基于Visual Basic卡车循环运输工况燃油经济性分析

宋俊良，周劲草

（1.四川交通职业技术学院汽车工程系，四川 成都 611130；2.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048）

1 引言

随着环保排放法规的严格及企业降成本的要求，费用占比达到（40～55）%的燃油消耗，是降低成本的重要来源。运输卡车燃油经济性的计算指标常用吨百公里油耗来评价，矿山运输卡车的运行工况比较固定，在整个循环周期内，运输量、距离、油耗量等的综合最优时，则认为燃油消耗达到最佳[1]。车辆燃油消耗的影响因素众多，涉及的工况也较多，建立高效燃油经济性评价系统，可提升成本控制的有效性，具有重要的应用价值。

国内外学者对此进行了一定的研究：文献[2]基于试验台架，通过调整加载，选取空载、1/3装载、1/2装载、2/3装载及满载等工况，获取负载变化对燃油经济性的影响；文献[3]采用一维软件STARCD建立发动机动力传递系统能量管理模型，以此影响发动机燃油经济性的各个影响因素，主要是负载和油门开度；文献[4]采用三维建模软件ADAMS，建立发动机传动系统的分析模型，获取影响燃油消耗的主要影响因素，并重点分析负载的影响情况；文献[5]基于发动机的动力学模型，分析不同运行工况参数，主要包括油门开度、负载等对整车油耗的影响规律，以此获取最优的参数组合设计；文献[6]采用发动机在线监测系统，对某车辆周期性循环运行工况下的燃油消耗量进行在线测试，分析不同的油门开度的影响，以获取最佳动力分配比。

针对井下运输卡车循环工况的特点，建立工作循环示意图，获取八工况各自的燃油消耗量；采用循环行驶计算法，测定运输卡车的燃油经济性。基于编程语言VB（Visual Basic）建立卡车燃油经济性分析模块，分为输入和输出端。分析不同车型、斜坡道坡度、运输量等对燃油经济性的影响。采用发动机燃油测试试验台，分析不同转速和负载条件下，发动机的比油耗，与系统模拟结果进行对比，以此验证分析结果的准确性。

2 运输卡车循环工况模型

矿山运输卡车的运行工况比较固定，卸料-装载-卸料完成一个工作循环工况，重载运输、空载返回，如此往复运动[7]，循环示意图，如图1所示。

图1 工作循环示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Working Cycle

2.1 燃油消耗量数学模型

设定在某矿段进行运输，运距s为2000m。斜坡道坡度15%，斜坡道长度s1为1600m，约占全长的80%；弯道处缓坡道坡度为5%，运行距离s2为250m，约占全长的12.5%；工作面内平路运行距离s3为50m；出口处距离卸料处平路距离s4为150m。卡车等待时间为tw，为在巷道内等待装车的时间[8]。

由车辆燃油消耗率ge与小时燃油消耗量Gi的关系可知：

式中：Pe—发动机有效功率。

式中：Gi—怠速时小时燃油消耗量；gi—怠速时燃油消耗率。

（1）怠速燃油消耗量：

（2）同理，卡车在铲运机装料的时间内仍怠速运转，此段时间内燃油消耗量：

（3）卡车在平路s3距离内做从静止开始全油门加速运动加速至uɑ1。

加速过程分隔为若干区间，如图2所示。可得：

图2 等加速燃油消耗量Fig.2 Fuel Consumption During Equal Acceleration

车辆每个时间段末的速度分别为1km/h、2km/h……、nkm/h，相对应各档位牵引力为F1，F2，…，Fn。继而计算各时间段加速度ɑi=Fi/m。由Pi=Fi=vi，可计算出相应的发动机功率，由此可依据上述公式直接计算单位时间内燃油消耗量。

则，整个过程燃油消耗量为：

（4）卡车到达斜坡道开始以某一档位，一定速度v匀速上坡，燃油消耗量为：

式中：gei—某车速下的燃油消耗率。

式中：ui—匀速上坡时的速度。

（5）卡车在出井口后为一段速度由v1到v2的匀加速运动，运动时间：

加速距离s4，这段时间的平均速度v平=（v1+v2）/2，由此可推算出F平，n平，P平。则该区段的燃油消耗量为：

（6）卸载工况燃油消耗量为：

（7）卡车卸料完成后回行，在平路做由静止开始的加速运动，距离为s4。根据以上公式同理可得此段耗油量为：

（8）卡车在进入井口后沿斜坡道以某一车速uɑ3减速到uɑ4的等减速运动，减速时间为：

式中：uɑ2、uɑ3—起始和减速终了的车速；du/dt—减速度。

减速过程的燃油消耗量为：

（9）卡车在进入工作面巷道后以有一车速v匀速运动至装料处。此过程的燃油消耗量为：

（10）整个等速过程行经s1的燃油消耗量为：

式中：ui—匀速上坡时的速度。

式中：Q—一个循环的燃油消耗量，为以上各运行状态燃油消耗总和；m—运输货物重量；s—运输的距离。

2.2 基于VB燃油经济性求解模块

循环运行工况充分体现了井下运输卡车的工作特征，其中各路段的距离均有模块参数输入界面输入数值[9]。燃油经济性的分析依托于整车动力性能分析系统，其框图，如图3所示。

图3 车辆动力性能仿真全过程图Fig.3 The Whole Process of Vehicle Dynamic Performance Simulation

该模块采用的编程语言是（Visual Basic），后台数据库采用Access数据库，计算的结果报表以Excel文档的形式输出并存档。每个工况运行的时间根据其所处路面状况和长度有关，具体参数可在下一张燃油经济性模块开发的参数设定模块中设定具体数值。这样就可以更准确的计算运输卡车在具有不同特点的矿井下运输的燃油经济性。燃油经济性模块主要包括运输卡车工作循环参数设定、铲运机工作循环参数设定、燃油经济性计算三部分组成，如图4所示。

图4 燃油经济性计算模块框图Fig.4 Block Diagram of Fuel Economy Calculation Module

运输卡车工作循环参数设定是最重要的模块之一，它要完成对卡车运输参数和矿井参数的读取和分工况燃油经济性的计算，如图5所示。

图5 燃油经济性求解模块Fig.5 Fuel Economy Solution Module

运输卡车工作循环参数设定界面中分两个部分，如图5 所示。第一部分为路面参数设定。第二部分是时间参数设定。燃油经济性结果查询模块中有三个评价指标可以查询：每吨矿公里油耗、百公里油耗和小时油耗，如图6（b）所示。

3 燃油经济性影响因素分析

以某铁矿项目为例，其具体参数，如表1所示。将根据矿井实际参数，计算其单个工况循环的燃油消耗量以及每天的耗油量。

表1 某矿区矿井参数表Tab.1 Mine Parameters in a Mining Area

3.1 不同车型燃油经济性对比

利用运输卡车燃油经济性模块，三款运输卡车燃油经济性，车型主要参数，如表2所示。循环工况参数，如表1所示。在相同的工况循环条件下，计算系列车型的燃油经济性，进行对比分析，具有一定的现实意义。计算输入模块参数也采取相同参数设置，获得燃油经济性输出结果，如图6所示。

图6 运输卡车燃油经济性计算结果Fig.6 Fuel Truck Fuel Economy Calculation Result

表2 车型参数Tab.2 Model Parameters

由分析结果可知，三个车型的燃油消耗量相差不大，车型二与其他相比无优势；考虑车型的运输量，则车型二最大；考虑各因素的成本，则车型二的效益为96.8万元，从生产效益角度考虑，其优于其他两个车型，适合所研究工况运输。

3.2 斜坡道坡度影响

工况模型参数如表1所示，获取：每吨矿公里油耗、每小时油耗、百公里油耗、每天油耗量、每天运矿量、每天运矿量与油耗量的比值。绘制设定的工况循环下运输卡车燃油经济性评价指标随坡度变化的离散数值曲线，曲线图，如图7所示。

图7 不同坡度下的燃油经济性指标Fig.7 Fuel Economy Index under Different Slopes

从图中可以看出，随着坡度增加，运输量减小，油耗则呈现增长趋势；车辆每个工况循环时间增大，需要的燃油消耗量也增大，在所研究的工况循环内，由上表分析可知，随坡度增加，盈利减小，在该矿区坡度为15%时运输卡车每天油耗量达到最大值。

3.3 每工况循环运量影响

在某矿区使用该型号卡车，斜坡道坡度为15%时，卡车的爬坡性能远远大于该坡度值，一二档下车辆的储备功率较高，因此可以考虑增加每工况循环运量来提高运矿量。根据运输卡车燃油经济性模块计算同一个工况循环下，计算运输卡车不同载重量时的燃油经济性评价指标，如图8所示。

图8 不同运量的燃油经济性指标Fig.8 Fuel Economy Indicators for Different Shipments

分析可知，百公里油耗随卡车每工况循环运量量增大而逐渐增大，增加每个工况循环的运矿量，导致油耗增加，符合实际情况。图中分析结果可知，小时油耗随卡车每工况循环运量的增加而减小。吨矿公里油耗这个燃油经济性评价指标随卡车每工况循环运量量的增大而减小，也就是说提高每工况循环运量量可相对减小燃油消耗，这对运输卡车而言意义重大。每工况循环不同运量的燃油经济性指标，再根据运输卡车的盈利公式，通过对表2中每台卡车每天运量和每天燃油消耗量的计算，得知，当运输卡车每工况循环的运量为30t时，效益可达最大值，如图9所示。

图9 油耗量关系曲线Fig.9 Fuel Consumption Relationship Curve

图中分析可知，增大运输卡车车厢容积，增大载重量可提高运输卡车的效益。

4 试验测试对比分析

利用发动机试验台架，对搭建的运输卡车燃油经济性分析模型进行检验。试样台，如图10所示。包括发动机、变速箱、功率耗散装置、水利测功机、燃油消耗测试系统等组成[10]。获取不同功率、负载状况下，发动机的比油耗，与系统模拟结果进行对比，如表3、图11（a）所示。根据表1所示的整个循环坡度情况，调整发动机运行速度和输出扭矩，获取不同坡度下的燃油消耗，并与仿真结果进行对比，结果如图11（b）所示。

图10 发动机燃油经济性测试台架Fig.10 Engine Fuel Economy Test Bench

表3 测试结果对比Tab.3 Comparison of Test Result

图11 测试曲线对比Fig.11 Comparison of Test Curves

根据分析结果可知，获取的燃油经济性变化曲线，随着发动机转速和输出扭矩的增加，发动机的燃油消耗先增加后减小。获取不同坡度下发动机燃油消耗逐渐增加，与系统测试趋势一致。对比参数可以发现，测试系统获取分析结果与试验结果基本一致，最大误差在7%以内。表明测试系统分析结果的可靠性。

5 结论

针对给定的工况循环，利用本节开发的燃油经济性计算模块，分析矿井斜坡道坡度、每工况循环运矿量对运输卡车燃油经济性的影响。结果可知：（1）每吨矿公里的燃油消耗量分别为0.156L，每天的生产效益为96.8万元，所研究的运输卡车油耗无优势，但经济效益显著，适合在所研究的循环工况运行；（2）当坡度为15%时，运输卡车每天油耗量达到最大值；当卡车的载重量为30t时可使该运输卡车的经济效益最大化；（3）试验测试与系统模拟结果误差在7%以内，油耗的变化趋势保持一致，表明系统模块结果的可靠性与准确性。