基于测功机的工程机械底盘动力性能实验误差分析与方法研究
2019-11-15赵玮王强何晓晖
赵玮 王强 何晓晖
摘要：为减小测功机自身损耗功率对底盘动力性能测量精度的影响，提出一种反拖模拟挂车测量测功机自身损耗功率的方法，测量结果用于对底盘损耗功率进行修正。对某型工程机械进行底盘动力性能测试和实验数据分析，评价机械底盘的传动效率与发动机的输出功率，结果表明，该方法有效地降低工程机械自重导致测功机自身损耗功率变化对底盘动力性能测试的影响，提高测量结果的精度，为工程机械底盘维修提供有力的数据支持。
关键词：工程机械;底盘测功机;动力性能;挂车
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）05-0151-06
0 引言
目前国内外轮式工程机械一般采用底盘测功平台进行整车动力性能测试，且以底盘损耗功率来评价工程机械底盘传动系统的性能[1]。
收稿日期：2017-12-10;收到修改稿日期：2018-04-13
作者简介：赵玮（1984-），男，山西太原市人，讲师，博士，研究方向为军用工程机械机电一体化技术。
测功机空载状态下，滚筒、轴承摩擦以及功率吸收装置的自身损耗功率往往很小，所以底盘性能测试过程中，通常主要进行底盘输出功率和车辆底盘损耗功率的测量，对测功机自身损耗视为变化不大而予以忽略。但是研究发现，忽略测功机在工作状态下的自身损耗功率对于上述两个指标的测量结果影响较大，因此准确测量测功机损耗功率以及底盘损耗功率是非常重要的。文献[2]通过运用转鼓实验台反拖车辆，测量转鼓实验台内部、驱动轮滚动阻力和汽车传动系统的摩擦损耗，测量出汽车驱动轮功率曲线;文献[3]采用内部损耗功率补偿的方式，对测功机底盘损耗功率进行了一定程度上的修正;文献[4]有效解决了底盘测功机测试过程中轮胎滚动阻力与路面行驶时实际滚动阻力失准的问题;文献[5]分别采用了空载滑行法与能力法对测功机自身损耗进行了一定的修正。文献[6]系统分析了运用底盘测功机进行底盘性能测试过程中车辆以及测功机台架受到的阻力，文献[7]针对台架内阻产生的原因以及对测量结果进行了分析;文献[8]利用测功机恒定转速模式对前驱和后驱模式车輛进行了底盘动力性能测试，并通过发动机性能测试对底盘传动系统效率进行综合评判;文献[9]采用拆除车轮并将轮毂连接测功机进行底盘传动系统的性能测试，有效避免了轮胎摩擦阻力对底盘动力性能测试的影响。
为了更准确地提高底盘的各项性能指标的测试精度，本文以交流异步电机作为测功机加载装置，通过测量模拟底盘的挂车对测功机台架的自身损耗功率对底盘的传动效率进行修正。为了更好地对工程机械底盘维修效果作评价，运用底盘测功机对某型工程机械做修理前后的底盘动力性能测试，能够更准确地反映机械底盘的传动效率并同时评价发动机性能。
1 底盘测功机模拟工程机械道路行驶阻力模型研究
轮式工程机械的行驶阻力为滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力之和[10]，表达为
F=A+Bv+Cv2+δmdv/dtmgsinβ（1）
式中：F——工程机械道路行驶阻力，N;
v——工程机械行驶速度，m/s;
δ——机械旋转质量换算系数;
m——工程机械质量，kg;
β——爬坡角度，rad;
A、B、C——待定系数，通过工程机械道路滑行实验获得[11]。
轮式工程机械在底盘测功平台上进行底盘性能测试时，测功机模拟工程机械在道路上行驶时受到的各种阻力，其计算公式如下：
式中：FR——机械在测功平台上的模拟行驶阻力，N;
IR——工程机械车轮转动惯量，kg·m2;
Ir——测功平台滚筒等旋转部件的转动惯量，kg·m2;
R——工程机械轮胎半径，m;
r——测功机滚筒半径，m;
A1、B1、C1——待定系数，通过机械在测功平台的滚筒上的滑行实验获得，与道路滑行实验获得的A、B、C方法类似。
电力测功机作为工程机械的模拟阻力加载装置进行加载试验llz一ls]，可以满足测功与反拖工程机械的一体化，异步电机通过变速箱等与工程机械底盘测功平台的滚筒连接，工程机械在滚筒上行驶，异步电机为待测工程机械提供模拟阻力负载，并且把测功机转动时输出的机械转化为电能回馈至电网。底盘测功机结构如图1所示。
底盘测功机加载至滚筒的模拟阻力矩TR为
式中：ωr——测功机滚筒转速，rad/s;
A2、B2、C2——待定系数，通过式（2）的A1、B1、C2与滚筒半径r的关系获得。
当测功机滚筒转速的转速ωr与电机加载至测功机滚筒处转矩TG为相同的方向时，此时电机处于电动状态，TG设为正值;反之，电机处于发电状态时，TG为负值，测功机需要提供的阻力转矩经过测功机变速箱传递至滚筒处为TR为
TR=TD+TG（5）
式中：TD——测功机自身等效阻力矩，由等效加速转矩、电机、变速箱等摩擦转矩构成，N·m;
JD——为测功电机与其变速箱的等效至滚筒处的转动惯量，kg·m2;
BD——定義为测功机内部摩擦阻力与转速比，N·s/rad;
TG——异步电机电网侧产生的经变速箱等效至滚筒处的电磁转矩，N·m。
对底盘测功系统做受力分析，TC 为工程机械底盘给滚筒的驱动转矩，假设作用在测功机滚筒上的总外力矩为Tω，其计算公式为
Tω=TC-TR-TD
可表示为关于ωr的表达式
对式（8）进行拉氏变换，得
测功机加载控制系统原理如图2所示，在这种加载控制方法中，滚筒转速通过转速传感器获得，加载转矩通过测功机平台固有性能参数以及被测工程机械型号、测试工况环境等条件计算获得，加载前先通过从计算机数据库内符号被测装备型号、实验工况的数据，通过转速与相关参数计算实时加载转矩。
2 工程机械底盘损耗功率测试试验研究
2.1 工程机械底盘输出功率分析
轮式工程机械功率传输线路中，发动机是工程机械的动力源，其动力依次经过液力变矩器、变速箱、万向节、传动轴、驱动桥中的主减速器、差速器和半轴传到驱动轮。由发动机到驱动轮之间的装置构成了工程机械的底盘传动系统。轮式工程机械底盘测功机测试驱动轮输出功率时，动力传递路线为工程机械传动系、驱动轮、滚筒、齿轮变速箱，最后传递到交流电力测功电机。
轮式工程机械在底盘测功机上进行功率检测试验时，假设轮胎与测功机滚筒之间不发生相对滑动，则发动机经过液力变矩器输出的有效功率可以表示为Ph
Ph=Pt+PD+PS（10）
式中：Pt——工程机械传动系统损耗功率，kW;
PD——底盘测功机损耗功率，kW;
PS——测功机滚筒连接轴的传感器显示功率，kW。
2.2 测功机自身损耗功率测试方法研究
在测功机损耗功率测试中，传统方法是测功机空转，设定不同的转速，测量不同滚筒转速下的连接滚筒的轴的转矩，计算测功机损耗功率。在实际测量测功机台架损耗过程中，由于工程机械的自重对测功机的压力，导致测功机底盘损耗功率比测功机空载损耗功率大。为了正确反映不同型号与规格工程机械对测功机损耗功率的影响，本文采用一种模拟底盘测量方法，制作一个通用型的挂车。图3
图3测功机反拖不同质量的挂车消耗功率分为3t和5t的模拟底盘在不同反拖速度情况下，测功机自身损耗功率测试曲线。
通过图3得知，反拖不同质量的模拟底盘挂车，测功机损耗功率不同。质量大的相应的底盘测功机损耗也随之增大，且随着滚筒的转速的增大测功机损耗功率也随之增大。为了准确测量反拖不同质量机械情况下底盘测功机自身损耗功率，使挂车的质量与重物质量之和与被测工程机械相同，且重心位置与工程机械重心位置基本保持一致。
图4（a）与图4（b）分别为测功机空载运行自身损耗功率与反拖某型号工程机械等质量挂车底盘测功机在转速不同情况下测功机自身损耗功率。通过测试结果图4（a）、图4（b）对比发现，机械自重导致的底盘损耗功率远大于测功机空运转损耗功率。在传统的测量方式中，测功机自身损耗功率远小于机械底盘损耗功率，对底盘动力性能测试精度影响非常小;但在实际测试过程中，由于工程机械的自重导致的底盘测功机损耗功率较大，运用本文的方法可以有效地避免在测试过程中由于工程机械自身重量导致的测功机自身损耗功率的测量误差。
2.3 工程机械底盘损耗功率测量方法
工程机械底盘损耗功率测试反映工程机械传动系统的状况，测功机反拖工程机械获得的功率损耗数据为机械底盘损耗功率以及测功机台架损耗功率之和。对同一台工程机械修理前与修理后进行底盘反拖试验，其测量结果如图5所示。
对图进行分析，机械底盘损耗功率随着机械行驶速度逐渐增大，测功机反拖工程机械的损耗功率大于机械传动系统损耗功率。工程机械底盘损耗功率的测量，采用测量底盘测功机反拖工程机械损耗功率与反拖工程机械自身质量相同的挂车的底盘测功机损耗功率之差修正后获得。同时对比图5（a）、图5（b），经过大修后，工程机械的底盘损耗功率较大修前小，底盘传动效率得到了明显提高。
3 工程机械底盘输出功率测试试验研究
工程机械的底盘动力性能可以通过测试测功机自身损耗功率测试、工程机械底盘传动系统损耗功率测试以及工程机械在底盘输出功率测试获得。分别对大修前后的底盘性能进行测试试验，可以评判工程机械的维修质量。运用此方法对某型推土机进行底盘输出功率测试，已知推土机发动机额定功率为168kW。测试方法为工程机械从停止开始启动，随着测功机滚筒转速以及测功机模拟阻力的增大，工程机械不论是前轮和后轮输出功率都随之增大。底盘输出达到最大值时，随着转速即工程机械行驶速度的升高，由于工程机械驱动力不足，调节测功机加载阻力逐渐缓慢降低，保证工程机械不熄火的情况下继续测量在该行驶速度下工程机械底盘输出功率，其测量结果如图6所示。
对图分析可以得知：1）由于工程机械自身结构的原因，无论是修前还是修理后，其后轮的输出功率要大于前轮的输出功率;2）通过对工程机械底盘进行维修，大修后的底盘输出功率大于大修前的状态，可以证明维修后底盘传动系统的传动效率得到提高;3）由于工程机械各档的最大驱动力不同，工程机械各档的输出最大功率不同，且达到最大输出功率时对应的工程机械行驶速度也不相同。工程机械在三档情况下底盘输出功率的峰值要大于其他两挡。工程机械在不同档位条件下，不论前后轮和整车底盘输出功率均比大修前要大。4）工程机械整车底盘输出功率峰值：大修前二档75.1kW，测功机滚筒转速105r/min;三档79.3kW，测功机滚筒转速160r/min;四档 67.3kW，测功机滚筒转速180r/min;大修后二档82.1kW，测功机滚筒转速105r/min;三档89.8kW，测功机滚筒转速160r/min;四档78.8kW，测功机滚筒转速180r/min。
在不考虑工程机械輪胎与测功机滚筒发生相对滑动损耗功率以及工程机械附件损耗功率的前提下，以工程机械最大输出功率点计算发动机输出功率，工程机械发动机经过液力变矩器输出的功率Phmax为
Phmax=Psmax+PD+Pt（11）式中：Psmax——测功机传感器上显示的工程机械底盘最大输出功率，kW;
PD——在Psmax时，即工程机械在此速度行驶
条件下测功机底盘测功损耗功率，kW;
Pt——在Psmax时，即工程机械在此速度行驶条
件下工程机械传动系统损耗功率，kW。
工程机械传动系统损耗功率，即工程机械在三档条件下测功机显示工程机械底盘输出最大功率89.8kW，此时测功机滚筒转速160r/min，工程机械行驶速度为14.6km/h，采用传统的忽略工程机械质量对测功机自身损耗影响的测量方法，底盘传动系统的损耗功率为21.3kW，采用本文的反拖挂车的方法，工程机械自重导致底盘测功机自身损耗为3.9kW，则此速度下工程机械底盘传动系统实际损耗功率为Pt，根据式（10）获得为17.4kW。本文方法测得工程机械发动机经过液力变矩器输出的最大功率为120.9kW，传统方法为117kW，被测机械的底盘传动系统的效率实际为74.3%。
由于已知液力变矩器的传动效率η=80%，利用本文构建的实验系统进行测试，被测工程机械发动机输出的最大功率151.1kW，而采用传统的方法获得发动机输出的最大功率146.2kW。将该发动机拆卸后进行发动机台架实验，测得功率为153.4kW，偏差率为1.50%，采用传统的方法偏差率为4.67%。采用本文的方法较传统方法更加合理，测试精度更高。
4 结束语
通过建立工程机械在底盘测功平台上的模拟阻力模型并分析工程机械底盘在测功机上运行过程中功率的损耗;提出一种反拖模拟挂车的方法，通过反拖工程机械等质量挂车，对测功机自身损耗功率进行有效的修正，有效地避免在测试过程中由于机械自重导致的的测量误差，提高了测试精度。运用修正后的实验方法对大修理前后的某型工程机械进行底盘动力性能实验，通过精确的试验数据代替传统的认为观测方法分析底盘的动力性能，为轮式机械的底盘动力性能评价与维修提供有力的数据支持。
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（编辑：刘杨）
