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轮式装载机动力性和经济性仿真平台开发研究

龚大鹏  
【摘要】:传动系是轮式装载机的重要组成部分,在铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料,或者轻度铲挖作业时为工作装置动作和车辆移动传递动力。传动系的性能直接影响装载机的作业效率、经济效益以及对环境的影响程度。由于装载机作业过程具有低速重载、载荷波动大的特性,需要综合考虑部件的承载能力和产品的性能要求。在新产品设计初期应用计算机仿真预测装载机性能以及传动系载荷变化可以缩短设计周期,降低开发成本。 基于这样的背景,本文展开了对装载机传动系的研究,课题结合国家自然科学基金资助项目“轮式工程车辆传动系载荷谱关键技术研究”(项目编号:50805065)以及企业合作项目“LW1200K轮式装载机开发”,以典型轮式装载机传动系统为研究对象,通过车辆动力学、现代设计方法以及MATLAB程序语言的综合运用,建立了装载机性能仿真平台;研究了装载机适用的换挡策略;在此基础上预测装载机的动力性、经济性和排放特性,仿真传动系各部件间的相互作用;编制典型装载机铲装载荷曲线,并提出基于典型工况和性能约束条件的全局优化方法,优化了传动系性能。针对以上目的完成的工作及得到相关结论如下: 1.系统地研究了轮式装载机传动系及其关键部件的工作原理,建立了传动系数学模型。 2.提出了整合前向仿真法和后向仿真法的综合仿真思路,以外部载荷和车辆参数为输入,通过欧拉法迭代求解传动系性能;研究适用于装载机的变速箱控制策略,提出了基于发动机油门开度、车速、负载分流系数的α-V-△T三参数换挡策略,编制了换挡曲面,所得规律在换挡前后保证了装载机动力性最佳; 3.开发了轮式装载机动力性和经济性仿真平台。在Matlab/Simulink模块下建立了传动系仿真模型,仿真过程中程序自动进行维护和控制;编制面向用户的GUI操作界面,调用Simulink模型,引导用户设置仿真参数,控制模型的算法流程,并进行必要的数据计算处理。平台能够仿真装载机的动力性能(包括起步加速性能,爬坡能力和最大牵引力)、燃油经济性和排放特性,并针对特定配置的车辆进行虚拟测试,多方案对比分析。通过仿真结果和厂家提供数据的对比分析,验证了仿真模型结果的准确性。 4.提出了基于仿真工况的传动系全局优化方法。根据样机测试得到的数据编制装载机铲装作业工况的载荷循环,采用编制的铲装载荷为输入,应用遗传算法,分别以仿真工况的油耗和变矩器平均效率为优化目标,以满足动力性要求为约束条件,对传动系进行了匹配优化。优化后发动机工作点向低油耗区移动,铲掘过程更接近发动机最大转矩点,变矩器效率较优化前提高。 本文的研究是一项具有实用意义和推广价值的工作。编制的性能仿真软件为产品设计提供了平台;软件计算得到的动力性、经济性是装载机设计中的重要参考指标,仿真结果准确,能够为轮式装载机传动系的设计提供理论依据;优化结果可以作为传动系配置的参考方案;基于实测载荷进行仿真,能够得到传动系各部件的载荷-时间历经,可以用来指导关键部件的强度设计。


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