陳玉杰，史美麗，胡 偉，郭永志

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

前言

非公路礦用自卸車是指在露天場合為完成巖石土方運(yùn)輸與礦石運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)而使用的一種專業(yè)化車輛，主要用于露天礦山、港口碼頭、水利水電工地和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等大型施工現(xiàn)場[1]。

非公路礦用自卸車分為礦用剛性自卸車、礦用鉸接自卸車、礦用寬體自卸車（以下簡稱寬體自卸車）。

寬體自卸車作為中國特有的行業(yè)，按照《GB T 35194— 2017土方機(jī)械非公路機(jī)械傳動寬體自卸車技術(shù)條件》，需要按照國家強(qiáng)制非道路排放標(biāo)準(zhǔn)。

本文基于寬體自卸車整車可靠性、動力性、經(jīng)濟(jì)方面的要求，從動力總成角度出發(fā)，總結(jié)了大馬力電控機(jī)型非道路第三階段柴油機(jī)開發(fā)的過程中的成果。

1 礦區(qū)工況及用戶需求介紹

礦山工況環(huán)境嚴(yán)苛，見圖2。礦區(qū)絕大部分分布在高溫、高原、高寒地區(qū)。路況：坡道、彎道多，坡道坡度大。用途：運(yùn)送剝離土層，司機(jī)駕駛習(xí)慣粗暴，使用保養(yǎng)不規(guī)范；配件調(diào)運(yùn)困難。

圖2 非公路礦用自卸車作業(yè)環(huán)境

運(yùn)行工況一般為：等待裝載—重載上坡—卸載—空載下坡，運(yùn)距較短，單程距離一般在3 km～5 km，最長不超過10 km。

圖3 礦用自卸車典型路譜

隨著國家政策的完善和相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入，用戶的規(guī)模和實力將不斷增強(qiáng)，其在選擇過程中將更加注重綜合效益，對發(fā)動機(jī)要求按照客戶關(guān)注程度依次為：可靠性、服務(wù)、動力性、經(jīng)濟(jì)性等[2]。

圖4 整車重點關(guān)注指標(biāo)圖示

圖5 礦車用發(fā)動機(jī)排量占比變化趨勢圖

隨著國家進(jìn)行礦區(qū)的整合，大型礦區(qū)的逐漸增多，大噸位整車增加有效載重量，降低了作業(yè)車輛密度，減少人工、管理等成本。因此大噸位整車需求將越來越多。

2 發(fā)動機(jī)動力總成匹配解決方案

動力總成脫離借鑒車機(jī)匹配的路線，采用：大馬力發(fā)動機(jī)+小速比變速箱+大速比后橋，可有效提升變速箱效率，降低發(fā)動機(jī)及后橋效率。

動力總成合理匹配，使發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速偏移，使發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速由額定點轉(zhuǎn)速降低，降低發(fā)動機(jī)負(fù)荷率，提升可靠性及壽命，并降低常用轉(zhuǎn)速油耗率[3]。

高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)+少檔位變速箱，保證換擋平順性前提下，變速箱結(jié)構(gòu)簡化，無副箱結(jié)構(gòu)，整車動力總成故障率大幅降低。

2.1 大馬力發(fā)動機(jī)匹配研究

下表1為現(xiàn)市場主流某12 L礦車發(fā)動機(jī)與某13 L礦車發(fā)動機(jī)動力總成。

表1 非公路礦用自卸車動力總成

通過相應(yīng)的建模及分析，通過整車功率平衡匹配圖6所示可得出以下信息：

圖6 整車功率平衡匹配圖示

（1）**12.420+7DS220+11.75—車速8.6 km/h—270 kW；

（2）2擋2 200 r/min，車速8.6 km/h，最大爬坡度9.18%；

（3）**13.530+8DS260+11.75—車速9.8 km/h—303 kW；

（4）2擋2 070 r/min，車速9.8 km/h，最大爬坡度8.57%。

通過分析得出以下大馬力匹配優(yōu)勢：

（1）最佳油耗區(qū)域擴(kuò)大，最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)轉(zhuǎn)速范圍1 100 r/min～1 500 r/min，最佳油耗區(qū)向高速區(qū)域移動。

（2）扭矩提升，使運(yùn)行點向左移動。

2.2 高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)匹配研究

高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)匹配方案優(yōu)勢：

（1）額定轉(zhuǎn)速提高11%，給換擋操作預(yù)留了充足的轉(zhuǎn)速下降區(qū)間，解決了少檔位變速箱級差偏大帶來的換擋困難問題；

（2）滿足了司機(jī)在礦區(qū)復(fù)雜路況下減少換擋頻率的需求，實現(xiàn)了礦區(qū)車輛低檔位、大油門、高車速模式的常態(tài)化運(yùn)行。

如圖7所示：在8%坡度條件下：1 900 r/min+10.84配置二檔爬坡動力性足夠，經(jīng)濟(jì)性改善。

圖7 換擋轉(zhuǎn)速變化a

考慮到換擋間隙車速下降，2 100 r/min+11.75配置，換擋后車速降到4.5 km/h，轉(zhuǎn)速降到1 145 r/min；1 900 r/min+11.75/10.84配置，換擋后轉(zhuǎn)速降到1 077 r/min；本工況下可以使用1 900 r/min+10.84配置。

如圖8所示：在15%坡度條件下：三種配置二檔爬坡均比較困難，動力性偏差，一檔行駛車速過慢，運(yùn)輸效率低。

圖8 換擋轉(zhuǎn)速變化b

本工況下無法使用1 900 r/min+10.84配置。

2.3 發(fā)動機(jī)性能開發(fā)要求

考慮到礦區(qū)復(fù)雜的道路情況，發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點主要集中在調(diào)速段，在相同扭矩下，高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)功率大，車速高，克服阻力能力強(qiáng)。

推廣大馬力、高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)更適合用戶駕駛安全及換擋平順，提升運(yùn)輸效率，降低發(fā)動機(jī)油耗[4]。

3 適應(yīng)礦區(qū)嚴(yán)苛的自然環(huán)境

如圖9所示：加大增壓器蝸殼、減小壓殼，改善高速段增壓效果[5]。

圖9 增壓器各海拔聯(lián)合運(yùn)行線

高原性能優(yōu)化成果顯著，通過增壓器等性能件合理匹配，實現(xiàn)額定點3 000 m不降、4 000 m降低10% 、5 000 m降低15%；全面領(lǐng)先競品。并可以實現(xiàn)和平原機(jī)型通用。

圖10 高原能力優(yōu)化示意

4 智能附件開發(fā)

標(biāo)配電控硅油離合器如圖11所示，閉環(huán)策略精確控制轉(zhuǎn)速如圖12所示。

圖1 非公路礦用自卸車分類

圖11 硅油離合器圖示

圖12 電控硅油離合器熱滑差曲線

開環(huán)控制可以實現(xiàn)按照水溫標(biāo)定轉(zhuǎn)速，但風(fēng)扇實際轉(zhuǎn)速不會反饋給ECU，ECU也不去管理，不利于整機(jī)熱平衡。

借助自主電控平臺，標(biāo)定風(fēng)扇離合器的閉環(huán)控制策略，可以精確控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)比剛性風(fēng)扇節(jié)油、降低噪聲。

因發(fā)動機(jī)長時間運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速器，實現(xiàn)風(fēng)扇的柔性控制對油耗降低效果顯著，可達(dá)到5%～10%。

5 降低發(fā)動機(jī)比油耗，降低運(yùn)營費(fèi)用

圖13 寬體車用發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)運(yùn)行點

充分市場數(shù)據(jù)采集分析，提出精確的發(fā)動機(jī)運(yùn)行區(qū)間，針對性優(yōu)化發(fā)動機(jī)，做到性能最優(yōu)，油耗最低，最大限度降低用戶運(yùn)營成本。

性能開發(fā)方面，優(yōu)化燃燒，新設(shè)計凸輪軸、活塞、噴油器，配合增壓器選型，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)常用高速區(qū)油耗降低4～9 g/Kw/h，發(fā)動機(jī)整體油耗降低5%以上。

圖14 發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化油耗對比1

圖15 發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化油耗對比2

進(jìn)行動力總成仿真分析：根據(jù)整車信息，建立整車、發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱、差速器、主減速器、輪胎、制動器、駕駛室、監(jiān)視器等模塊；收集相應(yīng)模塊參數(shù)并輸入模型。換擋規(guī)律參考實際路譜，整車仿真模型如圖16所示。

圖16 Cruise整車模型

圖17 路譜：車速、坡度曲線

結(jié)論：優(yōu)化后比優(yōu)化前整車油耗降低2.01%。

從動力性和經(jīng)濟(jì)性兩方面內(nèi)容仿真計算針對市場采集路譜，針對整車路譜做整車性能仿真計算。

發(fā)動機(jī)最佳油耗經(jīng)濟(jì)區(qū)靠右上，轉(zhuǎn)速在1 400 rpm～1 800 rpm對整車油耗有利，發(fā)動機(jī)開發(fā)結(jié)果符合實際工況需求。

6 整車產(chǎn)品優(yōu)勢分析

依托本項目創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)的寬體礦車專用動力產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的對比如下表2所示：

表2 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的對比

7 結(jié)語

通過進(jìn)行動力匹配研究，達(dá)到以下兩點較重要的成果：

（1）實現(xiàn)整車出勤率由普通公路自卸的70%，提升至90%以上，與國外礦用剛性自卸車水平相當(dāng)。但整車油耗相比同載重礦用剛性自卸車降低15%～20%，發(fā)動機(jī)產(chǎn)品得到用戶認(rèn)可，占有率達(dá)到80%以上。

（2）匹配本項目發(fā)動機(jī)的寬體自卸車，首次實現(xiàn)在5 200 m海拔（西藏華泰龍礦區(qū)）正常運(yùn)行，為西藏大開發(fā)做出貢獻(xiàn)。