趙瑋 王強(qiáng) 何曉暉

摘要：為減小測功機(jī)自身損耗功率對底盤動力性能測量精度的影響，提出一種反拖模擬掛車測量測功機(jī)自身損耗功率的方法，測量結(jié)果用于對底盤損耗功率進(jìn)行修正。對某型工程機(jī)械進(jìn)行底盤動力性能測試和實驗數(shù)據(jù)分析，評價機(jī)械底盤的傳動效率與發(fā)動機(jī)的輸出功率，結(jié)果表明，該方法有效地降低工程機(jī)械自重導(dǎo)致測功機(jī)自身損耗功率變化對底盤動力性能測試的影響，提高測量結(jié)果的精度，為工程機(jī)械底盤維修提供有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;底盤測功機(jī);動力性能;掛車

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0151-06

0 引言

目前國內(nèi)外輪式工程機(jī)械一般采用底盤測功平臺進(jìn)行整車動力性能測試，且以底盤損耗功率來評價工程機(jī)械底盤傳動系統(tǒng)的性能[1]。

收稿日期：2017-12-10;收到修改稿日期：2018-04-13

作者簡介：趙瑋（1984-），男，山西太原市人，講師，博士，研究方向為軍用工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)。

測功機(jī)空載狀態(tài)下，滾筒、軸承摩擦以及功率吸收裝置的自身損耗功率往往很小，所以底盤性能測試過程中，通常主要進(jìn)行底盤輸出功率和車輛底盤損耗功率的測量，對測功機(jī)自身損耗視為變化不大而予以忽略。但是研究發(fā)現(xiàn)，忽略測功機(jī)在工作狀態(tài)下的自身損耗功率對于上述兩個指標(biāo)的測量結(jié)果影響較大，因此準(zhǔn)確測量測功機(jī)損耗功率以及底盤損耗功率是非常重要的。文獻(xiàn)[2]通過運(yùn)用轉(zhuǎn)鼓實驗臺反拖車輛，測量轉(zhuǎn)鼓實驗臺內(nèi)部、驅(qū)動輪滾動阻力和汽車傳動系統(tǒng)的摩擦損耗，測量出汽車驅(qū)動輪功率曲線;文獻(xiàn)[3]采用內(nèi)部損耗功率補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑢y功機(jī)底盤損耗功率進(jìn)行了一定程度上的修正;文獻(xiàn)[4]有效解決了底盤測功機(jī)測試過程中輪胎滾動阻力與路面行駛時實際滾動阻力失準(zhǔn)的問題;文獻(xiàn)[5]分別采用了空載滑行法與能力法對測功機(jī)自身損耗進(jìn)行了一定的修正。文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)分析了運(yùn)用底盤測功機(jī)進(jìn)行底盤性能測試過程中車輛以及測功機(jī)臺架受到的阻力，文獻(xiàn)[7]針對臺架內(nèi)阻產(chǎn)生的原因以及對測量結(jié)果進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[8]利用測功機(jī)恒定轉(zhuǎn)速模式對前驅(qū)和后驅(qū)模式車輛進(jìn)行了底盤動力性能測試，并通過發(fā)動機(jī)性能測試對底盤傳動系統(tǒng)效率進(jìn)行綜合評判;文獻(xiàn)[9]采用拆除車輪并將輪轂連接測功機(jī)進(jìn)行底盤傳動系統(tǒng)的性能測試，有效避免了輪胎摩擦阻力對底盤動力性能測試的影響。

為了更準(zhǔn)確地提高底盤的各項性能指標(biāo)的測試精度，本文以交流異步電機(jī)作為測功機(jī)加載裝置，通過測量模擬底盤的掛車對測功機(jī)臺架的自身損耗功率對底盤的傳動效率進(jìn)行修正。為了更好地對工程機(jī)械底盤維修效果作評價，運(yùn)用底盤測功機(jī)對某型工程機(jī)械做修理前后的底盤動力性能測試，能夠更準(zhǔn)確地反映機(jī)械底盤的傳動效率并同時評價發(fā)動機(jī)性能。

1 底盤測功機(jī)模擬工程機(jī)械道路行駛阻力模型研究

輪式工程機(jī)械的行駛阻力為滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡度阻力之和[10]，表達(dá)為

F=A+Bv+Cv²+δmdv/dtmgsinβ（1）

式中：F——工程機(jī)械道路行駛阻力，N;

v——工程機(jī)械行駛速度，m/s;

δ——機(jī)械旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);

m——工程機(jī)械質(zhì)量，kg;

β——爬坡角度，rad;

A、B、C——待定系數(shù)，通過工程機(jī)械道路滑行實驗獲得[11]。

輪式工程機(jī)械在底盤測功平臺上進(jìn)行底盤性能測試時，測功機(jī)模擬工程機(jī)械在道路上行駛時受到的各種阻力，其計算公式如下：

式中：F_R——機(jī)械在測功平臺上的模擬行駛阻力，N;

I_R——工程機(jī)械車輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m²;

I_r——測功平臺滾筒等旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m²;

R——工程機(jī)械輪胎半徑，m;

r——測功機(jī)滾筒半徑，m;

A₁、B₁、C₁——待定系數(shù)，通過機(jī)械在測功平臺的滾筒上的滑行實驗獲得，與道路滑行實驗獲得的A、B、C方法類似。

電力測功機(jī)作為工程機(jī)械的模擬阻力加載裝置進(jìn)行加載試驗llz一ls]，可以滿足測功與反拖工程機(jī)械的一體化，異步電機(jī)通過變速箱等與工程機(jī)械底盤測功平臺的滾筒連接，工程機(jī)械在滾筒上行駛，異步電機(jī)為待測工程機(jī)械提供模擬阻力負(fù)載，并且把測功機(jī)轉(zhuǎn)動時輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)化為電能回饋至電網(wǎng)。底盤測功機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

底盤測功機(jī)加載至滾筒的模擬阻力矩T_R為

式中：ω_r——測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速，rad/s;

A₂、B₂、C₂——待定系數(shù)，通過式（2）的A₁、B₁、C₂與滾筒半徑r的關(guān)系獲得。

當(dāng)測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速ω_r與電機(jī)加載至測功機(jī)滾筒處轉(zhuǎn)矩T_G為相同的方向時，此時電機(jī)處于電動狀態(tài)，T_G設(shè)為正值;反之，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，T_G為負(fù)值，測功機(jī)需要提供的阻力轉(zhuǎn)矩經(jīng)過測功機(jī)變速箱傳遞至滾筒處為T_R為

T_R=T_D+T_G（5）

式中：T_D——測功機(jī)自身等效阻力矩，由等效加速轉(zhuǎn)矩、電機(jī)、變速箱等摩擦轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，N·m;

J_D——為測功電機(jī)與其變速箱的等效至滾筒處的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m²;

B_D——定義為測功機(jī)內(nèi)部摩擦阻力與轉(zhuǎn)速比，N·s/rad;

T_G——異步電機(jī)電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的經(jīng)變速箱等效至滾筒處的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m。

對底盤測功系統(tǒng)做受力分析，T_C 為工程機(jī)械底盤給滾筒的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，假設(shè)作用在測功機(jī)滾筒上的總外力矩為T_ω，其計算公式為

T_ω=T_C-T_R-T_D

可表示為關(guān)于ω_r的表達(dá)式

對式（8）進(jìn)行拉氏變換，得

測功機(jī)加載控制系統(tǒng)原理如圖2所示，在這種加載控制方法中，滾筒轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器獲得，加載轉(zhuǎn)矩通過測功機(jī)平臺固有性能參數(shù)以及被測工程機(jī)械型號、測試工況環(huán)境等條件計算獲得，加載前先通過從計算機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)符號被測裝備型號、實驗工況的數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)速與相關(guān)參數(shù)計算實時加載轉(zhuǎn)矩。

2 工程機(jī)械底盤損耗功率測試試驗研究

2.1 工程機(jī)械底盤輸出功率分析

輪式工程機(jī)械功率傳輸線路中，發(fā)動機(jī)是工程機(jī)械的動力源，其動力依次經(jīng)過液力變矩器、變速箱、萬向節(jié)、傳動軸、驅(qū)動橋中的主減速器、差速器和半軸傳到驅(qū)動輪。由發(fā)動機(jī)到驅(qū)動輪之間的裝置構(gòu)成了工程機(jī)械的底盤傳動系統(tǒng)。輪式工程機(jī)械底盤測功機(jī)測試驅(qū)動輪輸出功率時，動力傳遞路線為工程機(jī)械傳動系、驅(qū)動輪、滾筒、齒輪變速箱，最后傳遞到交流電力測功電機(jī)。

輪式工程機(jī)械在底盤測功機(jī)上進(jìn)行功率檢測試驗時，假設(shè)輪胎與測功機(jī)滾筒之間不發(fā)生相對滑動，則發(fā)動機(jī)經(jīng)過液力變矩器輸出的有效功率可以表示為P_h

P_h=P_t+P_D+P_S（10）

式中：P_t——工程機(jī)械傳動系統(tǒng)損耗功率，kW;

P_D——底盤測功機(jī)損耗功率，kW;

P_S——測功機(jī)滾筒連接軸的傳感器顯示功率，kW。

2.2 測功機(jī)自身損耗功率測試方法研究

在測功機(jī)損耗功率測試中，傳統(tǒng)方法是測功機(jī)空轉(zhuǎn)，設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，測量不同滾筒轉(zhuǎn)速下的連接滾筒的軸的轉(zhuǎn)矩，計算測功機(jī)損耗功率。在實際測量測功機(jī)臺架損耗過程中，由于工程機(jī)械的自重對測功機(jī)的壓力，導(dǎo)致測功機(jī)底盤損耗功率比測功機(jī)空載損耗功率大。為了正確反映不同型號與規(guī)格工程機(jī)械對測功機(jī)損耗功率的影響，本文采用一種模擬底盤測量方法，制作一個通用型的掛車。圖3

圖3測功機(jī)反拖不同質(zhì)量的掛車消耗功率分為3t和5t的模擬底盤在不同反拖速度情況下，測功機(jī)自身損耗功率測試曲線。

通過圖3得知，反拖不同質(zhì)量的模擬底盤掛車，測功機(jī)損耗功率不同。質(zhì)量大的相應(yīng)的底盤測功機(jī)損耗也隨之增大，且隨著滾筒的轉(zhuǎn)速的增大測功機(jī)損耗功率也隨之增大。為了準(zhǔn)確測量反拖不同質(zhì)量機(jī)械情況下底盤測功機(jī)自身損耗功率，使掛車的質(zhì)量與重物質(zhì)量之和與被測工程機(jī)械相同，且重心位置與工程機(jī)械重心位置基本保持一致。

圖4（a）與圖4（b）分別為測功機(jī)空載運(yùn)行自身損耗功率與反拖某型號工程機(jī)械等質(zhì)量掛車底盤測功機(jī)在轉(zhuǎn)速不同情況下測功機(jī)自身損耗功率。通過測試結(jié)果圖4（a）、圖4（b）對比發(fā)現(xiàn)，機(jī)械自重導(dǎo)致的底盤損耗功率遠(yuǎn)大于測功機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)損耗功率。在傳統(tǒng)的測量方式中，測功機(jī)自身損耗功率遠(yuǎn)小于機(jī)械底盤損耗功率，對底盤動力性能測試精度影響非常小;但在實際測試過程中，由于工程機(jī)械的自重導(dǎo)致的底盤測功機(jī)損耗功率較大，運(yùn)用本文的方法可以有效地避免在測試過程中由于工程機(jī)械自身重量導(dǎo)致的測功機(jī)自身損耗功率的測量誤差。

2.3 工程機(jī)械底盤損耗功率測量方法

工程機(jī)械底盤損耗功率測試反映工程機(jī)械傳動系統(tǒng)的狀況，測功機(jī)反拖工程機(jī)械獲得的功率損耗數(shù)據(jù)為機(jī)械底盤損耗功率以及測功機(jī)臺架損耗功率之和。對同一臺工程機(jī)械修理前與修理后進(jìn)行底盤反拖試驗，其測量結(jié)果如圖5所示。

對圖進(jìn)行分析，機(jī)械底盤損耗功率隨著機(jī)械行駛速度逐漸增大，測功機(jī)反拖工程機(jī)械的損耗功率大于機(jī)械傳動系統(tǒng)損耗功率。工程機(jī)械底盤損耗功率的測量，采用測量底盤測功機(jī)反拖工程機(jī)械損耗功率與反拖工程機(jī)械自身質(zhì)量相同的掛車的底盤測功機(jī)損耗功率之差修正后獲得。同時對比圖5（a）、圖5（b），經(jīng)過大修后，工程機(jī)械的底盤損耗功率較大修前小，底盤傳動效率得到了明顯提高。

3 工程機(jī)械底盤輸出功率測試試驗研究

工程機(jī)械的底盤動力性能可以通過測試測功機(jī)自身損耗功率測試、工程機(jī)械底盤傳動系統(tǒng)損耗功率測試以及工程機(jī)械在底盤輸出功率測試獲得。分別對大修前后的底盤性能進(jìn)行測試試驗，可以評判工程機(jī)械的維修質(zhì)量。運(yùn)用此方法對某型推土機(jī)進(jìn)行底盤輸出功率測試，已知推土機(jī)發(fā)動機(jī)額定功率為168kW。測試方法為工程機(jī)械從停止開始啟動，隨著測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速以及測功機(jī)模擬阻力的增大，工程機(jī)械不論是前輪和后輪輸出功率都隨之增大。底盤輸出達(dá)到最大值時，隨著轉(zhuǎn)速即工程機(jī)械行駛速度的升高，由于工程機(jī)械驅(qū)動力不足，調(diào)節(jié)測功機(jī)加載阻力逐漸緩慢降低，保證工程機(jī)械不熄火的情況下繼續(xù)測量在該行駛速度下工程機(jī)械底盤輸出功率，其測量結(jié)果如圖6所示。

對圖分析可以得知：1）由于工程機(jī)械自身結(jié)構(gòu)的原因，無論是修前還是修理后，其后輪的輸出功率要大于前輪的輸出功率;2）通過對工程機(jī)械底盤進(jìn)行維修，大修后的底盤輸出功率大于大修前的狀態(tài)，可以證明維修后底盤傳動系統(tǒng)的傳動效率得到提高;3）由于工程機(jī)械各檔的最大驅(qū)動力不同，工程機(jī)械各檔的輸出最大功率不同，且達(dá)到最大輸出功率時對應(yīng)的工程機(jī)械行駛速度也不相同。工程機(jī)械在三檔情況下底盤輸出功率的峰值要大于其他兩擋。工程機(jī)械在不同檔位條件下，不論前后輪和整車底盤輸出功率均比大修前要大。4）工程機(jī)械整車底盤輸出功率峰值：大修前二檔75.1kW，測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速105r/min;三檔79.3kW，測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速160r/min;四檔 67.3kW，測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速180r/min;大修后二檔82.1kW，測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速105r/min;三檔89.8kW，測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速160r/min;四檔78.8kW，測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速180r/min。

在不考慮工程機(jī)械輪胎與測功機(jī)滾筒發(fā)生相對滑動損耗功率以及工程機(jī)械附件損耗功率的前提下，以工程機(jī)械最大輸出功率點(diǎn)計算發(fā)動機(jī)輸出功率，工程機(jī)械發(fā)動機(jī)經(jīng)過液力變矩器輸出的功率Phmax為

P_hmax=P_smax+P_D+P_t（11）式中：P_smax——測功機(jī)傳感器上顯示的工程機(jī)械底盤最大輸出功率，kW;

P_D——在P_smax時，即工程機(jī)械在此速度行駛

條件下測功機(jī)底盤測功損耗功率，kW;

P_t——在P_smax時，即工程機(jī)械在此速度行駛條

件下工程機(jī)械傳動系統(tǒng)損耗功率，kW。

工程機(jī)械傳動系統(tǒng)損耗功率，即工程機(jī)械在三檔條件下測功機(jī)顯示工程機(jī)械底盤輸出最大功率89.8kW，此時測功機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速160r/min，工程機(jī)械行駛速度為14.6km/h，采用傳統(tǒng)的忽略工程機(jī)械質(zhì)量對測功機(jī)自身損耗影響的測量方法，底盤傳動系統(tǒng)的損耗功率為21.3kW，采用本文的反拖掛車的方法，工程機(jī)械自重導(dǎo)致底盤測功機(jī)自身損耗為3.9kW，則此速度下工程機(jī)械底盤傳動系統(tǒng)實際損耗功率為Pt，根據(jù)式（10）獲得為17.4kW。本文方法測得工程機(jī)械發(fā)動機(jī)經(jīng)過液力變矩器輸出的最大功率為120.9kW，傳統(tǒng)方法為117kW，被測機(jī)械的底盤傳動系統(tǒng)的效率實際為74.3%。

由于已知液力變矩器的傳動效率η=80%，利用本文構(gòu)建的實驗系統(tǒng)進(jìn)行測試，被測工程機(jī)械發(fā)動機(jī)輸出的最大功率151.1kW，而采用傳統(tǒng)的方法獲得發(fā)動機(jī)輸出的最大功率146.2kW。將該發(fā)動機(jī)拆卸后進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架實驗，測得功率為153.4kW，偏差率為1.50%，采用傳統(tǒng)的方法偏差率為4.67%。采用本文的方法較傳統(tǒng)方法更加合理，測試精度更高。

4 結(jié)束語

通過建立工程機(jī)械在底盤測功平臺上的模擬阻力模型并分析工程機(jī)械底盤在測功機(jī)上運(yùn)行過程中功率的損耗;提出一種反拖模擬掛車的方法，通過反拖工程機(jī)械等質(zhì)量掛車，對測功機(jī)自身損耗功率進(jìn)行有效的修正，有效地避免在測試過程中由于機(jī)械自重導(dǎo)致的的測量誤差，提高了測試精度。運(yùn)用修正后的實驗方法對大修理前后的某型工程機(jī)械進(jìn)行底盤動力性能實驗，通過精確的試驗數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的認(rèn)為觀測方法分析底盤的動力性能，為輪式機(jī)械的底盤動力性能評價與維修提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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（編輯：劉楊）