牵引性能 牵引平衡、牵引特性 匹配问题、动力特性 太原科技大学 连晋毅 工程机械运行的两种工况 牵引工况:工作阻力大,要求机械发挥大的牵引力。 运输工况:无工作阻力,行驶阻力小,要求机械具 有高的速度性能、加速性能、运行稳定性和机动性。 牵引工况下的工作能力和燃料消耗量称为机械的牵引 性能和牵引工况下的燃料经济性。 要求机械在低挡工作时保证发动机的功率高效地转换 为牵引功率,并发挥出必要的牵引力,同时消耗的燃料尽 可能少。 基本术语 ? 滚动半径、动力半径 rg ? S 2? rd=d/2+H/B(1λ )B 驱动轮中心到切线牵引力的垂直距离rd。 ? 理论行驶速度、实际行驶速度 vT ? rg 0 ? ? k ? rd ? ? k v ? rg ? ?k ? 滑移率、滑转率 ?y ? ? ? v ? vT v vT ? v vT ? 滚动阻力、行驶阻力、坡度阻力、空气阻 力、作业阻力 ? 牵引力、切线牵引力、有效牵引力、额定 牵引力、附着力 PK ? MK rd a)轮式机械 P ? PK ? P f 2 PKP ? P ? P f 1 ? PK ? ( Pf 1 ? Pf 2 ) ? PK ? Pf P ? PK ? P f PKP ? P ? PK ? Pf P ? ? b)履带机械 ? ? G? PK? max ? (? ? f )G? ? 牵引系数、附着系数、功率利用系数、牵引 效率、滑转效率 ? KP ? N KP Ne ?? ? ? N PK ? N ? PK vT ? PK v? v ? ? ? 1?? ? N PK PK vT vT 牵引力平衡和牵引功率平衡 一、驱动力的确定 ? 机械直接传动的车辆驱动力的确定 ? 液力机械传动车辆驱动力的确定 二、牵引力平衡和牵引功率平衡 ? 牵引力平衡方程 ? 牵引功率平衡方程 铲土运输机械的阻力 ? 两种典型工况: 牵引工况、运输工况 ? 滚动阻力 ? 坡度阻力 ? 惯性阻力 道路阻力 ? 空气阻力 2 g im g 1 ? ? 1 ? Je 2 ? m? r ? ? J L 2 ? r G rK G rK ? 作业阻力 Fx 牵引力平衡 牵引工况的牵引力平衡方程: FK=Ff+ Fi +Fj+ Fx 运输工况的牵引力平衡方程: FK=Ff+ Fi +Fj+ Fw 有效牵引力 FKP=FK-(Fi +Fj+ Ff ) 驱动力的确定 ? 机械直接传动的车辆驱动力的确定 等速稳定运转的工况 不稳定工况 ? 液力机械传动车辆驱动力的确定 自由扭矩应是涡轮输出轴的扭矩M2 变矩器所消耗的功率 等速稳定运转的工况 η r ? M K M ec ? im ?η PK ? ? rd rd ? ? ? ? ? m ?η r 对液力 传动为 M2 rK—驱动轮动力半径; η r—履带驱动段效率(η r=0.96~0.97) ; im—传动系总传动比(自发动机至驱动轮); η m—传动系总效率; Mec-发动机自由扭矩。 ' ?G im P ? PK ? ? ? J e ' ?η m ?η ?g rd ? ' K 驱 动 力 功率损失 不稳定工况 ? ? ? ? ? dv ? r ?? ? dt G—机器重量; g—重力加速度; Je—发动机运动质量换算至曲轴上的转动惯量; dV/dt—机器前进的减速度或加速度。 发动机的功率分配 发动机自由扭矩和自由功率 MeZ= Me- MF- MPTO NeZ= Ne- NF- NPTO – 驱动辅助装置的功率、扭矩; – 输出轴上的发动机的扭矩和功率; 经常性工作的辅助装置 M”F=103PQT/(2πnbηb) N”F= PQT/(60ηb) 短暂性工作的辅助装置 M’F=(0.03~0.05)MH(ne/nH) N’F= (0.03~0.05)MH(ne/nH)2 发动机功率的分配:(机械传动) 1、驱动辅助装置消耗的功率 N F ? (0.03 ~ 0.05) N eh ( 对应效率 ? F ? Ne ? N F Ne ne 2 ) neh 2、驱动功率输出轴所需的功率NPTO 到此,发动机的自由功率为: Nez=Ne-(NF+NPTO) 3、传动系中损耗的功率 N m ? N ez (1 ? ? m ) 驱动轮上的驱动功率 NK = Nez- Nm = Nez?m 4、履带驱动段上的功率损失 N r ? N K (1 ? ? r ) ? N ez? m (1 ? ? r ) 5、行走机构滑转引起的功率损失 N? ? FK v? ? FK vT ? 滑转效率 ?? ? FK vT ? FK v? vT ? v? v v ? ? ? 1? ? ? 1? ? FK vT vT vT vT 6、滚动阻力消耗的功率 N f ? F f v ? fGv cos ? 滚动效率 ?f ? FK ? F f FK ? 1? Ff FK 7、坡道阻力消耗的功率 N i ? ?Gv sin ? 8、工作阻力消耗的功率,即有效牵引功率NKP N KP ? Fx v 牵引功率平衡(机械传动) N e ? N Ba ? N PTO ? N m ? N r ? N? ? N f ? Ni ? N KP 牵 引 工 况 ? ? ? ? ? ? ? ? ? V=VT(1-δ) Ne—发动机有效功率 ne rK NPTO—驱动功率输出轴所需功率 vT ? 0.377 Nba-驱动辅助装置消耗的功率 im Nf-滚动阻力消耗的功率 ? 滑转效率(1-δ) Nkp-车辆的有效牵引功率 ? 滚动效率(1-Nf/Nk) Nm—传动系的功率损失 Ni-克服坡道阻力消耗的功率 ? 牵引效率(Nkp/Ne) Nr-克服惯性阻力消耗的功率 Nδ—滑转引起的功率损失 N KP ? N ez m r ? f ? ?? ? 牵引功率平衡(液力机械传动) N e ? N Ba ? N PTO ? NTe ? N m ? N r ? N? ? N f ? Ni ? N KP 注意:1、NTe为液力传动部分(变矩器)的功率损失。 2、在NBa计算中还应包括变矩器冷却油泵消耗的功率。 NTe ? N1 ? N 2 ? N1 (1 ?? ) ? N ec (1 ?? ) N Ba ? (0.03 ~ 0.05) N eh ( ne 2 ) ? N BaT neh N BaT ? ?bm pQT 牵引效率: ? KP ? ? Ba??m? r ??? f 牵引特性 ? 牵引特性以图解曲线的形式表示了机器在一定 的地面条件下,在水平地段以全油门作等速运动 时,机器各档的牵引功率Nkp、实际速度v、牵引 效率ηkp、小时燃油耗Gkp、比油耗gkp、滑转率δ 和发动机功率Ne(或曲轴转速ne)随牵引力Pkp而变 化的函数关系,亦即: ? Nkp=Nkp(Pkp),V=V(Pkp),ηkp=ηkp(Pkp), Gkp=Gkp(Pkp),gkp=gkp(Pkp),δ=δ(Pkp), Ne=Ne(Pkp) 。 在车辆的设计过程中,用牵引特性研究和检查发动机、传动系、行 走机构和工作装置各参数之间匹配的合理性; 在使用过程中,有助于合理地使用机械,有效地发挥他们的生产率。 履带底盘牵引特性 表征机器特性的工况 1.最大有效牵引功率工况; 2.最大牵引效率工况; 3.发动机额定功率工况; 4.额定滑转率工况; 5.发动机扭矩决定的最大牵引力工况; 6.附着条件决定的最大牵引力工况; 对于液力机械传动的机器还应补充: 7.变矩器最大输出功率工况; 8.变矩器工作扭矩决定的最大牵引力。 牵引性能参数的确定 ? 机械传动系统的参数匹配 (1)切线牵引力与发动机调速特性之间的配置 (2)工作阻力与行走机构滑转曲线之间的配置 ? 液力机械传动系统的参数匹配 (1)发动机特性与变矩器特性之间的配置 (2)发动机与变矩器共同工作特性与行走机构滑转曲线 、工作阻力之间的配置 切线牵引力在发动机调速特性上的配置 ? 指导原则: (1)应该保证工作循环中可能出现的最大阻力矩不 超过发动机的最大输出扭矩,否则将导致发动机 熄火。 (2)为了获得较大的平均输出功率,应该使发动机 在工作循环的大部分时间处在调速区段上工作。 实现方法: 正确配置发动机功率在行走机构滑转曲线上的位置。 发动机功率在滑转曲线上的配置 ? 滑转曲线 n ? ? A? x ? B? x 牵引元件的滑转率与输出的牵引力之间的关系。 ? 效率曲线 牵引效率与滑转率之间的关系曲线 ? 牵引效率 η X ?η f ?η ? P ?1 ? ? ? P—牵引元件输出的牵引力; ? P ? Pf Pf—行走机构的滚动阻力。 ?x ? ?x ? f ?x (1 ? ? ) 2 n ? x ? A? x ? B? x ?1 ?x ? ?x ? f ? 当η =η 得: max时,应满足 d? x ?0 d? x 2 n n f ? 2 Af? x ? A? x ? (n ? 1) Bf? x ? nB? x ?1 ? 0 最大效率工况: 轮式机械在δ= 10%左右, 履带机械在δ= 5%左右。 又由于: N KP ? N e? F? Mq? x 结论:当发动机的最大输出功率Nemax与行走机构的最大效 率ηxmax相匹配时,机器获得最大的有效牵引功率。 机器生产率在滑转曲线上的配置 ? 工程机械的两类作业方式: 连续作业、循环作业 ? 连续作业机器的生产率 结论之一:(连续作业机器) 最大生产率工况与最大效率工况相一致。 机器生产率在滑转曲线上的配置 循环作业机器: ?t 0 d? x dQ ?? ? ? ?PKP t 0? x 2 dPKP dPKP 2 ( ? t0 ) (? ? ) ?x PKP 结论之二:(循环作业机器) 最大生产率工况与最大效率工况不一致。 轮式机械在δ=20% ~25%左右, 履带机械在δ=10% ~15%左右。 牵引性能参数合理匹配的条件 ? 连续作业机器 PkpNemax = PH = Px PkpPemax-发动机的最大平均输出功率所对应 的有效牵引力; PH—与行车机构额定滑转率δH相对应的额定 牵引力; Px—工作装置在连续作业过程中的平均工作 阻力。 牵引性能参数合理匹配的条件 ? 循环作业机器 1、由发动机扭矩决定的最大牵引力PMemax应大于 地面附着条件所决定的最大牵引力(即附着力)Pφ, 亦即: PMemax 〉 Pφ 2、由发动机额定功率决定的有效牵引力PkpNH与 由行走机构额定滑转率决定的额定牵引力PH应相 等。亦即: PkpNH = PH 3、铲土过程末尾的平均最大工作阻力Px应等于 机器的额定牵引力PH。此条件可用下式表示: Px = P H 牵引特性参数的合理匹配 a-a发动机额定功 率工况 b-b行走机构额定 滑转率工况 c-c平均最大工作 阻力工况 d-d最大牵引效率 工况 e-e由发动机扭矩 决定的最大牵 引力工况 f-f行走机构最大附 着能力工况 速度档位数与各档传动比 ? 必须保证各档速度曲线有适 当重叠,且每一档位的最大 有效牵引力点应位于下一档 位的速度曲线之下,以避免 发动机熄火。 ? 必须保证机器在各档工作时 发动机的扭矩、转速和功率 都能在同一范围内变化,以 使发动机功率在各档工作范 围内能获得同等程度的利用, 对轮式机械也是为了获得最 大的加速度。 q? n ?1 iM min iM max 牵引参数的确定过程 1.选择最低档和最高档理论行驶速度VTmin、VTmax; 2.计算理论切线牵引功率Nezη Mq; 3.计算额定切线牵引力PKH = NPK′/VTmin ; 4.绘制以相对牵引力φ x(φ x=P/Gφ )为横坐标的无因次滑 转率曲线δ = Aφ x+Bφ xn; 5.确定机器的使用质量GS = PKH/(λ φ H+λ f) ; 6.确定最低档传动比iMmin = 2π rdneH/VTmin; 7.确定最高档传动比iMmax = 2π rdneH/VTmax; 8.确定分配传动比的几何级数公比q; 9.校核发动机功率NPK′=fGSVTmax(1-δ )+KwFVTmax3(1-δ )3 10.校核牵引力PMemax > Pφ (由发动机最大扭矩决定的牵引力PMemax=Memaxη MqiMmin/rd, 由附着条件决定的牵引力Pφ =φ Gφ ) 11.校核铲土过程的平均最大工作阻力Px ,应满足Px≈PH 理论牵引性能曲线的绘制 1、原始资料 1)发动机调速外特性 Me = Me(ne),Ne = Ne(ne),Ge = Ge(ne)或 ge=ge(ne) 2)车辆使用质量Gs和附着质量G? 3)地面条件和滑转率曲线 ? = ?(FKP) 可用经验公式或类比试验数据曲线。 4)传动系统简图和各挡机械传动比iM 5)驱动链轮啮合齿数ZK和链轨节销孔中心距(履带节距)lt 或轮胎动力半径rk 2、计算步骤 1)计算以下参数: 传动系总效率?m 履带驱动段效率?r 驱动轮动力半径rk 滚动阻力Pf m ? m ? ?1m1? 2 2 ?1 ? 0.98 ~ 0.99 ? 2 ? 0.97 ? r ? 0.96 ~ 0.97 Z K lt rk ? 2? Pf ? Gs ? f 2)计算扣除辅助装置和功率输出轴消耗后发动机外特性 Mec=Mec(ne),Nec=Pez(ne),Gec=Gec(ne) M ec ? M e ? M Ba ? M PTO N ec ? N e ? N Ba ? N PTO Gec ? g e ? N ec M Ba N Ba ne ? (0.03 ~ 0.05) M eH ( ) neH ne 2 ? (0.03 ~ 0.05) N eH ( ) neH 3)计算驱动力(切线牵引力)FK、有效牵引力FKP 、理论速 度vT和实际速度v 、牵引功率PKP和牵引效率?KP等。 M ec im? m? r PK ? rK PKP ? PK ? Pf ne rK vT ? 0.377 im N KP ? PKP v ? ? N KP KP Ne 3600 v ? vT (1 ? ? ) ? KP N KP ? N e ? N PTO 单位:长度:m ,速度:km/h,力:N,转速:rpm,转矩:N.m, 功率:kW,小时燃油耗:kg/h,比油耗:g/kW.h 4)