装载机液力变矩器的动态特性分析*

王振宝　秦四成

(吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130022)



装载机液力变矩器的动态特性分析*

王振宝秦四成†

(吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130022)

为了分析液力变矩器在装载机作业过程中的动态特性,首先进行了液力变矩器台架试验,得到其静态原始特性;然后对某ZL50装载机的V型铲装作业和运输作业进行了测试.在对试验数据处理的基础上,分析了两种工况下发动机转矩的分配情况.根据牛顿定律,建立了液力变矩器的数学模型,并以此研究了液力变矩器在两种工况下的动态特性.通过对比液力变矩器变矩比的动态试验值与静态值,发现:装载机运输工况下液力变矩器可以按静态原始特性进行匹配等计算,但铲装作业工况下变矩器角加速度波动范围过大,必须考虑动态特性的影响.

装载机；液力变矩器；动态特性；转矩；铲装作业；运输作业

液力变矩器与发动机的匹配性能对装载机牵引特性与燃油经济性有着重要影响，目前常用的匹配方式有全功率匹配、部分功率匹配和折衷匹配等[1].由于缺少装载机不同作业方式工作过程中发动机转矩分配的定量数据，文献[2-4]均是按照经验扣除一定比例的发动机外特性转矩，将剩余部分作为净输出转矩与液力变矩器进行匹配计算.

装载机在作业过程中，液力变矩器经常在加速或减速等非稳态工况下工作，但现有匹配方法大都是基于变矩器的稳态原始特性，并未考虑动态特性的影响，且对于液力变矩器动态性能的研究主要是通过台架试验进行，测试过程较为单一，相应加速度变化范围较小[5-8].针对现有研究的局限性，文中基于装载机铲装和运输作业的试验数据，分析了两种工况下发动机的转矩分配规律，并在此基础上研究了液力变矩器在装载机上的动态特性，为发动机与液力变矩器匹配方案的改进和作业过程的优化提供一定参考.

1　试验与数据处理

装载机铲装作业是影响使用性能的主要工况，同时为便于研究装载机上液力变矩器的动态特性，针对装载机常用的V型铲装作业和运输作业进行试验.

1.1试验条件与数据采集

选择整机工作性能良好的某ZL50型装载机进行试验，每个工况测试60个作业循环，铲装物料为砂石，试验场地为混凝土路面.

选择变速箱输出轴布置扭矩传感器，测试变速箱输出至前、后驱动桥的扭矩；选择在变速箱第一个传动齿轮处布置转速传感器，测试液力变矩器的涡轮转速；测试工作泵、转向泵和变速泵的工作油压；从发动机CAN总线获取发动机转速及油门开度等信号.测试过程中采用无线遥测方法测试扭矩信号，采用有线测试方法测试转速和油压信号，利用网络数据采集器实时同步测量，采集频率为100 Hz，并由测量计算机系统记录、分析.

1.2数据预处理

由于工作环境恶劣，测试系统不可避免地存在干扰，为便于信号的分析和处理，首先对采样数据进行滤波和去噪等处理，再采用幅值门限和梯度门限等检测法相结合的方式去除试验数据中的异常峰值点[9-10].

2　发动机转矩分配

装载机在铲装和运输两种工况工作过程中，发动机转矩的分配有较大区别，为了液力变矩器与发动机的合理匹配，对上述两种试验工况分别进行发动机转矩分配分析.

2.1V型铲装作业数据处理

液力变矩器油液的工作温度直接影响其所传递的功率和转矩，取装载机V型铲装作业系统平衡后的一个作业循环研究其发动机转矩分配规律.根据采集的发动机转速及油门开度信号，通过万有特性曲线得到发动机的输出转矩，如图1所示.

图1　采集的发动机数据及发动机输出转矩

装载机V型铲装作业的一个作业循环可以分为前进、铲掘、后退、前进举升卸料和空载后退5个工作段；由图1可以看出，铲掘和前进举升卸料作业段的需求转矩较大，且发动机处于全油门状态；其他工作段所需的发动机转矩基本相当.

工作过程中各液压泵需要消耗发动机转矩，液压泵工作压力与其消耗的发动机转矩关系为[11]

(1)

式中：T为液压泵消耗的发动机转矩，N·m；P为液压泵工作压强，MPa；q为液压泵排量，mL/r；i为发动机与液压泵之间的传动比；η为液压泵的工作效率.经处理得一个作业循环各液压泵消耗的发动机转矩，如图2所示.

图2　各液压泵消耗的发动机转矩

由图2可以看出，工作泵主要在铲掘和前进举升卸料作业段进行工作；由于试验过程中采用V型铲装作业方式进行工作，转向泵作业频繁且消耗的发动机转矩较大；整个工作过程中除了车辆前进和倒退交替过程外，变速泵持续工作且较为稳定，与其他液压泵相比，变速泵消耗的发动机转矩较小.

装载机发动机的输出转矩全部被各液压泵和液力变矩器消耗掉，则液力变矩器的动态输入转矩为

(2)

式中：Te为发动机输出转矩，N·m；∑T为各液压泵消耗的发动机转矩之和，N·m.V型铲装作业一个作业循环各工作段发动机的转矩分配如表1所示.

表1　V型铲装作业发动机转矩分配

2.2运输作业数据处理

运用同样的处理方法对装载机运输作业工况进行分析，运输作业发动机的转速及油门开度如图3所示.

图3运输作业工况下发动机转速及油门开度

Fig.3Engine speed and throttle opening in transport operations

根据图3和图1可以看出，发动机转速和油门开度的趋势基本相同，且作业过程中油门持续变化，但现有的匹配方式大都是在发动机外特性的基础上减去一定比例或一定量，并未考虑油门开度的影响.装载机运输作业发动机转矩分配如表2所示.

表2　运输作业发动机转矩分配

对比表1和表2可知，装载机运输作业发动机的转矩分配规律与V型铲装作业前进段基本相同，则装载机液力变矩器与发动机匹配计算中，可以只针对V型铲装作业进行，通过调整各工作段的权重比例满足不同作业要求.

3　动态特性分析

(3)

图4　液力变矩器的角加速度

由图4可以看出，装载机在工作过程中，液力变矩器加速度变化频繁，且波动范围较大；涡轮角加速度的波动范围为-40 rad/s2

利用测量的变速箱输出扭矩可得液力变矩器涡轮轴的动态输出扭矩：

(4)

式中：T1、T2分别为变速箱输出至前、后驱动桥的扭矩，N·m；i1为变速箱传动比；η1为变速箱传动效率.计算得液力变矩器的动态转矩，如图5所示.

图5液力变矩器转矩曲线

Fig.5Torquecurvesofhydraulictorqueconverter

利用式(3)和液力变矩器角加速度曲线，求解全油门作业时间内液力变矩器的动态变矩比：

(5)

式中：k为变矩器变矩比.计算结果如图6所示.

图6液力变矩器动态变矩比

Fig.6Dynamic torque ratio of hydraulic torque converter

由图6和图4可知，当装载机上液力变矩器转速变化在-40 rad/s2

根据建立的数学模型可知液力变矩器的动态特性为

(6)

式中：η2为液力变矩器的效率；i2为变矩器传动比.

(7)

根据上述两式及图6(a)可知：随着正向角加速度的增加，液力变矩器的动态变矩比先增大后减小；负向角加速度增加时，液力变矩器动态变矩比一直减小；液力变矩器的动态传动效率与变矩比变化规律一致.装载机V型铲装作业涡轮角加速度波动范围是运输作业的2倍左右，液力变矩器变矩比试验值与理论值的相对偏差将进一步增大，匹配计算时需考虑动态特性的影响.

4　结论

(1)装载机V型铲装作业铲掘段发动机转矩需求最大，且发动机一直处于全油门状态，其他工作段所需的发动机转矩基本相当.运输作业发动机的转矩分配规律与铲装作业前进段基本相同.

(2)作业过程中，转向泵工作频繁，油门持续变化，发动机与液力变矩器的匹配方案必须考虑转向泵消耗及油门开度变化.

(3)装载机运输工况液力变矩器动态特性可以用静态原始特性代替，但铲装作业工况变矩器转速波动过大，匹配计算时必须考虑动态特性的影响.

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Supported by the National Key Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China(2013BAF07B04)

Analysis of Dynamic Characteristics of Hydraulic Torque Converter Applied to Wheel Loader

WANGZhen-baoQINSi-cheng

(College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，Jilin，China)

In order to analyze the dynamic characteristics of hydraulic torque converter applied to wheel loader，firstly，the original steady performance of hydraulic torque converter was discovered through a bench test. Secondly，the V-shaped shovel and transport operations of ZL50 wheel loader were tested. Then，on the basis of test data，the distributions of engine torque were analyzed. Moreover，a mathematical model of hydraulic torque converter was established according to Newton’s law of motion and used to investigate the dynamic characteristics of hydraulic torque converter in the two above-mentioned working conditions. Finally，a comparison is made between the dyna-mic test values of torque ratio and the static ones. The results show that the dynamic performance of torque converter can be replaced by the steady one when wheel loader is in transport condition. However，as the fluctuation range of angular acceleration is too large in V-shaped shovel operation，the dynamic characteristics must be considered.

wheel loader； hydraulic torque converter； dynamic characteristics； torque； shovel operations； transport operations

1000-565X(2016)07-0041-06

2015-11-27

国家科技支撑计划项目(2013BAF07B04)

王振宝(1989-)，男，博士生，主要从事工程车辆节能技术研究.E-mail：wangzhenbao1989@126.com

秦四成(1962-)，男，教授，博士生导师，主要从事工程车辆节能技术研究.E-mail：qsc925@hotmail.com

TH 137.332doi： 10.3969/j.issn.1000-565X.2016.07.007