第四章第五节jsp.ppt
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1、第五节 牵引力平衡和牵引功率平衡,牵引力和牵引功率平衡是表明机械作业时的切线牵引力和发动机的有效功率是如何分配、消耗和利用的。,一、牵引力平衡,推动车辆前进的驱动力是地面作用在履带或轮胎上的切线牵引力。产生这一切线牵引力的原动力是由发动机传至驱动轮上的驱动力矩,而驱动力矩本身又需依靠履带与土壤或轮胎与土壤之间的附着作用才能得以充分发挥。因此,车辆的切线牵引力可按两种限制条件来计算,即按发动机的功率和地面的附着条件。发动机的特性和地面的附着条件是牵引力平衡和牵引功率平衡计算的基础。,(一)驱动力的确定,1、机械直接传动的车辆驱动力的确定,1)由发动机动力所确定的驱动力: 在确定驱动力矩MK时应注
2、意,对大多数工程机械来说,发动机的功率在输入变速箱之前,必须分出一部分来驱动机械的辅助装置;对装载机一类的机械,还需分出相当大的一部分功率来驱动工作机构。因此在计算驱动力矩时应将这一部分转矩(功率)从发动机的转矩Me(功率Pe)中扣除。,设MBa和MPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出轴上的发动机转矩,PBa和PPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出轴上的发动机功率,则输入变速箱的发动机自由转矩Mec和自由功率Pec可按下式计算:,(1)在等速稳定运转的工况下,驱动轮上的力矩Mk可按下式计算:,传动系的总效率可按下式计算:,根据以上分析,切线牵引力可按下式计算:,()不稳定状况时,当工作
3、阻力突然减小或增大时,机械处于减速或加速的不稳定过程。此时由于发动机飞轮、传动系以及整车质量惯性力的作用,驱动力矩和切线牵引力都会发生变化。尤其是在减速过程中,此种惯性力可用来增大车辆的驱动力、以克服铲掘阻力的短时增大(即所谓冲击铲掘)。此点对机械传动的工程机械是有实用意义的。,在不稳定工况下,履带车辆的切线牵引力可按下式计算:,2)由附着条件决定的最大切线牵引力(附着力)可按下式确定:,2、液力机械传动工程机械驱动力的确定:,在液力机械传动中可将发动机和液力变矩器看成是某种复合的动力装置。因此,对于这种传动形式的机械传动部分,只要给出了变矩器与发动机共同工作的输出特性,则驱动力计算与机械直接
4、传动的情况并无原则的区别,但计算的原始依据应是涡轮输出轴的转矩M2。,需要注意的是: 当计算变矩器的输出特性时,在发动机的有效功率中必须扣除由发动机直接驱动的功率输出轴(例如装载机的驱动工作机构的油泵)和辅助装置所消耗的功率。与机械直接传动的情况不同,在液力机械传动中,辅助装置的消耗不仅包括主离合器、转向等油泵的空载消耗,而且还有变矩器冷却油泵的消耗,该油泵是按照工作负荷运转的。,在机械等速稳定行驶的工况下,驱动轮所获得的驱动力矩可按下式计算:,im和m仍可按机械传动进行计算,只是机械传动中发动机的Me和ne应用相应的涡轮输出轴的M2和n2来代替。,需要注意的是: 如果采用动力换挡变速箱,其功
5、率损失不只是齿轮的啮合损失,主要的损失还是各换档离合器中的回转损失。对于此种损失尚无精确的计算办法,在实用计算中,动力换挡变速箱的转矩损失可按3050Nm来考虑(对于l020t级的机械),并将其在变速箱的输出转矩中扣除。,切线牵引力FK可按下式计算:,由附着条件决定的最大切线牵引力的计算公式与机械传动时相同。,当液力机械传动的车辆在不稳定工况下工作时,由于变矩器对发动机负荷的隔离作用(不透穿性),利用发动机飞轮惯性来增大切线牵引力的可能性大大降低。但变矩器的变矩作用通常能保证机械具有足够大的牵引力以克服临时增大的切削阻力。因此,利用机械在减速时的惯性来增大牵引力的问题,在这种场合,没有太大实用
6、意义。,二、牵引力平衡和牵引功率平衡,工程机械的牵引力平衡和功率平衡表明了当机械工作时它的切线牵引力和发动机的有效功率是怎样分配、消耗和被利用的。机械的牵引力平衡方程和牵引功率平衡方程是研究牵引特性的基本方程。,(一)牵引力平衡方程,1、机械在等速行驶的稳定工况时 当机械在等速行速工况下的牵引力平衡方程为:,式中:FK切线牵引力; F作用在机械上的所有外部阻力之和。,)F中包括以下几项:,(1)滚动阻力Ff:,(2)坡道阻力:,(3)工作阻力Fx:工作阻力Fx即作用在工作装置上的铲掘阻力。,作用在车辆上的外部阻力的总和F即等于:,)机械的牵引力平衡方程具有以下形式:,当机械作等速运行时,有效牵
7、引力FKP的一般表达式为:,2、机械在不稳定工况下运动时,对于机械直接传动的车辆,需要考虑运动质量惯性力的影响,此时牵引平衡方程为:,此时机械的有效牵引力的表达式为:,二、牵引功率平衡方程牵引功率和牵引效率的计算,1、机械传动 机械的牵引功率平衡表明了发动机的有效功率是怎样分配、消耗和被利用的。 当机械传动的车辆在等速牵引工况下工作时,发动机的功率将按以下各部分分配:,(1)驱动辅助装置消耗的功率PBa,这部分功率主要消耗在克服操纵和润滑系统油泵的空载回路阻力中,它可按下列公式计算:,若用Ba表示驱动辅助装置的效率,则有:,(2)驱动功率输出轴所需的功率PPTO,这部分功率计算需视车辆所带工作
8、装置的类型决定。对于推土机可认为在推土时,工作装置等操纵系统基本上是不工作的,主要依靠切线牵引力进行工作,所以这部分为零。,对于装载机,可以如下计算:,输入变速箱的功率,即发动机的自由功率Pec为:,(3)传动系中的功率损失Pm:,驱动轮上获得的驱动功率PK可按下式计算:,(4)履带驱动段上的功率损失Pr:,履带上的理论切线牵引功率为:,理论切线牵引功率也可直接由切线牵引力和车辆的理论行驶速度计算:,()履带滑转引起的功率损失P:,若用滑转效率来表示由于滑转而引起的理论切线牵引力的损失,则:,上式表明,实际上代表了由于滑转而引起的理论速度的损失,所以也称速度效率。,上式表示了切线牵引力实际产生
9、的推动车辆前进的功率,称为实际切线牵引功率PPK,如下计算:,(6)消耗在克服滚动阻力上的功率Pf:,如机械在水平地面上工作,则有:,如果用效率f表示由于克服滚动阻力而造成的实际切线牵引功率的损失,则:,为实际切线牵引功率扣除滚动阻力消耗的功率之后,所剩余的可供克服有效阻力用的功率。当机械在水平地段上工作时,它即为车辆的有效牵引功率:,(7)消耗在克服坡道阻力上的功率Pi:,(8)消耗在克服工作阻力上的功率,即有效功率PKP:,在上述各项计算公式中,机械的理论行驶速度vT和实际行驶速度v可用以下公式计算:,工程机械的功率平衡方程式如下:,有效牵引功率的PKP一般表达式为:,上两式表达了牵引功率
10、的物理意义,即机械的牵引功率是发动机的有效功率中扣除了各种损失后所剩余的,可供进行有效作业的功率。,牵引效率KP:机械牵引功率在发动机有效功率中所占的百分比。,对于无功率分出的机械,如推土机, KP可用有效牵引功率与发动机有效功率之比表示。,对于有功率分出的情况,例如装载机,可用牵引功率与(Pe-PPTO)之比表示,即:,很多情况下,牵引效率也用牵引功率与发动机的额定功率之比表示:,2、液力传动:,对于液力机械传动的车辆,发动机有效功率的分配和消耗略有不同。此时除机械传动的各项损失外,还需增加液力传动中的功率损失。在这种场合下,车辆的功率平衡方程式可列如下:,在上式中,需要注意的是,辅助装置消
11、耗的功率PBa不仅包括各油泵回路的空载阻力损耗,而且还应包括带工作负荷的变矩器冷却油泵所消耗的功率,此时PBa可按下式计算:,变矩器的功率损失可如下计算:,机械传动部分的功率损失按下式计算:,第六节 牵引特性,一、牵引特性曲线 牵引特性是反映车辆牵引性能和燃料经济性最基本的特性。牵引特性可用牵引特性曲线的形式表示。,1、定义:用图表的形式表示了机械在一定的地面条件下,在水平地段以全油门作运动时,机械各挡的牵引功率、实际行驶速度、牵引效率、每小时耗油量、燃油消耗率、滑转率和发动机功率Pe(或曲轴转速ne)随牵引力而变化的函数关系。,2、分类:牵引特性可分为理论特性和试验特性两种。,理论牵引特性是
12、根据机械的基本参数,通过牵引计算来绘制的。由于计算时不可避免要引入某些假设,所以理论牵引特性与实际情况总会有某些出入。最能真实地表明车辆实际牵引性能和燃料经济性的是通过牵引试验测得的试验牵引特性。,3、作用:牵引特性曲线是机械的基本技术指标,无论在机械的设计还是使用中,它们都是十分有用的。,在机械设计过程中,牵引特性被广泛地用来研究和检查发动机、传动系、行走机构和工作装置各参数之间匹配的合理性。可以比较各种设计方案以及与现有机型进行对比。,在机械的使用过程中,了解机械的牵引特性有助于合理地使用机械,有效地发挥它们的生产率。在组织机械化施工时,牵引特性也常常是解决各种机种进行合理配合的基本依据。
13、,、牵引特性曲线应表现的内容:,在牵引特性图上可以标出在机器最低挡的某些特征性工况下各项牵引参数的具体数值,作为表征机械牵引性能和燃料经济性的基本指标(见下图)。,对于液力机械传动的机械应为:,二、牵引性能参数的合理匹配,1、牵引性能 牵引性能参数是指机械总体参数中,直接影响机械牵引性能的发动机、传动系、行走机构、工作装置的基本参数。由于牵引性能是车辆的基本性能,这些参数的确定也就决定了所设计机械的基本性能指标。,施工机械在作业时,发动机、传动系、行走机构、工作装置既相互联系又相互制约。机械的整机性能不仅取决于总成本身的性能,而且也与各总成间的工作是否协调有着密切的关系。因此,在机械的总体参数
14、之间存在着相互匹配是否合理的问题。只有正确地选择发动机、传动系、行走机构、工作装置的参数,并保证它们之间具有合理的匹配,才能充分发挥各总成本身的性能,从而使机械获得较高的技术经济指标。,对机械传动的车辆来说,机械的作业是通过发动机、传动系、行走机构和工作装置的共同工作来完成的。在这种共同工作的过程中,机械每个总成性能的充分发挥都将受到其他总成性能的制约,而机械的牵引特性则将以机械外部输出特性的形式显示出各总成共同工作的最终结果。因此,在选择各总成的参数时,必须充分注意到它们之间相互的制约关系。这种制约关系主要反映在切线牵引力与发动机调速特性之间的相互配置,以及发动机的最大输出功率和工作阻力与行
15、走机构滑转曲线之间的相互配置上。下面将着重讨论上述配置关系对各总成和整机性能的影响,以及如何保证机械牵引性能参数之间合理匹配的问题。,(1)切线牵引力在发动机调速特性上的配置,铲土运输机械的工作对象大多是较为坚硬的土石方,其中常常还有巨大的石块、树根,土的非均质性也比普通耕地恶劣得多。因此,在作业过程中工作阻力将急剧地变化,并常常出现短时间的高峰载荷以及行走机构完全滑转等情况。这是大部分铲土运输机械负荷工况的显著特点。工作阻力的急剧变化使得机械的切线牵引力也随之发生急剧的变化,后者通过传动系反映到发动机曲轴上来,就形成了曲轴急剧波动的阻力矩。许多研究表明,这种急剧波动的负荷对发动机的性能将产生
16、很大的影响。因此,在变负荷工况下,发动机的实际平均输出功率和平均比油耗会大大偏离它们的额定指标。,平均输出功率和比油耗的数值,与曲轴阻力矩Mc在调速特性上的配置位置有关。对于同样变化的切线牵引力,当选择不同的传动系传动比时,可以在发动机曲轴上获得一系列相似的负荷循环。因此,通过调节传动比的方法就可以改变发动机负荷循环在调速特性上的位置。这就产生了应该如何配置曲轴阻力矩在调速特性上的位置,以获得最大的平均输出功率的问题。,当阻力矩的配置远低于发动机的额定转矩时,平均输出功率必然是较低的。这是因为在大部分时间内发动机将在负载程度很低的情况下工作,所以调速特性上的平均输出功率较低。如果使阻力矩的配置
17、位置沿着调速区段逐步上升。则调速特性上的平均输出功率也随之提高。此时发动机在整个负荷循环中都在调速区段上工作,转速的波动不大(也即减速度和加速度不大),因而功率和转矩偏离调速特性的情况并不显著。实际的平均输出功率将随着发动机负荷程度的增大而提高。,当最大负荷超过发动机的额定转矩后,由于在负荷循环中发动机有部分时间在非调速区段上工作,转速急剧起落,调速特性上平均输出功率的增长速度开始减慢。这样,到一定程度时,发动机的实际平均输出功率,必然将随着发动机负载程度的提高而下降。,如果发动机的负载程度超过其最佳值而继续增长,并使负荷循环阻力矩的最大值超过发动机的最大转矩时,发动机的工作将呈现出不稳定状态
18、。如再进一步增大负荷,则将导致发动机熄火。,下图是发动机在按推土机的负荷循环进行模拟试验时获得的结果。从图中可以看到,随着发动机负载程度的增大,在开始发动机偏离静载调速特性很小,发动机平均输出功率Pe随着平均阻力矩Mc之增大而增大。但是当Mc增至一定程度后,发动机偏离调速特性的程度愈大。于是,在某一负载程度下可获得最大的平均输出功率。当发功机的负载程度达到这一最佳值时,发动机的平均输出功率将随着负载程度的增大而下降,负载程度达到某一极限时,发动机将不稳定工作。,以上讨论表明,发动机只有在稳定工况下工作时才能输出额定功率,而平均阻力矩的工作点才以能配置得等于其额定转矩。当阻力矩发生波动时,发动机
19、的最大平均输出功率总是小于它的额定功率。只有在适当配置阻力矩在发动机调速特性上的位置,才能获得最大的平均输出功率。,机械在实际工作中要获得最大的平均输出功率,会很困难。这是因为不仅在每一负荷循环中工作阻力的变化是随机的,而且负荷循环本身由于土的条件,司机操作,发动机、行走机构、工作装置的匹配关系等方面因素的不同,也不可能同样重复。对于发动机来说,不仅存在着结构因素的影响,而且即使同一台发动机,在不同的负荷循环下其最佳负载程度也是不同的。因此,在机械的实际工作中要精确地确定发动机调速特性与切线牵引力间的合理匹配,以保证获得最大平均输出功率是十分复杂而困难的。,通过以上讨论,我们可以从定性方面对确
20、定此种匹配关系提出如下几条指导性的原则:,1)要确定负荷循环在发动机调速特性上的位置时,应该保证工作循环中可能出现的最大阻力矩不超过发动机的最大输出转矩。,如果不能满足这一条件,则当机械遇到突然增大的阻力时就有可能造成发动机熄火。出现突然超负荷的情况,司机往往来不及及时调整切削深度,而不得不脱开主离合器,此时不仅发动机熄火或脱开离合器本身会损失机械的有效工作时间,而且频繁地操作控制手柄也会加重司机的劳动强度和紧张状态,容易引起工作人员的疲劳。这些最终都将导致机械生产率下降。,2)为了获得较大的平均输出功率,应该使发动机在工作循环的大部分时间处在调速区段上工作。,这样可保证发动机的转速在整个工作
21、循环中不致发生剧烈的波动,从而减少由于负荷的不稳定性而引起发动机动力性和经济性的恶化。,(2)发动机最大输出功率在滑转曲线上的配置,滑转曲线是反映行走机构牵引元件与地面相互作用最基本的特性曲线,它表示了牵引元件的滑转率随其输出的牵引力而变化的函数关系。滑转曲线不仅与行走机构本身工作性能的一些基本指标,如滚动效率、滑转效率、附着能力等有着密切关系,而且也和机械的牵引效率、生产率等许多重要的整机性能指标有关。,1)行走机构的牵引效率与滑转曲线的关系: 牵引效率x:滚动效率f与滑转效率的乘积。,注:履带式机械的牵引效率是滚动效率f、滑转效率与驱动段效率r的乘积,由于r可以近似地认为是一常数,为简化讨
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