无级变速装载机复合传动系统功率分配机理及控制技术研究

Traditional wheel loader is difficult to distribute the power of transmission system and hydraulic system, and the power distribution can’t be adjusted as the working condition is changed. Base on the continuously variable ratio performance of hydro-mechanical composite transmission, a control strategy is proposed, which can adjust the power distribution of transmission system and make the hydraulic system fit the wheel loader working conditions. This proposal will explore a new means to short the wheel loader duty cycle time and reduce the fuel consumption. The main research task include: ①extract wheel loader power distribution information from the working cycle data, the optimal power distribution rules are exposed, which can fully utilize engine power and short wheel loader duty cycle time; ②establish hydro-mechanical composite transmission mathematical model, research the means of calibrating ratio change rate of continuously variable transmission for adjusting wheel loader power distribution; ③research the mechanism of adjusting wheel loader power distribution by the means of ratio control respectively aim at the engine part load and full load condations, base on the complementary law of wheel loader transmission system power and hydraulic system power; ④develop power distribution control strategy to fit the wheel loader optimal power distribution rule by the means of ratio control, and verify this control strategy effective by the means of simulation and bench test. The research achievements of this proposal will provide theoretical guidance and technical support for the innovative application of hydro-mechanical composite transmission in the field of wheel loader.

本项目针对传统装载机行走系统与液压系统功率分配比例难以随工况调整的固有缺陷，基于静液-机械复合传动系统的无级变速特性，提出一种利用其速比调节行走功率与液压功率分配的控制方案，使其与装载机工况相适应，为提高装载机的作业效率与燃油经济性探索新的方法和途径。主要研究内容包括：①从装载机工作循环数据中提取载荷分布信息，以充分利用发动机功率和提高装载机作业效率为目标，求解装载机的最佳功率分配规律；②建立静液-机械复合传动系统的数学模型，研究调校无级传动系统变速特性的方法，以满足调节装载机功率分配的要求；③基于装载机行走功率和液压功率的互补规律，针对发动机部分负荷和全负荷工况，分别研究利用速比调节功率分配的机理；④以装载机最佳功率分配规律为目标，制定利用速比调节分配功率的控制策略，通过仿真和试验检验本方案的节能效果。本项目的研究成果将为静液-机械复合传动系统在装载机领域的应用提供理论指导和技术支持。

本项目提出了利用无级变速装载机速比调节行走与液压系统功率的方法，提高发动机功率利用率、装载机燃油经济性和作业效率。采用装载机工况调查实验、理论研究、仿真分析和实验验证相结合的研究方法，主要研究内容包括：①通过实验调查了装载机工作循环的功率分布特性，获得了装载机行走与液压系统功率在发动机输出功率约束下呈互补关系的规律，并建立了描述装载机作业终端功率需求规律的循环工况数值模型，为装载机的逆向仿真和正向设计提供数值依据；②建立了全面描述静液-机械复合传动系统的系列数学模型，辅以虚拟杠杆模型直观的分析其无级变速传动特性，并形成一套根据变速传动要求反求复合传动系统参数的方法，为复合传动系统的参数化设计提供理论支持；③从装载机牵引力平衡方程、行走系统变速传动方程、液压系统流量平衡方程、装载机负载与系统压力关联方程和发动机动力分配方程等5个方面，分别建立了液力-机械传动装载机和无级变速装载机的动力学模型，全面描述了两种装载机的动力传动特性；④根据装载机的动力学模型搭建了装载机的仿真平台，以装载机工况调查数据为对标对象，对传统仿真平台进行精度修正，再在传动仿真平台的基础上派生出无级变速装载机仿真平台，为无级变速装载机速比调节功率分配提供研究平台；⑤分别针对发动机部分负荷工况和全负荷工况，创建了等功率速比和降功率速比调节功率策略，利用传统仿真平台和无级变速仿真平台与实验相结合，研究了无级变速装载机的4种节能机理及其节能潜力；⑥研究了采用功率平衡法匹配无级变速装载机取代牵引力平衡法匹配液力-机械传动装载机的理论，并用全液压和复合传动无级变速装载机的匹配加以验证，通过仿真和实验证明了该理论的有效性；⑦将利用速比调节功率分流系统功率分配比例的方法拓展到农业机械领域，并获得了理想的效果。本项目的相关研究成果可以为功率分流机械利用无级变速系统的速比调节功率分配比例的研究与应用提供基础理论和技术支撑。