基于典型工况试验的装载机循环工况构建

装载机动力传动系统的设计借鉴了汽车动力传动系统的设计理念,而循环工况是汽车动力传动系统参数设计的重要参考依据。由于目前还没有装载机的循环工况,所以在设计阶段也无法利用循环工况考察其燃油经济性和动力性。根据装载机发动机功率分流情况,装载机循环工况应由装载机典型工况液压系统载荷时间历程、铲斗工作阻力时间历程、工作速度时间历程构成。针对这一情况,以ZL50装载机为例,构建了试验方案,分别试验测试了装载机液压泵消耗发动机转矩的时域波形数据,前、后传动轴消耗发动机转矩的时域波形数据,以及前传动轴转速时域波形数据。对液压系统试验获取的数据进行分段、合并、去除异常值等预处理后,采用加权求和方法,制取了典型工况液压系统载荷时间历程。应用同样的数据处理方法,分别获得典型工况工作速度时间历程,以及典型工况传动系统载荷时间历程。根据典型工况传动系统载荷时间历程,应用装载机工作过程中力的平衡方程方程,求得典型工况铲斗工作阻力时间历程。典型工况液压系统载荷时间历程、铲斗工作阻力时间历程、工作速度时间历程组合在一起,共同构成装载机循环工况。应用该循环工况,虚拟试验ZL50装载机燃油经济性,与实车试验结果的一致性较好,构建的循环工况可行。装载机循环工况可为虚拟试验装载机动力性、燃油经济性提供加载数据,具有重要的工程实践意义。     

基于典型工况的装载机发动机与液力变矩器匹配

针对目前发动机与液力变矩器常用匹配方案中发动机净转矩获取方法的不足,为实现发动机与液力变矩器更科学、合理的匹配,构建了装载机液压测试系统,对传感器性能进行了标定。在典型工况下开展了实机试验,应用nSoft软件对测试数据进行处理,得到液压系统实际消耗的发动机转矩为288.76 N·m,进而提出了一种基于典型工况的发动机与液力变矩器匹配方案。根据试验用装载机发动机与液力变矩器原始特性数据,应用数据拟合方法,得到了发动机与变矩器的共同输入与输出特性。采用积分平均方法求取了涡轮工作高效区涡轮轴平均输出功率和发动机平均油耗率。在变矩器高效区,试验功率匹配方案的涡轮轴平均输出功率分别比原匹配方案、部分功率匹配方案高17.02%和42.59%,试验功率匹配方案的发动机平均油耗率分别比原匹配方案、部分功率匹配方案低3.80%和8.72%。结果表明文中提出的匹配方案优于目前常用的匹配方案。该研究为液力变矩器的优化设计、发动机与液力变矩器合理匹配提供了参考。     

工程车辆传动系载荷谱编制方法

为研究工程车辆传动系疲劳载荷谱的编制方法,采集了装载机5种典型工况的传动件载荷信号,采用作业循环分成6段处理的方式,对原始信号进行预处理和特性分析,得到反映载荷变化规律的真实信号。对变速箱后传动法兰,利用雨流计数法对其载荷时间历程进行了统计处理,结果表明：后传动法兰铲掘段均值分布服从均值为1910 N·m、标准差为537.8 N·m的正态分布,其幅值服从三参数威布尔分布,并且均值和幅值相互独立。根据各个工况的作业时间比例,进行频次外推和合成,利用二维概率分布函数,建立了各作业段的8×8级二维载荷谱。应用Goodman方法,将二维载荷谱转化为8级一维载荷谱,编制成反映装载机传动系受载情况的程序载荷谱。该方法可为工程车辆传动系寿命预测以及疲劳寿命试验提供参考。     

拖拉机动力输出轴动态转矩载荷谱编制与验证

拖拉机动力输出轴(power take-off, PTO)室内台架耐久性试验中转矩加载主要以静态加载或静态逐级加载方式为主,这种加载方式输出的载荷与PTO实际作业中承受的载荷动态特性不同,导致试验中PTO的失效形式及测试寿命与实际作业中存在差异。针对此问题,该文对多工况下PTO动态转矩载荷谱编制方法进行研究,测取了沙土、黏土2种土壤类型下旋耕、驱动耙典型作业的PTO转矩,利用希尔伯特黄算法对转矩进行预处理,采用四点循环雨流计数法对转矩均幅值进行频次统计,利用散点矩阵统计方法分析4种作业工况均值、幅值相关性及均值、幅值分布类型。基于Miner法则及轴类20CrMnTi修正S-N曲线,在损伤概率50%、相对误差5%、置信水平95%的统计条件下,确定了转矩样本容量。利用时域外推方法对PTO转矩数据进行外推。以阈值区间内峰谷值均值差的方差为指标,检验了外推过程中选取的阈值造成峰谷值均值波动的可能性。对比外推1次后载荷时间历程与原始载荷时间历程变化趋势。在时域频次外推因子为240、转矩累计频次达到106、平均加权4类转矩时,得到PTO动态转矩载荷谱。利用编制的动态载荷谱,驱动拖拉机传动系动态加载试验台对PTO进行台架耐久性试验,试验结果显示,PTO发生失效的时长为642 h,失效形式为PTO轴头花键磨损,失效时间、失效形式与实际作业一致,验证了动态转矩载荷谱的有效性。     

装载机工作过程联合仿真与试验

为了分析装载机工作过程中的能量消耗情况,首先使用Pro/E软件建立了装载机工作装置的三维模型,将其导入Simulation X仿真软件中建立了装载机的动力学模型,同时使用该仿真软件建立了装载机工作装置液压系统模型,进一步建立了装载机联合仿真模型。然后针对正载和偏载2种典型工况中各个工作部件能量消耗情况进行了仿真和试验研究,通过比较仿真与试验结果,验证了所建立装载机工作装置机液联合仿真模型的准确性,获得了驱动工作装置液压系统在典型工况中的能量损失。结果表明:在正载工况下,多路阀的能量损失占49%;偏载工况下,多路阀的能量损失占52%。多路阀在一个工作循环中消耗能量最大,主要是中位卸荷损失。该研究为装载机液压控制系统节能设计提供了参考。     

面向作业终端动力需求的装载机循环工况的创建

由于缺少面向作业终端的循环工况,装载机的节能机理及其仿真研究难以深入地开展,该文基于试验数据创建了装载机循环工况,从装载机作业终端描述了其作业过程中最基本的能耗规律。首先,利用数理统计的方法从装载机的工作循环试验数据中萃取了行驶车速、行驶阻力、整机质量和液压阻力矩等4方面的特征数据,然后,将这些特征数据分别置于4个独立的坐标轴上,在同一时间序列上创建了面向作业终端动力需求的装载机循环工况,最后,通过交叉验证试验检验了该循环工况有效性。面向作业终端的循环工况不仅为装载机节能机理研究、仿真研究和混合动力等装载机的开发提供必要的数据支持,同时也为传统装载机的性能试验提供统一的规范和标准。     

电液流量匹配装载机转向系统特性分析

为降低小型装载机负荷传感液压转向系统在流量方面的能量损失,提出用伺服电机独立驱动定量泵的电液流量匹配转向控制方法。该文首先在Simulation X中建立了装载机整机联合仿真模型,对采用负荷传感转向系统的装载机在原地转向工况下进行仿真。构建了装载机试验测试系统,通过对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的准确性。进一步将电液流量匹配转向方法应运于此仿真模型。维持与负荷传感系统相同转向特性的条件下,该系统在低速空载工况下使液压泵能量消耗相对负荷传感系统降低36%,高速空载为37%,中速正载为39%,中速偏载为28%,电液流量系统平均降低了转向过程中泵输出能耗约30%。该文提出的研究方法对装载机转向节能研究提供了参考。     

液压机械无级变速装载机工况在线识别方法

液压机械无级变速装载机发动机转速与车速解耦,具有节油、高效的优点,为了解决其工况繁多、动力匹配问题,以某液压机械无级变速装载机为研究对象,基于液压机械状态参数开展了装载机负载估计理论分析和仿真,建立了负载估计模型,仿真结果表明该方法能准确估计液压机械段内负载,结果偏差在±4.69％以内.在负载估计方法基础上,建立液压机...     

增程型电动轿车动力系统的参数匹配及试验研究

以某款增程型电动轿车为研究对象,在整车性能指标和系统结构确定的基础上,从电驱动系统、电储能系统、增程器及控制模式等方面出发,对整车动力系统进行了参数匹配分析及相关试验研究.同时通过Matlab/Simulink和Advisor联合仿真,在NEDC循环工况下对E-REV动力性进行了仿真分析.仿真及试验结果表明:发动机转速在2 800 r/min时可保证发电功率为6 kW,电池SOC变化曲线符合电量耗尽模式控制策略,驱动电机输出转矩满足E-REV行驶动力性要求,所确定的动力系统方案满足整车基本性能要求.     

轻度混合动力车发动机Start/Stop系统控制策略

发动机怠速自动起停是轻度混合动力车的重要工作模式,它能避免发动机在怠速工况下运行,可减少燃油消耗及尾气排放。该文对集成起动机/发电机(ISG)轻度混合动力车发动机起动动力学和发动机Start/Stop系统控制策略进行了研究,同时在Matlab/Simulink中建立了整车控制器模型,在NEDC循环工况下对发动机和ISG电机的协调输出转矩进行了仿真分析,最后进行了发动机起动及整车转鼓对比试验。仿真及试验结果表明,Start/Stop系统能保证发动机在怠速工况下正常停机,通过Start/Stop系统的协调控制,发动机在整个循环工况下运转平稳,转矩输出值在低油耗区;和传统车相比,加装Start/Stop系统的轻度混合动力车HC和CO排放下降明显,百公里油耗由8.60L下降到7.30L,节油效果显著。     

基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

为了解决装载机发动机与液力变矩器匹配性能评定指标较多,多项评价指标权重难以确定的问题,该文提出了基于性能评价网状图的发动机与液力变矩器匹配优化方法。装载机发动机与液力变矩器匹配性能评定指标有额定工况接近度、起动能度、经济区宽容度、功率输出系数、燃油消耗率系数等5项,分别定义和计算5项匹配性能指标,根据计算值的大小构建发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图,以网状评价图面积最小为优化目标,构建目标函数,优化液力变矩器有效直径。原液力变矩器有效直径等于0.360 m;优化后的装载机液力变矩器有效直径等于0.350 m。优化后发动机与液力变矩器匹配性能提高了5.7%。基于性能网状图的优化方法提高了发动机与液力变矩器匹配性能。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

拖拉机液压机械无级变速箱换段控制优化与试验

为了提高无级变速拖拉机的换段质量,该文对所开发的一种新型液压机械无级变速箱的换段过程进行了试验研究。离合器充油特性试验中,通过改变离合器控制油路参数,获得主油路压力与充油流量对换段时间的影响规律;单因素加载试验中,通过单独改变发动机转速、主油路压力、充油流量、负载转矩,获得各因素单独作用时对换段质量的影响规律;多因素组合加载试验中,设计了3水平4因素组合试验方案,对多个因素综合作用时的变速箱换段质量问题进行了研究;时序优化试验中,通过控制器改变离合器动作时机,获得最佳的换段时序。试验结果表明：离合器主油路压力、充油流量可通过影响换段时间而间接影响到换段质量;重叠时序换段会引起油压陷阱,证明了重叠换段的安全性和可行性;单因素作用时,换段质量与离合器压力、流量正相关,与负载转矩负相关,与发动机转速无关;多因素共同作用时,换段质量的主次影响因素依次为充油流量、负载转矩、主油路压力、发动机转速;此外,采用重叠时序换段可显著改善换段质量。根据试验结果得出,为使该变速箱获得最佳的换段质量,其离合器主油路压力应取值4MPa,充油流量取值5L/min,重叠时序取值120ms。该结论为换段控制策略的制定提供了重要参考。     

拖拉机液压机械无级变速箱效率特性的仿真与试验

为了对一种新型拖拉机液压机械无级变速箱的效率水平进行评估,该文对其满负荷及部分负荷下的效率特性进行了研究。基于SimulationX平台,该文构建了完整的变速箱传动模型,并通过台架试验对其进行了校准,从而确保了模型的可靠性。通过仿真分析,得出了传动效率与发动机转速、负载扭矩和速比的关系,并绘制了较为全面的效率图谱;指出了泵前齿轮副对变速箱效率的影响,从而使得基于效率进行变速箱的结构优化具备了理论上的可操作性。结果表明,该变速箱在HM2、HM4段负排量和HM1、HM3段正排量时存在功率循环,且变速箱的传动效率受到发动机转速和扭矩的双重影响,其在额定工况下的满负荷传动效率为81.5%。因此,该类变速箱的传动效率随工况波动较大,为了使拖拉机在给定的车速、负载水平下高效作业,必须合理匹配其速比与发动机转速的关系。该研究可为变速箱的结构优化及动力匹配提供理论依据。     

柴油机瞬态VNT开度优化研究

瞬态工况下,可变喷嘴涡轮增压器(Variable Nozzle Turbocharger,VNT)开度的调节对柴油机增压压力、扭矩响应及污染物排放具有较大影响。为优化瞬态工况下VNT开度,实现瞬态工况下柴油机与VNT的协调控制,该研究以配备VNT的高压共轨柴油机为对象,通过台架试验研究了不同转速下负荷1、3和5 s从0瞬变至50%、75%和100%时,不同VNT开度对柴油机瞬态性能及排放的影响。结果表明:2 000 r/min下,负荷1、3和5 s从0瞬变至50%、75%、100%的过程中,VNT开度对负荷1 s瞬变工况的影响比3和5 s明显;随着VNT开度减小,增压压力响应时间逐渐缩短,扭矩响应时间先减小后增大。1 600、2 000和2 600 r/min下,负荷1 s从0瞬变至75%的过程中,NOx体积分数先增大后减小,然后再逐渐增大趋于稳定;颗粒物数量(PN)峰值随VNT开度的减小而增大。综合考虑柴油机瞬态响应和排放,对全工况范围下柴油机的VNT开度控制进行优化,获得了柴油机瞬态工况下的优化VNT开度协调控制方案,并进行WHTC循环试验,结果表明:与原机相比,冷、热态下WHTC循环扭矩回归线的截距分别下降0.03和0.37,标准偏差分别下降0.11和1.07;WHTC冷、热态循环NOx比排放与原机相比分别下降7.59%和2.21%;颗粒物排放量(PM)下降8.64%和25.28%;PN下降6.74%和12.4%。研究结果可为柴油机瞬态工况下VNT的协调控制提供参考。