第四章工程机械的牵引性能

1、第四章 工程机械的牵引性能 施工机械的工作过程有两种典型工况：牵引工况和运输工况。机器在牵引工况下工作时，需要克服由铲土而产生的巨大工作阻力，因而要求机械能发挥强大的牵引力。当机械在运输工况下工作时，它需要克服的仅是数值不大的行驶阻力，此时主要要求机械在越野条件下能具有高的速度性能、加速性能、运行稳定性和机动性。但是，对于运行速度较低的铲土运输机械来说，最主要的工况还是牵引工况。 车辆的牵引性能和燃料经济性通常是用机械的牵引特性来评价的。机械的牵引性能反映了机械工作时的功率利用的有效程度，它是机械最基本的也是最主要的使用性能。 机械的牵引性能通常用牵引特性曲线和牵引力、行驶速度、牵引功率、牵引

2、效率等指标来评价。 第一节 发动机性能 n 发动机的动力性和经济性是决定机械整机使用性能的基础。然而，发动机动力性和经济性的充分发挥和利用又与机械使用过程中的负荷工况有着密切的关系。本节将着重讨论发动机在变负荷工况下的工作性能。 一、发动机性能指标 （11页） 衡量发动机的性能指标有动力性、经济性、可靠性、耐久性、排放性能、运行舒适性等，主要介绍的性能指标包括动力性和经济性。 性能指标指示指标：以工质对活塞做功为基础建立的性能指标 ，主要是衡量发动机工作过程的好坏，通常用符号的下标i来表示 。有效指标：以输出轴上所得到的功为基础建立的性能指标，主要是考虑到发动机自身所消耗的机械能，是用来综合评

3、价发动机的性能，通常用下标e来表示。 1、指示功Wi：发动机完成一个工作循环工质对活塞所做的功。可以从PV示功图上获取。实际上是其封闭的面积乘以纵、横坐标的比例尺Kl和K2。 上图显示，四冲程发动机的示功图包含两块面积，即A3和Al。其中A3为高压区面积，也就是工质对活塞所做的功；Al为低压区面积，是换气过程活塞对工质所做的功，对于自然吸气式发动机，由于在换气过程需要消耗发动机的能量(从发动机飞轮的动能中获取)，因此，Al实际上为负值，指示功为两者之差。 2、循环平均压力Pm：因为发动机一个循环所做的功与工作容积有关，因此以平均压力即比功Pm来衡量更能反应工作过程的好坏。 （1）平均指示压力P

4、mi： 汽缸工作容积。指示功；式中：hihimiVWVWp 相当于工质以一个不变的压力Pmi作用在活塞上使得活塞在膨胀冲程行进一个冲程(180曲轴转角)所作的功。 （12页图1-11）（2）平均有效压力Pme：单位汽缸工作容积的有效功。 曲轴输出的有效功。式中：ehemeWVWp3、功率P：也分为指示功率和有效功率。常用的是有效功率Pe。 （14页式1-22）式中：i发动机的汽缸数； n内燃机的转速； 冲程数，二冲程2，四冲程4。 4、有效扭矩Me：由发动机的动力输出轴输出的扭矩，因此用Me来表示其动力性。)(9549)(101047. 06023mNnPMkWnMMnMPeeeeee得：5、

5、油耗：油耗是发动机经济性的评价指标油耗燃油消耗量：每小时耗油量，用B（Kg/h）表示燃油消耗率(比油耗)：单位功率单位时间所消耗的燃油量。指示燃油消耗率bi有效燃油消耗率be（1）指示燃油消耗率bi： hkWgPBbii/1000（2）有效燃油消耗率be： hkWgPBbee/10006、热效率：工质所作的功与燃料完全燃烧所放出的热量之比，也分为指示热效率i和有效热效率e。 。燃料的低热值，式中：kgKJHHbQWHbQWuueeeuiii/106 . 3106 . 3667、机械效率m：有效功率与指示功率之比。mieriririiemPPPPPPPP平均机械损失功率。式中：1强化指标，看书1

6、4页，升功率和比质量二、柴油机特性 （81页）柴油机的特性：柴油机性能指标随运行工况和调整情况的变化关系。 柴油机特性使用特性：负荷特性、速度特性、调速特性、万有特性、烟度特性、排放特性和噪声特性等。 调整特性：柴油机供油提前角调整特性等。 通过对特性曲线的分析可以综合地评定发动机的动力性、经济性和排放性能，分析影响工作过程的因素，从而提出改进的有效途径。一般所指的柴油机的特性是指自然吸气式柴油机。 1、负荷特性： （1）定义：当柴油机转速不变时，其他性能参数随负荷变化的关系称为负荷特性。 通常柴油机的负荷是指扭矩或平均有效压力，在稳定运行状态下也就是阻力矩。负荷特性图以负荷为横坐标，其他性能

7、参数为纵坐标。 柴油机的负荷是通过改变循环的喷油量而使混合气的空燃比变化，从而实现负荷调节，即可燃混合气的质调节。而汽油机是通过改变可燃混合气的量而改变负荷，属于量调节。 （2）特性分析： 1）耗油量B：随着负荷的增加，每循环的供油量增加与负荷几乎成线性关系。在大负荷时由于每循环供油量过大，混合气过浓，而使耗油量增加过多。 ueeeHbQW6106 . 3miemiumieKHb6106 . 32）有效燃油消耗率be： be的变化趋势取决于指示热效率和机械效率。 指示热效率i在负荷很小时，由于传热损失相对较大，缸内温度较低，燃烧不完善，因此，低负荷时热效率下降。在全负荷时，由于空燃比减小，燃烧

8、恶化，热效率下降较快，整个趋势呈上弓形。 机械效率m在转速不变时，柴油机的机械损失变化很小，而当负荷增加时，根据下式： iririiemPPPPPPP1 随着负荷的增加，机械效率增加。当空负荷时工质对活塞所做的功全部用来克服机械损失，Pi=Pr，机械效率为零。 随着负荷的增加，即柴油机的供油量增加，指示功率Pi增加较快，但机械损失功率Pr变化不大，故机械效率增大，当负荷增大到一定程度时，由于混合气过浓，燃烧不完全，指示功率Pi增加变缓，机械效率在大负荷时变化不大。（15页，机械损失） 根据上式及i和m的变化状况，得到了be曲线，如图中所示的“鱼钩”形。空载时，Pe为零，m0，故有效燃油消耗率b

9、e。从ab，i和m增大，be下降，在c点，immax，be达到最小值。e点为冒烟极限，f点为最大功率点。 2、速度特性 （1）定义：速度特性是柴油机在油量调节机构位置一定时，其性能指标随转速变化的关系。 速度特性部分负荷速度特性：油量调节机构固定在标定供油量位置以下时，包括25、50、75和90标定功率等。 外特性：油量调节机构限制在标定功率位置。 由于外特性表示柴油机所能达到的最高动力性能：最大功率和最大扭矩及所对应的转速，一般只做外特性曲线。（2）特性分析：（90页，图5-11） 1）扭矩Me： 扭矩Me主要由工作循环中可燃混合气的成分和数量决定，由于柴油机进气管通常采用圆形截面，又无节流

10、阀，且与排气管分置机体两侧，其循环充气量受负荷及转速的影响较小，而其循环供油量在油量调节机构位置不变时也变化不大，故其可燃混合气成分及数量均变化不大，因此Me的变化比较平坦。 就此而言，柴油机作为工程机械动力并不合适，因为机械在工作过程中，极有可能遇到阻力矩的突然变化，这时，可能导致转速较大的波动。 2）有效功率Pe： 9550nMPee 由于Me的变化比较平坦，可知，有效功率是随着转速的增加而增加，受冒烟极限的限制在特性曲线上并无最大值，要根据油耗率和有效功率来协调确定标定功率。 3）每小时耗油量B：随着转速的增加，每循环的供油量与转速几乎成线性关系。因为B是每小时循环次数的累加，转速增加，

11、每小时循环次数随之增加。 4）有效燃油消耗率be： 由于B和Pe的变化趋势基本相同，故be曲线平缓，变化较小，柴油机的经济转速宽广，具有良好的经济性。hkWgPBbee/1000（3）冒烟极限： 柴油机随着负荷的增加，由于采用可燃混合气的质调节，空燃比减小，在中、小负荷时，还有足够大的空燃比，燃烧较完全，烟度很小，但靠近全负荷时，由于混合气过浓，燃烧条件恶化，燃烧不完全，在排气中会有大量的黑烟，烟度上升很快，燃油消耗率迅速增加，活塞和缸盖的温度也迅速升高，通常将烟度达到法规规定的值时的工况点定义为冒烟极限(点)。在速度特性上将每一转速下的冒烟极限连成一条曲线，称为冒烟极限。 柴油机不允许在冒烟

12、极限下长期工作，因为冒烟极限下会产生严重的不完全燃烧和后燃现象，造成汽缸内大量积碳，以及引起零件过热，故在外特性曲线上无最大功率点，因为超过冒烟极限后功率仍可提高。 （4）扭矩储备系数： eHeHeMMMmax式中：Memax柴油机最大输出扭矩； MeH 柴油机标定功率时的扭矩扭矩适应性系数为k： eHeMMkmax 扭矩储备系数越大，说明克服短期超载能力越强。当内燃机处于全负荷时，车辆的换档往往是通过改变车速以提高或减少扭矩使之与阻力矩相平衡。越大，换档的次数可减少。 （加：91页，转速储备系数） 柴油机的较小，只有510，k只有11.05，不适应工程机械的工作，因为较小，稍有超载，若驾驶员

13、来不及反应调整切土深度机械就会熄火，一旦熄火，会影响生产率，驾驶员经常处于紧张状态，导致疲劳。故必须进行校正，提高到1524，k提高到1.151.24。 油量校正装置分为出油阀式和弹簧校正器两种形式。 3、调速特性：为使柴油机工作稳定和运行安全可靠，防止意外熄火和飞车，必须安装调速器。 （1）装置调速器的必要性： （2）调速特性：在调速器起作用时，保持调速手柄位置一定，柴油机性能指标随转速或负荷变化的关系。 分为以下两种：调速外特性：将调速手柄置于标定供油量位置时的调速特性。部分负荷调速特性：将调速手柄置于部分供油位置时的调速特性。 1）特性分析： 下图是柴油机典型的调整外特性和部分调速特性。

14、从图中可以看出调速外特性实际上是由两部分组成的。在特性曲线的bc(bc，b”c”)区段内，调速器起着限制转速的作用，称为调速区段。当转速下降到与b点相应的转速时，调速器不再起作用。而发动机的各项指标将按外特性曲线变化，见图所示的ab区段，这一区段则称为非调速区段。当调速手柄减小供油量时，调速器开始起作用的转速相应降低； 柴油机的调速外特性是反映柴油机动力性和经济性最基本的特性曲线。在这些曲线上可以指出如下一些表征发功机动力性和燃料经济性的基本指标。 1.发动机的最大有效功率Pemax；（115页） 2.发动机的最大功率转速； 3.发动机的最大功率转矩Mpemax； 4.发动机的最大转矩转速；

15、5.发动机的空转转速； 6.发动机的最低比油耗； 7.发动机的最大功率比油耗； 8.发动机空转时的每小时耗油量。 2）调速器技术性能： （93页） 调速过程不是简单复位，而是在一定的转速范围内获得新的平衡。因为具有一定质量的离心元件在运动中不断的加速或减速会产生一定的惯性阻力，必须有一定的时间使增减的离心力克服惯性阻力后才能使传动板产生轴向位移而起调速作用。调速器技术性能包括调速率、不灵敏度等。 稳定调速率1： %10031bnnn式中：n3负荷突变后柴油机的稳定转速； n负荷突变前柴油机的稳定转速； nb柴油机标定转速。 瞬时调速率2： %10022bnnn式中：n2负荷突变时柴油机的瞬时转

16、速的最大或最小值。不灵敏度： 由于调速器内部摩擦的存在，当柴油机的负荷减少时，其转速上升将超过无摩擦时的转速值，而当负荷增大时，转速下降将超过无摩擦时的速度值，由此存在一个区域，在该区域中，调速器的自动调节作用失效，柴油机的转速在漂移而调速器无调节运动。调速器的这种不灵敏性可用不灵敏度来表示。 nnn12式中：分子两项分别为柴油机负荷减小和增大时调速器开始起作用的转速。 n柴油机负荷变化前后的平均转速。4、柴油机的功率标定：（83页） 发动机的额定功率：指制造厂按其用途及使用特点规定的，并通过台架试验进行测定的最大有效功率。 我国国家标准规定，在进行额定功率的测定时，柴油机应装有正常使用时所必

17、需的全部附件(包括空滤器及消音器)。 发动机在进行出厂试验时，油泵供油齿条的油量限制器就是按额定功率进行调整并铅封的。与额定功率相对应的转速称为额定转速。 额定工况：发动机在额定功率和额定转速下运转的工况，称为发动机的额定工况。与额定工况相对应的供油量，称为额定供油量。与额定工况相对应的发动机有效转矩，每小时耗油量和燃油消耗率则分别称为发动机的额定转矩，额定每小时耗油量和额定燃油消耗率。 从以上定义中可以看出，额定功率与额定转速实际上就是按出厂调整测得的发动机调速特性上的最大有效功率和最大功率转速，而额定转矩、额定每小时耗油量和额定燃油消耗率则是与这一工况相对应的各项指标。 我国国家标准规定，

18、根据不同的用途和使用特点，在内燃机铭牌上标定的功率可分为以下四种： 1.15min功率：在标准环境状况下，内燃机连续运转15min允许发出的最大有效功率。适用于需要有短时间良好的超负荷和加速性能的赛车、摩托车、快艇用内燃机； 2.1h功率：为内燃机连续运转1h允许发出的最大有效功率；通常适用于需要一定功率储备以克服负荷突增的拖拉机、汽车、工程机械用内燃机； 3.12h功率：为内燃机连续运转12h允许发出的最大有效功率；适用于需要在12小时内连续运转，且又需要充分发挥功率的拖拉机、内燃机车用内燃机； 4.持续功率：为内燃机长期连续运转允许发出的最大有效功率。适用于发电机组、农田灌溉、船舶用内燃机

19、。 15分钟功率最大，持续功率最小，各标定功率相差约10左右。 通常在发动机的铭牌上标明有上述四种功率中的l2种功率及其相应的转速。有时根据需要，额定功率也可选在两种标定功率之间。额定功率的确定应根据发动机负荷工况，使用条件的特点综合考虑动力性、经济性以及发动机的工作可靠性和耐久性等多方面的因素。 第二节 负荷工况对发动机性能的影响n 前面讨论了发动机动力性和燃料经济性的基本指标。但是，发动机装车后的动力性和经济性不仅取决于它本身的特性曲线，而且与车辆在使用过程中的负荷工况很大关系。实际上，只有在外部载荷固定不变，且其数据相当于发动机的额定转矩时，发动机才能输出它的最大功率(额定功率)。 当发

20、动机在变负荷工况下工作时情况就完全不同了。于是就产生了两方面的问题：一方面是发动机对变负荷工况的适应能力问题；另一方面是怎样在外部阻力变化的工况下来评价发动机动力性和经济性指标的发挥和利用程度的问题。本节将从工程机械负荷工况的特点出发来讨论上述两方面的问题。 一、工程机械负荷工况的特点（116页） 工业拖拉机主要用来做推土机、铲运机、装载机等工程机械的基础车辆。此类车辆多为进行循环作业的工程机械，它们的工作循环是由若干性质不同的工序所组成。由于工业拖拉机的使用过程有着一系列不同于农业拖拉机的具体特点，因而也就决定了工业拖拉机在负荷工况方面的一系列特点。 1、拖拉机需要在不同的工况下工作：工作过

21、程的循环作业方式决定了拖拉机需要在不同的工况下工作，这是由工作循环中各工序的不同性质所决定的。 2、工业拖拉机的作业条件非常恶劣： 工业拖拉机的工作对象主要是较为坚硬的土石方(时常还会遇到大石块及树根等)，土壤的均质性较差。因而，在作业过程中常常出现短时间的峰值载荷、超负荷、行走机构完全滑转，甚至发动机强制性熄火等。此外，工业拖拉机还常常需要在很陡的坡度上进行作业，这也是造成负荷急剧变化的一个重要因素。 下面以推土机作为典型例子来具体分析工业拖拉机负荷工况的特点，推土机的作业循环是从切削和采集土壤开始的，当铲刀前方集满土后，铲刀稍微抬起，停止切入，随即将堆集起来的土推移一定距离至卸土地点，然后

22、卸土，用倒档回驶到工作面，接着重新开始新的工作循环。 推土运土卸土空回 下图为推土工作循环中切线牵引力的变化情况： 下图是发动机转矩在切土、运土、卸土工序中的变化情况： 配装铲运机、装载机、松土器、除根机等其他工作装置的工业拖拉机，其工作阻力、运行速度、发动机的负荷也存在着类似的大幅度波动的情况，尤其是单斗装载机的阻力和负荷的变化更加频繁和急剧。总之，工业拖拉机是一种循环作业机械，其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菏，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，发动机实际上不能输出它的最大功率，功率利用情

23、况大大恶化。（看书120页，现场试验结果）二、发动机对变负荷工况的适应性能 工业拖拉机在工作时，负荷总处在波动之中。负荷的波动传到发动机上引起曲轴转速和拖拉机行驶速度的变化，这将影响机械的生产率，而且影响柴油机性能的充分发挥，功率利用不足。 发动机适应变负荷工况的能力，主要与特性曲线的形状有关。从动力性的角度看，这种适应能力主要取决于转矩曲线非调速区段的平缓程度，并用发动机的扭矩适应性系数来表示。 扭矩适应性系数k ：发动机的最大转矩与额定转矩之比。 eHeMMkmax 下图表示发动机具有不同转矩适应性系数时，对于变负荷工况的适应能力。 发动机的转矩储备过小，不仅使发动机的平均输出功率减少，还

24、由于操纵感较差而使司机经常处于紧张状态，容易引起司机的疲劳。而且一旦发生强制停车。就会破坏作业的正常进程，损失有效工作时间。所有这些，最终都将导致机器生产率的下降。因此，对于工业拖拉机来说，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。 柴油机在不装校正器时，它的转矩适应性系数一般是很低的，这是由于喷油泵的供油量随动机转速的下降而减少所造成的。通常，柴油机自然特性的k值不超过11.05，因而，用于工业拖拉机的柴油机大都装有转矩校正装置。 当发动机在变负荷工况下工作时，应该如何配置发动机平均阻力矩在其特性曲线上的位置，以获得最大输出功率呢？显然，当平均阻力矩的工作点选择得远低于额定转矩

25、时输出功率必然较低。如果使平均阻力矩的工作点沿着调速区段工作，转速的波动不大，因而功率和转矩偏离调速特性的情况并不显著，实际的平均输出功率将随着发动机负载程度的增大而提高。但是当最大负荷超过发动机的额定转矩之后，由于在负荷循环中发动机有部分时间在非调速区段工作，转速急剧起落、调速特性上平均输出功率的增长开始减慢。到一定程度时发动机的实际平均输出功率，必然随着发动机负载程度的提高而下降。 总之，发动机只有在稳定工况下工作时才能输出其最大功率(额定功率)，而平均阻力矩的工作点才能配置得等于其额定转矩。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，并且只有在适当配置平均阻力矩的工

26、作点时，才能获得最大值。 第二节 工程机械用发动机及其选型 n1.柴油机的型式n（1）冷却方式：水冷 n（2）增压：低增压(压比小于1.4) n（3）燃烧室的型式： 直喷式n（4）汽缸的排列形式：直列或V型。n（5）汽缸直径：110140mm SDVniVPPhhmee43022.柴油机的功率 工程机械用柴油机的功率范围一直存在着不断扩大的趋势，目前的功率范围是45600kw。柴油机的功率主要集中在45300kw之间。超过300kW的拖拉机常常采用两边履带由两台发动机分别驱动的双排传动系。作为增大柴油机功率的主要手段扩大排量(主要是发展多缸机)和强化发动机存在着平行发展的趋势。 考虑到工程机械对发动机的可靠性和耐久性有较高的要求，通常在选择额定功率时，适当地留有储备。柴油机装车的额定功率一般定得低于它的lh功率，也有不少机型采用持续功率。根据国外13个厂家现代工业履带拖拉机用柴油机的装车额定功率与其最大1h功率之间的比较，绝大部分机型取1h功率的9072作为它的额定功率。 3.柴油机的转速 由于工程机械的工作速度较低，发动机的转速虽然逐年有所提高，但上升的幅度不大。对140种工业拖拉机发动机额定转速进行的统计分析，约有53的发动机额定转速取为18002l00r/min，转速在1