常 綠，徐禮超，呂 猛，劉永臣，趙艷青

（1. 淮陰工學(xué)院 江蘇省交通運(yùn)輸與安全保障重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，淮安 223003；2. 南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016；3. 淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引 言

截至2015年，中國(guó)工程機(jī)械達(dá)到690.8萬(wàn)輛，其中裝載機(jī)174.4萬(wàn)輛[1]。裝載機(jī)不僅能對(duì)散裝物料進(jìn)行鏟裝和搬運(yùn)作業(yè)，也能進(jìn)行輕度的鏟掘工作，更換裝載機(jī)的工作裝置，還可進(jìn)行起重、裝卸木料作業(yè)。裝載機(jī)用途非常廣泛，是重要的工程機(jī)械機(jī)種之一。裝載機(jī)具有工作環(huán)境惡劣、負(fù)載變化頻繁且劇烈的特點(diǎn)，這導(dǎo)致裝載機(jī)燃油消耗量大、排放質(zhì)量差[2-3]。隨著裝載機(jī)的市場(chǎng)保有量不斷增加，裝載機(jī)生產(chǎn)廠家及其用戶越來(lái)越關(guān)注裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[4-9]。

裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)借鑒了汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)能顯著影響汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，循環(huán)工況可以虛擬試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放和燃油消耗量情況，進(jìn)而考察汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。目前，還沒(méi)有類(lèi)似于汽車(chē)循環(huán)工況一樣的裝載機(jī)循環(huán)工況，因而傳統(tǒng)的裝載機(jī)設(shè)計(jì)也無(wú)法基于循環(huán)工況預(yù)測(cè)其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)這一情況，本文分析裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率分流情況，構(gòu)建了裝載機(jī)循環(huán)工況，由裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷時(shí)間歷程、鏟斗工作阻力時(shí)間歷程、工作速度時(shí)間歷程共同構(gòu)成。以ZL50裝載機(jī)為例，構(gòu)建了測(cè)試裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷、鏟斗工作阻力、工作速度的試驗(yàn)方案，分析和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了裝載機(jī)循環(huán)工況。利用獲取的循環(huán)工況虛擬試驗(yàn)ZL50裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了裝載機(jī)循環(huán)工況的正確性。利用裝載機(jī)的循環(huán)工況，在裝載機(jī)設(shè)計(jì)階段，可以虛擬試驗(yàn)裝載機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，為裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化提供參考。裝載機(jī)循環(huán)工況的構(gòu)建具有重要的工程意義。

1 試驗(yàn)方案

裝載機(jī)的作業(yè)對(duì)象主要包括原生土、大石方、松散土、小石方和半濕土5種物料[10]。本文以ZL50裝載機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，取原生土40斗、大石方25斗、松散土17斗、小石方10斗、半濕土8斗[11-14]，合計(jì)100斗進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)研究?jī)?nèi)容需要，經(jīng)過(guò)多方案研究比較以及實(shí)際安裝傳感器的可能性，確定試驗(yàn)方案[10-12,15]如圖 1a所示。選則各液壓泵出口處為壓力測(cè)試點(diǎn)，圖1b所示出變速泵出口油壓、后傳動(dòng)軸扭矩試驗(yàn)圖片。選用武漢航天星 6220型數(shù)據(jù)采集儀，可同時(shí)采集16個(gè)通道的模擬信號(hào)；選用成都小松公司的F6206-AB-T6傳感器，可同時(shí)測(cè)量液壓系統(tǒng)壓力、流量和溫度3個(gè)參數(shù)[10]；選用TT10K旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)試傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

圖1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程圖片F(xiàn)ig.1 Figures of experimental scheme and procedure

考慮到試驗(yàn)中需同步測(cè)取的參數(shù)較多，且測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣，采用“有線測(cè)試”與“近程遙測(cè)”相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方案?！坝芯€測(cè)試”采集壓力信號(hào)?！敖踢b測(cè)”采集轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)發(fā)射后，利用信號(hào)采集系統(tǒng)記錄并采集，采集時(shí)遵循信號(hào)采樣定理[15-16]，所有采樣信號(hào)經(jīng)放大、整形、濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)字信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)，由nsoft軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

同時(shí)測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中裝載機(jī)的油耗情況，試驗(yàn)方法如文獻(xiàn)[15]，改裝原供油系油路，將油耗傳感器串接在油箱低壓供油回路中，安裝時(shí)注意油耗傳感器上標(biāo)出的油路方向與供油系統(tǒng)柴油流向一致。注意油耗傳感器接頭處的密封，防止泄漏。各管接頭處連接好后，將管路內(nèi)及傳感器內(nèi)殘留的空氣排盡。將傳感器信號(hào)電纜的一端與油耗傳感器的對(duì)應(yīng)插座相連接，另一端與主機(jī)的油耗插座相連接。安裝、連接完畢后，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并中速運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否正常，然后停熄發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

裝載機(jī)鏟裝物料時(shí)，一般都要經(jīng)歷空載前進(jìn)接近物料堆、鏟掘、重載倒退、重載前進(jìn)及卸料、空載倒退等5個(gè)作業(yè)階段，稱為 1個(gè)作業(yè)循環(huán)。按原生土、大石方、松散土、小石方、半濕土的順序進(jìn)行試驗(yàn)[14,17]，記錄每個(gè)工作循環(huán)測(cè)試的前、后傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩，前傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，液壓泵的壓力等參數(shù)。圖2示出了裝載機(jī)連續(xù)3個(gè)工作循環(huán)測(cè)試參數(shù)信號(hào)，A段為其中的 1個(gè)工作循環(huán)。由通道 6、7、8導(dǎo)出的測(cè)試信號(hào)可判斷出各工作循環(huán)的鏟掘作業(yè)段，圖中B段為1個(gè)工作循環(huán)中的鏟掘作業(yè)段。在前進(jìn)擋位中，工作泵壓力急劇上升段，此階段裝載機(jī)負(fù)荷最大。

圖2 裝載機(jī)載荷測(cè)試信號(hào)Fig.2 Test signal of loader in load

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)去異值

測(cè)試系統(tǒng)采集信號(hào)過(guò)程中，受外界因素干擾會(huì)出現(xiàn)一些異值信號(hào)[18-19]，為更好地反映信號(hào)的內(nèi)在變化規(guī)律，須采取一定方法識(shí)別并剔除這些異值信號(hào)?；谛〔ㄗ儞Q在處理非平穩(wěn)信號(hào)中突變信息的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及小波變換細(xì)節(jié)系數(shù)可有效識(shí)別信號(hào)中的異值點(diǎn)[20-22]，采用小波系數(shù)分形維數(shù)去除異值點(diǎn)的方法對(duì)分段合并后的同名作業(yè)段信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。利用分形維數(shù)結(jié)果確定異值點(diǎn)位置，選擇分形維數(shù)閾值二值化算法重新計(jì)算小波細(xì)節(jié)系數(shù)，最后再與未處理的近似系數(shù)重構(gòu)有效信號(hào)[23]。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢驗(yàn)

以鏟裝 40斗原生土為例，根據(jù)文獻(xiàn)[10]介紹的方法檢驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性。表 1列出裝載機(jī)鏟掘原生土?xí)r工作泵消耗轉(zhuǎn)矩信號(hào)平穩(wěn)性檢驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果。查輪次分布表知，在子樣組數(shù)N=10，顯著水平α=0.05時(shí)，輪次數(shù)應(yīng)在（3，8）區(qū)間。由檢查結(jié)果知，各作業(yè)段輪次數(shù)分別為：空載前進(jìn)段 r1=7，鏟掘段 r2=6，重載后退段r3=7，重載前進(jìn)及卸料段r4=5，空載后退段r5=7。各作業(yè)段輪次數(shù)均在（3，8）區(qū)間內(nèi)，試驗(yàn)測(cè)試信號(hào)是平穩(wěn)的。

表1 鏟掘原生土?xí)r工作泵消耗發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輪次統(tǒng)計(jì)Table 1 Engine torque consumed by working pump and runs statistics when loader shoveling primary soil

3 裝載機(jī)循環(huán)工況的編制

裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率經(jīng)分動(dòng)箱分流后，一部分驅(qū)動(dòng)工作油泵、轉(zhuǎn)向油泵和變速泵工作，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，可獲取典型液壓系統(tǒng)消耗的轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程。

3.1 裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷時(shí)間歷程的制取

按文獻(xiàn)[10]介紹的方法，制取如圖 3a所示的典型工況下工作泵消耗發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程圖。

同理可分別獲取典型工況下變速泵與轉(zhuǎn)向泵消耗轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程，這樣可獲取 3種液壓泵消耗的總轉(zhuǎn)矩，制取出如圖3b所示的典型工況下裝載機(jī)液壓系統(tǒng)載荷時(shí)間歷程[10,24]。

（3）在Unity引擎環(huán)境的菜單Edit的下拉菜單Preferences中，對(duì)External Tools項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，使其中JDK和SDK分別指向步驟（1）和（2）中安裝的路徑。

3.2 典型行駛工況的獲取

根據(jù)式（1）可求裝載機(jī)工作速度：

式中n為試驗(yàn)測(cè)試得到的前傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，r/min；vt為裝載機(jī)工作速度，km/h；R為裝載機(jī)輪胎半徑，m；il為傳動(dòng)軸以后傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比。

ZL50裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋主傳動(dòng)比[25]i1=4.484，輪邊減速器傳動(dòng)比i2=5.08，il為兩者的乘積，il=22.78，輪胎動(dòng)力半徑R=0.75 m，圖 1中通道 5為前傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，利用vib.sys與ncode軟件，按前述同樣的方法，對(duì)通道5測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分段、合并、消除異常峰值、平穩(wěn)性檢驗(yàn)后，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，可獲得前傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（1）可求裝載機(jī)典型工況工作速度時(shí)間歷程[26-27]，如圖4a所示。根據(jù)圖3a中工作泵壓力變化情況，以及圖 2中的檔位信號(hào)變化情況，可以判斷出圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共 5個(gè)時(shí)間段分別為空載前進(jìn)、鏟掘、重載后退、重載前進(jìn)及卸料、空載后退5個(gè)作業(yè)時(shí)段。

3.3 鏟斗工作阻力獲取

圖1中通道6~7為測(cè)得的裝載機(jī)前、后傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩值，按前述同樣的方法，對(duì)通道6至7的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理，可分別獲得前、后傳動(dòng)軸載荷時(shí)間歷程，把前、后傳動(dòng)軸載荷時(shí)間歷程相加，可獲得裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)載荷時(shí)間歷程[28-29]，如圖4b所示。

圖3 裝載機(jī)液壓系統(tǒng)消耗轉(zhuǎn)矩Fig.3 Torque consumption of loader hydraulic system

裝載機(jī)在工作過(guò)程中，需要克服鏟斗工作阻力、滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力[30]，用式（2）表示：

式中Ft為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)R為鏟斗工作阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)f為坡道阻力。

圖4 典型工況下裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)載荷試驗(yàn)Fig.4 Load test of the loader drive system under typical working condition

鏟斗工作阻力只有在鏟掘Ⅱ時(shí)段存在，其他時(shí)段鏟斗工作阻力為0。由圖4b知，鏟掘Ⅱ時(shí)段，鏟斗工作阻力快速增加，因而消耗的轉(zhuǎn)矩也快速增加。鏟掘Ⅱ時(shí)段增加的轉(zhuǎn)矩即為鏟斗工作阻力消耗的轉(zhuǎn)矩。圖4b中傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩差值經(jīng)換算可獲得驅(qū)動(dòng)力tF，即：

根據(jù)式（3）可得鏟斗工作阻力[14]，如圖4c所示。

3.4 裝載機(jī)循環(huán)工況

汽車(chē)的循環(huán)工況由汽車(chē)的速度—時(shí)間曲線構(gòu)成，根據(jù)汽車(chē)的循環(huán)工況，基于ADVISOR仿真軟件，可以獲取汽車(chē)行駛過(guò)程中所受阻力情況，進(jìn)而仿真計(jì)算其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。不同于汽車(chē)，裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率經(jīng)分動(dòng)箱分流后，一部分經(jīng)過(guò)變矩器、變速箱、前后驅(qū)動(dòng)橋和輪邊減速，用以克服鏟斗工作阻力、滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走[14]。根據(jù)汽車(chē)的速度循環(huán)工況，可以確定汽車(chē)的滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，進(jìn)而預(yù)測(cè)汽車(chē)燃油消耗量、污染物排放量等。同理，應(yīng)用裝載機(jī)典型工況工作速度時(shí)間歷程，也可以確定滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力。

用汽車(chē)的循環(huán)工況仿真計(jì)算汽車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，汽車(chē)的整機(jī)質(zhì)量是不變的。但裝載機(jī)在 1個(gè)工作循環(huán)中，有空載前進(jìn)、鏟掘、重載后退、重載前進(jìn)及卸料、空載后退5個(gè)作業(yè)時(shí)段，因而整機(jī)質(zhì)量是變化的[29]。圖5示出ZL50裝載機(jī)整機(jī)質(zhì)量在1個(gè)工作循環(huán)中變化曲線。

圖5 裝載機(jī)典型工況整機(jī)質(zhì)量時(shí)間歷程Fig.5 Time course of total weight under typical working condition

裝載機(jī)的循環(huán)工況必須反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分流情況。裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率，分為 2部分，一部分經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)，用以克服滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走。類(lèi)似于汽車(chē)的循環(huán)工況，裝載機(jī)的循環(huán)工況也必須包含裝載機(jī)工作速度時(shí)間歷程。不同于汽車(chē)，裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)消耗的功率，還有一部分用以克服鏟斗工作阻力，因而裝載機(jī)的循環(huán)工況還必須包含鏟斗工作阻力時(shí)間歷程。裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率，還有一部分用于驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作泵，因而裝載機(jī)的循環(huán)工況還必須包含液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程。所以，典型工況下裝載機(jī)工作速度時(shí)間歷程、鏟斗工作阻力時(shí)間歷程、液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程即構(gòu)成了裝載機(jī)的循環(huán)工況，如圖6所示。

基于裝載機(jī)虛擬仿真軟件[30]，把本文建立的裝載機(jī)的循環(huán)工況加載到虛擬仿真軟件，以ZL50裝載機(jī)為例，燃油經(jīng)濟(jì)性虛擬試驗(yàn)值如表2所示。

圖6 裝載機(jī)典型工況下的循環(huán)工況Fig.6 Driving cycle of loader under typical working condition

裝載機(jī)在鏟掘物料過(guò)程中，油耗傳感器記錄了試驗(yàn)過(guò)程中柴油消耗情況，按下列公式計(jì)算燃油經(jīng)濟(jì)性

式中B為裝載機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，L/h；Qt為t時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的柴油，經(jīng)校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，L；t為裝載機(jī)工作時(shí)間，h。由于試驗(yàn)環(huán)境的差異，柴油的粘度、密度存在一定的差異，應(yīng)將柴油消耗量的測(cè)定值校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值。本次試驗(yàn)t=7.8 h，Qt=173.50 L，計(jì)算裝載機(jī)試驗(yàn)油耗如表2所示。

表2 裝載機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)Table 2 Fuel economy test of the loader

比較表 2試驗(yàn)情況，實(shí)車(chē)試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)結(jié)果相差5.0%，本文構(gòu)建的循環(huán)工況可行。

4 結(jié) 論

1）裝載機(jī)循環(huán)工況應(yīng)由裝載機(jī)典型工況液壓系統(tǒng)載荷時(shí)間歷程、鏟斗工作阻力時(shí)間歷程、工作速度時(shí)間歷程構(gòu)成。

2）應(yīng)用本文構(gòu)建的裝載機(jī)循環(huán)工況，虛擬試驗(yàn)ZL50裝載機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好（誤差為5.0%），說(shuō)明本文構(gòu)建的循環(huán)工況是可以信任的。

基于裝載機(jī)虛擬仿真軟件，應(yīng)用裝載機(jī)循環(huán)工況，可虛擬試驗(yàn)裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，為裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化提供參考，也可為新機(jī)型的開(kāi)發(fā)和評(píng)估提供技術(shù)參考。構(gòu)建裝載機(jī)循環(huán)工況具有重要的工程意義。

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