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推土机电传动系统的设计与动力学仿真分析

2023-09-01 62 上传者：管理员

摘要：为进一步提升推土机的工作效率，在保证正常生产的情况下降低环境的污染，在对其工况特点进行分析的基础上，综合对比9种电传动方式并确定采用串联式双侧电机传动结构对推土机进行驱动完成相关设备的选型；对电传动推土机的动力学进行仿真分析，着重对电传动推土机的工况点、油耗效率以及牵引性能进行对比。

关键词：
串联式双侧电机传动
推土机
柴油发动机
油耗效率
牵引性能
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引言

推土机为当前工程广泛应用的机械设备，主要应用于各种大型工程，包括铁路施工、城市建设、水力水电等；推土机的主要任务是完成积土的推移、场地的清理、开渠填土等工作。目前，推土机主要采用柴油进行驱动，虽然其具有较高的工作效率；但是，高油耗和高污染也成为推土机的主要弊端之一。因此，开发一款高效、节能且清洁的传动方式对于推土机的进一步推广应用具有重要意义。本文将根据推土机的工作特点完成电传动系统的设计，并开展相关的动力学仿真分析。

1、推土机工况特点分析

根据行走方式的不同，可将推土机分为履带式和轮胎式两种。其中，履带式推土机可适用于各种场地、场合的作业，具有较好的通过性和适应性；轮胎式推土机具有较快的行驶速度和较好的灵活性，可满足长距离的运输要求，但其牵引力较小。本文以履带式推土机为例开展研究。为保证所设计的电传动系统满足推土机的工况要求，对推土机的工况特点总结如下：

1）推土机在切土和运土过程中处于低档状态运行，此时发动机一直出发高负荷状态运行，对应的油耗较高；

2）当推土机工况发生变化时，由于负荷的变化导致出现较为剧烈的振动，同时还需要频繁的变换档位，对应的燃油利用率偏低；

3）当推土机工作时负荷瞬时过大时，发动机的转速瞬间降低，从而导致行走机构出现打滑甚至熄火的情况。

2、推土机电传动系统的设计与选型

结合推土机的工况特点和燃油传动系统所存在的上述问题，拟采用电传动系统对设备进行驱动，实现其工况任务。可选电传动系统结构包括串联双侧独立电传动结构、串联式“直驶电机+转向电机”联合传动结构、串联式“直驶电机+转向马达”联合传动结构、并联式双侧独立电传动结构、并联式“直驶电机+转向电机”联合传动结构、并联式“直驶电机+转向马达”联合传动结构、混联式双侧独立电传动结构、混联式“直驶电机+转向电机”联合传动结构和混联式“直驶电机+转向马达”联合传动结构[1,2,3]。

参考推土机传动结构以及保证推土机的最佳牵引性能的基础上，拟采用串联式双侧电机传动结构实现对推土机的驱动，具体系统结构如图1所示。

图1串联式双侧电机传动系统结构示意图

由图1可以看出，所设计的电传动系统包括主动力系统、辅助动力系统、储能动力源和驱动执行系统。其中，主动力系统由发动机和发电机组构成。辅助动力系统包括储能装置和DC/DC变换器。驱动执行系统为推土机的驱动电机，分为左、右两侧；当两侧驱动电机转速一致时，推土机开展直线作业；当需要转向作业时，左、右两侧驱动电机的转速不同。上述关键设备的选型结果如表1所示。

3、推土机电传动系统动力学仿真

在实际工作中，推土机典型工况为循环作业，本节重点对推土机的牵引和运输两种工况下的特点进行分析。具体采用ADVISOR2002仿真软件构建仿真模型，并根据表1中关键设备的选型结果对模型中的参数进行设置，分别对上述牵引工况和运输工况下的发动机、发电机、电动机等设备的性能进行分析，并与传统柴油传动系统的性能进行对比[4,5]。

表1电传动系统关键设备选型

3.1关键设备性能仿真分析

以发动机为例对仿真结果列出，并对结果进行分析。在牵引和运输工况下电传动系统推土机发动机的仿真结果如图2所示。

图2电传动系统推土机发动机工况点分布

如图2-1所示，虽然在实际工作中推土机所面临的负载波动较大，但是发动机的工况点均分布在可控范围之内，其输出的转矩相对恒定，对应的油耗较低；如图2-2所示，在运输工况下，推土机发动机所承受的阻力较小而且波动也较小，其工况下分布在可控范围之内，对应输出转矩波动较小，油耗较低。

总的来讲，电传动推土机在实际工况中虽然其在牵引和运输工况下均可按照预设的策略运行，而且均处于高效率的区间内运行。因此，可以得出电传动推土机发动机所输出的功率可以满足实际工况的需求，且油耗低、工作效率高等。同理得出，在牵引工况下发电机的工作效率可保持在85%以上；而在运输工况下发电机的工作效率保持在80%～88%之间。

3.2与传统燃油传动推土机性能对比

从推土机的牵引性能和燃油效率两方面对比电传统和燃油传动推土机的性能。

3.2.1牵引性能对比

通过仿真对比，得出电传动和燃油传动推土机的牵引力对比结果如图3所示。

图3电传动与燃油传动推土机牵引力对比

如图3所示，从整体上分析随着推土机行走速度的增加，对应牵引力减小。而且在牵引工况下时，推土机的行走速度偏低，此时电传动推土机的牵引力明显大于传统燃油传动推土机的牵引力；而在运输工况下，推土机的行走速度偏大，此时电传动推土机的牵引力略大于传统燃油传统推土机。

总的来讲，电传动推土机的牵引性能优于燃油传统推土机的性能。

3.2.2燃油效率对比

通过计算得出，两种传动方式对应的推土机的燃油消耗率如表2所示。

表2不同传动方式下推土机燃油消耗率对比

如表2所示，电传动推土机的燃油消耗率明显低于燃油传动方式。

4、结论

推土机为工程生产中广泛应用的设备，本文针对当前燃油传动推土机所面临的油耗高、污染高的问题，拟提出采用电传动方式对推土机进行驱动。具体结论总结如下：

1）用串联式双侧电机传动结构实现对推土机的驱动，包括有主动力系统、辅助动力系统、储能动力源和驱动执行系统。

2）通过仿真分析得出：在牵引工况下发电机的工作效率可保持在85%以上；而在运输工况下发电机的工作效率保持在80%～88%之间。

3）通过对比可以得出：电传动推土机相比于燃油传动推土机在牵引性能和燃油效率两个方面具有明显的优势。

参考文献:

[1] 宋强,曾普,王红.串联电传动履带推土机功率跟随控制策略研究[J].北京理工大学学报,2014,34(3):267-272.

[2] 薛二江.ERD矿用电传动混轮式推土机设计方案[J].煤炭工程,2017,49(9):158-161.

[3] 王安麟,黄俊.电传动推土机稳定转向的动态高型控制策略[J].中国工程机械学报,2015,13(2):103-108;157.

[4] 杜博锋,李伦,李济顺,等.电传动推土机履带-地面接触力学仿真分析[J].机械设计与制造,2021(3):253-257.

[5] 刘钊,陆军伟,姚俊.推土机电操纵换档过渡过程的油压分析与试验[J].筑路机械与施工机械化,2006,23(11):53-55.

文章来源:方静.推土机电传动系统的设计与动力学仿真分析[J].机械管理开发,2023,38(08):27-28+33.

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