過(guò)鵬,姜鋒(上海柴油機(jī)股份有限公司,上海200438)
基于載荷譜的50裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能評(píng)價(jià)
過(guò)鵬,姜鋒
(上海柴油機(jī)股份有限公司,上海200438)
對(duì)50裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能建模進(jìn)行了分析,研究了基于載荷譜的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法,并運(yùn)用該評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法對(duì)載荷譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、評(píng)價(jià)。
載荷譜裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能評(píng)價(jià)方法
50裝載機(jī)是工程機(jī)械中最主要的機(jī)種之一,廣泛用于各種基建、礦物開(kāi)采及物料的裝卸、短途運(yùn)輸?shù)?,作業(yè)范圍廣、工況復(fù)雜多變、使用環(huán)境惡劣,即50裝載機(jī)的負(fù)載變化劇烈,運(yùn)行狀況復(fù)雜。這導(dǎo)致了50裝載機(jī)的動(dòng)力源負(fù)荷變化同樣劇烈、沖擊大,在這個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程中,充當(dāng)動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能受到作業(yè)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的影響,而發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)動(dòng)力性能沒(méi)有充分考慮到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)負(fù)荷帶來(lái)的激勵(lì),與實(shí)際作業(yè)中的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能表現(xiàn)有較大差別,因此有必要研究分析并評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。
50裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一般為機(jī)械液力傳動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)在液力變矩器之前主要為機(jī)械部分,可以用液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)這兩個(gè)零件組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力特性來(lái)代替整機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力特性,下面著重分析液力變矩器以及發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力特性。
2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能模型
50裝載機(jī)的作業(yè)工況是復(fù)雜的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,本文用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角加速度來(lái)表達(dá)這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,可用下式表示
式中,
Me——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出力矩,N·m;
Mz——發(fā)動(dòng)機(jī)所受阻力矩,N·m;
ωe——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度,rad/s;
Je——發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg/m2。
2.2 整體動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能模型
有研究表明[1],渦輪角加速度在-52rad/s2與52rad/s2之間時(shí),可以忽略液力變矩器內(nèi)部液力動(dòng)態(tài)效益,這時(shí)只要考慮把其慣量加入裝載機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量影響中去即可。本文將液力變矩器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量記為JH并加入式(1),可以得到
其中,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je+JH是常量,所以發(fā)動(dòng)機(jī)所受阻力矩Me與MZ發(fā)生變化時(shí)就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角加速度dωe/dt發(fā)生變化。同樣式(2)就表達(dá)了發(fā)動(dòng)機(jī)受到的主動(dòng)、阻力矩的變化情況,即發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的動(dòng)力性能。
3.1 基于發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的評(píng)價(jià)方法
通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)特性、液力變矩器特性二者匹配的輸入特性得出輸出特性,然后分析二者共同輸出特性來(lái)評(píng)價(jià)匹配品質(zhì)。這是以發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性為前提,僅僅反映了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況下的性能,而在裝載機(jī)作業(yè)中,負(fù)荷的波動(dòng)性是其基本特征。
因此這種靜態(tài)的評(píng)價(jià)方法并不能反映出發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程品質(zhì)的優(yōu)劣[2],只能作為整車與發(fā)動(dòng)機(jī)的初步匹配。
3.2 基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法
發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)一般體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能,此外,也可以通過(guò)下面兩種方法來(lái)模擬突加載與突加速部分工況:
(1)柴油機(jī)在一個(gè)初始轉(zhuǎn)速下,通過(guò)測(cè)功器對(duì)其輸入突變負(fù)荷,對(duì)比不同突變負(fù)荷下的性能參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。但該項(xiàng)試驗(yàn)需要考慮測(cè)功器的加載頻率能力等因素,能否達(dá)到模擬實(shí)際作業(yè)的要求有一定實(shí)際難度。
(2)柴油機(jī)在特定負(fù)荷下,分析從一個(gè)初始速度提升至一個(gè)特定速度的響應(yīng)時(shí)間,以此來(lái)衡量其加速性能。
通過(guò)這些發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),可以預(yù)判實(shí)際作業(yè)時(shí)部分動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能,但無(wú)法考慮傳動(dòng)系統(tǒng)中其余部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素,試驗(yàn)結(jié)果缺乏全面性。
3.3 基于裝載機(jī)整機(jī)型式試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法
裝載機(jī)整機(jī)的型式試驗(yàn)一般由牽引力試驗(yàn)、作業(yè)效率試驗(yàn)、等距離加速時(shí)間試驗(yàn)以及(滿載提升時(shí)間、卸載時(shí)間以及下降時(shí)間)三項(xiàng)和試驗(yàn)內(nèi)容組成。
這些試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)因素大都為可預(yù)期的,如牽引力試驗(yàn)側(cè)重于動(dòng)力性而非動(dòng)態(tài)動(dòng)力性,三項(xiàng)和試驗(yàn)比較側(cè)重于柴油機(jī)的加速性能,同樣有一定局限性。
上述幾種試驗(yàn)方法對(duì)于考核柴油機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能存在一定的局限性,無(wú)法全面評(píng)價(jià)實(shí)際作業(yè)工況。通過(guò)分析整車試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜試驗(yàn)數(shù)據(jù),來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能試驗(yàn)相對(duì)更有針對(duì)性,它可以直接測(cè)定、記錄表示裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)特征的各項(xiàng)參數(shù)的時(shí)域函數(shù),通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)來(lái)避免各種偶發(fā)因素影響[3~4]。
4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)
裝載機(jī)是一種循環(huán)工作的機(jī)械裝置,對(duì)于每個(gè)循環(huán)工況來(lái)說(shuō),它主要由掘進(jìn)、舉升后退、前進(jìn)卸料等多工況組成。圖1是裝載機(jī)一段工況的速度載荷譜,一條曲線為轉(zhuǎn)速-時(shí)間工況曲線,對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,分段擬合出工況曲線的趨勢(shì)線,同時(shí)還可以分解出一個(gè)隨機(jī)項(xiàng)曲線,見(jiàn)圖2。
圖1 50裝載機(jī)(部分)速度載荷譜
圖2 50裝載機(jī)單工作循環(huán)隨機(jī)項(xiàng)
分析裝載機(jī)的實(shí)際作業(yè)工況,在典型性工作模式下,每個(gè)工作循環(huán)都可以分解為趨勢(shì)線、隨機(jī)項(xiàng)曲線。趨勢(shì)線由機(jī)器的工作模式確定,取決于工作機(jī)器是裝載機(jī)還是推土機(jī)以及它的具體操作、作業(yè)方式,是一個(gè)確定性分量項(xiàng),確定性分量項(xiàng)中的各段不同趨勢(shì)是由裝載機(jī)的不同作業(yè)段的工況來(lái)確定的。而圖2中隨機(jī)分量項(xiàng)則由具體工作對(duì)象以及工作機(jī)器本身的特性所決定[4~5]。
即可將dωe/d t分解為一個(gè)確定性分量項(xiàng)和一個(gè)隨機(jī)分量項(xiàng),得到
式中,
ωqs、ωsj——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度的確定性分量項(xiàng)、隨機(jī)分量項(xiàng),rad/s;
Meq、Mej——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出力矩的確定性、隨機(jī)分量項(xiàng),N·m;
MZq、MZj——發(fā)動(dòng)機(jī)所受阻力矩的確定性、隨機(jī)分量項(xiàng),N·m。
式(3)~(5)代入式(2)得到
式(6)的物理意思是,載荷譜確定性分量項(xiàng)dωqs/d t代表發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于工作機(jī)器(本文為裝載機(jī))的工作模式性負(fù)荷(Meq-MZq)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能,而載荷譜隨機(jī)分量項(xiàng)dωsj/d t則代表發(fā)動(dòng)機(jī)在這種工作模式下遇到外部動(dòng)態(tài)負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)自身的激勵(lì)(Mej-MZj)而響應(yīng)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。本文用隨機(jī)量dωqs/d t和dωsj/d t作為載荷譜試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
4.2 評(píng)價(jià)方法
50裝載機(jī)作業(yè)中造成的阻力矩MZ、曲軸力矩Me變化一般有四種可能,分別為加載、卸載與加速、減速,其中突加載、突加速性能是整機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)配套和駕駛員最關(guān)注的。
4.2.1 突加載工況
突加載工況是50裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最為惡劣的變負(fù)荷工況之一,在突加載負(fù)荷激勵(lì)下,發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這種響應(yīng)體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)突加載的適應(yīng)能力,用式(3)來(lái)表示。在相同dωqs/d t下,dωsj/d t變化幅值、頻率較小,則認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)在整機(jī)突加載工況中能發(fā)揮出良好的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。
4.2.2 突加速工況
突加速工況在裝載機(jī)工作循環(huán)中占比同樣較大,體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)突加速的應(yīng)對(duì)能力,用式(3)來(lái)表示。在相同dωqs/d t下,dωsj/d t變化幅值較大,則認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)在整機(jī)突加速工況中能發(fā)揮出良好的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能,對(duì)駕駛員的加速意圖響應(yīng)迅速,這也是受期望的。
4.2.3 數(shù)據(jù)處理
圖2中的隨機(jī)分量項(xiàng)為一系列離散數(shù)據(jù),不適合直接比較,本文對(duì)其進(jìn)行快速傅立葉變換,轉(zhuǎn)換為比較隨機(jī)分量項(xiàng)的頻譜圖參數(shù):幅值、頻譜的品質(zhì),這樣就可以考核發(fā)動(dòng)機(jī)在此階段突加載、加速的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。圖3為一段載荷譜隨機(jī)分量項(xiàng)的頻譜圖。
圖3 50裝載機(jī)(部分)載荷譜隨機(jī)分量頻譜
5.1 試驗(yàn)方案
本文分別對(duì)某型50裝載機(jī)裝配2種不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪的D6114柴油機(jī)進(jìn)行載荷譜等試驗(yàn),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量見(jiàn)表1。兩種柴油機(jī)除飛輪不同外,其余配置一致。
表1 D6114柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表
兩種柴油機(jī)臺(tái)架穩(wěn)態(tài)性能特性幾乎一致,另外裝載機(jī)液力變矩器等零部件不改變,即根據(jù)這兩種輸入特性匹配而得的輸出特性同樣幾乎一致,所以無(wú)法判斷柴油機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性的差異。
(1)“V”形作業(yè)試驗(yàn),作業(yè)物料為鐵礦石,其密度為2 500 kg/m3,路線固定。具體工作流程:V型交叉點(diǎn)為起點(diǎn)、料堆處以及卸料處為V型兩個(gè)頂點(diǎn),工作循環(huán)包括表2中的5個(gè)作業(yè)段。
表2 裝載機(jī)作業(yè)、檔位對(duì)照表
(2)等距離加速時(shí)間測(cè)試,裝載機(jī)預(yù)備完成后,原地起步掛I檔,記錄通過(guò)0~2m、0~4m直至0~15m所需的時(shí)間,以及三項(xiàng)和測(cè)試,即滿載提升時(shí)間、卸載時(shí)間與下降時(shí)間之和。
5.2 “V”形作業(yè)載荷譜試驗(yàn)結(jié)果及分析
試驗(yàn)記錄步長(zhǎng)為0.1 s,將兩種柴油機(jī)載荷譜(轉(zhuǎn)速-時(shí)間)5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并取均值,見(jiàn)圖4和圖5。由圖4可以看出,表2中第1~4階段這4個(gè)工況中,兩組數(shù)據(jù)趨勢(shì)比較一致,而第5階段工況則區(qū)別較大。
圖4 50裝載機(jī)載荷譜柴油機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間圖
圖5 50裝載機(jī)載荷譜柴油機(jī)油門開(kāi)度圖
由圖5可以看出,第1、2、4這3個(gè)工況中兩種柴油機(jī)油門開(kāi)度一致性較高,第3工況14.7~21 s區(qū)間和第5工況的34~38.5 s區(qū)間“平均1”與“平均2”曲線有很大差異,“平均2”曲線在此區(qū)間為油門起伏很大,這也解釋了兩條曲線在圖4中對(duì)應(yīng)階段的差異情況,即第1、2、4三個(gè)工況可對(duì)比性較高,作為本次試驗(yàn)重點(diǎn)分析對(duì)象,其余兩個(gè)工況可對(duì)比性低,不予分析。
分別對(duì)圖4中的平均1和平均2這兩條曲線進(jìn)行處理,取置信度0.95以上,按前述的五個(gè)工況區(qū)間分段回歸擬合為六次多項(xiàng)式(六次多項(xiàng)式系數(shù)很敏感,需復(fù)核),最后組合為圖6趨勢(shì)分量圖,并得到圖7隨機(jī)分量圖。下面研究第1、2、4這3個(gè)工況隨機(jī)分量圖。
圖6 50裝載機(jī)載荷譜速度-時(shí)間趨勢(shì)分量圖
圖7 50裝載機(jī)載荷譜速度-時(shí)間隨機(jī)分量圖
圖7 中組成隨機(jī)分量的兩條離散數(shù)據(jù)不適合直接比較,因此首先對(duì)第1、2、4三個(gè)工況的隨機(jī)分量項(xiàng)進(jìn)行快速傅立葉變換,得到三個(gè)工況速度隨機(jī)分量頻譜圖,見(jiàn)圖8、圖9和圖10。分析這些頻譜圖替代考核原隨機(jī)分量圖的離散參數(shù),以分析發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。
圖8 50裝載機(jī)載荷譜工況1隨機(jī)分量頻譜圖
圖9 50裝載機(jī)載荷譜工況2隨機(jī)分量頻譜圖
圖10 50裝載機(jī)載荷譜工況4隨機(jī)分量頻譜圖
圖8是裝載機(jī)啟動(dòng)、前進(jìn)至料堆工況,裝載機(jī)空載前進(jìn),負(fù)荷小但波動(dòng)頻繁。前段工況時(shí)間內(nèi),油門一直100%開(kāi)啟,接近料堆時(shí)放開(kāi)油門,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低,該工況運(yùn)行品質(zhì)更側(cè)重于考察柴油機(jī)的突加速性能,裝載機(jī)僅受行駛阻力,液壓泵基本無(wú)功率消耗,最大功率密度基本在1 Hz以內(nèi)。由圖6可知,此階段兩種方案趨勢(shì)項(xiàng)基本一致,即dωqs/d t基本相同,此時(shí)曲線“平均1”的dωsj/d t變化幅值較大,則認(rèn)為柴油機(jī)在整機(jī)突加速工況中能發(fā)揮出良好的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。
在圖9的鏟料舉升工況中,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷最為惡劣,油門開(kāi)度一直為100%,受到鏟斗進(jìn)入料堆的切入深度、速率以及受到阻力等因素的影響,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化頻繁,最大功率密度基本在2.3 Hz以內(nèi),該工況側(cè)重考核柴油機(jī)的突加載性能。由圖6可知,此階段兩種方案dωqs/d t基本相同,曲線“平均2”的dωsj/d t類似變化幅值時(shí)頻率較小,柴油機(jī)在整機(jī)突加載工況中能發(fā)揮出良好的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。
圖10為換擋前進(jìn)至卸料處卸料工況,油門開(kāi)度在初始階段后同樣達(dá)到100%,直至最后鏟斗舉升、卸料基本完成,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降至接近怠速,整車換擋準(zhǔn)備倒退,功率譜密度集中在0.8 Hz以下。該工況類似于第1工況,區(qū)別在于第4工況是滿載突加速。
表3為各工況頻率、功率等參數(shù)對(duì)照表。試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)分量的頻譜分布表明,第1、4工況著重體現(xiàn)了柴油機(jī)的突加速性能,這兩種工況下,慣量較小的“平均1”系統(tǒng),動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能較優(yōu);第2工況著重體現(xiàn)了柴油機(jī)的突加載性能,在這種工況下,慣量較大的“平均2”系統(tǒng),動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能較優(yōu)。
表3 各工況參數(shù)對(duì)照表
5.3 整車型式試驗(yàn)結(jié)果及分析
表4為整車型式試驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)表明,在這兩種試驗(yàn)中,1#柴油機(jī)加速性能較優(yōu),即這種試驗(yàn)方法更多側(cè)重于考核柴油機(jī)帶負(fù)載情況
表4 整車型式試驗(yàn)(部分)
下的突加速性能,并不能準(zhǔn)確地全面評(píng)價(jià)實(shí)際作業(yè)中的突加載工況等動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能。
(1)常用幾種動(dòng)力性能評(píng)價(jià)方法對(duì)于評(píng)價(jià)柴油機(jī)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能有不同的側(cè)重點(diǎn)或局限性,而基于載荷譜試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法、指標(biāo)可以較全面而針對(duì)性地分析評(píng)價(jià)具體作業(yè)階段的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能,對(duì)優(yōu)化柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能提供了明確的指標(biāo),便于更有目的性地改進(jìn)配套質(zhì)量。
(2)在一定工作模式下,可以用載荷譜速度-時(shí)間曲線的隨機(jī)分量dωsj/d t分析柴油機(jī)隨外部動(dòng)態(tài)負(fù)荷和柴油機(jī)產(chǎn)生的自身激勵(lì)而響應(yīng)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能,并能在頻譜中體現(xiàn)出來(lái)。
(3)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大導(dǎo)致曲軸加速度變小,柴油機(jī)突加速動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能變差,同樣系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,雖然發(fā)動(dòng)機(jī)突加速性能向優(yōu)良方向發(fā)展,但是抗負(fù)荷波動(dòng)能力變差。就通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而改進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)動(dòng)力性能而言,這是一個(gè)折中的方法,該方法可以為此提供更全面和針對(duì)性的試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果,有一定的指導(dǎo)性。
(4)從統(tǒng)計(jì)分析的角度來(lái)說(shuō),分析的基礎(chǔ)與平均值準(zhǔn)確性密切相關(guān),本文試驗(yàn)次數(shù)還是較少,且?guī)?lái)了一定的不利影響。
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Evaluation of the Dynamic Power PerformanceofEngine for50 Loaderbased on Load Spectrum
Guo Peng,Jiang Feng
(ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China)
In thispaper,the dynamic power performancemodelof the 50 loaderengine isanalyzed,the dynamic powerperformanceevaluationmethodsand parametersbased on the load spectrum are studied,and the testdataof load spectrum isanalyzed and evaluated by using theevaluationmethodsand parameters.
load spectrum,loader,engine,dynam ic power performance,evaluationmethods
10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.002
來(lái)稿日期:2017-03-17
過(guò)鵬(1976-),男,工程師,主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)應(yīng)用匹配。