謝 毅

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201210）

輪式裝載機工作速度快，靈活便捷，它在礦山、道路、水利等基礎(chǔ)項目建設(shè)中是一種十分重要的機械工具。它通常擔(dān)負大型物料的轉(zhuǎn)移工作，為提升工作效率，加快工程建設(shè)提供可靠的保證。

但是在現(xiàn)實的生產(chǎn)施工過程中，裝載機的設(shè)計生產(chǎn)遇到了一系列的問題，尤為重要的是，其在工作過程中所需要的動力性和經(jīng)濟性計算較為復(fù)雜。如何準(zhǔn)確根據(jù)實際情況預(yù)測、分析和計算出裝載機在實際工況中所需要的經(jīng)濟、動力性能的大小是一項十分有社會價值的課題。對于裝載機的生產(chǎn)來說，這有助于節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

1 動力性及經(jīng)濟性計算方法

1.1 動力性指標(biāo)及計算

作為一種十分便捷、性能靈活的鏟土運輸機械，輪式裝載機工作性能，如工作質(zhì)量、工作生成率等往往由其動力性來決定。通常分別用加速時間（t），最高車速（v）、最大爬坡度（i）等指標(biāo)評價。裝載機的加速度a、坡度特性i以及速度v體現(xiàn)了裝載機的動力性。下面將分別講述以上指標(biāo)的具體意義和各種計算方法。

1.1.1 最大車速（vmax）的分析與計算

不同傳功比下裝載機的速度變化展示了其速度特性。速度特性在計算和評價中通常選取最大車速作為描述其的指標(biāo)。裝載機在水平良好的路面上所能達到最高速度（vmax）稱為最高車速。

式中，T1為渦輪軸輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；ηz為傳動效率（渦輪—輪胎）；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；f為滾阻系數(shù)。

1.1.2 最大爬坡（imax）的分析與計算

裝載機克服坡度阻力能達到的最大坡度代表了爬坡性能。在計算過程中可以用爬坡功來衡量。爬坡功的表達式為：

式中：Na為爬坡消耗功率（kW）；Lα為爬坡區(qū)段距離（m）；tα為通過測試區(qū)段的時間（s）。

1.1.3 加速性能的分析與計算

加速性能可以用加速距離l與加速時間t來衡量，其大小代表了裝載加速性能的好壞，是衡量車輛動力性能的一個十分重要的指標(biāo)，體現(xiàn)速度變化的快慢和驅(qū)動力的大小。計算過程中可以采用動力學(xué)公式來推導(dǎo)。

根據(jù)（4）的加速特性曲線計算裝載機在速度v在時間t上的積分，從而得到加速距離，可由式（5）表示。

1.2 經(jīng)濟性指標(biāo)及計算

經(jīng)濟性是裝載機一項十分重要的指標(biāo)，在工程作業(yè)中經(jīng)濟性能的好壞對于工程施工的成本節(jié)約、資源和環(huán)境的保護具有舉足輕重的地位。這里主要分析經(jīng)濟性指標(biāo)的衡量與計算。勻速運行工況下的每一百千米所產(chǎn)生的油耗Qs，和在V字形路線運轉(zhuǎn)工況下運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的油耗Qt。Qs、Qt之和是裝載機工作過程中產(chǎn)生油耗的總量。其中，百公里油耗Qs的計算公式為：

式中，Qs為百公里油耗（L/100km）；Pe為發(fā)動機功率（kW）；gc為比燃油消耗率，g/（kW·h）；g為燃油的重度，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型作業(yè)法，通過動態(tài)特性與靜態(tài)特性的匹配計算，來預(yù)測裝載機的經(jīng)濟性與動力性。裝載機燃油節(jié)流閥開度為1、輸入?yún)⒘繛闇p去10%效率后的功率，以上參數(shù)作為輸入量來計算。通過建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測出裝載機的平均燃油消耗量、坡度行駛特性、最大牽引能力的靜態(tài)特性。

建模開始時，要在輸入變量中輸入裝載機的發(fā)動機、變速箱、液力變矩器等的參數(shù)，并通過二分法進行方程擬合，在得到相應(yīng)方程之后，求解出各主要部件的共同工作點，隨后將挖掘機整機的各項參數(shù)載入，求解出整機的燃油消耗特性、經(jīng)濟特性、動力特性等，最后，再依據(jù)所建立的模型，動態(tài)求解出裝載機行駛速度、牽引特性、加速特性、爬坡特性和經(jīng)濟特性等，再與裝載機實時油耗進行匹配，從而求得所需解。

輪式裝載機的經(jīng)濟性與作業(yè)方式、駕駛方式、操作方式以及作業(yè)路徑等一系列因素有著直接的關(guān)系，為了得出一個普遍的結(jié)論，同時簡化相應(yīng)模型，筆者做了如下的假設(shè)。

一是作業(yè)方式方法、司機因素、場地因素等的客觀條件均以試驗中選定的試驗環(huán)境為準(zhǔn)。二是本次試驗中裝載機鏟運距離為普遍意義上的中等距離，行駛中，裝載機檔位不超過三檔，由于檔位變化所引起模型的變化過于復(fù)雜，本文均以最佳換擋時機作為檔位參考點來模擬裝載過程中裝載機所掛的檔位。運用模型來計算不同加油量下各檔位特性曲線所產(chǎn)生的交叉點，由這些點運用最小二乘法擬合所形成的曲面作為裝載機換擋曲面。

3 結(jié)論

V型作業(yè)是裝載機在日常作業(yè)中常用的作業(yè)方法，本文選取此種作業(yè)方法來研究裝載機的經(jīng)濟性和動力性。所研究的對象為我國施工中常用的ZL50裝載機，通過試驗，得出了預(yù)期的各項性能參數(shù)，總結(jié)出了性能規(guī)律和燃油經(jīng)濟性規(guī)律。

（1）本文分析了輪式裝載機在不同工況和環(huán)境下的工作特點，采集了大量實踐中的真實數(shù)據(jù)。對ZL50裝載機進行了速度性能測試、加速性能測試、爬坡性能測試、工作燃油消耗率測試、怠速油耗測試和其他諸多輔助測試。

（2）本文給出了一種動態(tài)計算燃油經(jīng)濟性和裝載機動力性的計算方法，運用動態(tài)匹配的方式，提出了裝載機V型作業(yè)法的動態(tài)計算方法。采用最小二乘法來對數(shù)據(jù)進行必要的擬合，通過分析裝載沙土、石料、礦石等不同物料時的不同數(shù)據(jù)，總結(jié)出一個扣除功率的方程算法。

（3）針對V型作業(yè)法，專門建立了一個行之有效的數(shù)學(xué)模型，并通過大量試驗對模型進行驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，計算出的牽引性能與實際性能存在3%的偏差，速度性能和加速性能存在4%的偏差，通過性能和爬坡性能與真實值存在2%的誤差，燃油經(jīng)濟性的誤差則為1%，幾乎等于真值。

通過上述分析可知，本文所得出的模型與實際相符，可以在實際工作中用來分析裝載機的動力性能和燃油經(jīng)濟性。

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