1、第四章 工程機械的牽引性能 施工機械的工作過程有兩種典型工況：牽引工況和運輸工況。機器在牽引工況下工作時，需要克服由鏟土而產生的巨大工作阻力，因而要求機械能發揮強大的牽引力。當機械在運輸工況下工作時，它需要克服的僅是數值不大的行駛阻力，此時主要要求機械在越野條件下能具有高的速度性能、加速性能、運行穩定性和機動性。但是，對于運行速度較低的鏟土運輸機械來說，最主要的工況還是牽引工況。 車輛的牽引性能和燃料經濟性通常是用機械的牽引特性來評價的。機械的牽引性能反映了機械工作時的功率利用的有效程度，它是機械最基本的也是最主要的使用性能。 機械的牽引性能通常用牽引特性曲線和牽引力、行駛速度、牽引功率、牽引

2、效率等指標來評價。 第一節 發動機性能 n 發動機的動力性和經濟性是決定機械整機使用性能的基礎。然而，發動機動力性和經濟性的充分發揮和利用又與機械使用過程中的負荷工況有著密切的關系。本節將著重討論發動機在變負荷工況下的工作性能。 一、發動機性能指標 （11頁） 衡量發動機的性能指標有動力性、經濟性、可靠性、耐久性、排放性能、運行舒適性等，主要介紹的性能指標包括動力性和經濟性。 性能指標指示指標：以工質對活塞做功為基礎建立的性能指標 ，主要是衡量發動機工作過程的好壞，通常用符號的下標i來表示 。有效指標：以輸出軸上所得到的功為基礎建立的性能指標，主要是考慮到發動機自身所消耗的機械能，是用來綜合評

3、價發動機的性能，通常用下標e來表示。 1、指示功Wi：發動機完成一個工作循環工質對活塞所做的功。可以從PV示功圖上獲取。實際上是其封閉的面積乘以縱、橫坐標的比例尺Kl和K2。 上圖顯示，四沖程發動機的示功圖包含兩塊面積，即A3和Al。其中A3為高壓區面積，也就是工質對活塞所做的功；Al為低壓區面積，是換氣過程活塞對工質所做的功，對于自然吸氣式發動機，由于在換氣過程需要消耗發動機的能量(從發動機飛輪的動能中獲取)，因此，Al實際上為負值，指示功為兩者之差。 2、循環平均壓力Pm：因為發動機一個循環所做的功與工作容積有關，因此以平均壓力即比功Pm來衡量更能反應工作過程的好壞。 （1）平均指示壓力P

4、mi： 汽缸工作容積。指示功；式中：hihimiVWVWp 相當于工質以一個不變的壓力Pmi作用在活塞上使得活塞在膨脹沖程行進一個沖程(180曲軸轉角)所作的功。 （12頁圖1-11）（2）平均有效壓力Pme：單位汽缸工作容積的有效功。 曲軸輸出的有效功。式中：ehemeWVWp3、功率P：也分為指示功率和有效功率。常用的是有效功率Pe。 （14頁式1-22）式中：i發動機的汽缸數； n內燃機的轉速； 沖程數，二沖程2，四沖程4。 4、有效扭矩Me：由發動機的動力輸出軸輸出的扭矩，因此用Me來表示其動力性。)(9549)(101047. 06023mNnPMkWnMMnMPeeeeee得：5、

5、油耗：油耗是發動機經濟性的評價指標油耗燃油消耗量：每小時耗油量，用B（Kg/h）表示燃油消耗率(比油耗)：單位功率單位時間所消耗的燃油量。指示燃油消耗率bi有效燃油消耗率be（1）指示燃油消耗率bi： hkWgPBbii/1000（2）有效燃油消耗率be： hkWgPBbee/10006、熱效率：工質所作的功與燃料完全燃燒所放出的熱量之比，也分為指示熱效率i和有效熱效率e。 。燃料的低熱值，式中：kgKJHHbQWHbQWuueeeuiii/106 . 3106 . 3667、機械效率m：有效功率與指示功率之比。mieriririiemPPPPPPPP平均機械損失功率。式中：1強化指標，看書1

6、4頁，升功率和比質量二、柴油機特性 （81頁）柴油機的特性：柴油機性能指標隨運行工況和調整情況的變化關系。 柴油機特性使用特性：負荷特性、速度特性、調速特性、萬有特性、煙度特性、排放特性和噪聲特性等。 調整特性：柴油機供油提前角調整特性等。 通過對特性曲線的分析可以綜合地評定發動機的動力性、經濟性和排放性能，分析影響工作過程的因素，從而提出改進的有效途徑。一般所指的柴油機的特性是指自然吸氣式柴油機。 1、負荷特性： （1）定義：當柴油機轉速不變時，其他性能參數隨負荷變化的關系稱為負荷特性。 通常柴油機的負荷是指扭矩或平均有效壓力，在穩定運行狀態下也就是阻力矩。負荷特性圖以負荷為橫坐標，其他性能

7、參數為縱坐標。 柴油機的負荷是通過改變循環的噴油量而使混合氣的空燃比變化，從而實現負荷調節，即可燃混合氣的質調節。而汽油機是通過改變可燃混合氣的量而改變負荷，屬于量調節。 （2）特性分析： 1）耗油量B：隨著負荷的增加，每循環的供油量增加與負荷幾乎成線性關系。在大負荷時由于每循環供油量過大，混合氣過濃，而使耗油量增加過多。 ueeeHbQW6106 . 3miemiumieKHb6106 . 32）有效燃油消耗率be： be的變化趨勢取決于指示熱效率和機械效率。 指示熱效率i在負荷很小時，由于傳熱損失相對較大，缸內溫度較低，燃燒不完善，因此，低負荷時熱效率下降。在全負荷時，由于空燃比減小，燃燒

8、惡化，熱效率下降較快，整個趨勢呈上弓形。 機械效率m在轉速不變時，柴油機的機械損失變化很小，而當負荷增加時，根據下式： iririiemPPPPPPP1 隨著負荷的增加，機械效率增加。當空負荷時工質對活塞所做的功全部用來克服機械損失，Pi=Pr，機械效率為零。 隨著負荷的增加，即柴油機的供油量增加，指示功率Pi增加較快，但機械損失功率Pr變化不大，故機械效率增大，當負荷增大到一定程度時，由于混合氣過濃，燃燒不完全，指示功率Pi增加變緩，機械效率在大負荷時變化不大。（15頁，機械損失） 根據上式及i和m的變化狀況，得到了be曲線，如圖中所示的“魚鉤”形。空載時，Pe為零，m0，故有效燃油消耗率b

9、e。從ab，i和m增大，be下降，在c點，immax，be達到最小值。e點為冒煙極限，f點為最大功率點。 2、速度特性 （1）定義：速度特性是柴油機在油量調節機構位置一定時，其性能指標隨轉速變化的關系。 速度特性部分負荷速度特性：油量調節機構固定在標定供油量位置以下時，包括25、50、75和90標定功率等。 外特性：油量調節機構限制在標定功率位置。 由于外特性表示柴油機所能達到的最高動力性能：最大功率和最大扭矩及所對應的轉速，一般只做外特性曲線。（2）特性分析：（90頁，圖5-11） 1）扭矩Me： 扭矩Me主要由工作循環中可燃混合氣的成分和數量決定，由于柴油機進氣管通常采用圓形截面，又無節流

10、閥，且與排氣管分置機體兩側，其循環充氣量受負荷及轉速的影響較小，而其循環供油量在油量調節機構位置不變時也變化不大，故其可燃混合氣成分及數量均變化不大，因此Me的變化比較平坦。 就此而言，柴油機作為工程機械動力并不合適，因為機械在工作過程中，極有可能遇到阻力矩的突然變化，這時，可能導致轉速較大的波動。 2）有效功率Pe： 9550nMPee 由于Me的變化比較平坦，可知，有效功率是隨著轉速的增加而增加，受冒煙極限的限制在特性曲線上并無最大值，要根據油耗率和有效功率來協調確定標定功率。 3）每小時耗油量B：隨著轉速的增加，每循環的供油量與轉速幾乎成線性關系。因為B是每小時循環次數的累加，轉速增加，

11、每小時循環次數隨之增加。 4）有效燃油消耗率be： 由于B和Pe的變化趨勢基本相同，故be曲線平緩，變化較小，柴油機的經濟轉速寬廣，具有良好的經濟性。hkWgPBbee/1000（3）冒煙極限： 柴油機隨著負荷的增加，由于采用可燃混合氣的質調節，空燃比減小，在中、小負荷時，還有足夠大的空燃比，燃燒較完全，煙度很小，但靠近全負荷時，由于混合氣過濃，燃燒條件惡化，燃燒不完全，在排氣中會有大量的黑煙，煙度上升很快，燃油消耗率迅速增加，活塞和缸蓋的溫度也迅速升高，通常將煙度達到法規規定的值時的工況點定義為冒煙極限(點)。在速度特性上將每一轉速下的冒煙極限連成一條曲線，稱為冒煙極限。 柴油機不允許在冒煙

12、極限下長期工作，因為冒煙極限下會產生嚴重的不完全燃燒和后燃現象，造成汽缸內大量積碳，以及引起零件過熱，故在外特性曲線上無最大功率點，因為超過冒煙極限后功率仍可提高。 （4）扭矩儲備系數： eHeHeMMMmax式中：Memax柴油機最大輸出扭矩； MeH 柴油機標定功率時的扭矩扭矩適應性系數為k： eHeMMkmax 扭矩儲備系數越大，說明克服短期超載能力越強。當內燃機處于全負荷時，車輛的換檔往往是通過改變車速以提高或減少扭矩使之與阻力矩相平衡。越大，換檔的次數可減少。 （加：91頁，轉速儲備系數） 柴油機的較小，只有510，k只有11.05，不適應工程機械的工作，因為較小，稍有超載，若駕駛員

13、來不及反應調整切土深度機械就會熄火，一旦熄火，會影響生產率，駕駛員經常處于緊張狀態，導致疲勞。故必須進行校正，提高到1524，k提高到1.151.24。 油量校正裝置分為出油閥式和彈簧校正器兩種形式。 3、調速特性：為使柴油機工作穩定和運行安全可靠，防止意外熄火和飛車，必須安裝調速器。 （1）裝置調速器的必要性： （2）調速特性：在調速器起作用時，保持調速手柄位置一定，柴油機性能指標隨轉速或負荷變化的關系。 分為以下兩種：調速外特性：將調速手柄置于標定供油量位置時的調速特性。部分負荷調速特性：將調速手柄置于部分供油位置時的調速特性。 1）特性分析： 下圖是柴油機典型的調整外特性和部分調速特性。

14、從圖中可以看出調速外特性實際上是由兩部分組成的。在特性曲線的bc(bc，b”c”)區段內，調速器起著限制轉速的作用，稱為調速區段。當轉速下降到與b點相應的轉速時，調速器不再起作用。而發動機的各項指標將按外特性曲線變化，見圖所示的ab區段，這一區段則稱為非調速區段。當調速手柄減小供油量時，調速器開始起作用的轉速相應降低； 柴油機的調速外特性是反映柴油機動力性和經濟性最基本的特性曲線。在這些曲線上可以指出如下一些表征發功機動力性和燃料經濟性的基本指標。 1.發動機的最大有效功率Pemax；（115頁） 2.發動機的最大功率轉速； 3.發動機的最大功率轉矩Mpemax； 4.發動機的最大轉矩轉速；

15、5.發動機的空轉轉速； 6.發動機的最低比油耗； 7.發動機的最大功率比油耗； 8.發動機空轉時的每小時耗油量。 2）調速器技術性能： （93頁） 調速過程不是簡單復位，而是在一定的轉速范圍內獲得新的平衡。因為具有一定質量的離心元件在運動中不斷的加速或減速會產生一定的慣性阻力，必須有一定的時間使增減的離心力克服慣性阻力后才能使傳動板產生軸向位移而起調速作用。調速器技術性能包括調速率、不靈敏度等。 穩定調速率1： %10031bnnn式中：n3負荷突變后柴油機的穩定轉速； n負荷突變前柴油機的穩定轉速； nb柴油機標定轉速。 瞬時調速率2： %10022bnnn式中：n2負荷突變時柴油機的瞬時轉

16、速的最大或最小值。不靈敏度： 由于調速器內部摩擦的存在，當柴油機的負荷減少時，其轉速上升將超過無摩擦時的轉速值，而當負荷增大時，轉速下降將超過無摩擦時的速度值，由此存在一個區域，在該區域中，調速器的自動調節作用失效，柴油機的轉速在漂移而調速器無調節運動。調速器的這種不靈敏性可用不靈敏度來表示。 nnn12式中：分子兩項分別為柴油機負荷減小和增大時調速器開始起作用的轉速。 n柴油機負荷變化前后的平均轉速。4、柴油機的功率標定：（83頁） 發動機的額定功率：指制造廠按其用途及使用特點規定的，并通過臺架試驗進行測定的最大有效功率。 我國國家標準規定，在進行額定功率的測定時，柴油機應裝有正常使用時所必

17、需的全部附件(包括空濾器及消音器)。 發動機在進行出廠試驗時，油泵供油齒條的油量限制器就是按額定功率進行調整并鉛封的。與額定功率相對應的轉速稱為額定轉速。 額定工況：發動機在額定功率和額定轉速下運轉的工況，稱為發動機的額定工況。與額定工況相對應的供油量，稱為額定供油量。與額定工況相對應的發動機有效轉矩，每小時耗油量和燃油消耗率則分別稱為發動機的額定轉矩，額定每小時耗油量和額定燃油消耗率。 從以上定義中可以看出，額定功率與額定轉速實際上就是按出廠調整測得的發動機調速特性上的最大有效功率和最大功率轉速，而額定轉矩、額定每小時耗油量和額定燃油消耗率則是與這一工況相對應的各項指標。 我國國家標準規定，

18、根據不同的用途和使用特點，在內燃機銘牌上標定的功率可分為以下四種： 1.15min功率：在標準環境狀況下，內燃機連續運轉15min允許發出的最大有效功率。適用于需要有短時間良好的超負荷和加速性能的賽車、摩托車、快艇用內燃機； 2.1h功率：為內燃機連續運轉1h允許發出的最大有效功率；通常適用于需要一定功率儲備以克服負荷突增的拖拉機、汽車、工程機械用內燃機； 3.12h功率：為內燃機連續運轉12h允許發出的最大有效功率；適用于需要在12小時內連續運轉，且又需要充分發揮功率的拖拉機、內燃機車用內燃機； 4.持續功率：為內燃機長期連續運轉允許發出的最大有效功率。適用于發電機組、農田灌溉、船舶用內燃機

19、。 15分鐘功率最大，持續功率最小，各標定功率相差約10左右。 通常在發動機的銘牌上標明有上述四種功率中的l2種功率及其相應的轉速。有時根據需要，額定功率也可選在兩種標定功率之間。額定功率的確定應根據發動機負荷工況，使用條件的特點綜合考慮動力性、經濟性以及發動機的工作可靠性和耐久性等多方面的因素。 第二節 負荷工況對發動機性能的影響n 前面討論了發動機動力性和燃料經濟性的基本指標。但是，發動機裝車后的動力性和經濟性不僅取決于它本身的特性曲線，而且與車輛在使用過程中的負荷工況很大關系。實際上，只有在外部載荷固定不變，且其數據相當于發動機的額定轉矩時，發動機才能輸出它的最大功率(額定功率)。 當發

20、動機在變負荷工況下工作時情況就完全不同了。于是就產生了兩方面的問題：一方面是發動機對變負荷工況的適應能力問題；另一方面是怎樣在外部阻力變化的工況下來評價發動機動力性和經濟性指標的發揮和利用程度的問題。本節將從工程機械負荷工況的特點出發來討論上述兩方面的問題。 一、工程機械負荷工況的特點（116頁） 工業拖拉機主要用來做推土機、鏟運機、裝載機等工程機械的基礎車輛。此類車輛多為進行循環作業的工程機械，它們的工作循環是由若干性質不同的工序所組成。由于工業拖拉機的使用過程有著一系列不同于農業拖拉機的具體特點，因而也就決定了工業拖拉機在負荷工況方面的一系列特點。 1、拖拉機需要在不同的工況下工作：工作過

21、程的循環作業方式決定了拖拉機需要在不同的工況下工作，這是由工作循環中各工序的不同性質所決定的。 2、工業拖拉機的作業條件非常惡劣： 工業拖拉機的工作對象主要是較為堅硬的土石方(時常還會遇到大石塊及樹根等)，土壤的均質性較差。因而，在作業過程中常常出現短時間的峰值載荷、超負荷、行走機構完全滑轉，甚至發動機強制性熄火等。此外，工業拖拉機還常常需要在很陡的坡度上進行作業，這也是造成負荷急劇變化的一個重要因素。 下面以推土機作為典型例子來具體分析工業拖拉機負荷工況的特點，推土機的作業循環是從切削和采集土壤開始的，當鏟刀前方集滿土后，鏟刀稍微抬起，停止切入，隨即將堆集起來的土推移一定距離至卸土地點，然后

22、卸土，用倒檔回駛到工作面，接著重新開始新的工作循環。 推土運土卸土空回 下圖為推土工作循環中切線牽引力的變化情況： 下圖是發動機轉矩在切土、運土、卸土工序中的變化情況： 配裝鏟運機、裝載機、松土器、除根機等其他工作裝置的工業拖拉機，其工作阻力、運行速度、發動機的負荷也存在著類似的大幅度波動的情況，尤其是單斗裝載機的阻力和負荷的變化更加頻繁和急劇。總之，工業拖拉機是一種循環作業機械，其負荷工況的基本特點是載荷變化的急劇性和周期性；頻繁出現的短促的峰值載菏，使發動機經常出現短時間的超載，而引起行走機構完全滑轉或發動機的強制性熄火。 在急劇的變負荷工況下，發動機實際上不能輸出它的最大功率，功率利用情

23、況大大惡化。（看書120頁，現場試驗結果）二、發動機對變負荷工況的適應性能 工業拖拉機在工作時，負荷總處在波動之中。負荷的波動傳到發動機上引起曲軸轉速和拖拉機行駛速度的變化，這將影響機械的生產率，而且影響柴油機性能的充分發揮，功率利用不足。 發動機適應變負荷工況的能力，主要與特性曲線的形狀有關。從動力性的角度看，這種適應能力主要取決于轉矩曲線非調速區段的平緩程度，并用發動機的扭矩適應性系數來表示。 扭矩適應性系數k ：發動機的最大轉矩與額定轉矩之比。 eHeMMkmax 下圖表示發動機具有不同轉矩適應性系數時，對于變負荷工況的適應能力。 發動機的轉矩儲備過小，不僅使發動機的平均輸出功率減少，還

24、由于操縱感較差而使司機經常處于緊張狀態，容易引起司機的疲勞。而且一旦發生強制停車。就會破壞作業的正常進程，損失有效工作時間。所有這些，最終都將導致機器生產率的下降。因此，對于工業拖拉機來說，轉矩適應性系數是衡量發動機動力性能的一項十分重要的指標。 柴油機在不裝校正器時，它的轉矩適應性系數一般是很低的，這是由于噴油泵的供油量隨動機轉速的下降而減少所造成的。通常，柴油機自然特性的k值不超過11.05，因而，用于工業拖拉機的柴油機大都裝有轉矩校正裝置。 當發動機在變負荷工況下工作時，應該如何配置發動機平均阻力矩在其特性曲線上的位置，以獲得最大輸出功率呢？顯然，當平均阻力矩的工作點選擇得遠低于額定轉矩

25、時輸出功率必然較低。如果使平均阻力矩的工作點沿著調速區段工作，轉速的波動不大，因而功率和轉矩偏離調速特性的情況并不顯著，實際的平均輸出功率將隨著發動機負載程度的增大而提高。但是當最大負荷超過發動機的額定轉矩之后，由于在負荷循環中發動機有部分時間在非調速區段工作，轉速急劇起落、調速特性上平均輸出功率的增長開始減慢。到一定程度時發動機的實際平均輸出功率，必然隨著發動機負載程度的提高而下降。 總之，發動機只有在穩定工況下工作時才能輸出其最大功率(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矩。當阻力矩發生波動時，發動機的最大平均輸出功率總是小于它的額定功率，并且只有在適當配置平均阻力矩的工

26、作點時，才能獲得最大值。 第二節 工程機械用發動機及其選型 n1.柴油機的型式n（1）冷卻方式：水冷 n（2）增壓：低增壓(壓比小于1.4) n（3）燃燒室的型式： 直噴式n（4）汽缸的排列形式：直列或V型。n（5）汽缸直徑：110140mm SDVniVPPhhmee43022.柴油機的功率 工程機械用柴油機的功率范圍一直存在著不斷擴大的趨勢，目前的功率范圍是45600kw。柴油機的功率主要集中在45300kw之間。超過300kW的拖拉機常常采用兩邊履帶由兩臺發動機分別驅動的雙排傳動系。作為增大柴油機功率的主要手段擴大排量(主要是發展多缸機)和強化發動機存在著平行發展的趨勢。 考慮到工程機械對發動機的可靠性和耐久性有較高的要求，通常在選擇額定功率時，適當地留有儲備。柴油機裝車的額定功率一般定得低于它的lh功率，也有不少機型采用持續功率。根據國外13個廠家現代工業履帶拖拉機用柴油機的裝車額定功率與其最大1h功率之間的比較，絕大部分機型取1h功率的9072作為它的額定功率。 3.柴油機的轉速 由于工程機械的工作速度較低，發動機的轉速雖然逐年有所提高，但上升的幅度不大。對140種工業拖拉機發動機額定轉速進行的統計分析，約有53的發動機額定轉速取為18002l00r/min，轉速在1