裝載機(jī)動(dòng)力及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析

謝 毅

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201210）

輪式裝載機(jī)工作速度快，靈活便捷，它在礦山、道路、水利等基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)中是一種十分重要的機(jī)械工具。它通常擔(dān)負(fù)大型物料的轉(zhuǎn)移工作，為提升工作效率，加快工程建設(shè)提供可靠的保證。

但是在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)施工過程中，裝載機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)遇到了一系列的問題，尤為重要的是，其在工作過程中所需要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算較為復(fù)雜。如何準(zhǔn)確根據(jù)實(shí)際情況預(yù)測(cè)、分析和計(jì)算出裝載機(jī)在實(shí)際工況中所需要的經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力性能的大小是一項(xiàng)十分有社會(huì)價(jià)值的課題。對(duì)于裝載機(jī)的生產(chǎn)來說，這有助于節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

1 動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

1.1 動(dòng)力性指標(biāo)及計(jì)算

作為一種十分便捷、性能靈活的鏟土運(yùn)輸機(jī)械，輪式裝載機(jī)工作性能，如工作質(zhì)量、工作生成率等往往由其動(dòng)力性來決定。通常分別用加速時(shí)間（t），最高車速（v）、最大爬坡度（i）等指標(biāo)評(píng)價(jià)。裝載機(jī)的加速度a、坡度特性i以及速度v體現(xiàn)了裝載機(jī)的動(dòng)力性。下面將分別講述以上指標(biāo)的具體意義和各種計(jì)算方法。

1.1.1 最大車速（vmax）的分析與計(jì)算

不同傳功比下裝載機(jī)的速度變化展示了其速度特性。速度特性在計(jì)算和評(píng)價(jià)中通常選取最大車速作為描述其的指標(biāo)。裝載機(jī)在水平良好的路面上所能達(dá)到最高速度（vmax）稱為最高車速。

式中，T1為渦輪軸輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；ηz為傳動(dòng)效率（渦輪—輪胎）；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；f為滾阻系數(shù)。

1.1.2 最大爬坡（imax）的分析與計(jì)算

裝載機(jī)克服坡度阻力能達(dá)到的最大坡度代表了爬坡性能。在計(jì)算過程中可以用爬坡功來衡量。爬坡功的表達(dá)式為：

式中：Na為爬坡消耗功率（kW）；Lα為爬坡區(qū)段距離（m）；tα為通過測(cè)試區(qū)段的時(shí)間（s）。

1.1.3 加速性能的分析與計(jì)算

加速性能可以用加速距離l與加速時(shí)間t來衡量，其大小代表了裝載加速性能的好壞，是衡量車輛動(dòng)力性能的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，體現(xiàn)速度變化的快慢和驅(qū)動(dòng)力的大小。計(jì)算過程中可以采用動(dòng)力學(xué)公式來推導(dǎo)。

根據(jù)（4）的加速特性曲線計(jì)算裝載機(jī)在速度v在時(shí)間t上的積分，從而得到加速距離，可由式（5）表示。

1.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及計(jì)算

經(jīng)濟(jì)性是裝載機(jī)一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，在工程作業(yè)中經(jīng)濟(jì)性能的好壞對(duì)于工程施工的成本節(jié)約、資源和環(huán)境的保護(hù)具有舉足輕重的地位。這里主要分析經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的衡量與計(jì)算。勻速運(yùn)行工況下的每一百千米所產(chǎn)生的油耗Qs，和在V字形路線運(yùn)轉(zhuǎn)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的油耗Qt。Qs、Qt之和是裝載機(jī)工作過程中產(chǎn)生油耗的總量。其中，百公里油耗Qs的計(jì)算公式為：

式中，Qs為百公里油耗（L/100km）；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率（kW）；gc為比燃油消耗率，g/（kW·h）；g為燃油的重度，柴油通常取7.94～8.13N/L，汽油通常取6.69～7.15N/L。

2 性能分析的建模

基于Matlab以及V型作業(yè)法，通過動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的匹配計(jì)算，來預(yù)測(cè)裝載機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。裝載機(jī)燃油節(jié)流閥開度為1、輸入?yún)⒘繛闇p去10%效率后的功率，以上參數(shù)作為輸入量來計(jì)算。通過建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)出裝載機(jī)的平均燃油消耗量、坡度行駛特性、最大牽引能力的靜態(tài)特性。

建模開始時(shí)，要在輸入變量中輸入裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液力變矩器等的參數(shù)，并通過二分法進(jìn)行方程擬合，在得到相應(yīng)方程之后，求解出各主要部件的共同工作點(diǎn)，隨后將挖掘機(jī)整機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)載入，求解出整機(jī)的燃油消耗特性、經(jīng)濟(jì)特性、動(dòng)力特性等，最后，再依據(jù)所建立的模型，動(dòng)態(tài)求解出裝載機(jī)行駛速度、牽引特性、加速特性、爬坡特性和經(jīng)濟(jì)特性等，再與裝載機(jī)實(shí)時(shí)油耗進(jìn)行匹配，從而求得所需解。

輪式裝載機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與作業(yè)方式、駕駛方式、操作方式以及作業(yè)路徑等一系列因素有著直接的關(guān)系，為了得出一個(gè)普遍的結(jié)論，同時(shí)簡(jiǎn)化相應(yīng)模型，筆者做了如下的假設(shè)。

一是作業(yè)方式方法、司機(jī)因素、場(chǎng)地因素等的客觀條件均以試驗(yàn)中選定的試驗(yàn)環(huán)境為準(zhǔn)。二是本次試驗(yàn)中裝載機(jī)鏟運(yùn)距離為普遍意義上的中等距離，行駛中，裝載機(jī)檔位不超過三檔，由于檔位變化所引起模型的變化過于復(fù)雜，本文均以最佳換擋時(shí)機(jī)作為檔位參考點(diǎn)來模擬裝載過程中裝載機(jī)所掛的檔位。運(yùn)用模型來計(jì)算不同加油量下各檔位特性曲線所產(chǎn)生的交叉點(diǎn)，由這些點(diǎn)運(yùn)用最小二乘法擬合所形成的曲面作為裝載機(jī)換擋曲面。

3 結(jié)論

V型作業(yè)是裝載機(jī)在日常作業(yè)中常用的作業(yè)方法，本文選取此種作業(yè)方法來研究裝載機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。所研究的對(duì)象為我國(guó)施工中常用的ZL50裝載機(jī)，通過試驗(yàn)，得出了預(yù)期的各項(xiàng)性能參數(shù)，總結(jié)出了性能規(guī)律和燃油經(jīng)濟(jì)性規(guī)律。

（1）本文分析了輪式裝載機(jī)在不同工況和環(huán)境下的工作特點(diǎn)，采集了大量實(shí)踐中的真實(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)ZL50裝載機(jī)進(jìn)行了速度性能測(cè)試、加速性能測(cè)試、爬坡性能測(cè)試、工作燃油消耗率測(cè)試、怠速油耗測(cè)試和其他諸多輔助測(cè)試。

（2）本文給出了一種動(dòng)態(tài)計(jì)算燃油經(jīng)濟(jì)性和裝載機(jī)動(dòng)力性的計(jì)算方法，運(yùn)用動(dòng)態(tài)匹配的方式，提出了裝載機(jī)V型作業(yè)法的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法。采用最小二乘法來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的擬合，通過分析裝載沙土、石料、礦石等不同物料時(shí)的不同數(shù)據(jù)，總結(jié)出一個(gè)扣除功率的方程算法。

（3）針對(duì)V型作業(yè)法，專門建立了一個(gè)行之有效的數(shù)學(xué)模型，并通過大量試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，計(jì)算出的牽引性能與實(shí)際性能存在3%的偏差，速度性能和加速性能存在4%的偏差，通過性能和爬坡性能與真實(shí)值存在2%的誤差，燃油經(jīng)濟(jì)性的誤差則為1%，幾乎等于真值。

通過上述分析可知，本文所得出的模型與實(shí)際相符，可以在實(shí)際工作中用來分析裝載機(jī)的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

[1]宗存元，程鑫.工程機(jī)械液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率匹配分析[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，4（2）：76-77.

[2]張建全，喬海周，郝國(guó)丹，等.基于運(yùn)行工況的裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配優(yōu)化[J].礦山機(jī)械，2013，41（6）：34-36.

[3]徐禮超，侯學(xué)明.基于典型工況的裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，（7）：80-84.

[4]樊文建.輪式裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)及能耗特性的聯(lián)合仿真與試驗(yàn)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2014：6-7.

[5]高燕雯.輪式裝載機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和建模仿真研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013：11.

[6]連晉毅.鏟土運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：67-68.