復雜路面工況下平地機施工作業性能提升研究

摘要：針對傳統平地機施工過程中呈現的油耗高、效率低的問題，提出基于利用萬有特性曲線控制方式對發動機進行改進。改進后的平地機不僅動力更加強勁，而且在低速、中速和高速模式下較原有單負荷控制方式可節約3.9%、4%和0.4%的油耗。

關鍵詞：平地機;萬有特性曲線控制;單負荷控制;動力;油耗

0" "引言

傳統平地機發動機采用單負荷控制方式，在復雜多變的路面工況作業時，常出現作業方式及工況與牽引性能不相匹配的情況，造成平地機的功率利用效率不高，油耗和施工效率降低[1-2]。隨著國家對環境保護越來越重視，對工程機械節能減排的要求也越來越高，如何在提升平地機作業性能的前提下，降低化石燃料的消耗，是當前各個領域的研究重點。

目前，很多發達國家的發動機均采用了多負荷特性曲線控制技術[3-4]，這種控制技術相較于原有的單負荷控制方式能節約5%的油耗，因此，本文在前人研究理論基礎上，結合實際工程需要，對平地機發動機控制方式進行了研究，以期能為提升平地機綜合施工作業性能提供方法和借鑒。

1" "平地機介紹

1.1" "平地機結構及參數

公路工程施工中的平地機主要由前推土板、轉向輪、前機架、鏟刀升降油缸、鏟刀、轉向缸、駕駛室、后橋、發動機、后松土器等結構組成，如圖1所示。平地機的動力系統決定了其工作速度和驅動力，是影響平地機施工質量和效率的主要因素。本文以某機械傳動平地機為例進行分析。

某型號平地機整機質量為15.744t，后橋質量為11.567t，驅動輪動力半徑為0.675m，機械傳動效率為0.9，發動機排量為6.7L，額定凈功率為160kW，額定凈扭矩為728N·m（2100r/min），最大凈扭矩為1005N·m（1500r/min）。該型號平地機劃分為8個擋位（F1～F8），分別對應的車速為3.6km/h、5km/h、7km/h、10.2km/h、15.4km/h、22.3km/h、30.6 m/h、44.3km/h。

1.2" "工況劃分

在公路工程施工過程中，經常會遇到不同的路面狀況，需要平地機進行不同的作業形式，以滿足施工需要[5]，常見的作業形式及對應的工作速度見表1。

在這幾種作業形式中，將精整與鏟掘作業、修復與裂土作業以及重負荷刮平作業定義為低速工況模式（對應擋位F1～F3），將路面保養和運輸通道保養作業、除雪和犁雪作業以及中、短距離運輸作業定義為中速工況模式（對應擋位F4～F6），將中、長距離運輸作業定義為高速工況模式（對應F7～F8）。

1.3" "多負荷特性曲線控制原理

平地機施工過程中所面臨的路面狀況是十分復雜的，在復雜的路面工況下，平地機發動機的負載變化也十分復雜。如在干燥壓緊土路面時，平地機的滾動阻力系數為0.025～0.035，附著系數為0.65;在碎石路面下時，平地機的滾動阻力系數為0.02～0.025，附著系數為0.5～0.6;在潮濕壓緊土路面時，滾動阻力系數為0.04～0.15，附著系數為0.3～0.4;在冰雪路面時，滾動阻力系數為0.03～0.05，附著系數0.07～0.2。

由于不同路面下平地機的負載變化較大，導致單一的發動機外負荷特性曲線，很難滿足各種工況下的施工要求，使得平地機難以獲得較高的施工效率，發動機功率也無法得到充分利用，因此需要利用多種外負荷特性曲線，對平地機的牽引參數進行合理匹配，使平地機可以主動適應因復雜路面工況引起的外負載變化問題，從而提升平地機施工作業性能。

多種外負荷特性曲線存儲于平地機的EDU存儲單元中，當駕駛操作人員向平地機輸入擋位信號后，系統會判斷發動機屬于何種負載曲線，然后將對應的負載曲線代碼發送至發動機的EDU，從而完成平地機在復雜路面工況下的施工。多負荷特性曲線控制原理見圖2。本文先在EDU存儲單元中，輸入基于恒功率控制的曲線、基于轉矩適應系數的曲線和基于萬有特性的曲線三種外負荷特性曲線進行分析。

2" "仿真模型構建

2.1" "平地機模型構建

采用AMESim軟件構建平地機模型，見圖3。在模型構建過程中，動力源選用DRVICE01H模型，動力換擋變速箱選用DRVDCT11模型，平地機車體選用TRVEH04模型，路面選用VDROAD模型，地面附著選用VDADHER00模型。

2.2" "參數設置

按照低速模式、中速模式以及高速模式三種作業模式分別進行仿真模型，低速模式以F3擋位為例，中速模式以F6擋位為例，高速模式以F8擋位為例，模擬時間均為100s，各種模式下的反真模型參數設置情況見表2。

3" "發動機最佳控制方式

不同模式下采用不同控制方式的仿真結果見表3。從表3中可以看到：在低速模式下，采用恒功率控制時，最大轉速差為147r/min;采用基于轉矩適應系數曲線控制時，最大轉速差為136r/min;采用基于萬有特性曲線控制時，最大轉速差為104r/min。

由此表明，采用恒功率控制的發動機波動最大，采用基于萬有特性曲線控制的發動機波動最小。發動機轉速越穩定，平地機的速度剛度越大，克服外負荷波動的能力就越強，平地機的動力也就越強勁。

在三種控制方式下，基于恒功率控制的比油耗和單位油耗最高，其次為基于轉矩適應系數控制方式，最小的為基于萬有特性控制方式。由此表明，在低速模式下，基于萬有特性控制方式的經濟性最好，能更充分利用發動機的功率。

在中速模式下，三種控制方式下的轉速波動范圍相差不大，基于萬有特性控制方式略優于其他兩種控制方式。從油耗來講，基于萬有特性控制方式也略優于其他兩種控制方式。基于轉矩適應系數控制方式時，作業速度（作業距離）最大，但是油耗也是三種控制方式中最高的。因此從總體來看，在中速模式下采取基于萬有特性控制方式相對最好。

在高速模式下，三種控制方式下的發動機作業距離、總油耗、最大轉速差、平均滑轉率、比油耗以及單位油耗等參數基本相同，由此可以得出，在高速模式下，三種外負荷特性曲線控制方式對平地機的作業性能影響不大。從節約油耗角度講，建議采用基于恒功率控制或者基于萬有特性的控制方式。

綜上分析可知：采用基于萬有特性曲線的控制方式，在低速模式和中速模式下較其他控制方式提供的發動力動力更為強勁，同時具有更好的經濟性能，因此，最終決定采用基于萬有特性曲線的控制方式對平地機發動機進行控制。

4" "應用結果分析

在碎石路面上，對改進前后的平地機進行了試驗研究，試驗長度均為100m，對比兩種控制方式下的單位油耗，結果見圖4。

從圖4中可以看到：隨著車速的增大，平地機的單位油耗逐漸降低，采用原有的單負荷控制方式（改進前）時，平地機在低速、中速和高速模式下的單位油耗分別為7.75g/m、2.48g/m和1.137g/m。采用萬有特性曲線控制方式后，平地機在低速、中速和高速模式下的單位油耗分別為7.45g/m、2.38g/m和1.133g/m，分別較改進前降低3.9%、4%和0.4%。綜上所述，改進后的平地機在低速和中速模式下的節能效果明顯，可有效降低施工機械使用成本。

5" "結語

傳統平地機發動機采用單負荷控制方式，在復雜多變的路面工況作業時，常出現作業方式及工況與牽引性能不相匹配的情況，造成平地機的功率利用效率不高，油耗和施工效率降低。本文針對復雜路面工況下平地機牽引性能不匹配造成的油耗高、施工效率低的問題，采用數值模擬+現場試驗的方法，對比分析了三種多負荷特性曲線控制下平地機的作業性能，研究結果表明：基于萬有特性曲線的控制方式在低速模式和中速模式下較其他控制方式能提供更為強勁的發動力動力，同時具有更好的經濟性能，相比現有的單負荷控制方式，能夠在低速、中速和高速模式下節能3.9%、4%和0.4%。

參考文獻

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[2] 周春風，王彤.平地機數字化自動控制系統在路基施工中的應用[J].機械管理開發，2021，36（2）：117-118.

[3] 馬鵬宇，李亞琦，任豪，何少杰，劉曉輝.基于多種外負荷特性發動機的平地機仿真研究[J].中國工程機械學報，2021，19（2）：95-101.

[4] 林濤，王欣，焦生杰，葉敏.平地機變功率節能控制技術研究[J].中國公路學報，2012，25（6）：154-158.

[5] 劉淑強，苗國華，王永.平地機典型工況應用及性能參數[J].工程機械，2020，51（6）：21-27+7.