裝載機循環工況功率流分布與功率分配規律

鄒乃威，初長祥，段傳棟，魏建偉，韓 平

（1.寧波工程學院 機械工程學院，浙江 寧波 315336； 2.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007；3.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

裝載機是一種典型的功率分流機械，發動機要同時驅動行走系統、液壓系統和附件系統等多個子系統［1］。由于發動機轉速與各子系統的運行狀態存在一定的耦合關系，系統間的功率分配關系多變，裝載機可能會因某一系統功率不足導致作業效率下降。裝載機普遍采用后備功率較大的發動機來彌補各子系統功率的不足，功率過剩是當前裝載機開發中的普遍現象，也是導致裝載機功率利用率下降和油耗增加的根源。在滿足裝載機在各種工況的動力需求的同時，充分利用發動機功率，才是解決問題的本質方略，這需要根據發動機功率流的分布和功率在各子系統之間的分配規律匹配動力系統。本文將以裝載機鏟裝作業的海量數據為研究對象，運用數據挖掘技術，將裝載機工作循環細分為5 個階段，分析發動機輸出功率流隨工況的分布規律及每個子系統吸收、利用功率的規律，為科學合理地匹配傳統裝載機的動力系統參數，也為形式多樣的新能源與新結構裝載機的設計、匹配提供理論指導和數據支持。

1 裝載機工作循環數據采集

1.1 數據采集系統的建立

選擇礦山和工地上鏟裝作業的裝載機，并選取應用最為廣泛的5 t 裝載機作為數據采集對象。除了部分試驗數據可以通過電控柴油機的控制器局域網絡（controller area network， CAN）總線上獲取外，其余數據由傳感器獲得［2］。在參與測試的裝載機上安裝相應的傳感器，建立裝載機作業循環的數據采集系統。

為了使工況調查數據更具代表意義，試驗樣本量以原生土、松散土、半濕土、小方石和大方石的順序，按照600∶255∶120∶150∶375 的比例，以作業循環為單位構成試驗數據總樣本。

1.2 試驗數據采集和傳輸

所有傳感器的試驗數據都傳輸到車載數據采集系統中，裝載機的GPS 系統將數據采集系統的數據通過通信衛星上傳至云計算中心。再從云計算中心將數據的下載到處理器上，進行裝載機功率流分析和研究。

2 試驗數據的處理

從云計算中心下載的原始數據中蘊含了大量的功率流分布和功率分配信息［3］。但這些數據格式不統一、單位不一致、有價值信息較分散，且存在著大量的冗余甚至相互矛盾的數據信息，規律性不明顯，需對其進行必要的清洗、轉化、換算等數據預處理過程，才能對其進行進一步的數據挖掘研究。

2.1 數據預處理

由于裝載機作業環境惡劣，測試系統會受到環境因素的影響而產生干擾，為便于數據的分析和處理，且不丟失主要信息，要對采樣信號進行濾波、去噪等處理。采用幅值閾值法和梯度門限法相結合的方法，剔除試驗數據中的奇異點。此外，對于試驗數據中不能代表普遍工作循環特征的特殊循環數據，還要進行程序甄別和剔除，然后再利用主成分分析法篩選出最具能反映循環工況真實信息的參數，為后續的數據分析提供純凈的數據。

2.2 變量的換算

通過安裝在測試裝載機各處的傳感器測量轉速、壓力等信號及發動機CAN 總線傳輸的發動機轉速、負荷率及進氣壓力等信號，經過公式換算，合成了裝載機的行駛車速、發動機轉矩、發動機輸出功率、行走系統輸入功率、行走系統輸出功率、液壓系統輸入功率、液壓系統輸出功率等與裝載機功率流分布和功率分配關系密切相關的數據。為了便于研究，將這些數據以時間軸為參考坐標系，對其進行可視化處理，如圖1 所示。將整個裝載機作業數據序列以作業循環為單位進行劃分，每個一個作業循環再按裝載機作業順序劃分成5個工況。

圖1 裝載機循環工況實驗數據片段Fig.1 Wheel loader duty cycle test data clip

3 裝載機功率流分布規律研究

裝載機主要用于鏟裝散裝物料，其作業呈明顯的周期性，作業循環又可細分為5 個工況。裝載機輸出的功率在不同工況下的分布存在一定的規律性。

3.1 作業周期內各工況的時間占比

首先，裝載機的作業周期及其各工況的時長受物料種類、作業距離、操作人員熟練程度等諸多因素影響，對各種典型工況按照實際應用的占比進行加權統計，結果見表1。

表1 作業循環內各工況的時長分配Tab.1 All work conditions time proportion in the duty cycle

因為行駛距離相同，4 個行駛工況用時大致相同。其中，空載前進工況耗時較少，因為此工況司機全負荷加速，沖向料堆，可以盡量多地利用慣性使物料裝入鏟斗，以減少鏟裝過程的能量消耗；滿載后退工況為了慢慢收起鏟斗并盡力避免物料散落，因而車速較慢；滿載舉升前進工況需要完成的動作較多，行走系統需要滿載驅動裝載機行駛到運輸車前，液壓系統驅動液壓缸在裝載機行駛過程中將鏟斗舉升到車廂的高度，最后還要將物料卸到車廂，該工況的時長為行走系統與液壓系統所需時間的較長值，如果兩者配合不當將直接使裝載機的作業效率下降［4］。空載后退工況裝載機快速退回初始點，用時長短取決于作業距離。鏟掘工況是裝載機的核心作業工況，其耗時主要取決于物料的性質，其時間長短是決定裝載機單位工作量能耗的主要因素。

3.2 發動機輸出功率分布規律

在裝載機工作循環中隨著工況的變化，發動機的輸出功率也產生劇烈波動以適應各種負載的變化，如圖1（b）所示。因為發動機輸出功率波動較為劇烈，本文采用0.02 s 定步長積分均值的方法統計發動機平均輸出功率。對發動機在各種工況輸出功率的統計見表2。

表2 裝載機各工況輸出功率Tab.2 Power output of all work conditions

裝載機在5 種工況下輸出功率的均方差均較大，說明各工況的功率需求在循環之間存在較劇烈的波動。其中，鏟掘工況均方差最大，反映鏟掘工況功率需求波動最劇烈；從平均功率來看，鏟掘工況最高，該工況是裝載機油耗率最高的工況，滿載舉升前進工況次之，其余工況的平均功率均相近。從最高功率來看，滿載舉升前進工況最大，能達到發動機功率的100%，說明該工況功率需求波動較劇烈，因此裝載機動力系統功率匹配應按照滿載舉升前進工況的動力需求進行匹配，其余工況的最高功率均相近；從最低功率來看，鏟掘工況最高，進一步驗證了該工況平均功率需求最大、油耗率最高的結論。

4 裝載機功率分配規律研究

裝載機是動力分配機械，發動機輸出的功率流要分配到各子系統，且分配的比例要隨工況變化，而附件系統的驅動功率隨工況波動不明顯，功率需求也較小，裝載機功率分配規律主要探討行走和液壓系統的功率隨工況分配及其耗散規律。

4.1 空載前進工況

空載前進工況液壓系統幾乎沒有功率輸出，功率主要消耗于行走系統，其余功率用于維持附件系統工作，功率分配情況見表3。

表3 空載前進工況功率分配及其耗散規律Tab.3 Power distribution and dissipation regular of no load forward running condition

在空載前進工況，功率主要分配給行走系統，液壓系統只占很少的一部分。

4.2 鏟掘工況

鏟掘工況要求行走與液壓系統配合工作，是裝載機功率消耗較高的工況之一，見表4。

表4 鏟掘工況功率分配及其耗散規律Tab.4 Power distribution and dissipation regular of shoveling condition

此工況發動機的平均功率較高，是各種工況中最高的，說明該工況功率消耗較大。行走系統的功率占比較大，但行走系統大部分功率轉變為液力變矩器的液力損失，平均效率僅為42.18%。液壓系統消耗的功率占比相對較少，主要用于配合行走系統將物料裝入鏟斗，屬于短時的間歇工作。

4.3 滿載后退工況

滿載后退工況鏟斗基本不動，轉向油缸會微調產生轉向動作，發動機功率主要分配給行走系統，見表5。

表5 滿載后退工況功率分配及其耗散規律Tab.5 Power distribution and dissipation regular of full load reversal running condition

由于該工況液壓系統幾乎沒有消耗功率，平均效率較低，行走系統阻力也較小，平均效率較高，因此，發動機平均功率較低。

4.4 滿載舉升前進工況

裝載機在滿載舉升卸料工況行走和液壓系統均需要輸出較大的功率，且兩系統均持續運行。因此，發動機平均功率較高，僅次于鏟掘工況，但最高功率卻是5 種工況中最高的，液壓和行走系統的平均功率相差不明顯，隨著運輸距離的增加，行走系統的平均功率會有所增加。行走系統和液壓系統平均效率均較高，滿載舉升工況的功率分配關系見表6。

表6 滿載舉升卸前進工況功率分配及其耗散規律Tab.6 Power distribution and dissipation regular of full load lifting and forward running condition

4.5 空載后退工況

空載后退工況液壓系統僅將空鏟斗位置復原，因此功率需求較少，且平均效率較高。發動機功率幾乎全部分配給了行走系統和附件系統，行走和液壓系統的平均效率均較高，見表7。

表7 空載后退工況功率分配及其耗散規律Tab.7 Power distribution and dissipation regular of no load reversal running condition

裝載機作業周期內的5 個工況內，附件系統的平均功率很相近，說明附件系統隨工況變化功率沒有的明顯波動。

5 應用檢驗

5.1 復合傳動無級變速裝載機的匹配

靜液-機械復合傳動無級變速系統能夠利用靜液傳動與機械傳動支路并聯，模擬傳統裝載機的液力傳動的特性，同時大幅度地提高了傳動效率［5］。此外，該系統還能通過速比控制滿足裝載機鏟掘工況的牽引力需求，且能夠使裝載機的牽引力的增加不再依賴發動機轉速的提高。因為傳動效率的提升和牽引力能夠通過速比控制實現，所以復合傳動無級變速裝載機的匹配可以采用功率平衡方法。

將裝載機5 個典型工況的行走、液壓和附件系統的終端功率輸出數據統計出來，利用目標機型各系統的最低傳動效率反求發動機輸出功率要求，再將各子系統的功率求和，經比較取最大值作為發動機的裝機功率的初選值，見表8。

表8 裝載機各工況需求功率分布Tab.8 Distribution of wheel loader all work conditions power demand

按照某5 t 裝載機各子系統終端輸出功率反算匹配無級變速裝載機的發動機功率應取滿載舉升前進工況的計算值73.92 kW。按照40%的后備功率計算，最終，匹配123 kW 發動機裝備無級變速裝載機。

通過裝載機的牽引力、液壓阻力和驅動附件的阻力要求與傳動系統的速比及發動機的輸出轉矩相比較；再通過裝載機的車速要求、驅動液壓泵以及附件的轉速要求確定發動機的轉速要求。最終為5 t 復合傳動無級變速裝載機匹配的發動機最高轉速為1 850 r/min，最高轉矩為890 N·m，無級變速器的變速范圍為10.0～120.0，擋位數為前3 后3，其余參數均參照CLG856H型裝載機設置。

5.2 仿真驗證

在AMESim 仿真環境下，先按照CLG856H 型裝載機的參數搭建一個傳統仿真平臺。在循環工況模塊植入裝載機工作過程中按時間分布的動力性要求［6］，指揮仿真平臺對傳統裝載機模型進行加載，使其完成與工況調查試驗裝載機相同的作業任務，發動機模型輸出對應的功率，隨工況變化消耗相應的燃油。該仿真平臺的仿真結果與裝載機工況調查試驗數據進行對標修正，使其動力性和經濟性的誤差均控制在可接受的范圍內，則可認為仿真平臺的結果可以代表傳動裝載機試驗數據。

在傳統仿真平臺的基礎上，運用模型的派生技術，將其改建成無級變速裝載機仿真平臺。

將傳統仿真平臺的168 kW 的發動機換成123 kW 的發動機，利用傳統仿真平臺和派生的無級變速裝載機仿真平臺的仿真結果對比檢驗無級變速裝載機的性能，如圖2所示。

由上述2 個仿真平臺輸出的結果對比可得到如下結論：① 行駛車速曲線說明無級變速裝載機對目標車速的追蹤更緊密。② 無級變速裝載機的牽引力更強勁，液壓驅動轉矩基本重合。③ 由于無級變速器的傳動效率遠高于液力機械傳動系統，故無級變速裝載機的發動機轉矩普遍比傳統裝載機的發動機轉矩低，尤其在裝載機處于鏟掘工況表現最為明顯，這也是無級變速裝載機可以選配較小功率發動機的原因。

傳統裝載機仿真平臺每個工作循環的燃油消耗為239.1 mL/循環，無級變速裝載仿真平臺輸出的燃油消耗量為179.3 mL/循環，相對于傳統裝載機下降了25%左右。

6 結論

橫向上，裝載機在一個作業循環中，鏟掘、滿載舉升卸料工況平均功率和最高功率需求均較高，其余3 個行走工況功率平均功率和最高功率接近。縱向上，裝載機在傳動系統中分得了絕大部分功率，且傳動效率普遍較低；液壓系統在鏟掘和滿載舉升前進工況功率消耗較多。

裝載機附件系統的功率基本恒定，傳動系統和液壓系統分得的功率隨工況變化較為劇烈，且兩者在發動機輸出功率的約束下呈功率互補關系。