（机械设计及理论专业论文）现代装载机动力学系统性能分析与仿真.pdf

摘要 装载机属于铲土运输机械类，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑机构和连 杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械， 是工程建设中土石方施工的主要机种之一。因此对装载机的进一步研究和开发，具有重 要的现实意义。本文将虚拟样机技术引入到装载机的研究开发领域，对现代装载机的系 统进行深入研究，采用理论计算的方法建立装载机的数学模型，并通过合理的简化建立 其虚拟样机模型，利用a d a m s 对装载机进行运动学和动力学仿真。本文对装载机的动 力系统进行了论述，分析了影响装载机动力的一些原因。同时还对装载机的发动机和变 矩器匹配，进行了研究，分析了其在匹配中存在的一些问题，以及发动机和变矩器合理 匹配的方法。建立装载机的样机模型及对其的仿真分析，是计算机技术在工程机械设计 中的应用，为装载机的设计和研究提供了崭新的设计方法与思想，不仅可以提高产品设 计质量，满足设计人员和用户的需求；而且还能缩短开发周期，为装载机的设计以及其 它机械产品的设计提供新的途径。其仿真结论对装载机物理样机的试制和性能评估具有 重要意义，而且对其它复杂机械设备的虚拟样机的建立及运动学、动力学分析具有一定 的参考价值。 关键词：装载机、虚拟样机、a d a m s 、动力学仿真 a b s t r a c t l o a d e rb e l o n g st os h o v e ls o i lt r a n s p o r t a t i o nm a c h i n e r y ；i ti sak i n do fs e l f - t r a v e l i n g c r a w l e ra n dt i r e si ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r i e st h r o u g hac o m p l e t eb u c k e t s u p p o r t i n g i n s t i t u t i o ni n s t a l l e di nf r o n to fm a c h i n ea n dl i n kw i t l lt h em a c h i n ef o r w a r d m o v e m e n t ，l o a d i n go rm i n i n g ，a n da c c e s s i n g ，t r a n s p o r t a t i o na n du n l o a d i n g ，a n di so n eo ft h e m a i nm o d e li n e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，i t h a sv e r y n e c e s s a r yo p e r a t i o n s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt h el o a d e r t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c et ot h ev i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yo ft h el o a d e r ，a n dt h em o d e mr e s e a r c hf i e l d so fi n - d e p t hs t u d yo ft h e l o a d e rs y s t e mb a s e do nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dt os e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d t h el o a d e rt h r o u g hr a t i o n a ls i m p l i f i e de s t a b l i s hi t sv i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e l ，u s i n gt h e a d a m st ol o a d e rf o rk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n t h ep a p e rd i s c u s s e sa n da n a l y s e s i n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h ep o w e rs y s t e m a l s ot h ep a p e rs t u d i e st h el o a d e re n g i n ea n dt o r q u e c o n v e r t e rm a t c h i n g ，a n a l y s e st h ep r o b l e m si nm a t c h i n g ，a n di n t r o d u c e st h ee n g i n ea n dt o r q u e c o n v e n e rr a t i o n a lm a t c h i n gm e t h o d t h ep a p e rw h i c he s t a b l i s h e sa n da n a l y s e st h ep r o t o t y p e m o d e lo ft h el o a d e r , i sc o m p u t e rt e c h n o l o g yi ne n g i n e e r i n gm a c h i n e r yi nt h ed e s i g no ft h e a p p l i c a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fs t u d ya n dd e s i g no ft h el o a d e rp r o v i d e san e wd e s i g nm e t h o d a n dt h o u g h t s ，w h i c hn o to n l yc a ni m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t ya n dm e e tt h ed e s i g np e r s o n n e l a n dt h eu s e r sn e e d s ；a n ds t i l lc a l ls h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，f o rt h ed e s i g na n do t h e r m e c h a n i c a ll o a d e rp r o d u c td e s i g np r o v i d ean e ww a y t h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o nt ol o a d e r p h y s i c a lp r o t o t y p et r i a la n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e s ，a n dh a st h e c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et oo t h e rc o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n t so fv i r t u a l p r o t o t y p e e s t a b l i s h m e n ta n dk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i s k e yw o r d s ：t h el o a d e r ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；a d a m s ，；d y n a m i cs i m u l a t i o n 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀 t 匕 1 1 装载机的现状 装载机属于铲土运输机械类，不但可以铲装砂土、石灰、煤炭等散状物料，还可以 铲挖矿石、硬土等物料，另外，通过更换不同的工作装置后还可完成推土、起重、破 碎等作业，换装相应的工作装置，装载机还可以进行、推土、起重、装载木料或钢管等 作业，因此广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设。 我国轮式装载机行业起步较晚，其制造技术是从美国、德国日本等国家引进的。目 前，我国轮式装载机生产技术水平只相当与发达国家2 0 世纪8 0 年代的生产制造水平。 同时虽然国内生产轮式装载机的厂家数量不少，可是企业的自主开发创新能力却不强， 企业所生产的产品在适应市场需求方面还是较差的，不能及时的更新换代。在生产制造 上，工艺装备水平和生产能力第，造成关键零部件技术不过关，整机的可靠性，故障率， 使用寿命，机、电、液一体化水平，产品外观质量，操作的灵活性和舒适型方面与先进 国家产品相比还存在着不小的差距。 现在我国的基础设施建设还处于大规模发展时期，对装载机的需求仍将不断增长。 由于工程量大、投资面广、工程标准高、时间紧迫，施工单位在追求施工效率和成本的 基础上，对设备运行的安全性、可靠性也越来越看重，因而对装载机产品的数量与质量 都提出了更高的要求【。目前装载机行业市场竞争激烈，装载机制造企业只有在深入了 解装载机行业的市场现状，使新产品研发的方向符合市场的需求，这样才能使企业在激 烈的市场竞争中立于不败之地。 中国最大轮式装载机是徐工l w l 2 0 0 k 。2 0 1 0 年1 1 月2 3 日，在b a u m a c h i n a 2 0 1 0 展会隆重举办之际，徐工科技震撼推出国内最大吨位装载机一一l w l 2 0 0 k ，并当场 销售，在二十一世纪第二个十年际，引领中国装载机产品技术发展进入新时代。 l w l 2 0 0 k 的问世，使徐工和欧、美企业并列，成为全球有能力开发该级别产品的四 大巨头之一。l w l 2 0 0 k 装载机是徐工立足市场需求，瞄准国际高端技术主流，自主 研制开发的新产品，是我国目前最大吨位的轮式装载机，拥有国际先进技术，装 备国际一流部件，体现质量、安全和环保的价值观念。并顺利通过了由吉林大学、 北京理工大学、东南大学、中国矿业大学等多名行业专家的鉴定。鉴定委员会给 予了高度评价，并一致认为“是国内装载机行业的一次重大技术提升和突破，对 打破国外大型装载机的绝对垄断局面，推动我国装载机行业的技术进步，引领装 第一章绪论 载机行业朝着高可靠性、高技术含量、高性能、大吨位的方向发展具有划时代的 意义 。 伴随着对装载机需求量的持续稳步上升，国内各生产厂家所在地政府已认识到装载 机这一产品的巨大市场和效益，纷纷将其列为支柱产业加以扶持并政策上给予优惠。 这些举措使国内装载机生产厂家数量剧增，部分机种的产能已经过剩。同时国外公司 卡特彼勒、小松、利渤海尔、沃尔沃等在国内成立合资公司后，也加剧了国内市场的竞 争。除此之外，中国加w t 0 后国内市场开放、关税下调，进口装载机的价格将进一步降 低，国外产品将会更多地挤入中国市场，使国内装载机的竞争愈加残酷。产品的性能特 别是可靠性，成为中国装载机企业主要业成败的关键因素之一。目前我国轮式装载机的 发展的一些特点如下：第一产品的质量不稳定，高科技附加值少，产品的档次不高，处 于中等偏下水平；第二产品的灵活性差，工作起来显得笨拙，同时驾驶员在操作过程中 受到的噪音干扰大，舒适感差；第三装载机的附属作业装置有限，用途单一，没有装载 机没有得到很好的利用。 1 2 装载机的新技术和新结构 工程机械不仅要有科学合理的结构，以满足实际工作的需要，同时在设计过程中还 要通过考虑美态法则和色彩配置来展示工程机械造型的艺术性。工程机械主要是利用材 料、工艺等条件充分体现出产品外观的色彩美、线型美、形体美和面饰美等。以下以轮 式装载机为例，就其新技术和新结构，作简单介绍。 ( 1 ) 连杆机构 工作装置已不再采用单一的z 型连杆机构，在继出现了卡特皮勒公司开发的八杆平 行举升连杆结构，卡特彼勒公司于1 9 9 6 年首次在矿用大型装载机上采用了单动臂铸钢 结构的特殊工作装置，即所谓的“y e r s a l i n k 机构”，可承受极大的扭矩载荷，具有卓 越的可靠性和耐用性，工作装置能以水平位置提升或降下放在托板上的物料，同时最大 限度地减少司机由地面到最大高度对铲斗倾斜角的调整，使驾驶室前端视野开阔。德国 o k 公司研制的专为小型装载机而设计的创新l e a r 连杆机构。s c h a f f 公司于2 0 0 0 年3 月在i n t e r m a t 展览会上展出了具有可折叠式创新连杆机构的高卸位式s k l 8 7 3 型轮 式装载机的，进一步增加了轮式装载机的工作装置的种类【4 】。 ( 2 ) 行驶平稳性控制系统 德国汉诺马格公司的大中型装载机上安装有负荷自动稳定系统，即在动臂举升液压 2 长安大学硕士学位论文 缸液压回路中增加一个蓄能器，一对钢膜氮气蓄能器，安装在前车架上，与工作装置液 压系统连通。当作业或低速行驶时，系统自动断开；当车速超过时，由电子速度开关控 制的电磁阀自动开启，蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷，提高了操作的 稳定性、安全性和舒适性1 4 1 。日本小松公司w a 5 0 0 3 上配用的类似系统称为电控悬挂系 统( e c s s ) ，由主监控器、e c s s 开关、高低压储能器及压力速度传感器组成可根据装载 机的行驶情况发出控制信号，可以消除因高速行驶而引起车体的摆动；可提供工作装置 上下移动的伸缩性，防止铲斗中物料颠出，使物料保持性好；还可使类似纵向及垂直方 向的低频振动降低4 0 “5 0 9 6 。 ( 3 ) 附着力控制系统 即在每个车轮上安装有一个速度传感器，自动将所需的制动力施2 n - n 车轮上，并将 扭矩传给与之紧密相连的车轮，便于装载机直线行驶及转向。 ( 4 ) 动力电子控制管理系统 根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不同作业 工况的需要，提高燃料的经济性。 ( 5 ) 发动机自动控制系统 当装载机处于非作业工况时，自动降低发动机转速，减少燃料消耗及发动机噪声。 例如，卡特彼勒公司9 9 4 d 装载机采用的新一代c a t 3 5 1 6 柴油发动机就安装有h e u i ( 电 液控制的燃油喷射) 装置以及a d e m ( 先进的柴油机管理系统，可根据外载荷的大小有效 地控制发动机的功率与转速，从而降低燃油消耗及尾气排放，减少噪声。马拉松雷图尔 诺公司的l 系列大型装载机则采用电脑控制的柴油机一电动轮驱动系统，4 个驱动轮同 时又充当制动器，其输出功率可反馈到交流电机和柴油机，使转速增加，从而提高工作总 效率，使牵引效率高达7 7 ( 普通装载机为6 0 左右) ，此电脑控制系统能监控装载机 的整个作业过程，在最大车速范围内尽量提高发动机的输出功率。 ( 6 ) 负载感应变速系统 根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实现高速、小扭矩或低速、大扭 矩的动力输出。 1 3 国内轮式装载机发展趋势 目前，国产轮式装载机正从低水平、低质量、低价位、满足功能型向正在向高水平、 高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家不断加大 3 第一章绪论 技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上进行技术创新，使产品具有自己 的特色和优势，使自己企业成为装载机行业的领先者。具体情况如下： 第一在轮式装载机的更新换代的速度越来越快，其中尤其以中型装载机最为显著； 第二根据各生产厂家根据自己的实际情况，对装载机整体进行重新总体设计，同 时优化各项的性能指标，以达到强化结构件的强度及刚度，提高整机的可靠性的目的； 第三优化装载机的系统结构。例如使装载机的动力系统达到减振、优化装载机散热 系统的结构、优化装载机工作装置的各项性能指标和工作装置各铰点的防尘设计、优化 工业造型设计等，以达到优化装载机的性能的目的； 第四通过利用电子技术及负荷传感技术来实现提高装载机效率、节约能源、降低装 载机作业成本的目的； 第五提高装载机的安全性和舒适性，使装载机的各项指标能够达到国际安全的要 求，使企业得到国际市场的认可； 第六降低装载机的噪声和排放，强化其环保指标。现在许多大城市已经制定机动车 的噪声和排放标准，工程建设机械若不符合排放标准，将会限制在该地区的销售，因此 在装载机的设计过程中必须考虑到这一点； 第七要在装载机的设计和制造过程中广泛的利用新材料、新工艺和新技术，特别是 机、电、液一体化技术，以达到提高装载机的寿命和可靠性的要求； 最后要最大限度地简化维修，尽量减少装载机的保养次数和缩短其的维修时间，同 时要增大装载机的维修空间，还要采用电子监视及监控技术，使故障诊断系统得到进一 步的改善，向用户提供排除问题的方法。 装载机属于循环式作业机械，在对其的研究上还有不足之处。如在它的驱动功率保 持常值不变的情况下，需要如何进行功率的合理分配，使其不光在牵引工况时能够发挥 出足够大的牵引力，而且在运输工况时又能有较大的行驶速度。通过虚拟样机技术来对 其进行性能仿真试验和参数优化，不失为一种解决方法。 1 4 论文研究的目的和内容 论文研究的目的：以现代装载机为对象，通过建立动力学模型，应用现代计算机虚 拟仿真技术，形成装载机的虚拟样机系统，并对其进行初步的性能仿真试验和参数优化， 为装载机的不断完善提供方法和依据。 论文在分析虚拟样机技术特点和优势的基础上，将虚拟样机技术引入到装载机的研 发领域，采用理论计算和计算机仿真分析相结合的研究方法，主要研究内容有以下方面： 4 长安大学硕士学位论文 1 对现代装载机的典型系统进行全面的分析，建立动力学模型。 2 使用a d a m s 软件构造装载机的虚拟样机系统。 3 使用a d a m s 仿真软件对装载机进行运动学和动力学仿真及分析。 5 第二章装载机系统分析 第二章装载机系统分析 装载机是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆，随机器向前运动进 行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。装载机具有作业速度 快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提 高工程质量，降低工程成本发挥着重要的作用，是工程建设中土石方施工的主要机种之 一，是现代工程机械化施工中不可缺少的装备之一1 2 7 1 。 2 1 装载机工作过程分析 装载机属于循环式作业机械，在作业过程中不要求作业质量，对工作速度的稳定性 也无要求，只是追求动力性、经济性、作业生产率。 按行走装置不同，装载机可分为轮胎式和履带式两种，这两种装载机除行走装置不 同外，其他系统和构造大体相似，其中轮式装载机的使用范围比履带式的要广泛。 根据使用场合的不同，装载机可分为在露天装载机和井下铲运机，井下用铲运机是 在露天用装载机基础上变形设计而成的，露天轮式装载机的生产和使用占总的装载机生 产和使用的绝大多数。 按传动形式不同，可分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动四种。机械 传动用于斗容量0 5 m 3 以下的装载机，液力机械传动在大中型装载机中广泛采用，液压 传动目前只用于小型装载机上【2 3 1 ，电传动只在大型装载机上使用。 按装载方式不同，装载机可分为前卸式、后卸式、侧卸式和回转式，轮式转载机基 本上都采用前卸式的。 按转向方式不同，装载机可分为整体式和铰接式。 图2 1 是前端式轮式装载机的基本组成，它的底盘采用的是柴油机驱动的液力机械 传动系统，铰接转向，气顶油式的盘式制动。工作装置连杆系统是反转六连杆式，采用 液压操纵【2 引。装载机的典型系统有动力系统、传动系统、制动系统、行走系统、液压 系统和电气系统。装载机主要采用柴油机作为动力，发动机为装载机的行走和作业提供 动力，保证其正常行驶和工作。制动系统的功用是对于行驶中的机械施加阻力，迫使其 减速或停车；以及车辆下坡时，控制车速并能停在斜坡上。行走系统是装载机底盘的重 要组成部分之一，主要作用是把发动机传动驱动轮上的驱动扭矩和旋转运动转变为装载 机工作与行驶所需的驱动力和前后运动，以执行行走功能，并支撑整机的重量。轮式装 载机行走系统主要由车架车桥悬架及车轮等组成。 6 长安大学硕士学位论文 一 图2 1 装载机外观图 装载机的工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成，依靠这套装 置装载机可以对汽车、火车进行散料装载作业，也可以对散料进行短途运输作业，还可以 进行平地修路等作业。轮式装载机的工作装置主要有铲斗、连杆、摇臂、动臂、转动油缸 和举升油缸。铲斗是装载机进行铲装的主要部件，把铲斗更换成专门的装置，还可以进行 其他装载作业。 装载机工作装置的典型工况为：铲掘工况：举升缸闭锁，铲斗铲装物料，转斗缸回 收，收斗；举升工况：转斗缸闭锁，举升缸外伸，举升铲斗至特定位置；卸载工况： 举升缸闭锁，转斗缸外伸，卸载物料。装载机铲斗能够在由运输工况被举升到最高卸载 位置的过程中保持一定平移，避免物料撒出；同时还可以制动放平。 轮式装载机工作装置主要有7 种类型的连杆机构。按连杆杆件的数量的不同，可分为 三杆连杆机构、四杆连杆机构、五杆连杆机构、六杆连杆机构和八杆连杆机构【2 引。按输 入杆和输出杆的转向是否相同有分为正装和反转连杆机构。反转六杆工作机构由于能比较 理想的满足铲装些作业要求，所以在轮式装载机中广泛使用。正转八杆机构虽然能使装载 7 第二章装载机系统分析 机具有较大的的掘起力，使铲斗具有较好的举升平动性能、较大的卸载角和卸载速度，但 是其机构也很复杂，不易实现铲斗自动放平。 2 2 发动机特性分析 装载机的发动机采用的是四行程柴油机。柴油机是把燃料的化学能转变为机械能的 机器，一般由以下几大部分组成，即曲柄连杆机构、机体组织、配气机构、燃料供给系 统、润滑系统、冷却系统和启动系统。柴油机是一种采用变质调节的内燃发动机。在这 种情况下，每一循环冲入气缸的空气量是不能调节的，而功率及负荷的调节则依靠改变 每一循环的燃料喷射量来实现。表征发动机动力性和燃料经济性的基本指标如下：发动 机的最大有效功率、发动机的最大功率转速、发动机的最大功率转矩、发动机的最大有 效转矩、发动机的最大转矩转速、发动机空转转速、发动机的最低比油耗、发动机的最 大功率比油耗和发动机空转时的小时燃油耗。 装载机工作过程中，发动机的动力性和经济性不仅取决于其自身的特性曲线，而且 与车辆使用过程中的负荷工况有很大的关系。装载机负荷工况的基本特点是载荷变化的 急剧性和周期性；频繁出现的短促的峰值载荷，使发动机经常出现短时间的超载，而引 起行走机构完全滑转或发动机的强制性熄火。在急剧的变负荷工况下，发动机不能输出 它的最大功率，功率利用情况恶化。 发动机适应变负荷工况的能力，与其特性曲线的形状有关。从动力性的角度看，主 要取决于转矩曲线非调速区段的平缓程度，可用发动机的转矩适应性系数k ，和速度适 应性系数k 。表示。具有不同转矩适应性系数的发动机，对于变负荷工况的适应能力不 同。对于额定转矩和额定功率相同的发动机来说，转矩适应性系数k 大的那台发动机 的功率利用将会好于转矩适应性系数k 。，小的机。发动机的转矩储备不仅影响着发动机 的平均输出功率，还影响着司机的操作。转矩适应性系数是衡量发动机动力性能的一项 十分重要的指标。为改善柴油机转矩特性，出现了一种所谓的“等功率 发动机。这种 发动机在一定的转速范围内可以保证功率为一常数，改善了机器的牵引和动力性能。通 常柴油机的转矩适应性系数值不超过1 1 0 5 1 3 9 1 。发动机的传动机构及整台机器具有一 定的质量，当发动机减速时，这些运动质量中储备的惯性质量可部分的用来克服短时增 长的速度。速度适应性系数k 。值越大，发动机转速自额定值下降到最大转矩所对应的 转速期间释放的能量就越大。可是也不能过大，否则会降低发动机的输出功率并导致机 器生产率的下降。从经济性的角度看，发动机适应变负荷工况的能力主要取决于比油耗 8 长安大学硕士学位论文 曲线的形状。在动态波动工况下，平均阻力矩的工作点在发动机调速歪特性上的配置过 高，将导致发动机经常转至非调速区段工作，平均输出转矩和转速将大大低于额定值， 从而严重恶化发动机的动力性和经济性指标。反之，平均阻力矩的工作点配置过低，尽 管发动机在调速区间工作转速变化不大，但转矩较低仍会使性能降低。 在负荷急剧波动的动态过程中，发动机平均转速下降，发动机各转速下的转矩平均 值低其静态特性，发动机平均功率低于外特性功率曲线，发动机的动力性恶化了。发动 机只有在稳定工况下工作时才能输出其最大功率，而平均阻力矩的工作点才能配置的等 于其额定转矩。当阻力矩发生波动时，发动机的最大平均输出功率总是小于它的额定功 率，并且只有在适当合理配置平均阻力矩的工作点，才能获得这一最大值。随着阻力矩 波动程度的加剧，发动机的最佳转矩载荷系数以及最大的平均输出功率都将减小。改善 发动机适应变负荷工况能力的措施是提高它的转矩适应系数k m ，可以通过适当降低额 定转矩标定值或降低转矩负荷之在发动机调速特性上的配置【4 0 1 。同时调高供油和调速 系统的动态响应，使燃料供给量及时准确的和负荷变化相适应，可是这并不能解决发动 机在非调速区段上的动态性能，对此只能尽量避免发动机在非调速区间工作。 2 3 装载机传动系分析 装载机动力装置和驱动轮之间的所有的传动部件称为传动系统。由于柴油机的转矩 小、转速高、转矩和转速变化范围小，这就需要传动系统将内燃机按需要适当降低转速、 增加转矩后传到驱动轮上，以满足装载机运输和装载时所需的大转矩、低转速、转矩和 速度变化范围大的要求。同时传动系统还可以满足发动机不能有载启动和作业中换挡时 切断动力，以及实现机械前进与倒退等功能的要求。液力机械式传动系统一般包括离合 器、液力变矩器、变速箱、万向传动装置、驱动桥、最终传动等部分。 液力变矩器特点是：具有自动适应性，防振隔振作用，良好的启动性，限矩保护性 等。其特性曲线有表示输出参数之间关系的输出特性曲线，表示在循环园内液体具有完 全稳定相似稳定流动现象的若干变矩器之间共同特性的无因次特性的函数曲线，及以泵 轮转矩系数作为参数而绘制的泵轮轴转矩与转速间函数关系的输入特性曲线。变矩器的 性能不光影响着装载机的低速行驶性能，还影响着装载机的加速和换挡性能及燃料经济 性等。由于装载机经常处于起步，加速，换挡，制动等非稳定工况，其动态特性及动力 学模型对整机动力学与控制来说十分重要。变矩器的动态特性是指泵轮和涡轮轴上的动 态转矩m ? 和m 罗，转速国p 和c o r 及f 与时间的关系曲线。非调速变矩器动态模型如下： 9 第二章装载机系统分析 m ；= m ；+ p f p y 等+ ( j e t + j p 、百d o ) e“l“l m ；= m ；- p f 豫等一。j r r + j r 、百d c o r口l“l 式中：m 罗，m 罗一分别为泵轮和涡轮上的稳定液力转矩； ( 2 1 ) ( 2 2 ) j ，y ，j 泵轮和涡轮中液体的转动惯量； b r ，泵轮和涡轮叶片间流道德几何参数的形状因素； q 一变矩器液体循环流量。 液力变矩器的动态特性与转速变化和内部流场变化有关，由于难以观察和测量变矩 器内部流场变化，而容易测量变矩器的输入和输出的转速、转矩，因此其动态特性可以 采用输入和输出的转速和转矩来描述，通过辨识实验来建立半经验的动态模型。通过模 型可知泵轮转速快速变化时，泵轮转矩能较快响应其变化，涡轮则因惯量和变矩器内部 油液的相互作用转矩响应滞后。变矩器是一个无极调节的非线性特性传动元件，其速比， 和效率随着工况的改变而变化，但其动态特性与静态特性的差异不大，可以用静态特性 来代替动态特性。 2 4 装载机的牵引性能 装载机的牵引系统由发动机、传动系、行走装置和工作装置组成，通过行走装置实 现内部驱动功率与外部工作阻力的平衡与转换。滑转曲线是反映行走机构牵引元件与地 面相互作用最基本的特性曲线，它表示了牵引元件的滑转率随牵引力而变化的函数关 系。传统的参数匹配使用的静态滑转曲线是在静态工况下试验测得或通过理论估算获 得，与实际动态工况下的滑转曲线有着很大的不同。由于动态负荷的随机性，行走机构 滑转率实际上是围绕动态滑转曲线随机变化，因此即使是按照严格要求进行参数匹配， 车辆实际上的工作点仍要围绕匹配点变化，表现为滑转率增大，速度降低，牵引力减少， 平均牵引功率降低。行走机构与地面相互作用的动态过程将使动态性能降低，滑转增大， 速度降低，并且这种动态效应的大小与平均牵引力在滑转曲线的配置有关。装载机牵引 力越大，滑转率越大，速度损失越大。 装载机发动机的输出功率通过传动系，成为行走机构的输入驱动功率，经行走机构 转换为装载机牵引功率。驱动功率转换为装载机牵引功率时有两种损失，即滚动阻力损 失和滑转速度损失。在低速大牵引力工况，滑转损失严重，是影响牵引功率的主要因素， l o 长安大学硕士学位论文 可以通过增大附着重量来减少滑转；在高速小牵引力运输工况，滚动阻力大，是影响牵 引功率的主要因素，可以通过减少附着重量来减少滚动阻力。从这可以看出，选择合适 的附着重量对于牵引功率的有效发挥有着重要意义。 对于装载机来说，当驱动功率为常值时，行走机构只要保证滚动损失和滑转损失之 和最小，转载机的生产效率就最高。目前，牵引式工程车辆牵引参数合理匹配基于以下 两点：( 1 ) 充分利用发动机额定功率和变矩器高效区特性，以提高行走机构的驱动功率， 这时获取机器最大生产率的必要条件；( 2 ) 合理匹配牵引参数，发挥机器最大生产率。 装载机可以利用行走机构的全滑转来防止超载，可是并不能达到提高牵引工况的目的， 同时由于额定牵引力工况和全打滑工况相矩很近，因此很容易发生全打滑，不仅损失牵 引功率，还增加了驾驶员的操作强度，使轮胎磨损严重。装载机负荷为一周期变化的非 评委的波动剧烈的随机过程，可以将其工作循环简化为平稳随机过程和非平稳随机过程 两部分。平稳随机过程中，平均负荷匹配在最大牵引效率点才可能获取最大平均牵引功 率。非平稳随机过程，将铲斗末期的最大平均负荷匹配在额定滑转率处。故此当将这两 部分分别按照牵引参数匹配方法计算，得到不同附着重量，将新的附着重量取在这两者 之间，以此获得最大的牵引功率。当然具体的数字还需要一定的计算和实验。从动态工 况考虑，对于装载机采用静态参数匹配方法确定的参数值和匹配点还是比较合适的。 为了避免行走机构全打滑，可以通过对传动系统驱动力的控制和对工作装置负荷的 控制来解决，前提是判断超载的发生，在全打滑的某一时刻进行超载保护控制，将这时 的滑转率定义为6 。，应该规定车辆的最大滑转率6 。值。6 。应为于占圩与1 之间，6 。的 具体位置将影响生产率的提高，靠近6 h 会使最大牵引力降低，靠近1 会使速度损失增 大，因此必须选择最合适的位置。车辆在不同的路面条件下滑转曲线不同，但是其最大 牵引力一般并不在6 = 1 处，而是在滑转率略小于l 处，可以把这一点定为6 。，这样即 可以满足车辆发挥最大牵引力的要求，有可以满足滑转速度损失不致过大的要求。 装载机的作业时通过发动机、传动系、行走装置和工作装置的共同工作来完成的。 在这种共同工作的过程中，装载机每个总成性能的充分发挥都将受到其他总成性能的制 约，因而装载机的牵引特性则将以装载机外部输出特性的形式显示出各格总成工作的最 终结果。因此，在选择各总成的参数是，必须充分注意到它们之间相互的制约关系。而 这种制约关系主要反映在切线牵引力与发动机调速特性之间的相互配置，以及发动机的 最大输出功率和工作阻力与行走机构滑转曲线之间的相互匹配上。切线牵引力与发动机 调速特性之间的配置的原则如下：第一应该保证装载机在工作循环中可能出现的最大阻 第二章装载机系统分析 力矩不超过发动机的最大输出转矩。这样才能保证阻力增大时，发动机不会熄火。也不 会因为频繁操作控制手把导致司机疲劳。第三为了获得较大的平均输出功率，应该使发 动机在工作循环的大部分时间处在调速区段上工作。这样可以保证发动机的转速在整个 工作循环中不致发生剧烈的波动，从而减少由于负荷的不稳定性而引起发动机动力性和 经济性的恶化。通过适当地配置发动机的最大输出功率在行走机构滑转曲线上的位置。 当发动机的最大输出功率与行走机构的最大牵引效率匹配在一起时，装载机将获得最大 有效牵引功率。为了使装载机获得最大的生产率，应该将工作循环中的平均最大工作阻 力配置在最大生产率工况附近。装载机牵引性能参数的合理匹配应保证充分利用发动机 的功率发挥装载机的最大生产率。装载机的机械牵引性能参数的合理匹配条件如下： 第一由发动机与变矩器共同工作输出特性上最大工作转矩所决定的牵引力应大于由附 着条件决定的最大牵引力；第二与变矩器输出轴最大功率工况相适当的有效牵引力应等 于与行走机构额定滑转率相对应的额定牵引力；第三当装载机铲土过程中发动最大的铲 掘力是，行走机构能在额定滑转率工况附近工作。 2 5 本章小结 本章介绍了装载机的种类、系统组成和工作装置的组成及其在工作过程中的典型工 况，为以后的建模做了准备。概述了动态负荷对发动机和传动系的影响，以及应该采取 的措施。同时分析了牵引性能参数匹配存在的问题，改进的措施。发动机只有在稳定工 况下工作时才能输出其最大功率，而平均阻力矩的工作点才能配置的等于其额定转矩。 当阻力矩发生波动时，发动机的最大平均输出功率总是小于它的额定功率，并且只有在 适当合理配置平均阻力矩的工作点，才能获得这一最大值。随着阻力矩波动程度的加剧， 发动机的最佳转矩载荷系数以及最大的平均输出功率都将减小。装载机的作业时通过发 动机、传动系、行走装置和工作装置的共同工作来完成的。在这种共同工作的过程中， 装载机每个总成性能的充分发挥都将受到其他总成性能的制约，因而装载机的牵引特性 则将以装载机外部输出特性的形式显示出各格总成工作的最终结果。因此，在选择各总 成的参数是，必须充分注意到它们之间相互的制约关系。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章发动机与变矩器的合理匹配 发动机与变矩器的匹配直接影响装载机的牵引性能、动力性和工作效率。因此发动 机和变矩器的匹配问题是液力传动设计中的重要环节。通过装载机牵引特性曲线，可以 看出其牵引力是否符合装载机装载和运输工况时对牵引力的需求；从装载机的动力特性 曲线，可知装载机的加速性能，爬坡能力和速度性能如何；从转载机的牵引力和效率的 关系曲线中，可以看出装载机的牵引效率偏低与变矩器的效率有很大关系。发动机与变 矩器的合理匹配关系到装载机在工作过程中动力性的好坏1 9 。 3 1 发动机与变矩器合理匹配的原则 发动机与变矩器的合理匹配应该遵循以下原则： 第一转换到变矩器输入轴上的发动机调整特性是解决两者合理匹配的基础。在工程 机械上总有一些辅助装置必须由发动机直接传送给工作机构，显然这些不通过变矩器而 直接消耗的发动机转矩和功率必须从发动机的有效转矩和功率中加以扣除，否则，在实 际工作中两者共同工作的工况就有可能大大偏离预定的匹配工况。因此就需要确定发动 机传到变矩器上的功率和转矩究竟有大。以下是发动机的自由转矩和功率的计算式： m 卵= m 。一m 励一m j p m ( 3 1 ) p 。c = p e p b 口一p p m m 肋：( 0 0 3 0 0 5 ) m 州( ! 生) + m 肋r 即日 = ( o 0 3 0 0 5 ) ( 兰) 2 + p 肋r n h ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 式中：m 。一发动机的扣除辅助装置和功率输出轴的消耗后余下的自由转矩 。一一发动机扣除辅助装置和功率输出轴的消耗好的功率； m 励，一消耗在辅助装置上的发动机转矩和功率； m 肋，耳m 消耗在驱动功率输出轴上的发动机转矩和功率； m 川，z 。一发动机的额定转矩，功率和转速； m 励r ，r 一变矩器油泵消耗的转矩和功率； 第三章发动机与变矩器的合理匹配 鳞，g r 一一油泵理论流量和排量； p 一一油泵工作压力； ，7 。肿油泵机械效率。 在装载机实际工作过程中，其工作泵扭矩是不断变化着的，其均值是额定扭矩的一 半。工作泵扭矩的动态部分对发动机的影响不大，影响大的是均值部分。因此，在发动 机和变矩器匹配时，可以扣去工作泵扭矩的一半。 第二保证涡轮轴具有最大的输出功率。以此来保证装载机具有最大牵引功率。使代 表变矩器的最高效率工况的负载抛物线通过发动机的额定功率点就可以保证涡轮轴具 有最大的输出功率。由于装载机在工作过程中其阻力是不断变化的，涡轮轴的负荷和转 速也会变动。如果匹配的结果使变矩器输出轴在某一转速下获得了最大功率，而在其余 转速输出的功率却较低，那么这种匹配是不理想的。因此在这里需要得到的是涡轮轴输 出的最大平均功率【1 0 1 。涡轮轴的平均输出功率可以根据概率论的原理来计算。 彳i彳 以下是匹配方法：将发动机的额定工况配置在变矩器传动比f = ! 立的负载 z 抛物线的附近。此时可选择3 4 个匹配位置，分布做出以m ，自变量的输出特性 最= 最( m ：) 进行比较，选择具有最大平均输出功率的点，将其作为最佳匹配位置。装 载机在实际工作中工况是变化的，各种使用转速工况的概率是不一样的，即涡轮轴转速 的概率密度函数是不同的，在没有足够的统计数据时，一般按均匀分布或正态分布进行 计算，因此在计算平均输出功率时，可假定m ，为均匀分布。平均输出功率： 万2 瓦七b ( 蚓删： ( 3 6 ) 第三是适当的兼顾燃料经济性的要求，使变矩器的输入特性曲线尽量通过低油耗区。 轮式装载机发动机处于部分负荷下工作的比重较大，因此有时为了满足部分负荷下的燃 料经济性，也会降低动力性方面的指标。 3 2 特性曲线的拟合 发动机的净扭矩特性曲线，可用多项式进行标示： 发动机外特性曲线段1 7 l ： m 卵= a l 刀；+ b i n 。+ c l ， 1 4 ( 3 7 ) 长安大学硕士学位论文 发动机调速特性曲线段： 刀p m 缸，l p n e l l m 凹= a 2 ，z e + b 2 g l e h 刀p 行e m 找 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 其中：a 。，b 。，c 。，a 2 ，曰2 为待定系数，可由给定发动机原始特性数据进行回归求得； ，l 。晌一一为发动机飞轮轴最小转速； 疗。一一一为发动机飞轮轴最大转速； n e l l 为发动机额定转速； 聆。一一发动机输至液力变矩器泵轮轴上的转速； m e c 一一发动机输至液力变矩器泵轮轴上的净扭矩。 单级变矩器原始特性曲线 7 1 ，可按下式拟合： 丑y = c o + c l f + c 2 f 2 k a l y = d o + d l f + d 2 i 2 k ：垒2 1 1 坌! 耋 c o + c l i + c 2 i 2 。一线+ d l i + d 2 i 2 ； 驴苛i 声亭。 其中：c o ，c 1 ，c 2 ，c 3 ，d o ，d l ，d 2 ，d 3 为多项式的系数； k 一一为液力变矩器变矩比； a 。一为泵轮力矩系数； ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) y 一一为工作液体单位体积的重量。 发动机与变矩器共同工作输入特性曲线的拟和 发动机与变矩器共同工作点即是发动机转矩函数托( 心) 与液力变矩器输入特性函数 m p ( ) 的交点1 。若不设增速或减速装置于发动机与液力变矩器间，则发动机与变矩 器共同工作点即为解方程丝= m p 。对应一组传动比f 值可求得一组交点( 也，) 第三章发动机与变矩器的合理匹配 ( 江，f 2 ，) 。在求共同工作点时，解一个方程可得到两个转速与转矩值，e g g 示t 作点的转速应为转速较小的那个。 发动机与变矩器共同工作输出特性曲线的拟合的方法 由上述结果可得到传动比门；的涡轮轴输出转矩心、转速、输出功率n t i ： 其e e i = i ii 2 ，i 3 ，厶。 m f j = m p f ( 3 1 5 ) 2i i n p i n l i = k m i nc i ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 以f 为参数可得到关于涡轮转速的离散函数值将离散值用最d , - - 乘法拟合成曲线： 册 m ，= p 7 j = 0 卅 r = m ，门；， j = 0 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 式中，e j ( j = 0 ，l ，2 ，m ) 为多项式拟合系数。 将液力变矩器效率的函数关系叼= 厂( f ) 及燃油比油耗函数关系g e = 厂( 心) 分别转换成 以涡轮转速为变量的下列形式： 叩= c ，咒? ( 3 2 0 ) j = o g 。= d ，刀? j = o 式中，c jd ，( = o ，1 ，2 ，聊) 为多项式拟合系数。 ( 3 2 1 ) 3 3 装载机功率匹配方法 装载机有两种工况，分别是运输和装载工况。因此在进行装载机发动机和液力变矩 器的功率匹配时就要考虑到这一点，使装载机的功率利用率最好，满足其动力性和经济 性要求。发动机与变矩器共同工作的工况是由发动机的调速特性和变矩器的输入特性所 共同包围的区域来确定的。随着输入特性与发动机转矩特性相对位置的不同，两者共同 工作的结果也将不同。所谓合理匹配就是指如何选择变矩器与发动机共同工作的工况， 1 6 长安大学硕士学位论文 以保证两者的共同工作能获得最佳的效果。只有输入到变矩器泵轮轴上的那部分的 发动机转矩和功率才参与两者的共同工作，因此首先必须解决按多大的发动机功率和转 矩研究发动机和变矩器的匹配问题。目前，按发动机参与变矩器功率匹配的多少，发动 机与变矩器功率匹配的方案有以下三种： 第一是全功率匹配。全功率匹配就是扣除装载机液压系统的最小扭矩，即用发动机 外特性转矩减去变速油泵满载、转向油泵和工作装置油泵空载扭矩，得到装载机全功率 匹配净扭矩特性