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电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

发布时间：2020-07-27 12:03

来源：《建设机械技术与管理》杂志

作者：杨斌黄绵剑刘浩然张俊岭

　　摘要：本文主要针对作业性能和噪声性能进行测试对比，介绍了测试方案，具体包括测试方法确认、燃油(电)消耗量方法确认和作业能耗测试结果计算方法。结合司机主观感受，对测试结果进行分析，结果表明电动装载机作业性能和噪声都优于传统装载机，关于电动装载机不足之处，提出对产品优化有参考的建议。

　　关键词：作业性能;噪声性能;计算方法;建议

　　1 研究背景

　　对于工程机械来说，传统燃料为柴油，即对环境造成污染，同时也严重浪费能源。为改善这一状况，现许多工程机械厂家投身开发新能源车辆，以轮胎式装载机为例，有卡特彼勒906、沃尔沃L25、柳工CLG856H-EV、博雷顿BRT951EV等。国内对新能源工程机械研究起步较晚，初步形成新能源工程机械研发和技术理念，技术方面部分产品基本能满足整车要求，并能实现小批量销售，正在向产业化推进。

　　本文主要针对电动装载机性能和传统装载机进行性能对比测试，具体包括作业性能和噪声性能测试，通过测试对比，能了解到电动装载机优缺点，对今后产品优化有参考意义。

　　2 测试方案

　　2.1 作业性能测试方法确认

　　依据标准GB/T 35198-2017《土方机械轮胎式装载机试验方法》，作业方式采用半回转式(如图1)，作业物料为松散的砂石。以A为作业起点，且B-C铲斗中心切削刃两点之间的运距为20m，一个循环作业分解为A-B铲装，B-A运输，A-C卸载，C-A返回[1]。

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图1 半回转式作业示意图(α=30°~60°)

　　为了减少司机疲劳，使试验结果具有稳定性和可重复性[2]，依据标准GXB/TY0025-2014《轮胎式装载机燃油消耗试验方法》，装载机连续铲装9个作业循环为1个试验周期，回到A点停机熄火，记录每个试验周期过程中的作业时间、燃油(电)消耗量、装载物料重量，测试3个试验周期结束，每2个试验周期之间的能效误差大于等于 5%，则须加测(直至3次能效相互之间误差小于5%)[3]。

　　选取某厂电动装载机和燃油装载机，工作系统压力都为18.0MPa，转向系统压力都为17.0MPa，制动系统压力都为12.0MPa，轮胎气压都为0.32MPa，都配备了2.7m³铲斗。作业物料为松散砂石，粒径20-40mm，物料堆积密度为1900-2100kg/m³。安装GPS传感器，监测作业过程车速变化情况。选取3名试验操作司机，都拥有8年以上操作装载机经验，降低人为误差对测试的影响。使用秒表记录作业时间，使用地磅称重，物料重量由总重减卡车皮重所得。

　　2.2 作业性能燃油(电)消耗量确认方法

　　2.2.1 传统装载机燃油消耗量

　　利用称重法得到燃油消耗量，试验前将附加油箱固定在靠近发动机的合适位置，将进出油管接入附加油箱底部，将发动机进出油管与附加油箱连通，为保证测量附加油箱质量精度，应排除测量时的外界影响因素(如风等)，避免拆装附加油箱时漏油、发动机侧气泡混入[4]，如图2所示。

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图2 附加油箱测量燃油消耗量测量示意图

　　2.2.2 电动装载机电消耗量

　　动力电池管理系统(BMS)能够发出CAN信号，利用电池厂商提供CAN协议，通过数据采集仪(HBM公司SoMateDAQ设备)，笔记本电脑控制数采设备，能够进行实时采集电量消耗，并存储数据，如图3所示。

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图3 电池消耗量测量示意图

　　2.3 作业性能测试结果计算方法

　　三次有效测试结果的算术平均值作为最终测试结果,包括单位时间燃油(电)消耗量、作业生产率和作业能效，具体计算过程如下三个公式[3]。

　　2.3.1装载机单位时间的燃油(电)消耗量(W)计算

　　电动装载机与传统装载机性能对比测试研究 (1)

　　式(1)中： W──单位时间燃油(电)消耗量，单位为千克或千瓦时每小时(kg/h或kWh/h) ;G──每个试验周期燃油(电)消耗量，单位为千克或千瓦时(kg或kWh);T──每个试验周期时间，单位为秒(s)。

　　2.3.2装载机铲装物料的作业生产率(Q)计算

　　电动装载机与传统装载机性能对比测试研究 (2)

　　式(2)中： Q──作业生产效率，单位为吨每小时(t/h) V——每个试验周期铲装重量，单位为千克(kg)。

　　2.3.2作业能效(E)计算

　　电动装载机与传统装载机性能对比测试研究 (3)

　　式(3)中： E──作业能效，单位为吨每千克或千瓦时(t/kg或t/kWh)

　　2.4 噪声性能测试方案

　　依据标准GB/T 25614-2010《土方机械声功率级的测定动态试验条件》进行机外噪声辐射测试，试验用的测量面为一个半球面，半球面的半径为16米，采用6个测量位置(传声器位置及其坐标值分别如图4和表1)[5]。测试设备是LMS，传声器是丹麦BK公司积分声级计。

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图4 半球面上传声器布置图

　　表1 传声器位置坐标值

传声器位置	x，单位米	y，单位米	z，单位米
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 对比测试

　　3.1 作业性能对比测试

　　测试前按规定刻度注满冷却液、液压油和箱油，装载机要热机10-15分钟，使发动机水温达到80-90℃(电机水温25-35℃)，箱油油温到80-100℃。作业场地为平整的混凝土路面，天气多云，气温15.8℃，湿度70.6%，风速2.3m/s。测试过程如图5和图6所示。

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图5 电动装载机作业性能测试

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图6 传统装载机作业性能测试

　　测试结果见表(2)和表(3)所示，

　　表2 传统装载机作业性能测试结果

项目	单位	试验周期1	试验周期2	试验周期3	试验周期1	试验周期2	试验周期3	试验周期1	试验周期2	试验周期3
操作手	/	司机A			司机B			司机C
试验循环次数	次	9			9			9
1个试验周期作业时间	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
单位时间燃油消耗量W	Kg/h	17.3	17.1	17.4	14.7	15.2	15.0	15.8	15.8	16.1
单位时间燃油消耗量W	Kg/h	平均值17.3			平均值15.0			平均值15.9
作业生产率Q	t/h	614.0	609.6	625.2	570.2	585.1	573.4	551.9	537.7	548.2
作业生产率Q	t/h	平均值616.3			平均值576.2			平均值545.9
作业能效E	t/kg	35.4	35.7	35.9	38.7	38.5	38.1	34.8	33.9	34.0
作业能效E	t/kg	平均值35.7			平均值38.4			平均值34.2
作业能效最大误差	%	1.4			1.6			2.7

　　表3 电动装载机作业性能测试结果

项目	单位	试验周期1	试验周期2	试验周期3	试验周期1	试验周期2	试验周期3	试验周期1	试验周期2	试验周期3
操作手	/	司机A			司机B			司机C
试验循环次数	次	9			9			9
1个试验周期作业时间	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
电消耗量G	kWh	2.671	2.558	2.606	2.536	2.584	2.592	2.823	2.785	2.874
单位时间电消耗量W	kWh /h	37.3	36.1	36.1	33.8	34.1	33.8	37.8	37.7	39.0
单位时间电消耗量W	kWh /h	平均值36.5			平均值33.9			平均值38.2
作业生产率Q	t/h	696.1	696.6	694.9	662.1	644.7	651.1	674.3	684.7	691.6
作业生产率Q	t/h	平均值			平均值			平均值
作业能效E	t/ kWh	18.7	19.3	19.3	19.6	18.9	19.3	17.8	18.2	17.7
作业能效E	t/ kWh	平均值19.1			平均值19.3			平均值17.9
作业能效最大误差	%	3.2			3.7			2.8

　　利用数据处理软件nCode编制车速处理流程，如图7所示，可以得到装载机空载和带载前进10米距离时对应的时间和车速，如图8-11所示。

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图7 车速处理流程图

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图8 传统装载机空载车速图

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图9 传统装载机带载车速图

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图10 电动装载机空载车速图图

电动装载机与传统装载机性能对比测试研究

图11 动装载机带载车速图

　　具体数据如表4所示，

　　表4 时间和车速数据

状态		时间（s）	车速（km/h）
传统装载机空载	前进10米距离	4.0	11.7
传统装载机带载		4.2	11.3
电动装载机空载		3.2	18.8
电动装载机带载		3.7	17.3

　　从作业性能和车速变化测试结果表明，不论哪位司机操作，单次循环用时电动装载机比传统装载机短，作业生产率电动装载机也高于传统装载机，单位时间电消耗比燃油消耗经济性大大提高。司机现场操作感受反馈，电动装载机前进速度比较快，造成铲装惯性比较大，长时间作业会很难受，从表(4)数据也得到很好证实。

　　3.2 噪声性能对比测试

　　测试场地为平整开阔的混凝土路面，从声源中心到测点最大距离三倍范围内无声反射体，天气晴，气温16.7℃，湿度67.2%，风速1.3m/s，测试结果见表(5)和表(6)。

　　表（5）传统装载机机外噪声测试结果

传声器位置测试工况	1	2	5	3	4	6	声功率（dB）	机外噪声（dB）
传声器位置测试工况	左前	左后	左高空	右前	右后	右高空	声功率（dB）	机外噪声（dB）
定置举升	76.8	77.6	79.6	76.0	79.5	78.5	110.3	111
道路行驶—前进	79.1	80.0	79.9	78.3	79.7	79.3	111.5
道路行驶—后退	78.7	80.0	79.6	77.9	81.0	78.9	111.6

　　表（6）电动装载机机外噪声测试结果

传声器位置测试工况	1	2	5	3	4	6	声功率（dB）	机外噪声（dB）
传声器位置测试工况	左前	左后	左高空	右前	右后	右高空	声功率（dB）	机外噪声（dB）
定置举升	69.8	68.9	68.2	69.3	67.9	69.1	101.0	102
道路行驶—前进	70.7	71.8	70.6	71.6	71.4	71.1	103.3
道路行驶—后退	71.9	70.5	72.1	71.2	70.7	71.8	103.5