1、工程车辆牵引动力学概述及其研究回顾（13）专题讲座SpecialLecture霜置颟两疆_工程车辆牵引动力学概述及其研究回顾(13)蝴匕怀新(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安 710064)中图分类号:TU601 文献标识码:A 文章编号:1000-033X(2006)03006104TractionDynamicsOverviewandResearchReviewofHeavyVehicle(13)YAOHuai-xin(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducmio
2、n,ChanganUniversity,Xian710064,Shaanxi,China)因此.展开可调变矩器与液压传动系统在牵引式工程车辆上应用的研究将是今后的主要课题.与可调变矩器相比.液压传动元件经过数十年的发展,从性能,质量,批量配套,控制完善性以及价格等方面考虑均相对成熟.需要开展的只是对液压元件构成工程车辆驱动系统时的结构,性能,控制方式进行研究(这一研究对可调变矩器同样需要),而不涉及元件自身的研究.而机械自动换档无论是对于可调液力传动,还是液压传动都是一种必要的组合传动方式(对某些结构形式的车辆.具有较大调节范围的液压传动与减速器结合即可满足需要).从这个意义上讲.工程车辆传动
3、技术的未来仍然存在着 3 个方面的发展:液压无级变速 ,变速器无级变速与机械有级自动变速.这几个方面的研究历来在统一中互相促进,协同发展,存在着长短比较,争论不休的矛盾.这种状态在一个相当长的时期内可能还将存在.3 牵引动力学研究综述】3.1 研究历史回顾车辆系统力学一个重要的分支是研究行走机构和地面的相互作用问题.研究如何产生克服阻力的推进力.即牵引性能问题.牵引性能的研究主要分为 2 个方面:牵引性能的预测和用试验方法确定牵引性能.传统的牵引性能试验建立在静态条件基础之上.进行牵引计算或进行牵引性能试验时.假定或力图保持作用在机器上的外部负荷是一个常量(滚动阻力,附着重量,坡道阻力,工作阻
4、力).同时,发动机特性取自在稳定不变的工况下由台架试验所得之结果.传动系统档位固定,土壤条件不变,行走机构的滑转特性也由稳定工况下的静态牵引试验所获取.静态牵引性能反映了机器在技术上所可能达到的最高性能,这种性能通常称之为技术性能.是车辆一种潜在的性能.长期以来.牵引性能的研究目标是尽量使负荷和土壤条件保持恒定,以便于对不同类型车辆性能进行比较结构优化.从研究条件易于控制,可以保持试验条件,数据的重复性.以便于对机器进行最优分析这一点看,静态性能永远将保持其极大的优点.其直接的启示是可以用同一的试验条件研究比较各种结构.控制策略的优劣等.在牵引性能领域中.始终存在着如何评价以及提高机器在实际作
5、业过程的动态条件下的性能问题,由于这一问题的提出,自 1970 年代以来,牵引性能从静态转入动态领域.静态研究中.由于负荷的固定,发动机,传动系,行走机构均在各自静态特性的某一固定点工作,因而不需要对各部件和机器系统的变参数工作过程进行讨论和描述.关注的只是所谓的额定参数工作点描述和参数匹配问题.额定参数的工作点匹配合理,则在这一点上稳定工作的机器就能获得最好的性能指标.不讨论机器变参数的最优过程控制问题,只讨论特征点的参数匹配问题.这是静态研究和动态研究的根本差别.如果将动态研究称之为牵引动力学的话,则静态研究相应称之为牵引静力学.动态研究初期.由英国农业工程研究所 DwyerM?J提出的比
6、较系统地描述车辆(拖拉机耕地作业)牵引动力学的微分方程如下.发动机动力学方程丝=+)(I)企亘壅巫专题讲座赢行走机构滑转方程(机器牵引力方程F:F:f(G+G.+(3)工作装置动力学方程G+G一dv:F.f4)gdt垂直负荷方程=.+QK:(5)式中:-发动机有效转矩;发动机转速;-,折算到发动机上的等效转动惯量;一切线牵引力;r牵引元件动力学半径;传动系统总机械效率;总传动比:GG,G_一分别为机器附着重量,使用重量,工装重量:,分别为车辆水平和垂直负荷;卜滚动阻力系数;,一发动机和行走机构特性函数;,分别为车辆理论速度与实际速度,=(Vr-V)/Vrx100%为滑转率;.切削比阻力,常量;
7、切削深度:p移动土方量;K 厂比例系数.上述各式中,发动机特性,行走机构滑转特性,工作装置阻力特性均取为静态特性.忽略了各自的动态效应,但考虑了机器工作过程中的惯性力和过程描述,基本上属于用静态特性描述动力学问题的方程,研究的对象也是机械传动车辆.之后.该研究所 CrallaD?A 研究了车辆在波动负荷工况下的性能,改进了上述动力学方程.主要增加了下列描述发动机动态特性的方程.即柴油机调速系统的动态方程.调速器运动方程告+,2(c,:(c,调速段的发动机特性M,=KsX,(7)非调速段发动机外特性)(8)式中:,油泵齿条拉杆位移,如为泵则为供油压力 P:调速器阻尼;(c,调速器固有频率;,调速
8、器结构常数;Yl调速弹簧自由状态下的齿条位移.方程(6)(8)用循环供油量 (齿条位移)来描述发动机在动态条件下的特性.以上研究主要是为了解决工作装置切削深度的自动控制问题,通过切深控制解决载荷波动,提高机器动态性能65.1970 年代中期.前苏联国立拖拉机研究所(HATU)开展的农业拖拉机动态牵引性能的研究主要集中在以下方面.(1)发动机动态特性1)用模拟加模方法进行动态性能的试验研究;2)建立发动机动态数学模型.认为发动机动态性能的降低主要由供油滞后所引起,发动机动态转矩是转速和齿条位移的函数m:-f,X,)f2)整机动力学这一研究进展不大.考虑的主要问题有以下几个方面.11 工作阻力的概
9、率分布问题以及动态特性的评价问题:2)在静态特性上反映出的负荷波动特性的影响.即用静态特性描述动态工况:3)用发动机动态特性来计算整机的动态牵引特性.由以上研究来看,2O 世纪 7O 年代牵引动力学的研究主要集中在发动机动态性能和工作阻力的动态特性方面.而对传动系统的动态特性和行走机构的动态特性则关注不多.1980 年代以后,日本小松公司发表的描述工业推土机动力学的微分方程如下:发动机动力学方程do)(6)一-(9)企亘亟匦匾变矩器动力学方程d 厶 J=A.一(10)U车辆动力学方程,1 一一-,dv=一一(11)g(ItF=F(x 一,1)(12)式中:广一发动机附加转矩;.变矩器泵转矩;变
10、矩器涡轮轴上的等效惯量;,涡轮转速:A变矩系数:切线牵引力在涡轮上的换算转矩:卜滚动阻力;牵引阻力,是切削深度,宽度,运土量,土壤密度等变量的确定性函数.上述方程式是关于液力传动车辆的描述方程,与早期农业机械研究存在的同样问题是未考虑发动机,行走机构动态特性.工作阻力为土壤条件和工作装置结构参数的确定性函数.而未从概率统计角度考虑其分布规律.即工作阻力仍按静态处理.20 世纪 8O9O 年代.工程车辆牵引动力学的研究从多方面兴起热潮.其中原西安公路学院等国内院校发表了一系列的研究成果.达到国际同期的先进或领先水平6-8,12,13,18-22. 这些成果分布在如下几个方面 :11 建立动态测试
11、数据的随机模型和处理方法;21 建立动态性能的评价方法如何从概率统计的角度来计算评价机器的动态性能;31 研究分析了在动态条件下机器动力性,经济性下降的原因及措施:41 通过建立发动机动态性能试验台来研究其动态性能:51 通过室内土槽动态模拟加载车进行行走机构的动态滑转特性研究.以上研究表明:1)工作装置 ,行走机构,发动机的动态性能是引起机器动态效应的主要来源.2)柴油机调速系统的惯性会对发动机的动态性能产生重大影响.其影响程度与阻力矩在发动机输出特性的配置有关.因而.提高发动机动态性能的措施可由合理配置阻力矩(使用) 与改善发动机动态性能(改善专题讲座SpecialLecture结构与引入
12、控制)2 方面着手.3)行走机构动态性能对机器动态性能的影响很大.而对行走机构动态性能产生影响的因素来自多个方面.其多样性和随机性决定了提高行走机构动态性能的方法只能通过参数配置从平均意义上得到改善.而不能通过某一个参数的调节控制来完美解决.2O 世纪 9O 年代以后.牵引动力学的总体研究发展缓慢.特别是行走机构的动态特性研究如同与其相关的车辆地面力学系统研究一样,基本处于停滞状态.其主要原因除了该领域研究的应用效果不十分显着外.与提高机器行走机构动态性能的过程控制手段贫乏有着极大关系.至今还找不到提高机器动态滑转性能的有效控制方法.相反,那些易于找到有效控制方法的环节.特别如传动系统的研究一
13、如既往地快速发展着,通过其结构变革到机电液一体化控制方式的引入.使车辆的动态性能得到极大提高.同时其自动化程度也显着改善.近 lO 年来,工程车辆的研究如同其他领域一样,正进入全面的自动化,智能化阶段,而智能化的核心是通过对工作过程的参数控制调节来实现最终目标.因此,只有存在通过调节就可以达到最佳性能的系统才可以引入自动化.像工作装置的负荷控制.自动变速装置.发动机电子喷油装置.变矩器参数自动调节控制.液压传动与控制等等均属于此.无论如何.牵引动力学在 20 世纪留下来的研究成果对今天仍在开展的有关研究仍然有着指导意义.其思想方法对新的研究仍然有着启示作用.这正是总结分析其整体的研究成果与方法
14、的目的.3.2 工程车辆牵引动力学与液压动力学的研究内容与目的3.2.1 研究内容(11 理论研究1)动态性能指标体系与计算方法研究;2)动态测试数据的模型和处理方法研究.(2)动态性能试验方法与设备研究1)现场试验方法与设备;2)台架模拟试验方法与设备:3)负荷车模拟试验方法与设备.(31 现场试验与台架模拟试验研究1)工作装置与工作介质相互作用的动态特性(现场试验或土槽模拟);2】行走机构与地面相互作用的动态特性及其影响因素研究(现场试验或土槽模拟);企.R.M.C.M.2OO.S.3.m专题讲座SpecialLecture:*一一=一搀一一棼3)发动机和传动系在变负荷工况下的动态性能研究(现场试验或台架模拟).(4)使用优化研究使用条件对机器动态性能的影响和使用参数优化的研究.
