工程機械理論與設(shè)計教案.docx

單元標題 第五章 工程機械牽引性能 單元學時 3 教學目標使學生認識工程機械的牽引特性，牽引性能參數(shù)的合理匹配，牽引特性的繪制以及動力特性。學會建立牽引力平衡和牽引功率平衡方程。教學重點牽引特性、動力特性的概念，牽引性能參數(shù)的合理匹配的條件。教學難點牽引特性的繪制，牽引力平衡和牽引功率平衡方程的建立。教學方式方法 采用ppt，以文檔、圖片等形式引導學生建立起對工程機械牽引特性、動力特性的認識。教學手段采用ppt，以面授通過文檔，圖片等形式講解教學過程回顧及導引新課第一節(jié) 工程機械工況第二節(jié) 工作阻力計算第三節(jié) 工程機械的驅(qū)動力第四節(jié) 牽引力平衡和牽引功率平衡第五節(jié) 牽引特性第六節(jié) 理論牽引特性的繪制第七節(jié) 試驗牽引特性第八節(jié) 牽引性能參數(shù)的合理匹配第九節(jié) 動力特性講課內(nèi)容（轉(zhuǎn)講稿頁）講 課 內(nèi) 容 備 課 札 記第四章 工程機械牽引性能第一節(jié) 工程機械工況工況的概念：系指整機的工作狀態(tài)或機器與作業(yè)環(huán)境相互作用的狀態(tài)之簡稱。n 鏟上運輸機械的運用條件多變可能形成許多不同的工況。（1）典型工況典型工況:在眾多可能的工況中,機器在運用時經(jīng)常出現(xiàn)的,對機器的設(shè)計和評價其性能有決定形響的工況稱為典型工況。工程機械工作過程有兩種典型工況：牽引工況和運輸工況n 牽引工況時，工程機械需要克服工作裝置作業(yè)而引起的巨大工作阻力，需要發(fā)動機和底盤系統(tǒng)發(fā)揮強大的牽引力。此時，工程機械以低擋工作。n 運輸工況時，工程機械僅需克服車輛的行駛阻力，此時，運輸距離較大，為提高生產(chǎn)率，工程機械在高擋工作。 （2）牽引工況對機器的設(shè)計要求牽引工況對機器的設(shè)計要求是：1機器的適應性較強確保在變化較大的工作阻力下穩(wěn)定工作；2機器在低檔工作時應能發(fā)揮足夠大的牽引力，以便克服短時最大工作阻力；而且牽引效率較高；3發(fā)動機的功率應能較好地發(fā)揮和利用；4整機布置合理、整機性能匹配且最大圓周牽引力大于附著牽引力。（3）運輸工況對機器總體設(shè)計的一般要求運輸工況對機器總體設(shè)計的一般要求如下：1速度性能好即運行速度快，變速方便、迅速機器加速性能好，而月在各種速度下運行發(fā)動機功率利用充分；2機器的機動性好、能適應各種運用情況的轉(zhuǎn)向、調(diào)度要求轉(zhuǎn)向半徑??；3機器的通過性好，既能通過松軟、泥濘的路面，又具力較大的爬坡能力；4機器的穩(wěn)定性好，對于各種復雜的工作情況,機器有足夠的縱向、橫向穩(wěn)定性。(4)工程機械牽引性能工程機械牽引性能是指工程機械依靠其行走機構(gòu)和地面的相互作用所發(fā)揮的牽引力來完成作業(yè)過程的能力。第二節(jié) 工作阻力計算一、牽引工況阻力計算1機器在牽引工況下的工作阻力2回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)x回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)x：考慮了發(fā)動機、傳動系、行走機構(gòu)各回轉(zhuǎn)零件在機器加速或減速過程中產(chǎn)生的對機器直線運行的慣性力。n 對于機械傳動的機器來說，傳動系各軸上的回轉(zhuǎn)零件換算到驅(qū)動輪軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量與該軸至驅(qū)動輪軸之間的傳動比之平方成正比。n 變速箱各軸零件的轉(zhuǎn)動慣量較小，而傳動系末端的傳動零件的轉(zhuǎn)動慣量雖大，但轉(zhuǎn)速低，因此，在計算系數(shù)x時，可近似地僅考慮發(fā)動機和行走機構(gòu)回轉(zhuǎn)零件的慣件影響。x可按下式計算n 對于履帶式行走機構(gòu)則可按下式近似估算； 二、運輸工況的阻力計算當鏟土運輸機械在運輸工況下工作時，作用于機器的阻力應包括滾動阻力Pf、坡道阻力P，和慣性阻力Pjn 它們的計算方法同牽引工況。對于運行速度較高的輪式機械還應包括風阻力PW，PW按下式計算空氣阻力n 運輸工況的工作阻力： 第三節(jié) 工程機械的驅(qū)動力工程機械的驅(qū)動力:是地面作用在其行走機構(gòu)上的切線牽引力，它是發(fā)功機傳至驅(qū)動輪上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，并依靠行走機構(gòu)與地面之間的附著作用才得以充分發(fā)揮。1工程機械的驅(qū)動力計算機械傳動式工程機械的驅(qū)動力計算(一)穩(wěn)定運行時的驅(qū)動力計算工程機械在等速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)條件下，傳至驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩MK為式中，Mea-發(fā)動機的自由力矩im-傳動系的總傳動比 m-傳動系的總效率傳動系總效率 輔助裝置n 發(fā)動機的功率在輸入變速箱之前，必須分出一部分來驅(qū)動車輛的輔助裝置。有的工程機械還需分出相當大的部分功率來驅(qū)動工作裝置。 n 因此，在計算發(fā)動機自由驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和功率時，應將這部分轉(zhuǎn)矩從發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩中扣除。 n 輔助裝置主要是操縱主離合器、轉(zhuǎn)向離合器和工作裝置的工作油泵和潤滑油泵。n 按液壓系統(tǒng)的卸荷狀態(tài)(即空載)計算 n 功率輸出軸驅(qū)動工作機構(gòu)消耗的力矩：n 對于輪式裝載機由功率輸出軸驅(qū)動工作機構(gòu)消耗的力矩Mout可按發(fā)動機額定力矩的2040來考慮。切線牽引力PKn 在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩MK作用下，行走機構(gòu)切線牽引力PK為：n 對輪式工程機械:n 式中rc輪式行走機構(gòu)的動力半徑切線牽引力n 履帶式行走機構(gòu)：n 式中t履帶驅(qū)動段效率，t=0.960.97不穩(wěn)定運行時(二)工程機械作不穩(wěn)定運行時的驅(qū)動力計算n 當機器的工作阻力突然減小或增大時機器將處于加速或減速的不穩(wěn)定運行狀態(tài)。由于發(fā)動機飛輪、傳動系的旋轉(zhuǎn)零件及整機質(zhì)量的慣性力(或力矩)的影響驅(qū)動力矩和圓周牽引力都會發(fā)生變化。 加減速對驅(qū)動力矩Mk的影響：1 若為加速運行時，發(fā)動機的部分能量用于加速飛輪和傳動系中與飛輪剛性連接的其它旋轉(zhuǎn)零件則驅(qū)動力矩Mk將減小。2 當機器減速運行時。慣性影響作用相反。增大了驅(qū)動力矩，可以幫助機器克服短時作用的工作阻力。 n 對于輪式行走機構(gòu)，在不穩(wěn)定運行時，驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩第四節(jié) 牽引力平衡和牽引功率平衡鏟土運輸機械的牽引平衡是指在各種工況下的驅(qū)動力與工作阻力的平衡以及驅(qū)動功率與克服各種阻力所消耗的功率之間的平衡。一、鏟土運輸機械的牽引力平衡方程n 機器在牽引工況下工作時，其牽引力的平衡方程為：n 當機器在水平地面上等速運行時n 當機器在運輸工況下工作時，其牽引力的平衡方程為：二、鏟土運輸機械的功率平衡方程(一)機器采用機械傳動時的功率平衡方程n 考慮機器的功率平衡時，應以輸入變速箱的功率，即發(fā)動機的自由功率Nea為依據(jù)來建立功率平衡方程。發(fā)動機的自由功率Nea為：輔助裝置消耗的功率計算n NF由輔助裝置空載消耗的功率NF和受工作載荷時所消耗的功率N”F構(gòu)成第五節(jié) 牽引特性牽引特性是反映工程機械牽引性能和燃料經(jīng)濟性最基本的特性曲線。n 牽引特性以圖解的形式表示了工程機械在一定的地面條件下，在水平地段以全油門作等速運行時，工程機械各擋的牽引參數(shù)隨有效牽引力P而變化的函數(shù)關(guān)系。這些牽引參數(shù)包括：有效牽引功率，實際速度V，牽引效率，小時燃油耗GP，比油耗，滑轉(zhuǎn)率，和發(fā)動機功率Ne，(或轉(zhuǎn)速ne)，亦即：以上各量的圖解形式。牽引特性可分為理論特性和試驗特性兩種。n 理論牽引特性是根據(jù)工程機械的基本參數(shù)，通過牽引計算來繪制的。由于計算時不可避免地要引入某些假設(shè)，所以理論牽引特性與實際情況總會有某些出入。n 試驗牽引特性：是通過牽引試驗測得的牽引特性，較能真實地表明工程機械實際牽引性能和燃料經(jīng)濟性。n 作用：在牽引特性圖上可以標出工程機械在最低擋的某些特征工況下各項牽引參數(shù)的具體數(shù)值,作為表征工程機械牽引性能和燃料經(jīng)濟件的基本指標(見圖41)。特征工況為：1)最大有效牽引功率工況：2)最大牽引效率工況:3)發(fā)動機額定功率工況:4)額定滑轉(zhuǎn)率工況:5)由發(fā)動機轉(zhuǎn)矩決定的最大牽引力工況:6)由附著條件決定的最大牽引力工況:n 對于液力機械傳動還應補充：7)變矩器最大輸出功率工況；8)變矩器工作轉(zhuǎn)矩決定的最大牽引力工況。 牽引特性的作用1.在機械的設(shè)計過程中，牽引特性被用于：研究和檢查發(fā)動機、傳動系、行走機構(gòu)和工作裝置的參數(shù)之間的匹配是否合理；2.比較、評價各總體方案的動力性能和經(jīng)濟性能，并擇優(yōu)確定設(shè)計方案；3.評價、判別設(shè)計方案與現(xiàn)有同類機器相比較的優(yōu)劣；通過牽引特性全面量化地描述機器的牽引性能、速度性能和經(jīng)濟性。4.在機器使用過程中，牽引特性有助于合理地使用機器，合理地組織機械化施工中各種機型的配合，充分發(fā)揮機器的性能，提高生產(chǎn)率。第六節(jié) 理論牽引特性的繪制(i)已知的原始資料1)發(fā)動機調(diào)速外特性，包括以下曲線：2)工程機械使用重量Gs和附著重量Gn 使用重量:變應包括工程機械凈重，全部液體重量(燃料，容量的23以上，冷卻水、潤滑油、按規(guī)定量注入的工作油)，隨車工具及駕駛員重量(按75kg計算)。n 附著重量: 指作用在驅(qū)動元件上的部分使用重量。顯然，履帶車輛的使用重量等于附著重量。3)傳動系各擋總傳動比i m及傳動效率m。4)驅(qū)動輪動力半徑rd 。5)地面條件和滑轉(zhuǎn)率曲線。輪式工程機械n 對于工程機械的典型地面條件，自然密實的粘性新切土按以下經(jīng)驗公式繪制：n 對于輪式工程機械(輪胎氣壓在0203MPa范圍)對于履帶式工程機械(在00.5范圍內(nèi))液力機械傳動n 對液力機械傳動的工程機械，可將發(fā)動機和液力變矩器看成是復合動力裝置，兩者共同工作的輸出特性可視為復合動力裝置的外部特性，其牽引特性的繪制方法與上述并無原則差別。第七節(jié) 試驗牽引特性試驗牽引特性:通過牽引試驗實際測定的牽引特性稱為機器的試驗牽引特性。作用：利用試驗牽引特性可以全面地評價機器牽引性能和燃油經(jīng)濟性，也可檢驗機器總體設(shè)計的合理性。n 牽引試驗是機器的主要試驗之一。一、牽引試驗方法的基本原理(一)基本試驗方法牽引試驗可以分為：1 專用的試驗臺架試驗試驗臺試驗：是根據(jù)相對運動的可逆性原理制造的。2 跑道試驗：場地試驗n 加載方式：試驗負荷由專用的負荷車來加載。或采用大功率的拖拉機加載。n 試驗應測定的數(shù)據(jù)為：有效牽引力P、試驗機器的行駛距離L，通過這距離的時間t、相應的燃油消耗量Ge ， 左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速nk 和力矩MKL 、MKR ， 發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne 。 n 有時為了進一步分析牽引效率的組成還可附加測定發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩和左右驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。目前在牽引試驗中廣泛采用著各種電測儀器，大大提高了測定的真實性和測試效果。(二)試驗地段土壤條件的測定n 為了明確表示牽引試驗的路面條件，可用土壤的顆粒級配、密實度、含水量與強度來評價試驗地段的土壤的物理機械性能。二、試驗數(shù)據(jù)處理n 根據(jù)牽引試驗所獲得的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)整理后，可按下述公式確定繪制特性的各項數(shù)值。1應取牽引負荷穩(wěn)定的區(qū)段的每次試驗有效牽引力p之讀數(shù)的平均值，作為P的標準值。2實際運行速度v可根據(jù)在相應區(qū)段(即確定有效牽引力的同一區(qū)段)，由五輪儀測定的行駛距離L和相應的試驗持續(xù)時間t來計算.第八節(jié) 牽引性能參數(shù)的合理匹配牽引特性是評價工程機械的牽引性能和燃料經(jīng)濟性的基本依據(jù)。牽引特性圖的作用為：1 在牽引特性圖上可以看到不同擋位下工程機械動力性和經(jīng)濟性各項指標的具體數(shù)值;2 可以從各擋特性曲線的形狀、走向和分布中獲知在不同牽引負荷下工程機械牽引性能和燃料經(jīng)濟性的變化情況、各擋傳動比的分配情況和牽引力、速度的適應性能。3.可以根據(jù)各特征工況下的功率平衡來分析發(fā)動機額定功率的分配情況4 從各特征工況在牽引特性圖上的位置和相互關(guān)系中來分析牽引性能參數(shù)匹配的合理性。n 通過這些分析將進一步表明各總成的工作性能是否獲得充分發(fā)揮，并表示出工程機械牽引性能和燃料經(jīng)濟性良好或欠佳的原因。牽引性能參數(shù)的合理匹配 牽引性能參數(shù)是指機器總體參數(shù)中直接影響機械牽引性能的發(fā)動機、傳動系、行走機構(gòu)、工作裝置的基本參數(shù)。由于牽引性能是車輛的基本性能，這些參數(shù)的確定也就決定了所沒計機器的基本性能指標； 施工機械在作業(yè)時發(fā)動機、傳動系、行走機構(gòu)、工作裝置既相互聯(lián)系又相互制約。機器的整機性能不僅取決于總成本身的性能，而且也與各總成間的工作是否協(xié)調(diào)有著密切的關(guān)系；因此，在機器的總體參數(shù)之間存在著相互匹配是否合理的問題。只有正確地選擇發(fā)動機、傳動系、行走機構(gòu)、工作裝置的參數(shù)，并保證它們之間具有合理的匹配，才能充分發(fā)揮各總成本身的性能，從而使整機獲得較高的技術(shù)經(jīng)濟指標。對機械傳動的車輛來說，機器的作業(yè)是通過發(fā)動機機械傳動系、行走機構(gòu)和工作裝置的共同工作來完成的，在這種共同工作過程中，機器每個總成性能的充分發(fā)揮都將受到其他總成性能的制約，而機器的牽引特性則將以機器外部輸出特性的形式顯示出各總成共同工作的最終結(jié)果，因此，在選擇各總成的參數(shù)時，必須充分注意到它們之間相互的制約關(guān)系，這種制約關(guān)系主要反映在切線牽引力與發(fā)動機調(diào)速特性之間的相互配置，以及發(fā)動機的最大輸出功率和工作阻力與行走機構(gòu)滑轉(zhuǎn)曲線之間的相互配置上。下面將著重討論上述配置關(guān)系對各總成和整機性能的影響以及如何保證機器牽引性能參數(shù)之間合理匹配的問題。 一、切線牽引力在發(fā)動機調(diào)速特性上的配置 鏟土運輸機械的工作對象大多是較為堅硬的土石方，其中常常還有巨大的石塊、樹根、土的均質(zhì)性也比普通耕地差得多。因此，在作業(yè)過程中工作阻力會發(fā)生急劇變化，并常常出現(xiàn)短時間的高峰載荷以及行走機構(gòu)完全滑轉(zhuǎn)等情況。這是大部分鏟土運輸機構(gòu)負荷工況的顯著特點。工作阻力的急劇變化使得機器的切線牽引力也隨之發(fā)生急劇的變化，后者通過傳動系反映到發(fā)動機曲軸上來，就形成了曲軸急劇波動的阻力矩。許多研究表明，這種急劇波動的負荷對發(fā)動機的性能將產(chǎn)生很大的影響；因此，在變負荷工況下發(fā)動機的實際平均輸出功率和平均比油牦會大大偏離它們的額定指標。平均輸出功率和比油耗的數(shù)值與曲軸阻力矩MC在凋連特性上的配置位置有關(guān)。對于同樣變化的切線牽引力，當選擇不同的傳動系傳動比時，可以在發(fā)動機曲軸上獲得一系列相似的負荷循環(huán)。因此，通過調(diào)節(jié)傳動比的方法就可以改變發(fā)動機負荷循環(huán)在調(diào)速特性上的位置，這就產(chǎn)生了應該如何配置曲軸阻力矩在調(diào)速特性上的位置，以獲得最大的平均輸出功率(圖1-2-16)因此，發(fā)動機只有在穩(wěn)定工況下工作時才能輸出額定功率。而平均阻力矩的工作點才能配置得等于其額定轉(zhuǎn)矩。當阻力矩發(fā)生波動時，發(fā)動機的最大平均輸出功率總是小于它的額定功率。只有適當配置阻力矩在發(fā)動機調(diào)速特性上的位置，才能獲得最大的平均輸出功率。n 在分析牽引性能參數(shù)的匹配時，可從以下幾方面考慮：1) 牽引參數(shù)合理匹配的第一個條件：由發(fā)動機轉(zhuǎn)矩決定的最大牽引力Pmax應大于地面附著條件所決定的最大牽引力(即附著力)P滿足第一個條件的原因牽引性能參數(shù)的匹配必須保證工程機械在突然超負荷時，首先發(fā)生行走機構(gòu)的滑轉(zhuǎn)，而不應導致發(fā)動機熄火，此時由發(fā)動機扭矩所決定的最大牽引力應留有適當?shù)膬?相對于地面的附著力而言)。n 此時，行走機構(gòu)的滑轉(zhuǎn)起著一種自動保護作用。它一方而減輕了司機的操作，另一方面自動地保護了發(fā)動機不致嚴重超載。2）牽引性能參數(shù)合理匹配的第二個條件當發(fā)動機在額定工況下工作時，機器的行走機構(gòu)將在額定滑轉(zhuǎn)率工況下工作，此時由發(fā)動機額定功率決定的有效牽引力與行走機構(gòu)額定滑轉(zhuǎn)率決定的額定牽引力PH應相等，亦即 滿足第二個條件的原因n 工程機械在這樣的匹配條件下工作時，有效牽引力稍大于額定牽引力 PH (例如大10左右)，即會引起行走機構(gòu)完全滑轉(zhuǎn)。這樣，便于司機在作業(yè)過程中掌握作業(yè)參數(shù)，使工程機械盡可能在接近額定牽引力的范圍內(nèi)作業(yè)。作用1) 由于行走機構(gòu)滑轉(zhuǎn)的自動保護作用將防止發(fā)動機在作業(yè)過程中產(chǎn)生嚴重超載2)使發(fā)動機在工作循環(huán)的大部分時間內(nèi)將在調(diào)速區(qū)段上工作,從而可保證發(fā)動機在變負荷工況下能獲得較好的動力性經(jīng)濟性。3）牽引性能參數(shù)合理匹配的第三個條件工程機械工作過程中的平均最大工作阻力Px應等于行走機構(gòu)的額定牽引力PH，原因n 為了使工程機械獲得較高的生產(chǎn)率，應保證工程機械作業(yè)過程中發(fā)生的最大工作阻力應在行走機構(gòu)的額定滑轉(zhuǎn)率工況附近n 從而保證工作裝置的容量與額定牽引力相適應。（四）速度檔位數(shù)的選擇和各檔傳動比的分配n 機械上采用多擋變速器的目的，主要是為了滿足不同工況（運輸工況和牽引工況）、不同作業(yè)條件以及工作循環(huán)中不同工序?qū)恳退俣鹊囊?。選擇檔位數(shù)和分配傳動比時，通常都遵循著一些共同的原則 ：n 第一：必須保證機器牽引特性圖上各檔速度曲線有適當?shù)闹丿B，并且高一檔的最大有效牽引力點應該處于低一檔的速度曲線之下（見圖47）目的：當工作阻力大到必須換至低一檔時，機器的車速仍然接近換檔前的速度，發(fā)動機也不易熄火。 n 第二：為了使發(fā)動機的功率在各檔工作范圍內(nèi)均獲得同等程度的利用（具有相同的平均功率），必須保證機器在各檔工作時發(fā)動機的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率都能在同一范圍內(nèi)變化。 n 對輪式機械來說，也為了獲得最大的起步加速度。n 這一要求可通過按幾何級數(shù)分配各檔傳動比的方法來實現(xiàn)。 證明：由于，又有，從上式中消去，.，則.由此可得：傳動比公比:n 這就是說，根據(jù)上述分配原則所得的各檔傳動比為一幾何級數(shù)。第九節(jié) 動力特性一、動力特性的概念及動力因數(shù)動力特性：是機器在運輸工況下的動力性能的基本特性?？梢杂糜谠u價機器的以下三個方面能力：1.車輛的速度性能（最高行駛速度）2.加速性能（加速時間）3.爬坡能力（最大爬坡角度）它們與以下阻力有關(guān)：n 滾動阻力： （影響車速）n 坡道阻力： （爬坡能力）n 慣性阻力： （加速時間）以上阻力皆與機重有關(guān)，為便于比較不同機器重量的動力性能，引入動力因數(shù)概念。n 根據(jù)運輸工況下的牽引力的平衡方程即將上式變換后得： 動力因數(shù)：數(shù)值（PK-PW）/G稱為動力因數(shù)D，表示了扣除風阻力后，單位機重所能提供的用來克服滾動阻力、坡道阻力和慣性阻力的切線牽引力（圓周牽引力）。 則動力因數(shù)可按下式計算：顯然上式是機器在運輸工況下的牽引力平衡方程的另一種表示形式。 上式中右邊前兩項之和主要與道路狀況有關(guān)，稱之為道路阻力系數(shù) ，即這樣，式D可改寫為： n 由于PK和PW都是實際行駛速度v的函數(shù)，因此動力因數(shù)是機器速度的函數(shù)，即可表示為D=fD(v)，若以v作為自變量，采用圖解形式表示機器在各檔的動力因數(shù)隨速度v而變化的曲線，該曲線稱為機器的動力特性。 動力特性曲線總結(jié)：利用動力特性，可以較方便地比