装载机动力及经济性计算与分析

2018-04-24谢毅

现代制造技术与装备 2018年3期

谢毅

（中交路桥华东工程有限公司，上海 201210）

轮式装载机工作速度快，灵活便捷，它在矿山、道路、水利等基础项目建设中是一种十分重要的机械工具。它通常担负大型物料的转移工作，为提升工作效率，加快工程建设提供可靠的保证。

但是在现实的生产施工过程中，装载机的设计生产遇到了一系列的问题，尤为重要的是，其在工作过程中所需要的动力性和经济性计算较为复杂。如何准确根据实际情况预测、分析和计算出装载机在实际工况中所需要的经济、动力性能的大小是一项十分有社会价值的课题。对于装载机的生产来说，这有助于节约研发成本，缩短研发周期。

1 动力性及经济性计算方法

1.1 动力性指标及计算

作为一种十分便捷、性能灵活的铲土运输机械，轮式装载机工作性能，如工作质量、工作生成率等往往由其动力性来决定。通常分别用加速时间（t），最高车速（v）、最大爬坡度（i）等指标评价。装载机的加速度a、坡度特性i以及速度v体现了装载机的动力性。下面将分别讲述以上指标的具体意义和各种计算方法。

1.1.1 最大车速（vmax）的分析与计算

不同传功比下装载机的速度变化展示了其速度特性。速度特性在计算和评价中通常选取最大车速作为描述其的指标。装载机在水平良好的路面上所能达到最高速度（vmax）称为最高车速。

式中，T1为涡轮轴输出转矩（N·m）；ηz为传动效率（涡轮—轮胎）；Cd为风阻系数；f为滚阻系数。

1.1.2 最大爬坡（imax）的分析与计算

装载机克服坡度阻力能达到的最大坡度代表了爬坡性能。在计算过程中可以用爬坡功来衡量。爬坡功的表达式为：

式中：Na为爬坡消耗功率（kW）；Lα为爬坡区段距离（m）；tα为通过测试区段的时间（s）。

1.1.3 加速性能的分析与计算

加速性能可以用加速距离l与加速时间t来衡量，其大小代表了装载加速性能的好坏，是衡量车辆动力性能的一个十分重要的指标，体现速度变化的快慢和驱动力的大小。计算过程中可以采用动力学公式来推导。

根据（4）的加速特性曲线计算装载机在速度v在时间t上的积分，从而得到加速距离，可由式（5）表示。

1.2 经济性指标及计算

经济性是装载机一项十分重要的指标，在工程作业中经济性能的好坏对于工程施工的成本节约、资源和环境的保护具有举足轻重的地位。这里主要分析经济性指标的衡量与计算。匀速运行工况下的每一百千米所产生的油耗Qs，和在V字形路线运转工况下运转所产生的油耗Qt。Qs、Qt之和是装载机工作过程中产生油耗的总量。其中，百公里油耗Qs的计算公式为：

式中，Qs为百公里油耗（L/100km）；Pe为发动机功率（kW）；gc为比燃油消耗率，g/（kW·h）；g为燃油的重度，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型作业法，通过动态特性与静态特性的匹配计算，来预测装载机的经济性与动力性。装载机燃油节流阀开度为1、输入参量为减去10%效率后的功率，以上参数作为输入量来计算。通过建立数学模型，预测出装载机的平均燃油消耗量、坡度行驶特性、最大牵引能力的静态特性。

建模开始时，要在输入变量中输入装载机的发动机、变速箱、液力变矩器等的参数，并通过二分法进行方程拟合，在得到相应方程之后，求解出各主要部件的共同工作点，随后将挖掘机整机的各项参数载入，求解出整机的燃油消耗特性、经济特性、动力特性等，最后，再依据所建立的模型，动态求解出装载机行驶速度、牵引特性、加速特性、爬坡特性和经济特性等，再与装载机实时油耗进行匹配，从而求得所需解。

轮式装载机的经济性与作业方式、驾驶方式、操作方式以及作业路径等一系列因素有着直接的关系，为了得出一个普遍的结论，同时简化相应模型，笔者做了如下的假设。

一是作业方式方法、司机因素、场地因素等的客观条件均以试验中选定的试验环境为准。二是本次试验中装载机铲运距离为普遍意义上的中等距离，行驶中，装载机档位不超过三档，由于档位变化所引起模型的变化过于复杂，本文均以最佳换挡时机作为档位参考点来模拟装载过程中装载机所挂的档位。运用模型来计算不同加油量下各档位特性曲线所产生的交叉点，由这些点运用最小二乘法拟合所形成的曲面作为装载机换挡曲面。