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1、1112014.01建设机械技术与管理产品 技术Product&Technology产品 技术Product&Technology高。因此，角度传感器和拉力传感器的选型对力矩限制器精度误差影响很大。3 结 语本文对履带式起重机进行了受力分析及变形研究，由于起重机实际工作中工况繁多、变形复杂，单一的理误差 5%导致的结果误差主臂铰点 X 坐标1%主臂铰点 Y坐标2%桅杆根部 X 铰点1%桅杆根部 Y 铰点2%主臂重量6%主臂重心6%拉板重量约为0拉板重心1%主臂角度27%主臂拉板力12%表3主臂35m空钩误差分析论模型不能精确地计算出载荷，本研究结合大量的试验数据进行分析拟合推导出吊载计算的函数
2、关系，并成功应用于力矩限制器的开发，将载荷精确计算的误差控制在标准要求的5%以内。参考文献1 李国安，基于 FPGA 的履带起重机力矩限制器技术研究.大连理工大学.2 赵海涛，履带起重机力矩限制器系统研究与设计.大连理 工大学.3 王欣，屈福政.起重机用均质弹性拉索非线性计算方法的 研究.起重运输机械，2000，10.4 胡灵斌，唐军.悬链线方程的求解及其应用.设计与研究，2004，2.5 单圣涤，李云飞.悬索曲线理论及其应用.湖南科学技术 出版社，1983.中国是轮式装载机的生产大国。相对于其它工程机械，轮式装载机具有作业速度快、效率高、机动性能好、操作轻便等优点，因此成为工程建设中土石方施
3、工的主要机种之一1,加上其可铲装、搬运、装载、挖掘、推土等极为广泛的用途，成为中国工程机械最有代表性的机器设备。然而，中国的装载机技术，几十年来没有显著的技术进步，装载机的动力匹配，大多停留在经验匹配、简单计算的技术水平上。由于匹配不佳，有些装载机在实际应用中出现动力不足故障，表现为装载机铲斗插入料堆能力变差、提斗举升速度慢、加油提速慢等。柴油机输出给装载机的动力，分两部分：一部分经过变矩器传给变速箱，再由变速箱把动力经前后传动轴分别传给前后驱动桥，以驱动车轮前进；另一部分经设在变矩器的取力口传递给工作油泵、变速油泵、转向油泵，或者还有辅助泵。由于装载机的动力是液压系统优先，余下的动力才分给变
4、矩器，因此，装载机的动力匹配，可以简单的认为，主要是与变矩器的匹配。做好发动机与变矩器的匹配，是解决装载机动力不足的关键。摘要：发动机与装载机的动力匹配，实际上主要是发动机与变矩器的匹配。就装载机与发动机的匹配动力性问题，本文先介绍了经验匹配的方法，指出针对改善动力性的解决办法，然后从实际应用与研究中，分别阐述了影响装载机动力性的因素：变矩器和发动机共同匹配点、外特性形状、瞬态工况、怠速高低、低速扭矩高低都对装载机的动力性产生影响。关键词：装载机 变矩器 发动机 匹配 装 载 机 动 力 性 匹 配 分 析Matching Analysis of the Loader Power广西玉柴机器股
5、份有限公司 张德平/ZHANG Deping收稿日期：2013-06-13通讯地址：湖南省长沙市银盆南路361号(410013)1122014.01CMTM产品 技术Product&Technology产品 技术Product&Technology1 与装载机动力性相关的变量当泵轮转速一定时，泵轮力矩 M1，涡轮力矩 M2，变矩器的效率 与涡轮转速 n2的一组关系曲线称为外特性曲线，这组特性曲线可以通过试验台测得。如图12 发动机与变矩器的匹配曲线装载机的动力分配是液压系统优先，余下的动力才分给变矩器，因此，装载机的动力匹配，可以简单的认为，主要是与变矩器的匹配。发动机与变矩器匹配是否合理，直
6、接影响到整车的动力、油耗和效率。有些装载机生产企业只是按经验来匹配其动力，甚至生搬硬套。传统的经验匹配方法，在比较大的范围内尽可能关照各种重载或轻载的 不同工况。发动机与变矩器的匹配如图 2。通过特性可以计算出每个传动比在不同转速情况下的泵轮吸收力矩（同时涡轮输出力矩是泵轮吸收力矩的 K 倍）。泵轮吸收力矩有如下公式：（1）式中：D变矩器的有效直径；B力矩系数；工作液体重度；nB泵轮转速（等于发动机转速）。同时还可以采用公称力矩法：MB=（nB/1 000）2 MBg （N m）（2）式中：MBg 公称力矩，变矩器泵轮在 1 000 r/min 时吸收的力矩。从上面公式看出，变矩器泵轮吸收的扭
7、矩与发动机的转速成平方关系。变矩器输出扭矩：MT=KI MB （3）KI 变矩器系数装载机各档牵引力：（4）PK各档牵引力，在 I 档时，变矩器传动比为 0 时为最大牵引力；iI传动系统中不包括变矩器的总传动比；I传动系统中总机械传动效率；rk 轮胎滚动半径。图2装载机动力匹配曲线示意图Me发动机净输出扭矩；Me 工作泵吸收部分扭矩后变矩器的输入扭矩；Me 工作泵最大工作压力时变矩器的输入扭矩。对于轮式装载机，变矩器与发动机的匹配有全功率和部分功率匹配的方法。全功率匹配，是以变矩器最高效率时的 i*的负荷抛物线通过发动机输出标定扭矩点（图1中的 A 点）。但在铲掘工况时，如果工作泵以全负荷工作
8、，则发动机转速将被迫降至 ne，此时由于工作泵油量下降，使铲斗动作缓慢，同时因转速降低，发动机功率下降，因而降低了生产率和作业经济性。部分功率匹配，是扣除装载机工作泵最大压力时所消耗的扭矩再与变矩器匹配，即变矩器最高效率时i*(i 为变矩器的传动比)的负荷抛物线与发动机 Me 曲线交于 C 点。对于小型装载机而言，通常按接近全功率匹配。而对于大型装载机则相反，接近于部分功率匹配。根据我国装载机的匹配经验，对于 5 t 装载机而言，经验之一是当变矩器失速时的负荷抛物线 i0与发动机标定净扭矩调速特性为相交点较标定转速高 50 r/min2（图MeMeMeMeABCDDDneneHne图1 变矩器
9、输入特性曲线01000kNm4540351015203025524002200140012001600 1800 20001132014.01建设机械技术与管理产品 技术Product&Technology产品 技术Product&Technology表130、50装载机最大牵引力所对应的发动机转速装载机型号联合工况转速/(r/min)备注XG9311 60830装载机LG8351 64830装载机LW54011 67730装载机ZL50C1 91450装载机XG9531 87850装载机LG953 1 92050装载机时所对应的发动机转速如表 1。而图 3 中，综合失速时发动机转速只有 1
10、300 r/min 多，相比表 1 的值，掉了好几百转，导致动力性不足。图3加大液压功率造成综合失速转速过低2）；对于 3 t 装载机而言，通常刚好交于标定点或略低于标定点。其二，变矩器最高效率时 i*的负荷抛物线与发动机净输出扭矩的调速特性相交的 D点的扭矩与标定净扭矩的比值约为 72%。对于 30 装载机，这一取值为 86%90%。这种经验取值，大体兼顾了最大牵引力、联合工况牵引力以及装载机的效率要求。但时，随着用户期望值的提高，为了提高产品的竞争优势，装载机企业也在不断改进产品，甚至专门开发出针对市场需求的细化性产品，如重载型装载机，如果只一味按经验匹配，未经调整，可能会导致动力性不足的
11、现象发生。若变矩器已确定，只能要求发动机的外特性上有更大功率的值。如国内早期的 30 轮式装载机，额定功率 81 kW、最大扭矩 400 Nm 即可满足要求，现在普遍使用额定功率 92 kW、最大扭矩 450 Nm 以上,个别需配套最大扭矩 500 Nm 以上。加大发动机功率和扭矩，实际上提高了两者匹配点的转速。玉柴 YC6B 自然吸气发动机，一直以来作为国内 30 轮式装载机的经典动力，历来以动力性好、燃油耗低受到国内主流装载机厂商的广泛认同，近来却有某装载机制造商反馈用 YC6B 配套其 30 轮式装载机动力不足现象，具体表现为，重载掘进提铲斗时动作缓慢、发动机冒烟大，究其原因，是该装载机
12、制造商加大了工作泵的排量和额定压力，使该工况下匹配的发动机工作转速太低（如图 3）。重载工况下，液压系统的压力高，随着排量的增大，消耗的功率随着加大，这样分给液力变矩器吸收的扭矩变小，牵引力变小，掘进速度慢，对应发动机的转速变低，也导致液压系统流量小，提臂动作缓慢。国内有代表性的 30、50 装载机综合失速图4两种外特性对装载机联合工况牵引力的影响3 发动机外特性对变矩器的影响发动机外特性的形状对装载机的牵引力和工作效率影响很大。如图 4，蓝线和黑线分别是两个不同发动机的全负荷扭矩曲线，虽然额定转速和额定功率相同，但在外特性段，相同转速下，蓝线的扭矩大一些。这样，当装载机在联合工况（工作泵和变
13、矩器同时工作在最大负荷）作业时，发动机所能提供给变矩器的扭矩 Me大一些，发动机的转速高一些（图中点转速比点高），而变矩器吸收的扭矩与转速平方成正比，牵引力相应更大，且工作泵由于发动机转速的提高，流量加大，装载机的工作效率要高些,司机感觉动力性更强。图 5 是国内某 2.5 t 装载机的匹配曲线，装载机最大牵引力满足设计要求，但联合工况时装载机动作迟kNm4540351015203025524002200140012001600 1800 200001000r/min240022001400120016001800200001000n（r/min）1 000900800700600500400
14、300200100M（Nm）MeMei=0.646i=0.743i=0.94i=0i=1i=0MIMe1142014.01CMTM产品 技术Product&Technology产品 技术Product&Technology缓，原因是扣除液压系统消耗的扭矩后，变矩器吸收扭矩曲线与 Me 线交点转速太低，选用动力性更高的发动机后，共同匹配点转速提高了约 400 r/min（如图虚线），动力满足要求。图 6 是 YC6M220Z-T20 配套 50 装载机改进前后的外特性曲线图，改进前发动机最大扭矩只有 875 N.m、900 r/min 扭矩也不到 760 Nm，市场反馈动力不足，经优化改进后，最
15、大扭矩已提高到 960 Nm,扭矩储备高达 35%以上，发动机大幅度提高低速扭矩，且发动机最大功率点不在标定转速点上，以此提高装载机联合工况时的工作转矩，保证动力充沛和作业效率。YC6M220Z-T20 发动机的优化后外特性曲线，是符合装载机动力发展潮流的。如世界先进水平 VOLVO 公司 L150F 装载机的动力曲线（图 7）和 Caterpillar 公司的 950G 装载机的曲线（图 8）都类似图6YC6M220Z-T20改进前后外特性曲线图图8Caterpillar150F装载机的曲线图这样。这种外特性曲线确保装载机在重载工况中仍能提供较大的牵引力和作业效率。4 发动机动态特性对动力性
16、影响发动机的外特性曲线，是在发动机稳态工况下做出来的。实际上，由于装载机工况复杂，发动机的转速波动很大，瞬态变化可以很大。因此，发动机的稳态工况下的外特性曲线走向，并不能完全说明发动机的性能。实际应用中，我们发现发动机的瞬态表现对装载机的动力性影响很大（图 9）。如国内配套 50 装载机的经典动力，前期广大用户反馈发动机动力响应迟缓，我们一再提高发动机低速段的扭矩，加大发动机增压器的响应速度也不能根本上解决问题。通过研究分析，我们发现发动机的动态与稳态的差异，如图 10。造成图5动力不足的匹配曲线2 4002 2001 4001 2001 6001 8002 00001 000r/min150
17、50400300200100NmMeMe2503502 600Me2 5002 3001 5001 3001 700 1 900 2 1001 100n（r/min）900800700600500400260245230215200185900160140120100806040200P（kW）改进后改进后改进前改进前GeP1 0001 4001 2001 6001 8002 000 2 20060708010090501101201301401501606007008009001 000120135440590740Ge（g/kWh）Me（Nm）图7YC6M220Z-T20改进前后外特性曲线
18、图150300200100250200100220180160140120801 0008001 4001 2001 6001 8002 000r/min8001 0001 4001 2001 6001 0001 1009008007001525353020kWNmhpr/slbf ftPowerTorquePowerTorque136 kWat2200rpm146 kWmaximumWorkingRange907 Nm669 lb-ft196 hp183 hp1152014.01建设机械技术与管理产品 技术Product&Technology产品 技术Product&Technology图9
19、发动机稳态和瞬态扭矩曲线图10YC6M220Z-T20改进前后装载机加速曲线瞬态特性曲线与稳态特性曲线的差异，是由于瞬态工况时因发动机冒烟限制器的限油作用，低速段动态工况的扭矩（红线）明显低于稳态工况的扭矩（蓝线）。提高发动机零增压扭矩、以及调整冒烟限制器后，动力性问题得到有效解决。5 怠速对动力性影响通常，怠速工况下挂档，装载机的牵引力不足克服摩擦力使整车前行。怠速的高低往往被忽视。但怠速的高低也影响到装载机的动力性。一台配装 WD615发动机的国内某型号装载机，司机反映踩油门时，整车动力“绵”，爆发力差。经检查，怠速转速只有547 r/min，调整至 900 r/min 后，司机感觉动力性
20、大幅提升，加油提速快。发动机怠速的高低不同，其所能承载的负荷也不同，如排量与 WD615 发动机排量接近的 YC6M 发动机，当怠速为 600 r/min 时，其承载能力约为 620 N.m，怠速为 800 r/min 时，承载能力变为约 750 N.m。动力性的提升，归功于发动机转速和转速提升的时间。因为牵引力是由变矩器涡轮输出的扭矩有关的，而根据公式(1)和公式(4)，发动机的转速愈高，变矩器吸收的力矩愈大，牵引力愈大，且怠速高，发动机输出的扭矩大，加速好，转速上升快，又促进变矩器的输出扭矩提升。6 低速扭矩对动力性的影响发动机低速扭矩也对装载机动力性有很大影响。低速扭矩愈大，发动机加速愈
21、快，转速提升得也愈快，根据公式（1）和公式（2）变矩器吸收的扭矩也愈大，牵引力愈大。从图 6 可知，YC6M220Z-T20 发动机改进前后，900 r/min 时的扭矩差异较大，装车验加速速度曲线的对比如图 10（说明：该图仅为曲线截图，不代表真实的时间点）。改进后，加速度值加大，加速响应时间也提高了。值得一提的是，加速快，加速时间也短，大油量供油的时间也短，总燃油耗大多时侯反而减少了。7 结 论（1）传统的匹配经验，是以兼顾动力性和经济性平衡为出发点的，实际应用中，尤其是重载性装载机，为了提高整车动力性，需要在传统经验上作调整，提高变矩器和发动机的匹配点转速；（2）发动机外特性对整车动力性
22、影响较大。随着人们要求的提高，发动机从低速点到额定功率点，外特性曲线都有不断上移的趋势。最大功率不在额定点上，是为适应动力性和作业效率不断提高的需求；（3）发动机动态工况和稳态工况的扭矩可能是存在差异的，提高零增压扭矩和适当调高油泵的低速烟度，可改善动力性；（4）发动机怠速的高低，影响到发动机的加速能力。怠速愈高，牵引力愈大，加速快，动力性强；（5）低速扭矩对加速性能影响明显，低速扭矩大，整车响应快、爆发性大。参考文献1 汤泓渊.50 装载机用柴油机配套设计 J.柴油机设计与制 造，2009，(1):91-92.2 彭天权.装载机用发动机动态性能研究 J.内燃机科 技，2009:125-126
23、.收稿日期：2013-06-13通讯地址：广西省玉林市天桥西路88号（537005）1 5001 3001 7001 9002 1001 100900n（r/min）1 000700800900改进前改进后时间 t（s）00123456789100.20.180.160.140.120.10.080.060.040.02加速度（g）Me（Nm）装载机动力性匹配分析装载机动力性匹配分析作者：张德平，ZHANG Deping作者单位：广西玉柴机器股份有限公司刊名：建设机械技术与管理 英文刊名：Construction Machinery Technology&Management 年，卷(期)：2014(1)本文链接：http:/