裝載機循環(huán)工況功率流分布與功率分配規(guī)律

鄒乃威，初長祥，段傳棟，魏建偉，韓 平

（1.寧波工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，浙江 寧波 315336； 2.佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；3.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

裝載機是一種典型的功率分流機械，發(fā)動機要同時驅(qū)動行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和附件系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)［1］。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速與各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)存在一定的耦合關(guān)系，系統(tǒng)間的功率分配關(guān)系多變，裝載機可能會因某一系統(tǒng)功率不足導(dǎo)致作業(yè)效率下降。裝載機普遍采用后備功率較大的發(fā)動機來彌補各子系統(tǒng)功率的不足，功率過剩是當(dāng)前裝載機開發(fā)中的普遍現(xiàn)象，也是導(dǎo)致裝載機功率利用率下降和油耗增加的根源。在滿足裝載機在各種工況的動力需求的同時，充分利用發(fā)動機功率，才是解決問題的本質(zhì)方略，這需要根據(jù)發(fā)動機功率流的分布和功率在各子系統(tǒng)之間的分配規(guī)律匹配動力系統(tǒng)。本文將以裝載機鏟裝作業(yè)的海量數(shù)據(jù)為研究對象，運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將裝載機工作循環(huán)細(xì)分為5 個階段，分析發(fā)動機輸出功率流隨工況的分布規(guī)律及每個子系統(tǒng)吸收、利用功率的規(guī)律，為科學(xué)合理地匹配傳統(tǒng)裝載機的動力系統(tǒng)參數(shù)，也為形式多樣的新能源與新結(jié)構(gòu)裝載機的設(shè)計、匹配提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

1 裝載機工作循環(huán)數(shù)據(jù)采集

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立

選擇礦山和工地上鏟裝作業(yè)的裝載機，并選取應(yīng)用最為廣泛的5 t 裝載機作為數(shù)據(jù)采集對象。除了部分試驗數(shù)據(jù)可以通過電控柴油機的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network， CAN）總線上獲取外，其余數(shù)據(jù)由傳感器獲得［2］。在參與測試的裝載機上安裝相應(yīng)的傳感器，建立裝載機作業(yè)循環(huán)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

為了使工況調(diào)查數(shù)據(jù)更具代表意義，試驗樣本量以原生土、松散土、半濕土、小方石和大方石的順序，按照600∶255∶120∶150∶375 的比例，以作業(yè)循環(huán)為單位構(gòu)成試驗數(shù)據(jù)總樣本。

1.2 試驗數(shù)據(jù)采集和傳輸

所有傳感器的試驗數(shù)據(jù)都傳輸?shù)杰囕d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，裝載機的GPS 系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過通信衛(wèi)星上傳至云計算中心。再從云計算中心將數(shù)據(jù)的下載到處理器上，進(jìn)行裝載機功率流分析和研究。

2 試驗數(shù)據(jù)的處理

從云計算中心下載的原始數(shù)據(jù)中蘊含了大量的功率流分布和功率分配信息［3］。但這些數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、單位不一致、有價值信息較分散，且存在著大量的冗余甚至相互矛盾的數(shù)據(jù)信息，規(guī)律性不明顯，需對其進(jìn)行必要的清洗、轉(zhuǎn)化、換算等數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，才能對其進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘研究。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于裝載機作業(yè)環(huán)境惡劣，測試系統(tǒng)會受到環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生干擾，為便于數(shù)據(jù)的分析和處理，且不丟失主要信息，要對采樣信號進(jìn)行濾波、去噪等處理。采用幅值閾值法和梯度門限法相結(jié)合的方法，剔除試驗數(shù)據(jù)中的奇異點。此外，對于試驗數(shù)據(jù)中不能代表普遍工作循環(huán)特征的特殊循環(huán)數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行程序甄別和剔除，然后再利用主成分分析法篩選出最具能反映循環(huán)工況真實信息的參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供純凈的數(shù)據(jù)。

2.2 變量的換算

通過安裝在測試裝載機各處的傳感器測量轉(zhuǎn)速、壓力等信號及發(fā)動機CAN 總線傳輸?shù)陌l(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷率及進(jìn)氣壓力等信號，經(jīng)過公式換算，合成了裝載機的行駛車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機輸出功率、行走系統(tǒng)輸入功率、行走系統(tǒng)輸出功率、液壓系統(tǒng)輸入功率、液壓系統(tǒng)輸出功率等與裝載機功率流分布和功率分配關(guān)系密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。為了便于研究，將這些數(shù)據(jù)以時間軸為參考坐標(biāo)系，對其進(jìn)行可視化處理，如圖1 所示。將整個裝載機作業(yè)數(shù)據(jù)序列以作業(yè)循環(huán)為單位進(jìn)行劃分，每個一個作業(yè)循環(huán)再按裝載機作業(yè)順序劃分成5個工況。

圖1 裝載機循環(huán)工況實驗數(shù)據(jù)片段Fig.1 Wheel loader duty cycle test data clip

3 裝載機功率流分布規(guī)律研究

裝載機主要用于鏟裝散裝物料，其作業(yè)呈明顯的周期性，作業(yè)循環(huán)又可細(xì)分為5 個工況。裝載機輸出的功率在不同工況下的分布存在一定的規(guī)律性。

3.1 作業(yè)周期內(nèi)各工況的時間占比

首先，裝載機的作業(yè)周期及其各工況的時長受物料種類、作業(yè)距離、操作人員熟練程度等諸多因素影響，對各種典型工況按照實際應(yīng)用的占比進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 作業(yè)循環(huán)內(nèi)各工況的時長分配Tab.1 All work conditions time proportion in the duty cycle

因為行駛距離相同，4 個行駛工況用時大致相同。其中，空載前進(jìn)工況耗時較少，因為此工況司機全負(fù)荷加速，沖向料堆，可以盡量多地利用慣性使物料裝入鏟斗，以減少鏟裝過程的能量消耗；滿載后退工況為了慢慢收起鏟斗并盡力避免物料散落，因而車速較慢；滿載舉升前進(jìn)工況需要完成的動作較多，行走系統(tǒng)需要滿載驅(qū)動裝載機行駛到運輸車前，液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸在裝載機行駛過程中將鏟斗舉升到車廂的高度，最后還要將物料卸到車廂，該工況的時長為行走系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)所需時間的較長值，如果兩者配合不當(dāng)將直接使裝載機的作業(yè)效率下降［4］?？蛰d后退工況裝載機快速退回初始點，用時長短取決于作業(yè)距離。鏟掘工況是裝載機的核心作業(yè)工況，其耗時主要取決于物料的性質(zhì)，其時間長短是決定裝載機單位工作量能耗的主要因素。

3.2 發(fā)動機輸出功率分布規(guī)律

在裝載機工作循環(huán)中隨著工況的變化，發(fā)動機的輸出功率也產(chǎn)生劇烈波動以適應(yīng)各種負(fù)載的變化，如圖1（b）所示。因為發(fā)動機輸出功率波動較為劇烈，本文采用0.02 s 定步長積分均值的方法統(tǒng)計發(fā)動機平均輸出功率。對發(fā)動機在各種工況輸出功率的統(tǒng)計見表2。

表2 裝載機各工況輸出功率Tab.2 Power output of all work conditions

裝載機在5 種工況下輸出功率的均方差均較大，說明各工況的功率需求在循環(huán)之間存在較劇烈的波動。其中，鏟掘工況均方差最大，反映鏟掘工況功率需求波動最劇烈；從平均功率來看，鏟掘工況最高，該工況是裝載機油耗率最高的工況，滿載舉升前進(jìn)工況次之，其余工況的平均功率均相近。從最高功率來看，滿載舉升前進(jìn)工況最大，能達(dá)到發(fā)動機功率的100%，說明該工況功率需求波動較劇烈，因此裝載機動力系統(tǒng)功率匹配應(yīng)按照滿載舉升前進(jìn)工況的動力需求進(jìn)行匹配，其余工況的最高功率均相近；從最低功率來看，鏟掘工況最高，進(jìn)一步驗證了該工況平均功率需求最大、油耗率最高的結(jié)論。

4 裝載機功率分配規(guī)律研究

裝載機是動力分配機械，發(fā)動機輸出的功率流要分配到各子系統(tǒng)，且分配的比例要隨工況變化，而附件系統(tǒng)的驅(qū)動功率隨工況波動不明顯，功率需求也較小，裝載機功率分配規(guī)律主要探討行走和液壓系統(tǒng)的功率隨工況分配及其耗散規(guī)律。

4.1 空載前進(jìn)工況

空載前進(jìn)工況液壓系統(tǒng)幾乎沒有功率輸出，功率主要消耗于行走系統(tǒng)，其余功率用于維持附件系統(tǒng)工作，功率分配情況見表3。

表3 空載前進(jìn)工況功率分配及其耗散規(guī)律Tab.3 Power distribution and dissipation regular of no load forward running condition

在空載前進(jìn)工況，功率主要分配給行走系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)只占很少的一部分。

4.2 鏟掘工況

鏟掘工況要求行走與液壓系統(tǒng)配合工作，是裝載機功率消耗較高的工況之一，見表4。

表4 鏟掘工況功率分配及其耗散規(guī)律Tab.4 Power distribution and dissipation regular of shoveling condition

此工況發(fā)動機的平均功率較高，是各種工況中最高的，說明該工況功率消耗較大。行走系統(tǒng)的功率占比較大，但行走系統(tǒng)大部分功率轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫ψ兙仄鞯囊毫p失，平均效率僅為42.18%。液壓系統(tǒng)消耗的功率占比相對較少，主要用于配合行走系統(tǒng)將物料裝入鏟斗，屬于短時的間歇工作。

4.3 滿載后退工況

滿載后退工況鏟斗基本不動，轉(zhuǎn)向油缸會微調(diào)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向動作，發(fā)動機功率主要分配給行走系統(tǒng)，見表5。

表5 滿載后退工況功率分配及其耗散規(guī)律Tab.5 Power distribution and dissipation regular of full load reversal running condition

由于該工況液壓系統(tǒng)幾乎沒有消耗功率，平均效率較低，行走系統(tǒng)阻力也較小，平均效率較高，因此，發(fā)動機平均功率較低。

4.4 滿載舉升前進(jìn)工況

裝載機在滿載舉升卸料工況行走和液壓系統(tǒng)均需要輸出較大的功率，且兩系統(tǒng)均持續(xù)運行。因此，發(fā)動機平均功率較高，僅次于鏟掘工況，但最高功率卻是5 種工況中最高的，液壓和行走系統(tǒng)的平均功率相差不明顯，隨著運輸距離的增加，行走系統(tǒng)的平均功率會有所增加。行走系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)平均效率均較高，滿載舉升工況的功率分配關(guān)系見表6。

表6 滿載舉升卸前進(jìn)工況功率分配及其耗散規(guī)律Tab.6 Power distribution and dissipation regular of full load lifting and forward running condition

4.5 空載后退工況

空載后退工況液壓系統(tǒng)僅將空鏟斗位置復(fù)原，因此功率需求較少，且平均效率較高。發(fā)動機功率幾乎全部分配給了行走系統(tǒng)和附件系統(tǒng)，行走和液壓系統(tǒng)的平均效率均較高，見表7。

表7 空載后退工況功率分配及其耗散規(guī)律Tab.7 Power distribution and dissipation regular of no load reversal running condition

裝載機作業(yè)周期內(nèi)的5 個工況內(nèi)，附件系統(tǒng)的平均功率很相近，說明附件系統(tǒng)隨工況變化功率沒有的明顯波動。

5 應(yīng)用檢驗

5.1 復(fù)合傳動無級變速裝載機的匹配

靜液-機械復(fù)合傳動無級變速系統(tǒng)能夠利用靜液傳動與機械傳動支路并聯(lián)，模擬傳統(tǒng)裝載機的液力傳動的特性，同時大幅度地提高了傳動效率［5］。此外，該系統(tǒng)還能通過速比控制滿足裝載機鏟掘工況的牽引力需求，且能夠使裝載機的牽引力的增加不再依賴發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高。因為傳動效率的提升和牽引力能夠通過速比控制實現(xiàn)，所以復(fù)合傳動無級變速裝載機的匹配可以采用功率平衡方法。

將裝載機5 個典型工況的行走、液壓和附件系統(tǒng)的終端功率輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計出來，利用目標(biāo)機型各系統(tǒng)的最低傳動效率反求發(fā)動機輸出功率要求，再將各子系統(tǒng)的功率求和，經(jīng)比較取最大值作為發(fā)動機的裝機功率的初選值，見表8。

表8 裝載機各工況需求功率分布Tab.8 Distribution of wheel loader all work conditions power demand

按照某5 t 裝載機各子系統(tǒng)終端輸出功率反算匹配無級變速裝載機的發(fā)動機功率應(yīng)取滿載舉升前進(jìn)工況的計算值73.92 kW。按照40%的后備功率計算，最終，匹配123 kW 發(fā)動機裝備無級變速裝載機。

通過裝載機的牽引力、液壓阻力和驅(qū)動附件的阻力要求與傳動系統(tǒng)的速比及發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩相比較；再通過裝載機的車速要求、驅(qū)動液壓泵以及附件的轉(zhuǎn)速要求確定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速要求。最終為5 t 復(fù)合傳動無級變速裝載機匹配的發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速為1 850 r/min，最高轉(zhuǎn)矩為890 N·m，無級變速器的變速范圍為10.0～120.0，擋位數(shù)為前3 后3，其余參數(shù)均參照CLG856H型裝載機設(shè)置。

5.2 仿真驗證

在AMESim 仿真環(huán)境下，先按照CLG856H 型裝載機的參數(shù)搭建一個傳統(tǒng)仿真平臺。在循環(huán)工況模塊植入裝載機工作過程中按時間分布的動力性要求［6］，指揮仿真平臺對傳統(tǒng)裝載機模型進(jìn)行加載，使其完成與工況調(diào)查試驗裝載機相同的作業(yè)任務(wù)，發(fā)動機模型輸出對應(yīng)的功率，隨工況變化消耗相應(yīng)的燃油。該仿真平臺的仿真結(jié)果與裝載機工況調(diào)查試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)修正，使其動力性和經(jīng)濟(jì)性的誤差均控制在可接受的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為仿真平臺的結(jié)果可以代表傳動裝載機試驗數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)仿真平臺的基礎(chǔ)上，運用模型的派生技術(shù)，將其改建成無級變速裝載機仿真平臺。

將傳統(tǒng)仿真平臺的168 kW 的發(fā)動機換成123 kW 的發(fā)動機，利用傳統(tǒng)仿真平臺和派生的無級變速裝載機仿真平臺的仿真結(jié)果對比檢驗無級變速裝載機的性能，如圖2所示。

由上述2 個仿真平臺輸出的結(jié)果對比可得到如下結(jié)論：① 行駛車速曲線說明無級變速裝載機對目標(biāo)車速的追蹤更緊密。② 無級變速裝載機的牽引力更強勁，液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)矩基本重合。③ 由于無級變速器的傳動效率遠(yuǎn)高于液力機械傳動系統(tǒng)，故無級變速裝載機的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩普遍比傳統(tǒng)裝載機的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩低，尤其在裝載機處于鏟掘工況表現(xiàn)最為明顯，這也是無級變速裝載機可以選配較小功率發(fā)動機的原因。

傳統(tǒng)裝載機仿真平臺每個工作循環(huán)的燃油消耗為239.1 mL/循環(huán)，無級變速裝載仿真平臺輸出的燃油消耗量為179.3 mL/循環(huán)，相對于傳統(tǒng)裝載機下降了25%左右。

6 結(jié)論

橫向上，裝載機在一個作業(yè)循環(huán)中，鏟掘、滿載舉升卸料工況平均功率和最高功率需求均較高，其余3 個行走工況功率平均功率和最高功率接近?？v向上，裝載機在傳動系統(tǒng)中分得了絕大部分功率，且傳動效率普遍較低；液壓系統(tǒng)在鏟掘和滿載舉升前進(jìn)工況功率消耗較多。

裝載機附件系統(tǒng)的功率基本恒定，傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)分得的功率隨工況變化較為劇烈，且兩者在發(fā)動機輸出功率的約束下呈功率互補關(guān)系。