CN112124226A - 一种工程车辆的能量流分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程车辆的能量流分析方法及系统，包括：获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；基于获取的参数数据，分别计算动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的输入能量、输出能量及效率；基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。本发明实现分析能量流的传递、利用及损失，可以快速、有效的完成能量流分析。

Description

一种工程车辆的能量流分析方法及系统

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，涉及工程车辆节能增效，具体涉及一种工程车辆的能量流分析方法，还涉及一种工程车辆的能量流分析系统。

背景技术

工程机械是支撑国民经济发展的重要基础装备，作业效率、燃油消耗量、热平衡等要求关系到工程进度、工程费用与适用场合，降低系统能耗，提高整机效率已成为确保产品竞争力最关键的一环，是用户一直以来关注重点，也是行业一直以来关注热点。与国外标杆产品相比，国内产品普遍存在作业效率低、燃油消耗率高、散热性能不合理等问题，受国外技术封锁与自身能力制约，长期没有得到解决。

工程机械工况具有多样化的特点，如挖掘机作业工况可分为挖掘、装载和修边等；工程机械工况具有随机性的特点，施工对象包括土方、沙石等不同物料，这些物料具有不可预知性和不可重复再现性；工程机械工况具有变化大的特点，作业时间短，性能参数通常呈现出随时间急剧变化。如何根据载荷数据实现对用户工况的深入认知、如何对载荷谱特征提取并最终实现多工况下能量利用率及能量损失方向的识别，这是工程机械能效提升控制面临的首要问题。

目前市面上没有统一的能效流向识别测量方法及评价标准，如何准确测量工程车辆能效流向情况，进而对工程车辆能效进行评价、指导改进设计，是工程机械行业内亟待解决的问题。

目前国内主机厂主要是通过连续作业半小时，用油桶装柴油直接供发动机使用，待连续作业结束后，称量油桶重量的变化，从而计算出该段时间内的平均油耗，作为该车的油耗水平。

现有技术存在的缺陷有：

(1)针对变负载复杂工况，无法实时掌握瞬时油耗水平；

(2)无法获得整车从发动机至传动系统、液压系统等能量利用情况，从而无法从整车全局的角度，系统性的分析解决问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种工程车辆的能量流分析系统，分析得到能量流的传递、利用及损失。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，包括：

获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；

基于获取的参数数据，分别计算动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的输入能量、输出能量及效率；

基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。

进一步的，所述动力系统为发动机；传动系统包括依次连接的变速箱/减速机、驱动桥和车轮；液压系统包括依次连接的泵、阀、马达/油缸；散热系统包括风扇。

进一步的，所述获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据，包括：

动力系统中：由油耗仪测得的燃油体积流量计算得到燃油消耗量；

散热系统中：风扇消耗功率由风扇台架试验确定，通过测量转速与扭矩计算所得；

传动系统中：变速箱/减速机、驱动桥的扭矩由扭矩遥测系统测量，转速由激光转速传感器测得；车轮所受到的力通过六分力传感器测量，位移通过GPS测量；

液压系统中：液压泵、阀、马达油缸的转速由激光转速传感器测得，排量由流量传感器测得，压力由液压压力传感器测得。

进一步的，所述计算动力系统的输入能量、输出能量及效率，包括：

动力系统输入能量理论计算用下列公式：

式中：Q为发动机累积油耗量(ml)；n为总采样点数；q_i为第i采样点的瞬时油耗量(L/h)；d_t为信号采样间隔；

动力系统输出能量为：

式中：P为发动机功率，E为发动机输出能量，T_e为发动机扭矩，n_e为发动机转速；

动力系统效率η_f为：

进一步的，所述计算传动系统的输入能量、输出能量及效率，包括：

变速箱/减速机的输出能量为：

其中，P_x为功率，T_x为转矩，n_x为转速，E_x为能量；

传动变速箱的效率为：

其中，η_x为效率或者有效比，P_i为传动系统的输入总功率；

传动系统驱动桥的输出能量与效率为：

其中，P_A为驱动桥输出功率，T_A为驱动桥转矩，n_A为驱动桥转速，E_A为驱动桥输出能量，η_A为驱动桥效率；

工程车辆所受阻力分别为滚动阻力、空气阻力、坡道阻力、加速阻力、作业阻力，车轮的输出能量如下列公式所示：

其中，P_z是指车轮和作业系统输出功率，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，F_i为坡道阻力，F_j为加速阻力，F_e为作业介质施加工程车辆的阻力，L_f为滚动位移，L_w为空气位移，L_i为坡道位移，L_j为加速位移，L_e为作业介质施加工程车辆的位移。

进一步的，所述计算液压系统的输入能量、输出能量及效率，包括：

液压系统中泵输出能量为：

式中：P_b为泵输出功率，E_b为泵输出能量，p_b为压力，q_b为流量；

液压系统泵一般为液力损失，效率为：

其中，P_i为液压系统的输入总功率；

阀输出能量与效率为：

其中，P_fa为阀有效功率，p_fa为阀压力，q_fa为阀流量，E_fa为阀能量，η_fa为阀效率；

油缸输出能量：

其中，P_y为有效功率，Δp_y为压力差，ν_y为流速，d₁为外筒直径，d₂为油缸直径，E_y为输出能量；

油缸输入能量：

其中，P_i总功率，E_i总能量；

马达输出能量：

马达损失能量：

其中，P_m为马达有效功率，Δp_m为压力差，n_m为转速，V_m为容积，E_m为能量，P_L为马达损失能量，Δp_L为损失压力差；

输出能量加上损失能量等于输入能量，输出能量与输入能量两者之比是效率。

相应的，本发明还提供了一种工程车辆的能量流分析系统，其特征是，包括参数获取模块、能量计算模块和能量流分析模块；

参数获取模块，用于获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；

能量计算模块，用于基于获取的参数数据，分别计算动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的输入能量、输出能量及效率；

能量流分析模块，用于基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。

进一步的，所述动力系统为发动机；传动系统包括依次连接的变速箱/减速机、驱动桥和车轮；液压系统包括依次连接的泵、阀、马达/油缸；散热系统包括风扇。

进一步的，所述工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据，包括：

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量，由油耗仪测得的燃油体积流量计算得到；

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量；

散热系统中包括：风扇消耗功率；

传动系统中包括：变速箱/减速机、驱动桥的扭矩、转速；车轮所受到的力、位移；

液压系统中包括：液压泵、阀、马达油缸的转速、排量和压力。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)本发明提供了一套切实可行的能量流分析方法，可以快速、有效的完成能量流分析；

(2)本发明通过能量流分析方法，可以全面了解竞争对手机型，为整车优化提供数据支撑，避免脱离市场，盲目优化，浪费开发研究成本；

(3)能量流分析方法是从整车全局的角度，系统性的分析解决问题，避免只关注单一子系统；

(4)能量流分析方法可以快速精准定位出问题的关键点，有效缩短了整机的优化及新机型研发周期。

附图说明

图1是本发明技术路线图；

图2是本发明能量流分析数学模型图；

图3是本发明能量流传递路径图；

图4是本发明能量流测试系统布置图；

图5是本发明能量流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的技术构思为：从工程车辆整车的角度出发，以特定的工况，通过对动力系统、传动系统、液压系统、散热系统的理论分析，运用能流图总结出整车能量利用及损失情况，为整车系统的优化、能量的回收及控制策略的调整提供有效依据。

根据工程车辆动力系统输出功率分配情况，分为三种工况：(1)行驶工况：发动机输出功率全部用于传动系统克服行驶阻力；(2)作业工况：发动机输出功率全部用于液压系统对外做功；(3)联合作业工况：发动机功率以一定的比例分配到行驶系统和液压系统，进行联合作业。

现有技术中，工程车辆通常包括动力系统、传动系统、液压系统和散热系统，动力系统为发动机，传动系统包括变速箱、减速机驱动桥车轮等，液压系统包括泵、阀、马达、油缸等，散热系统包括风扇。工程车辆主要能量传递路径如图3所示，动力系统中：油箱为发动机提供液压油，发动机为传动系统、液压系统和散热系统提供输入能量，发动机存在排气及散热损失。传动系统中：变速箱/减速机为驱动桥提供能量，变速箱/减速机存在机械损失和液力损失，驱动桥为车轮提供驱动力，驱动桥存在机械损失，车轮存在轮胎滑转损耗；液压系统中：泵、阀、马达/油缸存在液力损失，散热系统中：风扇存在风扇功耗。

实施例1

本发明的一种能量流分析方法，参见图1和图2所示，包括以下过程：

步骤1，获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；

各个传递路径下能量分析方法如图4所示，各个系统的能量分析方法如图4所示，动力系统中发动机的油耗量由油耗仪测得的燃油体积流量计算得到，发动机总输出功率由转速扭矩曲线确定；散热系统中风扇消耗功率由风扇台架试验确定，通过测量风扇的转速与扭矩计算所得；传动系统中变速箱/减速机、驱动桥等输出功率由“扭矩×转速/9549”计算得出，其中扭矩由扭矩遥测系统(扭矩仪)测量，转速由激光转速传感器测得；传动系统效率可以通过台架实验所得；车轮所受到的力可以通过六分力传感器测量，位移可以通过GPS测量；液压系统中液压泵、阀、马达油缸等功率由“转速×排量×压力/效率”计算得出，转速由激光转速传感器测得，排量由流量传感器测得，压力由液压压力传感器测得。

步骤2，计算各系统的输入能量和输出能量，基于输入能量和输出能量计算得到效率；

下面对各系统的能量计算进行详细介绍，能量流分析数学模型如图2所示，1)动力系统

动力系统(发动机)输入能量理论计算可以用下列公式：

式中：Q为发动机累积油耗量(ml)；n为总采样点数；q_i为第i采样点的瞬时油耗量(L/h)；d_t为信号采样间隔。

也可以用下列公式：

Q＝m.q_f

其中q_f为热值，m为燃油质量。

动力系统输出能量为：

式中：P为发动机功率，E为发动机输出能量，T_e为发动机扭矩，n_e为发动机转速。

动力系统大部分能量损耗在排气及散热等方面，因此动力系统效率η_f为：

2)传动系统

变速箱/减速机的输出能量为：

其中，P_x为功率，T_x为转矩，n_x为转速，E_x为能量。

传动变速箱一般为机械损失，液力变速箱一般为液力损失，效率为：

其中，η_x为效率或者有效比，P_i为传动系统的输入总功率(输入端的转速乘以扭矩)。

传动系统驱动桥与变速箱/减速机等类似，输出能量与效率为：

其中，P_A为驱动桥输出功率，T_A为驱动桥转矩，n_A为驱动桥转速，E_A为驱动桥输出能量，η_A为驱动桥效率。

工程车辆所受阻力分别为滚动阻力、空气阻力、坡道阻力、加速阻力、作业阻力，车轮的输出能量如下列公式所示：

其中，P_z是指车轮和作业系统输出功率，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，F_i为坡道阻力，F_j为加速阻力，F_e为作业介质施加工程车辆的阻力，L_f为滚动位移，L_w为空气位移，L_i为坡道位移，L_j为加速位移，L_e为作业介质施加工程车辆的位移。

各阻力的计算公式为：滚动阻力F_f＝G·cosα·f，其中，G为整机重力，f为滚动阻力系数，α为作业场地坡度角；空气阻力

其中，A为正面迎风面积，ρ_w为空气密度，C_D为空气阻力系数，v_r为气流相对速度。坡道阻力F_i＝G·sinα。加速阻力

其中，δ为旋转质量换算系数，m为工程车辆总质量，v为工程车辆作业行驶速度。

各阻力可以采用六分力直接测试到空气、坡道、加速等力，也可以靠上面经验公式计算，GPS测试位移和速度。

3)液压系统

液压系统中泵输出能量为：

式中：P_b为泵输出功率，E_b为泵输出能量，p_b为压力，q_b为流量

液压系统泵一般为液力损失，效率为：

其中，P_i为液压系统的输入总功率；

阀输出能量与效率为：

其中，P_fa为阀有效功率，p_fa为阀压力，q_fa为阀流量，E_fa为阀能量，η_fa为阀效率。

油缸输出能量：

其中，P_y为有效功率，Δp_y为压力差，ν_y为流速，d₁为外筒直径，d₂为油缸直径，E_y为输出能量。

油缸输入能量：

其中，P_i总功率，E_i总能量。

马达输出能量：

马达损失能量：

其中，P_m为马达有效功率，Δp_m为压力差，n_m为转速，V_m为容积，E_m为能量，P_L为马达损失能量，Δp_L为损失压力差；

输出能量加上损失能量等于输入能量，输出能量与输入能量两者之比就是效率。

步骤3，基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。

然后将各工况能量传递情况汇总，得到能量方向以及每个系统的有效利用与损失，如图5所示。燃油能量大部分损失在排气与散热方向，一部分转为发动机输出功率，发动机输出功率一部分损耗在风扇、变速箱等传递系统传递、泵等液压系统传递，另一部分用于驱动有用功，各个环节能量占比等于各部分损耗能量比上总能量，从这张图中可以清晰地知道能量的传递与损耗。

技术路线如图1所示，首先对关注机型整车进行理论计算与整机测试，对比数据库中其他机型的能量数据，得到关注机型与其他机型的能量流图，得到有效能量比与损耗能量比，总结出能耗优化方向。

本发明可以快速、有效的完成能量流分析；全面了解竞争对手机型，为整车优化提供数据支撑，避免脱离市场，盲目优化，浪费开发研究成本；并且能量流分析方法可以快速精准定位出问题的关键点，有效缩短了整机的优化及新机型研发周期。

实施例2

本发明的一种工程车辆的能量流分析系统，包括参数获取模块、能量计算模块和能量流分析模块；

参数获取模块，用于获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；

能量计算模块，用于基于获取的参数数据，分别计算动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的输入能量、输出能量及效率；

能量流分析模块，用于基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。

进一步的，所述动力系统为发动机；传动系统包括依次连接的变速箱/减速机、驱动桥和车轮；液压系统包括依次连接的泵、阀、马达/油缸；散热系统包括风扇。

进一步的，所述工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据，包括：

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量，由油耗仪测得的燃油体积流量计算得到；

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量；

散热系统中包括：风扇消耗功率；

传动系统中包括：变速箱/减速机、驱动桥的扭矩、转速；车轮所受到的力、位移；

液压系统中包括：液压泵、阀、马达油缸的转速、排量和压力。

本发明系统中各模块的实现参见实施例1中具体实现方式。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，包括：

获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；

基于获取的参数数据，分别计算动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的输入能量、输出能量及效率；

基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。

2.根据权利要求1所述的一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，所述动力系统为发动机；传动系统包括依次连接的变速箱/减速机、驱动桥和车轮；液压系统包括依次连接的泵、阀、马达/油缸；散热系统包括风扇。

3.根据权利要求2所述的一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，所述工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据，包括：

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量；

散热系统中包括：风扇消耗功率；

传动系统中包括：变速箱/减速机、驱动桥的扭矩、转速；车轮所受到的力、位移；

液压系统中包括：液压泵、阀、马达、油缸的转速、排量和压力。

4.根据权利要求3所述的一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，所述获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据，包括：

动力系统中发动机的燃油消耗量，由油耗仪测得的燃油体积流量计算得到；

散热系统中风扇消耗功率，由风扇台架试验确定；

传动系统中变速箱/减速机、驱动桥的扭矩由扭矩遥测系统测量，转速由激光转速传感器测得；车轮所受到的力通过六分力传感器测量，位移通过GPS测量；

液压系统中液压泵、阀、马达、油缸的转速由激光转速传感器测得，排量由流量传感器测得，压力由液压压力传感器测得。

5.根据权利要求3所述的一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，所述计算动力系统的输入能量、输出能量及效率，包括：

动力系统输入能量理论计算用下列公式：

式中：Q为发动机累积油耗量；n为总采样点数；q_i为第i采样点的瞬时油耗量；d_t为信号采样间隔；

动力系统输出能量为：

式中：P为发动机功率，E为发动机输出能量，T_e为发动机扭矩，n_e为发动机转速；

动力系统效率η_f为：

6.根据权利要求3所述的一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，所述计算传动系统的输入能量、输出能量及效率，包括：

变速箱/减速机的输出能量为：

其中，P_x为功率，T_x为转矩，n_x为转速，E_x为能量；

变速箱/减速机的效率为：

其中，η_x为效率或者有效比，P_i为传动系统的输入总功率；

传动系统驱动桥的输出能量与效率为：

其中，P_A为驱动桥输出功率，T_A为驱动桥转矩，n_A为驱动桥转速，E_A为驱动桥输出能量，η_A为驱动桥效率；

工程车辆所受阻力分别为滚动阻力、空气阻力、坡道阻力、加速阻力、作业阻力，车轮的输出能量如下列公式所示：

∑P_z＝F_fL_f+F_wL_w+F_iL_i+F_jL_j+F_eL_e,

其中，P_z是指车轮和作业系统输出功率，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，F_i为坡道阻力，F_j为加速阻力，F_e为作业介质施加工程车辆的阻力，L_f为滚动位移，L_w为空气位移，L_i为坡道位移，L_j为加速位移，L_e为作业介质施加工程车辆的位移。

7.根据权利要求3所述的一种工程车辆的能量流分析方法，其特征是，所述计算液压系统的输入能量、输出能量及效率，包括：

液压系统中泵输出能量为：

式中：P_b为泵输出功率，E_b为泵输出能量，p_b为压力，q_b为流量；

液压系统泵的效率为：

其中，P_i为液压系统的输入总功率；

阀输出能量与效率为：

P_fa＝p_faq_fa，

其中，P_fa为阀有效功率，p_fa为阀压力，q_fa为阀流量，E_fa为阀能量，η_fa为阀效率；

油缸输出能量：

其中，P_y为有效功率，Δp_y为压力差，ν_y为流速，d₁为外筒直径，d₂为油缸直径，E_y为输出能量；

油缸输入能量：

其中，P_i总功率，E_i总能量；

马达输出能量：

P_m＝Δp_mn_mV_m，

马达损失能量：

P_L＝Δp_Ln_mV_m，

其中，P_m为马达有效功率，Δp_m为压力差，n_m为转速，V_m为容积，E_m为能量，P_L为马达损失能量，Δp_L为损失压力差；

输出能量加上损失能量等于输入能量，输出能量与输入能量两者之比是效率。

8.一种工程车辆的能量流分析系统，其特征是，包括参数获取模块、能量计算模块和能量流分析模块；

参数获取模块，用于获取工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据；

能量计算模块，用于基于获取的参数数据，分别计算动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的输入能量、输出能量及效率；

能量流分析模块，用于基于计算得到的各系统的能量和效率，分析得到能量流的传递、利用及损失。

9.根据权利要求8所述的一种工程车辆的能量流分析系统，其特征是，所述动力系统为发动机；传动系统包括依次连接的变速箱/减速机、驱动桥和车轮；液压系统包括依次连接的泵、阀、马达/油缸；散热系统包括风扇。

10.根据权利要求9所述的一种工程车辆的能量流分析系统，其特征是，所述工程车辆中动力系统、传动系统、液压系统和散热系统的参数数据，包括：

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量，由油耗仪测得的燃油体积流量计算得到；

动力系统中包括：发动机的燃油消耗量；

散热系统中包括：风扇消耗功率；

传动系统中包括：变速箱/减速机、驱动桥的扭矩、转速；车轮所受到的力、位移；

液压系统中包括：液压泵、阀、马达、油缸的转速、排量和压力。

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