基于典型工況試驗的裝載機循環工況構建

常 綠，徐禮超，呂 猛，劉永臣，趙艷青

（1. 淮陰工學院 江蘇省交通運輸與安全保障重點建設實驗室，淮安 223003；2. 南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016；3. 淮陰工學院交通工程學院，淮安 223003）

0 引 言

截至2015年，中國工程機械達到690.8萬輛，其中裝載機174.4萬輛[1]。裝載機不僅能對散裝物料進行鏟裝和搬運作業，也能進行輕度的鏟掘工作，更換裝載機的工作裝置，還可進行起重、裝卸木料作業。裝載機用途非常廣泛，是重要的工程機械機種之一。裝載機具有工作環境惡劣、負載變化頻繁且劇烈的特點，這導致裝載機燃油消耗量大、排放質量差[2-3]。隨著裝載機的市場保有量不斷增加，裝載機生產廠家及其用戶越來越關注裝載機的燃油經濟性[4-9]。

裝載機動力傳動系統的設計借鑒了汽車動力傳動系統的設計理念。汽車動力傳動系統參數能顯著影響汽車的動力性和燃油經濟性，循環工況可以虛擬試驗發動機污染物排放和燃油消耗量情況，進而考察汽車動力傳動系統的參數設計是否合理。目前，還沒有類似于汽車循環工況一樣的裝載機循環工況，因而傳統的裝載機設計也無法基于循環工況預測其動力性和燃油經濟性。針對這一情況，本文分析裝載機發動機功率分流情況，構建了裝載機循環工況，由裝載機典型工況液壓系統載荷時間歷程、鏟斗工作阻力時間歷程、工作速度時間歷程共同構成。以ZL50裝載機為例，構建了測試裝載機典型工況液壓系統載荷、鏟斗工作阻力、工作速度的試驗方案，分析和處理試驗數據，獲得了裝載機循環工況。利用獲取的循環工況虛擬試驗ZL50裝載機的燃油經濟性，并與實車試驗結果對比，驗證了裝載機循環工況的正確性。利用裝載機的循環工況，在裝載機設計階段，可以虛擬試驗裝載機的動力性和燃油經濟性，為裝載機動力傳動系統匹配、經濟性能優化提供參考。裝載機循環工況的構建具有重要的工程意義。

1 試驗方案

裝載機的作業對象主要包括原生土、大石方、松散土、小石方和半濕土5種物料[10]。本文以ZL50裝載機為試驗對象，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100斗進行試驗。根據研究內容需要，經過多方案研究比較以及實際安裝傳感器的可能性，確定試驗方案[10-12,15]如圖 1a所示。選則各液壓泵出口處為壓力測試點，圖1b所示出變速泵出口油壓、后傳動軸扭矩試驗圖片。選用武漢航天星 6220型數據采集儀，可同時采集16個通道的模擬信號；選用成都小松公司的F6206-AB-T6傳感器，可同時測量液壓系統壓力、流量和溫度3個參數[10]；選用TT10K旋轉軸轉矩遙測系統測試傳動軸轉速和轉矩。

圖1 試驗方案及試驗過程圖片Fig.1 Figures of experimental scheme and procedure

考慮到試驗中需同步測取的參數較多，且測試時間較長，現場工作條件惡劣，采用“有線測試”與“近程遙測”相結合的數據采集方案。“有線測試”采集壓力信號。“近程遙測”采集轉矩和轉速信號，信號發射后，利用信號采集系統記錄并采集，采集時遵循信號采樣定理[15-16]，所有采樣信號經放大、整形、濾波，經A/D轉換卡將模擬信號轉換為數字信號，再把數字信號傳到計算機，由nsoft軟件處理和分析數據。

同時測試試驗過程中裝載機的油耗情況，試驗方法如文獻[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，安裝時注意油耗傳感器上標出的油路方向與供油系統柴油流向一致。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，將管路內及傳感器內殘留的空氣排盡。將傳感器信號電纜的一端與油耗傳感器的對應插座相連接，另一端與主機的油耗插座相連接。安裝、連接完畢后，起動發動機并中速運轉數分鐘，觀察發動機工作是否正常，然后停熄發動機，準備試驗。

2 試驗數據處理

裝載機鏟裝物料時，一般都要經歷空載前進接近物料堆、鏟掘、重載倒退、重載前進及卸料、空載倒退等5個作業階段，稱為 1個作業循環。按原生土、大石方、松散土、小石方、半濕土的順序進行試驗[14,17]，記錄每個工作循環測試的前、后傳動軸的轉矩，前傳動軸的轉速，液壓泵的壓力等參數。圖2示出了裝載機連續3個工作循環測試參數信號，A段為其中的 1個工作循環。由通道 6、7、8導出的測試信號可判斷出各工作循環的鏟掘作業段，圖中B段為1個工作循環中的鏟掘作業段。在前進擋位中，工作泵壓力急劇上升段，此階段裝載機負荷最大。

圖2 裝載機載荷測試信號Fig.2 Test signal of loader in load

2.1 試驗數據去異值

測試系統采集信號過程中，受外界因素干擾會出現一些異值信號[18-19]，為更好地反映信號的內在變化規律，須采取一定方法識別并剔除這些異值信號。基于小波變換在處理非平穩信號中突變信息的獨特優勢以及小波變換細節系數可有效識別信號中的異值點[20-22]，采用小波系數分形維數去除異值點的方法對分段合并后的同名作業段信號進行預處理。利用分形維數結果確定異值點位置，選擇分形維數閾值二值化算法重新計算小波細節系數，最后再與未處理的近似系數重構有效信號[23]。

2.2 試驗數據平穩性檢驗

以鏟裝 40斗原生土為例，根據文獻[10]介紹的方法檢驗測試數據的平穩性。表 1列出裝載機鏟掘原生土時工作泵消耗轉矩信號平穩性檢驗的過程和結果。查輪次分布表知，在子樣組數N=10，顯著水平α=0.05時，輪次數應在（3，8）區間。由檢查結果知，各作業段輪次數分別為：空載前進段 r1=7，鏟掘段 r2=6，重載后退段r3=7，重載前進及卸料段r4=5，空載后退段r5=7。各作業段輪次數均在（3，8）區間內，試驗測試信號是平穩的。

表1 鏟掘原生土時工作泵消耗發動機轉矩輪次統計Table 1 Engine torque consumed by working pump and runs statistics when loader shoveling primary soil

3 裝載機循環工況的編制

裝載機發動機發出的功率經分動箱分流后，一部分驅動工作油泵、轉向油泵和變速泵工作，試驗數據處理后，可獲取典型液壓系統消耗的轉矩時間歷程。

3.1 裝載機典型工況液壓系統載荷時間歷程的制取

按文獻[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動機轉矩時間歷程圖。

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

（3）在Unity引擎環境的菜單Edit的下拉菜單Preferences中，對External Tools項進行設置，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

根據式（1）可求裝載機工作速度：

式中n為試驗測試得到的前傳動軸轉速，r/min；vt為裝載機工作速度，km/h；R為裝載機輪胎半徑，m；il為傳動軸以后傳動系統總傳動比。

ZL50裝載機驅動橋主傳動比[25]i1=4.484，輪邊減速器傳動比i2=5.08，il為兩者的乘積，il=22.78，輪胎動力半徑R=0.75 m，圖 1中通道 5為前傳動軸轉速，利用vib.sys與ncode軟件，按前述同樣的方法，對通道5測試信號經過試驗數據分段、合并、消除異常峰值、平穩性檢驗后，對測試信號進行加權處理，可獲得前傳動軸轉速。根據式（1）可求裝載機典型工況工作速度時間歷程[26-27]，如圖4a所示。根據圖3a中工作泵壓力變化情況，以及圖 2中的檔位信號變化情況，可以判斷出圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共 5個時間段分別為空載前進、鏟掘、重載后退、重載前進及卸料、空載后退5個作業時段。

3.3 鏟斗工作阻力獲取

圖1中通道6~7為測得的裝載機前、后傳動軸轉矩值，按前述同樣的方法，對通道6至7的測試信號進行處理，可分別獲得前、后傳動軸載荷時間歷程，把前、后傳動軸載荷時間歷程相加，可獲得裝載機傳動系統載荷時間歷程[28-29]，如圖4b所示。

圖3 裝載機液壓系統消耗轉矩Fig.3 Torque consumption of loader hydraulic system

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

式中Ft為驅動力，FR為鏟斗工作阻力，Fi為坡道阻力，Fj為加速阻力，Fw為空氣阻力，Ff為坡道阻力。

圖4 典型工況下裝載機傳動系統載荷試驗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時段存在，其他時段鏟斗工作阻力為0。由圖4b知，鏟掘Ⅱ時段，鏟斗工作阻力快速增加，因而消耗的轉矩也快速增加。鏟掘Ⅱ時段增加的轉矩即為鏟斗工作阻力消耗的轉矩。圖4b中傳動軸轉矩差值經換算可獲得驅動力tF，即：

根據式（3）可得鏟斗工作阻力[14]，如圖4c所示。

3.4 裝載機循環工況

汽車的循環工況由汽車的速度—時間曲線構成，根據汽車的循環工況，基于ADVISOR仿真軟件，可以獲取汽車行駛過程中所受阻力情況，進而仿真計算其動力性和燃油經濟性。不同于汽車，裝載機發動機發出的功率經分動箱分流后，一部分經過變矩器、變速箱、前后驅動橋和輪邊減速，用以克服鏟斗工作阻力、滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，驅動裝載機行走[14]。根據汽車的速度循環工況，可以確定汽車的滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，進而預測汽車燃油消耗量、污染物排放量等。同理，應用裝載機典型工況工作速度時間歷程，也可以確定滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力。

用汽車的循環工況仿真計算汽車動力性、燃油經濟性時，汽車的整機質量是不變的。但裝載機在 1個工作循環中，有空載前進、鏟掘、重載后退、重載前進及卸料、空載后退5個作業時段，因而整機質量是變化的[29]。圖5示出ZL50裝載機整機質量在1個工作循環中變化曲線。

圖5 裝載機典型工況整機質量時間歷程Fig.5 Time course of total weight under typical working condition

裝載機的循環工況必須反應發動機的功率分流情況。裝載機發動機發出的功率，分為 2部分，一部分經過傳動系統，用以克服滾動阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力，驅動裝載機行走。類似于汽車的循環工況，裝載機的循環工況也必須包含裝載機工作速度時間歷程。不同于汽車，裝載機發動機經過傳動系統消耗的功率，還有一部分用以克服鏟斗工作阻力，因而裝載機的循環工況還必須包含鏟斗工作阻力時間歷程。裝載機發動機發出的功率，還有一部分用于驅動液壓系統工作泵，因而裝載機的循環工況還必須包含液壓系統消耗發動機轉矩時間歷程。所以，典型工況下裝載機工作速度時間歷程、鏟斗工作阻力時間歷程、液壓系統消耗發動機轉矩時間歷程即構成了裝載機的循環工況，如圖6所示。

基于裝載機虛擬仿真軟件[30]，把本文建立的裝載機的循環工況加載到虛擬仿真軟件，以ZL50裝載機為例，燃油經濟性虛擬試驗值如表2所示。

圖6 裝載機典型工況下的循環工況Fig.6 Driving cycle of loader under typical working condition

裝載機在鏟掘物料過程中，油耗傳感器記錄了試驗過程中柴油消耗情況，按下列公式計算燃油經濟性

式中B為裝載機燃油經濟性，L/h；Qt為t時間內發動機消耗的柴油，經校正到標準狀態下的體積，L；t為裝載機工作時間，h。由于試驗環境的差異，柴油的粘度、密度存在一定的差異，應將柴油消耗量的測定值校正到標準狀態下的數值。本次試驗t=7.8 h，Qt=173.50 L，計算裝載機試驗油耗如表2所示。

表2 裝載機燃油經濟性試驗Table 2 Fuel economy test of the loader

比較表 2試驗情況，實車試驗和虛擬試驗結果相差5.0%，本文構建的循環工況可行。

4 結 論

1）裝載機循環工況應由裝載機典型工況液壓系統載荷時間歷程、鏟斗工作阻力時間歷程、工作速度時間歷程構成。

2）應用本文構建的裝載機循環工況，虛擬試驗ZL50裝載機燃油經濟性，與實車試驗結果的一致性較好（誤差為5.0%），說明本文構建的循環工況是可以信任的。

基于裝載機虛擬仿真軟件，應用裝載機循環工況，可虛擬試驗裝載機的燃油經濟性，為裝載機動力傳動系統優化匹配、經濟性能優化提供參考，也可為新機型的開發和評估提供技術參考。構建裝載機循環工況具有重要的工程意義。

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