果[5]。

圖9 增壓器各海拔聯合運行線

高原性能優化成果顯著，通過增壓器等性能件合理匹配，實現額定點3 000 m不降、4 000 m降低10% 、5 000 m降低15%；全面領先競品。并可以實現和平原機型通用。

圖10 高原能力優化示意

4 智能附件開發

標配電控硅油離合器如圖11所示，閉環策略精確控制轉速如圖12所示。

圖1 非公路礦用自卸車分類

圖11 硅油離合器圖示

圖12 電控硅油離合器熱滑差曲線

開環控制可以實現按照水溫標定轉速，但風扇實際轉速不會反饋給ECU，ECU也不去管理，不利于整機熱平衡。

借助自主電控平臺，標定風扇離合器的閉環控制策略，可以精確控制轉速，實現比剛性風扇節油、降低噪聲。

因發動機長時間運行在高轉速器，實現風扇的柔性控制對油耗降低效果顯著，可達到5%～10%。

5 降低發動機比油耗，降低運營費用

圖13 寬體車用發動機發動機運行點

充分市場數據采集分析，提出精確的發動機運行區間，針對性優化發動機，做到性能最優，油耗最低，最大限度降低用戶運營成本。

性能開發方面，優化燃燒，新設計凸輪軸、活塞、噴油器，配合增壓器選型，實現發動機常用高速區油耗降低4～9 g/Kw/h，發動機整體油耗降低5%以上。

圖14 發動機性能優化油耗對比1

圖15 發動機性能優化油耗對比2

進行動力總成仿真分析：根據整車信息，建立整車、發動機、離合器、變速箱、差速器、主減速器、輪胎、制動器、駕駛室、監視器等模塊；收集相應模塊參數并輸入模型。換擋規律參考實際路譜，整車仿真模型如圖16所示。

圖16 Cruise整車模型

圖17 路譜：車速、坡度曲線

結論：優化后比優化前整車油耗降低2.01%。

從動力性和經濟性兩方面內容仿真計算針對市場采集路譜，針對整車路譜做整車性能仿真計算。

發動機最佳油耗經濟區靠右上，轉速在1 400 rpm～1 800 rpm對整車油耗有利，發動機開發結果符合實際工況需求。

6 整車產品優勢分析

依托本項目創新技術開發的寬體礦車專用動力產品與國內外同類產品技術指標的對比如下表2所示：

表2 與國內外同類產品技術指標的對比

7 結語

通過進行動力匹配研究，達到以下兩點較重要的成果：

（1）實現整車出勤率由普通公路自卸的70%，提升至90%以上，與國外礦用剛性自卸車水平相當。但整車油耗相比同載重礦用剛性自卸車降低15%～20%，發動機產品得到用戶認可，占有率達到80%以上。

（2）匹配本項目發動機的寬體自卸車，首次實現在5 200 m海拔（西藏華泰龍礦區）正常運行，為西藏大開發做出貢獻。