履带式推土机动力系统匹配仿真与探讨

严雪冬

履带式推土机动力系统匹配仿真与探讨

严雪冬

（吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春，130022）

推土机作为工程机械的重要设备，广泛应用于各种土石方作业。推土机工作时条件恶劣、工况复杂多变，提高其动力性、经济性乃至匹配性至关重要。通过在TY165推土机中采用C399和YJ380两种液力变矩器，进行理论分析，得出：液力变矩器的性能参数取决于不同的行星排结构参数D及有效直径α的组合，最优组合决定着最优整机性能。通过分析对比整机性能，得出YJ380的匹配性能优于C399的结论。

推土机；动力传动系；液力变矩器；匹配；优化设计；数学模型

引言

推土机是工程机械设备，可在城市建筑、道路修筑、水电基础设施、港口建设、矿山开采等各种土石方作业中，实施推移积土、开渠、运移土方、填土、清理场地、破土等施工辅助作业[1]。

在我国科研工作者努力下，我国推土机行业的制造水平和竞争力逐渐提高，其中具有代表性的企业“山推”和“宣工”拥有较强科研实力，其产品各具特色。我国制造自主品牌的推土机系列产品大量出口国外，促进工程机械行业迅猛发展。

由于推土机工作条件恶劣，且作业工况复杂多变，如何改善其动力性、经济性乃至匹配性，一直是各推土机制造企业密切关注的问题。实现推土机整机动力传动系统性能评价和实际控制策略的实施，建立传动系统的精确数学模型，可为相关研究提供前提准备和先决条件，因此显得尤为重要[2]。

1　发动机工作数学模型

近年来，推土机行业正朝着大型、环保、智能、节能、信息化方向发展，随着计算机、信息、通讯、电子和人工智能技术在机械行业及推土机中的应用，推土机正在迈向高度智能化阶段。

现代推土机多采用柴油机作为动力源，且其工作过程呈现多种非线性特征，传统数学表达式已无法对柴油机的工作特性进行精确描述，对此采用最小二乘拟合以及数据查表的方法，在稳态实验数据基础上，实现其发动机特性的描述[3]。装载有全程调速器的发动机稳态特性由稳态外特性和调速特性组成。大量研究和试验表明，发动机输出转矩和油耗都可表示成发动机油门开度和转速的函数[4]。

根据C6121ZG05a柴油机的原始特性数据，利用Matlab环境下的回归分析工具进行最小二乘拟合处理，得到发动机稳态外特性的数学模型[5]：

当ne＞1900时，发动机调速状态特性在各个油门开度下怠速转速和油门位置α的关系为

由于nL和nR已知，那么在不同的油门开度下，发动机的扭矩和耗油量的调速特性方程为

最终得到发动机输出的扭矩、功率及耗油量的拟合方程为

2　液力机械变矩器建模

液力变矩器的主要特征参数包括转速比、变矩系数、力矩系数、效率、穿透性等。其中，原始特性曲线和外特性曲线是能够表达变矩器特性的曲线。原始特性曲线是指当泵轮转速一定时，变矩系数和效率随转速比变化而变化的规律曲线；外特性曲线是指当泵轮转矩一定时，涡轮转矩与涡轮转速或转速比的关系曲线[6]。外分流式液力变矩器为液力机械变矩器，是液力变矩器和机械传动元件以不同方式组合起来的液力机械传动装置。发动机的功率可通过液力和机械两种路径进行传递，不仅具有传动效率高和自适应性的优点，而且扩展了液力变矩器的应用范围。由于液力变矩器和行星差速机构组成外功率分流式液力机械变矩器时，获得了不同于原来变矩器的性能，故采用等效转化，由一个等效变矩器所替代。

C399外分流液力机械变矩器原始特性参数为：循环圆有效直径D=399 mm。

YJ380变矩器原始特性参数为：循环圆有效直径D=380 mm。

2.1变速箱建模

这里所指的变速箱模型也即三档变速箱机械系统模型。通过对档位进行查表，可得到相应的传动比。其他参数如下：

① 使用质量ms=17 800 kg；

② 滚动阻力系数：0.1；

③ 附着系数φ=0.85；

④ 地面附着力Pφ=139.6 kN；

⑤ 工作阻力：122.3 kN；

⑥ 动力半径：0.404 m。

2.2推土机机身建模

推土机在工作时一方面需要克服因摩擦或变形，在行动装置和履带中产生的行动装置阻力，该阻力取决于载荷和履带张力状况，另一方面需要克服外部来对抗履带运动的阻力，其中包括车首阻力、爬坡阻力、空气阻力、加速阻力、拖挂阻力、滚动阻力等[7]。

（1）牵引平衡方程

不考虑瞬时动载时，机器在牵引工况下的牵引平衡方程为：

考虑瞬时动载时，机器在牵引工况下的牵引平衡方程为：

（2）车速 。

对于履带式机械，

那么，

3　基于Simulink的推土机整机建模

3.1建模流程图

建模流程图如图1所示。

3.2建模仿真结果

图2和表1中的结果表明：在牵引性能相当的情况下，YJ380变矩器较C399外分流液力机械变矩器的经济性要好，经计算，在70 s的工作循环中可节油1.074 kg。

图1　建模流程图

图2　建模仿真结果

表1　建模仿真结果

4　探讨与结论

本文对TY165型履带推土机动力传动系统的动态特性进行了全面分析，采用数学模型与数据查表相结合的方法，对整机动力传动系进行建模，包括发动机、两种液力变矩器、行星变速箱、机身外界环境模型，同时忽略发动机所属附件功率分流和与之相关的液压系统功率分流的影响，对比了两种液力变矩器下的整机性能和经济性。

工程机械的牵引特性和燃油经济性，与液力变矩器与发动机的共同工作性能匹配密切相关。对于液力机械变矩器而言，匹配目的在于行星排结构参数D及有效直径α是否组合最优。匹配的过程也即在一定范围内对比寻优的过程。D和α的变化反映在液力机械变矩器原始特性参数的变化上。

[1]诸文农, 杨红旗, 南新旭. 履带推土机结构与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1986.

[2]白秀超. 履带推土机动力传动系统匹配分析与协同仿真[D].长春: 吉林大学, 2012.

[3]易军. 履带车辆自动变速系统智能控制策略及实验研究[D].武汉: 华中科技大学, 2007.

[4]金涛涛. 综合传动装置换挡品质优化研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2008.

[5]XU J J, CHEN Z, WANG C, et al. Simulating Study about the Power-train Matching Basing on Matlab [J]. Auto Mobile Science & Technology, 2009(5): 35-37.

[6]刘存波. 推土机液力变矩器闭锁离合器控制系统研究[D]. 淄博: 山东理工大学, 2009.

[7](联邦德国)梅尔霍夫. 履带车辆行驶力学[M]. 北京: 国防工业出版社, 1989.

Dynamic System Matching Simulation and its Discussion for Crawler Bulldozer

YAN Xue-dong
(The Institute of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin, 130022, China)

Bulldozer, as one of the main types of engineering machinery, is widely used in various kinds of earthwork operations. Bulldozer’s working condition is bad, complicated and changeable, and it is very important to improve its dynamic, economic and matching performances. By adopting two kinds of hydraulic torque converter, namely, C399 and YJ380, into TY165 bulldozer, to respectively compare the performances of the whole machine, observing that matching performance of YJ380 is better than that of C399. Theoretical analysis shows that, the performance parameters of the hydraulic torque converter are determined by the combination of different structure parameters and effective diameter, and the optimum combination corresponds with the optimum performance of the whole machine.

Bulldozer Power; Transmission System; Hydraulic Torque Converter; Matching; Optimum Design; Mathematical Model

TU623.5

A

2095-8412 (2016) 05-933-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.028

严雪冬(1992-)，女，汉族，四川高县人。吉林大学机械工程专业硕士研究生。主要研究方向：机械动力系统仿真、结构优化、拓扑优化。