轮式装载机液力传动系统节能研究

发布时间：2018-02-16 09:30

本文关键词： 装载机节能低转速大能容液力变矩器导轮自由轮涡轮闭锁变功率匹配　出处：《吉林大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着经济的快速发展，社会对能源的需求持续增加。近年来，能源危机问题日益严重，以节能降耗为主题的绿色经济已经成为社会发展的主旋律。轮式装载机作为一种铲土工程机械，它作业灵活、操作方便，在基础经济建设、物流运输中发挥着重要作用。在轮式装载机节能领域里，欧美等发达国家已经制定了严格的能耗指标，并作为产品许可的强制性标准。国内也把降低能耗作为发展轮式装载机的一项基本政策，并制定了能耗指标，把它作为评价装载机产品质量的重要条件。降低燃油消耗、发展节能型装载机已经成为大家的共识。装载机的液力传动系统主要由发动机、液力变矩器、动力换挡变速箱和驱动桥等部件组成。其中液力变矩器具有结构简单、制造成本低的优点，而且变矩范围宽、可实现无级变速；它的最大缺点是传动效率低，对装载机的燃油经济性影响较大。据统计，装载机发动机输出的功率经液力传动系统到车轮有30%左右的损失，而其中80%的损失来自液力变矩器，因此对装载机液力传动系统节能的研究具有很大的发展空间和重要意义。国外在装载机液力传动系统节能领域的研究起步较早，对传统的液力传动系统领域节能的研究已经成熟。主要通过应用低转速发动机、自由导轮、涡轮闭锁、提高变速箱、驱动桥等部件的齿轮精度，优化发动机与液力变矩器的匹配来提高传动系统的效率，改善整车的燃油经济性。在新的节能领域里，主要通过应用液压-机械偶合的方式来实现无级变速（CVT）节能，或应用混合动力（Hybrid）实现节能。这两种节能方法都取消了液力变矩器，装载机的燃油经济性得到了明显提升。但这种节能方法技术难度大，成本高，，短期内很难被市场所接受，实现产业化仍需一定的时间。在未来一定时间内，各装载机制造商仍将以优化液力传动系统节能为主要路线，同时研究储备CVT和Hybrid等下一代节能方案。国产装载机基本都应用了传统的液力传动系统，其中以ZL50系列的双涡轮液力变矩器为主，在液力传动系统节能领域的研究比国外起步晚。由于生产量大，竞争激烈，同时又受到国外先进节能型装载机的影响，研究液力传动系统的节能非常迫切而且具有重要的意义。针对上述问题，本文结合国家863项目“面向土方机械动力总成全生命周期设计关键技术”（2014AA041502），基于广西柳工机械股份有限公司某型号轮式装载机的液力传动系统，开展了一系列的节能研究，主要研究内容和结论如下。 1.研究了某ZL50轮式装载机低转速发动机与低转速大能容液力变矩器的匹配节能。应用CFD方法设计了低转速大能容双涡轮液力变矩器，并通过试验验证了CFD的设计精度。研究表明，低转速发动机与低转速大能容液力变矩器匹配时较原高转速发动机与液力变矩器具有更大的转矩输出。为了保证变速箱的可靠性，提出了通过优化设计双涡轮液力变矩器的超越离合器汇流机构的齿轮副速比的方法，来实现低转速大能容液力变矩器合理匹配低转速发动机，且输出转矩不大于原高转速整车的方案。提出了将汇流机构超越离合器凸轮设计成内星轮结构的方法，有效地减少了凸轮在频繁闭解锁过程中的磨损。最后对低、高转速装载机整车进行了试验验证。试验证明，在保证装载机动力性能不变的情况下，低转速装载机较原来的高转速装载机最高车速等速百公里行车平均节油约13%，铲装作业平均节油约6%。 2.研究了导轮自由轮及涡轮闭锁对整车动力性和经济性的影响，装备闭锁离合器后，装载机的各挡位最大输出功率之和提高了31.7%，且各挡位最高车速增加，加速时间缩短，最高车速对应的等速百公里油耗降低，说明液力变矩器涡轮闭锁能显著地提高装载机在高速时的动力性、燃油经济性和作业效率。同时研究了涡轮闭解锁策略，提出了装载机实现最佳闭锁节能效果时的变速箱挡位速比级差。对有无装备导轮自由轮的装载机进行了最高车速等速百公里行车油耗测试，试验证明，装备导轮自由轮的装载机较无导轮自由轮的装载机节能约17%。对国内有无装备涡轮闭锁离合器的某型号装载机进行了动力性测试，试验证明，装载机装备涡轮闭锁后的各挡位最高车速均有所增加，并且挡位越高，车速的增加量越大。 3.研究了变功率发动机与液力变矩器的匹配节能，提出了基于物料强度来选择变功率发动机与同一液力变矩器匹配的方法。基于某型号装载机统计分析了作业载荷分布，根据装载机作业负荷设计了发动机变功率特性曲线。分别通过改变发动机调速段转速、外特性段转矩及综合两种方式等三种方法来改变发动机的功率，并分析了它们与同一个液力变矩器匹配的合理性。每种发动机变功率方案都设计有动力模式、标准模式和经济模式等三种功率曲线，使装载机具有多种动力模式的作业功能，以满足不同作业工况的要求。最后通过改变调速段转速的方式试制了变功率发动机，并进行了装车作业油耗测试。试验证明，在松散物料工况，装载机在动力模式下铲装作业的绝对油耗比经济模式下铲装作业的绝对油耗高9.8%；在最高车速等速百公里行车工况，装载机在动力模式下的绝对油耗比经济模式时的绝对油耗高12.4%。本文针对装载机的液力传动系统节能方法开展了研究，提出了具体可行的解决方案，并结合企业实际情况进行装车试验，有效验证了节能方案。为装载机液力传动系统的节能研究提供了支持，同时对其它工程机械的液力传动系统节能研究也有一定的参考价值。
[Abstract]:With the rapid development of economy , the demand for energy is increasing . In recent years , the energy crisis has become more and more serious , and the green economy with energy saving and consumption reduction has become the main melody of social development . The hydraulic transmission system of loader consists of engine , torque converter , power shift gear box and drive axle . The hydraulic torque converter has the advantages of simple structure and low manufacturing cost . It has the biggest disadvantage that the transmission efficiency is low and the influence on the fuel economy of the loader is large . According to statistics , the power of the loader engine output from the hydraulic transmission system to the wheel has a loss of about 30 % , and 80 % of the loss comes from the torque converter , so the research on the energy saving of the hydraulic transmission system of the loader has great development space and important significance . In the field of energy saving , the research on energy saving in the hydraulic transmission system of loader is very early , and the energy saving in the traditional hydraulic transmission system has been mature . The domestic loader basically applies the traditional hydraulic transmission system , in which the ZL50 series double - turbine hydraulic torque converter is the main , and the research on the energy - saving field of the hydraulic transmission system is more and more important than that in the foreign countries . In view of the above - mentioned problems , a series of energy - saving studies have been carried out based on the key technology of the whole life cycle design of the National 863 Project ( 2014 AA041502 ) , which is based on the hydraulic transmission system of a wheel loader of Liugong Machinery Co . , Ltd . in Guangxi . The main research contents and conclusions are as follows . 1 . The matching energy - saving of a ZL50 wheel loader low - speed engine and a low - speed large - capacity hydraulic torque converter is studied . The design accuracy of the low - speed large - capacity hydraulic torque converter is verified by using the CFD method . 2 . The influence of the wheel and turbine locking on the power and economy of the whole vehicle is studied . The maximum output power of each gear of the loader is increased by 31 . 7 % after the lock - up clutch is equipped . 3 . The matching energy - saving of variable power engine and hydraulic torque converter is studied . The method of matching the variable power engine with the same hydraulic torque converter is put forward based on the material strength . Three kinds of power curves , such as power mode , standard mode and economic mode , are designed based on the working load of loader . This paper studies the energy - saving method of the hydraulic transmission system of loader , puts forward the concrete feasible solution , and carries on the vehicle loading test according to the actual situation of the enterprise , effectively validates the energy - saving scheme . It provides the support for the energy - saving research of the hydraulic transmission system of the loader , and also has certain reference value to the energy - saving study of the hydraulic transmission system of other engineering machinery .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH243

【参考文献】