履帶式推土機動力系統匹配仿真與探討

嚴雪冬

履帶式推土機動力系統匹配仿真與探討

嚴雪冬

（吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春，130022）

推土機作為工程機械的重要設備，廣泛應用于各種土石方作業。推土機工作時條件惡劣、工況復雜多變，提高其動力性、經濟性乃至匹配性至關重要。通過在TY165推土機中采用C399和YJ380兩種液力變矩器，進行理論分析，得出：液力變矩器的性能參數取決于不同的行星排結構參數D及有效直徑α的組合，最優組合決定著最優整機性能。通過分析對比整機性能，得出YJ380的匹配性能優于C399的結論。

推土機；動力傳動系；液力變矩器；匹配；優化設計；數學模型

引言

推土機是工程機械設備，可在城市建筑、道路修筑、水電基礎設施、港口建設、礦山開采等各種土石方作業中，實施推移積土、開渠、運移土方、填土、清理場地、破土等施工輔助作業[1]。

在我國科研工作者努力下，我國推土機行業的制造水平和競爭力逐漸提高，其中具有代表性的企業“山推”和“宣工”擁有較強科研實力，其產品各具特色。我國制造自主品牌的推土機系列產品大量出口國外，促進工程機械行業迅猛發展。

由于推土機工作條件惡劣，且作業工況復雜多變，如何改善其動力性、經濟性乃至匹配性，一直是各推土機制造企業密切關注的問題。實現推土機整機動力傳動系統性能評價和實際控制策略的實施，建立傳動系統的精確數學模型，可為相關研究提供前提準備和先決條件，因此顯得尤為重要[2]。

1　發動機工作數學模型

近年來，推土機行業正朝著大型、環保、智能、節能、信息化方向發展，隨著計算機、信息、通訊、電子和人工智能技術在機械行業及推土機中的應用，推土機正在邁向高度智能化階段。

現代推土機多采用柴油機作為動力源，且其工作過程呈現多種非線性特征，傳統數學表達式已無法對柴油機的工作特性進行精確描述，對此采用最小二乘擬合以及數據查表的方法，在穩態實驗數據基礎上，實現其發動機特性的描述[3]。裝載有全程調速器的發動機穩態特性由穩態外特性和調速特性組成。大量研究和試驗表明，發動機輸出轉矩和油耗都可表示成發動機油門開度和轉速的函數[4]。

根據C6121ZG05a柴油機的原始特性數據，利用Matlab環境下的回歸分析工具進行最小二乘擬合處理，得到發動機穩態外特性的數學模型[5]：

當ne＞1900時，發動機調速狀態特性在各個油門開度下怠速轉速和油門位置α的關系為

由于nL和nR已知，那么在不同的油門開度下，發動機的扭矩和耗油量的調速特性方程為

最終得到發動機輸出的扭矩、功率及耗油量的擬合方程為

2　液力機械變矩器建模

液力變矩器的主要特征參數包括轉速比、變矩系數、力矩系數、效率、穿透性等。其中，原始特性曲線和外特性曲線是能夠表達變矩器特性的曲線。原始特性曲線是指當泵輪轉速一定時，變矩系數和效率隨轉速比變化而變化的規律曲線；外特性曲線是指當泵輪轉矩一定時，渦輪轉矩與渦輪轉速或轉速比的關系曲線[6]。外分流式液力變矩器為液力機械變矩器，是液力變矩器和機械傳動元件以不同方式組合起來的液力機械傳動裝置。發動機的功率可通過液力和機械兩種路徑進行傳遞，不僅具有傳動效率高和自適應性的優點，而且擴展了液力變矩器的應用范圍。由于液力變矩器和行星差速機構組成外功率分流式液力機械變矩器時，獲得了不同于原來變矩器的性能，故采用等效轉化，由一個等效變矩器所替代。

C399外分流液力機械變矩器原始特性參數為：循環圓有效直徑D=399 mm。

YJ380變矩器原始特性參數為：循環圓有效直徑D=380 mm。

2.1變速箱建模

這里所指的變速箱模型也即三檔變速箱機械系統模型。通過對檔位進行查表，可得到相應的傳動比。其他參數如下：

① 使用質量ms=17 800 kg；

② 滾動阻力系數：0.1；

③ 附著系數φ=0.85；

④ 地面附著力Pφ=139.6 kN；

⑤ 工作阻力：122.3 kN；

⑥ 動力半徑：0.404 m。

2.2推土機機身建模

推土機在工作時一方面需要克服因摩擦或變形，在行動裝置和履帶中產生的行動裝置阻力，該阻力取決于載荷和履帶張力狀況，另一方面需要克服外部來對抗履帶運動的阻力，其中包括車首阻力、爬坡阻力、空氣阻力、加速阻力、拖掛阻力、滾動阻力等[7]。

（1）牽引平衡方程

不考慮瞬時動載時，機器在牽引工況下的牽引平衡方程為：

考慮瞬時動載時，機器在牽引工況下的牽引平衡方程為：

（2）車速 。

對于履帶式機械，

那么，

3　基于Simulink的推土機整機建模

3.1建模流程圖

建模流程圖如圖1所示。

3.2建模仿真結果

圖2和表1中的結果表明：在牽引性能相當的情況下，YJ380變矩器較C399外分流液力機械變矩器的經濟性要好，經計算，在70 s的工作循環中可節油1.074 kg。

圖1　建模流程圖

圖2　建模仿真結果

表1　建模仿真結果

4　探討與結論

本文對TY165型履帶推土機動力傳動系統的動態特性進行了全面分析，采用數學模型與數據查表相結合的方法，對整機動力傳動系進行建模，包括發動機、兩種液力變矩器、行星變速箱、機身外界環境模型，同時忽略發動機所屬附件功率分流和與之相關的液壓系統功率分流的影響，對比了兩種液力變矩器下的整機性能和經濟性。

工程機械的牽引特性和燃油經濟性，與液力變矩器與發動機的共同工作性能匹配密切相關。對于液力機械變矩器而言，匹配目的在于行星排結構參數D及有效直徑α是否組合最優。匹配的過程也即在一定范圍內對比尋優的過程。D和α的變化反映在液力機械變矩器原始特性參數的變化上。

[1]諸文農, 楊紅旗, 南新旭. 履帶推土機結構與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 1986.

[2]白秀超. 履帶推土機動力傳動系統匹配分析與協同仿真[D].長春: 吉林大學, 2012.

[3]易軍. 履帶車輛自動變速系統智能控制策略及實驗研究[D].武漢: 華中科技大學, 2007.

[4]金濤濤. 綜合傳動裝置換擋品質優化研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2008.

[5]XU J J, CHEN Z, WANG C, et al. Simulating Study about the Power-train Matching Basing on Matlab [J]. Auto Mobile Science & Technology, 2009(5): 35-37.

[6]劉存波. 推土機液力變矩器閉鎖離合器控制系統研究[D]. 淄博: 山東理工大學, 2009.

[7](聯邦德國)梅爾霍夫. 履帶車輛行駛力學[M]. 北京: 國防工業出版社, 1989.

Dynamic System Matching Simulation and its Discussion for Crawler Bulldozer

YAN Xue-dong
(The Institute of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin, 130022, China)

Bulldozer, as one of the main types of engineering machinery, is widely used in various kinds of earthwork operations. Bulldozer’s working condition is bad, complicated and changeable, and it is very important to improve its dynamic, economic and matching performances. By adopting two kinds of hydraulic torque converter, namely, C399 and YJ380, into TY165 bulldozer, to respectively compare the performances of the whole machine, observing that matching performance of YJ380 is better than that of C399. Theoretical analysis shows that, the performance parameters of the hydraulic torque converter are determined by the combination of different structure parameters and effective diameter, and the optimum combination corresponds with the optimum performance of the whole machine.

Bulldozer Power; Transmission System; Hydraulic Torque Converter; Matching; Optimum Design; Mathematical Model

TU623.5

A

2095-8412 (2016) 05-933-04工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.028

嚴雪冬(1992-)，女，漢族，四川高縣人。吉林大學機械工程專業碩士研究生。主要研究方向：機械動力系統仿真、結構優化、拓撲優化。