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電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

發布時間：2020-07-27 12:03

來源：《建設機械技術與管理》雜志

作者：楊斌黃綿劍劉浩然張俊嶺

　　摘要：本文主要針對作業性能和噪聲性能進行測試對比，介紹了測試方案，具體包括測試方法確認、燃油(電)消耗量方法確認和作業能耗測試結果計算方法。結合司機主觀感受，對測試結果進行分析，結果表明電動裝載機作業性能和噪聲都優于傳統裝載機，關于電動裝載機不足之處，提出對產品優化有參考的建議。

　　關鍵詞：作業性能;噪聲性能;計算方法;建議

　　1 研究背景

　　對于工程機械來說，傳統燃料為柴油，即對環境造成污染，同時也嚴重浪費能源。為改善這一狀況，現許多工程機械廠家投身開發新能源車輛，以輪胎式裝載機為例，有卡特彼勒906、沃爾沃L25、柳工CLG856H-EV、博雷頓BRT951EV等。國內對新能源工程機械研究起步較晚，初步形成新能源工程機械研發和技術理念，技術方面部分產品基本能滿足整車要求，并能實現小批量銷售，正在向產業化推進。

　　本文主要針對電動裝載機性能和傳統裝載機進行性能對比測試，具體包括作業性能和噪聲性能測試，通過測試對比，能了解到電動裝載機優缺點，對今后產品優化有參考意義。

　　2 測試方案

　　2.1 作業性能測試方法確認

　　依據標準GB/T 35198-2017《土方機械輪胎式裝載機試驗方法》，作業方式采用半回轉式(如圖1)，作業物料為松散的砂石。以A為作業起點，且B-C鏟斗中心切削刃兩點之間的運距為20m，一個循環作業分解為A-B鏟裝，B-A運輸，A-C卸載，C-A返回[1]。

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖1 半回轉式作業示意圖(α=30°~60°)

　　為了減少司機疲勞，使試驗結果具有穩定性和可重復性[2]，依據標準GXB/TY0025-2014《輪胎式裝載機燃油消耗試驗方法》，裝載機連續鏟裝9個作業循環為1個試驗周期，回到A點停機熄火，記錄每個試驗周期過程中的作業時間、燃油(電)消耗量、裝載物料重量，測試3個試驗周期結束，每2個試驗周期之間的能效誤差大于等于 5%，則須加測(直至3次能效相互之間誤差小于5%)[3]。

　　選取某廠電動裝載機和燃油裝載機，工作系統壓力都為18.0MPa，轉向系統壓力都為17.0MPa，制動系統壓力都為12.0MPa，輪胎氣壓都為0.32MPa，都配備了2.7m3鏟斗。作業物料為松散砂石，粒徑20-40mm，物料堆積密度為1900-2100kg/m3。安裝GPS傳感器，監測作業過程車速變化情況。選取3名試驗操作司機，都擁有8年以上操作裝載機經驗，降低人為誤差對測試的影響。使用秒表記錄作業時間，使用地磅稱重，物料重量由總重減卡車皮重所得。

　　2.2 作業性能燃油(電)消耗量確認方法

　　2.2.1 傳統裝載機燃油消耗量

　　利用稱重法得到燃油消耗量，試驗前將附加油箱固定在靠近發動機的合適位置，將進出油管接入附加油箱底部，將發動機進出油管與附加油箱連通，為保證測量附加油箱質量精度，應排除測量時的外界影響因素(如風等)，避免拆裝附加油箱時漏油、發動機側氣泡混入[4]，如圖2所示。

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖2 附加油箱測量燃油消耗量測量示意圖

　　2.2.2 電動裝載機電消耗量

　　動力電池管理系統(BMS)能夠發出CAN信號，利用電池廠商提供CAN協議，通過數據采集儀(HBM公司SoMateDAQ設備)，筆記本電腦控制數采設備，能夠進行實時采集電量消耗，并存儲數據，如圖3所示。

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖3 電池消耗量測量示意圖

　　2.3 作業性能測試結果計算方法

　　三次有效測試結果的算術平均值作為最終測試結果,包括單位時間燃油(電)消耗量、作業生產率和作業能效，具體計算過程如下三個公式[3]。

　　2.3.1裝載機單位時間的燃油(電)消耗量(W)計算

　　電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究 (1)

　　式(1)中： W──單位時間燃油(電)消耗量，單位為千克或千瓦時每小時(kg/h或kWh/h) ;G──每個試驗周期燃油(電)消耗量，單位為千克或千瓦時(kg或kWh);T──每個試驗周期時間，單位為秒(s)。

　　2.3.2裝載機鏟裝物料的作業生產率(Q)計算

　　電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究 (2)

　　式(2)中： Q──作業生產效率，單位為噸每小時(t/h) V——每個試驗周期鏟裝重量，單位為千克(kg)。

　　2.3.2作業能效(E)計算

　　電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究 (3)

　　式(3)中： E──作業能效，單位為噸每千克或千瓦時(t/kg或t/kWh)

　　2.4 噪聲性能測試方案

　　依據標準GB/T 25614-2010《土方機械聲功率級的測定動態試驗條件》進行機外噪聲輻射測試，試驗用的測量面為一個半球面，半球面的半徑為16米，采用6個測量位置(傳聲器位置及其坐標值分別如圖4和表1)[5]。測試設備是LMS，傳聲器是丹麥BK公司積分聲級計。

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖4 半球面上傳聲器布置圖

　　表1 傳聲器位置坐標值

傳聲器位置	x，單位米	y，單位米	z，單位米
1	11.2	11.2	1.5
2	-11.2	11.2	1.5
3	-11.2	-11.2	1.5
4	11.2	-11.2	1.5
5	-4.32	10.4	11.36
6	4.32	-10.4	11.36

　　3 對比測試

　　3.1 作業性能對比測試

　　測試前按規定刻度注滿冷卻液、液壓油和箱油，裝載機要熱機10-15分鐘，使發動機水溫達到80-90℃(電機水溫25-35℃)，箱油油溫到80-100℃。作業場地為平整的混凝土路面，天氣多云，氣溫15.8℃，濕度70.6%，風速2.3m/s。測試過程如圖5和圖6所示。

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖5 電動裝載機作業性能測試

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖6 傳統裝載機作業性能測試

　　測試結果見表(2)和表(3)所示，

　　表2 傳統裝載機作業性能測試結果

項目	單位	試驗周期1	試驗周期2	試驗周期3	試驗周期1	試驗周期2	試驗周期3	試驗周期1	試驗周期2	試驗周期3
操作手	/	司機A			司機B			司機C
試驗循環次數	次	9			9			9
1個試驗周期作業時間	S	285	290	281	303	301	303	312	317	310
物料重量V	Kg	48610	49105	48800	47990	48925	48895	47835	473545	47210
燃油消耗量G	Kg	1.372	1.377	1.358	1.239	1.272	1.282	1.373	1.395	1.387
單位時間燃油消耗量W	Kg/h	17.3	17.1	17.4	14.7	15.2	15.0	15.8	15.8	16.1
單位時間燃油消耗量W	Kg/h	平均值17.3			平均值15.0			平均值15.9
作業生產率Q	t/h	614.0	609.6	625.2	570.2	585.1	573.4	551.9	537.7	548.2
作業生產率Q	t/h	平均值616.3			平均值576.2			平均值545.9
作業能效E	t/kg	35.4	35.7	35.9	38.7	38.5	38.1	34.8	33.9	34.0
作業能效E	t/kg	平均值35.7			平均值38.4			平均值34.2
作業能效最大誤差	%	1.4			1.6			2.7

　　表3 電動裝載機作業性能測試結果

項目	單位	試驗周期1	試驗周期2	試驗周期3	試驗周期1	試驗周期2	試驗周期3	試驗周期1	試驗周期2	試驗周期3
操作手	/	司機A			司機B			司機C
試驗循環次數	次	9			9			9
1個試驗周期作業時間	S	258	255	260	270	273	276	269	266	265
物料重量V	Kg	49885	49345	50186	49660	48890	49915	50385	50590	50910
電消耗量G	kWh	2.671	2.558	2.606	2.536	2.584	2.592	2.823	2.785	2.874
單位時間電消耗量W	kWh /h	37.3	36.1	36.1	33.8	34.1	33.8	37.8	37.7	39.0
單位時間電消耗量W	kWh /h	平均值36.5			平均值33.9			平均值38.2
作業生產率Q	t/h	696.1	696.6	694.9	662.1	644.7	651.1	674.3	684.7	691.6
作業生產率Q	t/h	平均值			平均值			平均值
作業能效E	t/ kWh	18.7	19.3	19.3	19.6	18.9	19.3	17.8	18.2	17.7
作業能效E	t/ kWh	平均值19.1			平均值19.3			平均值17.9
作業能效最大誤差	%	3.2			3.7			2.8

　　利用數據處理軟件nCode編制車速處理流程，如圖7所示，可以得到裝載機空載和帶載前進10米距離時對應的時間和車速，如圖8-11所示。

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖7 車速處理流程圖

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖8 傳統裝載機空載車速圖

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖9 傳統裝載機帶載車速圖

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖10 電動裝載機空載車速圖圖

電動裝載機與傳統裝載機性能對比測試研究

圖11 動裝載機帶載車速圖

　　具體數據如表4所示，

　　表4 時間和車速數據

狀態		時間（s）	車速（km/h）
傳統裝載機空載	前進10米距離	4.0	11.7
傳統裝載機帶載		4.2	11.3
電動裝載機空載		3.2	18.8
電動裝載機帶載		3.7	17.3

　　從作業性能和車速變化測試結果表明，不論哪位司機操作，單次循環用時電動裝載機比傳統裝載機短，作業生產率電動裝載機也高于傳統裝載機，單位時間電消耗比燃油消耗經濟性大大提高。司機現場操作感受反饋，電動裝載機前進速度比較快，造成鏟裝慣性比較大，長時間作業會很難受，從表(4)數據也得到很好證實。

　　3.2 噪聲性能對比測試

　　測試場地為平整開闊的混凝土路面，從聲源中心到測點最大距離三倍范圍內無聲反射體，天氣晴，氣溫16.7℃，濕度67.2%，風速1.3m/s，測試結果見表(5)和表(6)。

　　表（5）傳統裝載機機外噪聲測試結果

傳聲器位置測試工況	1	2	5	3	4	6	聲功率（dB）	機外噪聲（dB）
傳聲器位置測試工況	左前	左后	左高空	右前	右后	右高空	聲功率（dB）	機外噪聲（dB）
定置舉升	76.8	77.6	79.6	76.0	79.5	78.5	110.3	111
道路行駛—前進	79.1	80.0	79.9	78.3	79.7	79.3	111.5
道路行駛—后退	78.7	80.0	79.6	77.9	81.0	78.9	111.6

　　表（6）電動裝載機機外噪聲測試結果

傳聲器位置測試工況	1	2	5	3	4	6	聲功率（dB）	機外噪聲（dB）
傳聲器位置測試工況	左前	左后	左高空	右前	右后	右高空	聲功率（dB）	機外噪聲（dB）
定置舉升	69.8	68.9	68.2	69.3	67.9	69.1	101.0	102
道路行駛—前進	70.7	71.8	70.6	71.6	71.4	71.1	103.3
道路行駛—后退	71.9	70.5	72.1	71.2	70.7	71.8	103.5