文|砚钧秋
编辑|砚钧秋
前言推土机为当前工程广泛应用的机械设备，主要应用于各种大型工程，包括铁路施工、城市建设、水力水电等。
推土机的主要任务是完成积土的推移、场地的清理、开渠填土等工作。
目前，推土机主要采用柴油进行驱动，虽然其具有较高的工作效率；但是，高油耗和高污染也成为推土机的主要弊端之一。
因此，开发一款高效、节能且清洁的传动方式对于推土机的进一步推广应用具有重要意义。
推土机电传动系统的设计考虑因素
推土机的作业需要大量的动力，因此电传动系统的设计首先需考虑到工作负载所需的功率，这包括对推土机运动、斗杆和刀口等部件所需的功率进行全面评估和计算。
推土机电传动系统通常由多种传动装置组成，如电动机、齿轮箱、液力变矩器等，正确选择这些传动装置，并合理匹配它们的工作参数，是确保系统正常运转的关键。
推土机作业通常在恶劣环境和重负载下进行，因此电传动系统的效率和可靠性至关重要，降低能量损耗、提高传动效率、选用耐用的材料和结构，能够增加系统的可靠性和寿命。
推土机作业中，对动力的精确调节和控制是非常重要的，合理设计电传动系统的控制策略，如速度调节、扭矩分配和转向控制等，能够提高推土机的灵活性和操作性能。
随着环保意识的提升，设计人员也需要考虑推土机电传动系统的环保性能和能源利用效率。
采用低能耗、高效率的电动机和传动装置，以及回收利用系统的能量损耗等技术手段，有助于减少对环境的负荷。
推土机工况特点分析
根据行走方式的不同，可将推土机分为履带式和轮胎式两种，其中，履带式推土机可适用于各种场地、场合的作业，具有较好的通过性和适应性。
轮胎式推土机具有较快的行驶速度和较好的灵活性，可满足长距离的运输要求，但其牵引力较小。
以履带式推土机为例开展研究，为保证所设计的电传动系统满足推土机的工况要求，对推土机的工况特点总结如下：
（1）推土机在切土和运土过程中处于低档状态运行，此时发动机一直处于高负荷状态运行，对应的油耗较高。
（2）当推土机工况发生变化时，由于负荷的变化导致出现较为剧烈的振动，同时还需要频繁的变换档位，对应的燃油利用率偏低。
（3）当推土机工作时负荷瞬时过大时，发动机的转速瞬间降低，从而导致行走机构出现打滑甚至熄火的情况。
推土机电传动系统的设计与选型
结合推土机的工况特点和燃油传动系统所存在的上述问题，拟采用电传动系统对设备进行驱动
实现其工况任务，可选电传动系统结构包括串联双侧独立电传动结构、串联式“直驶电机+转向电机”联合传动结构、串联式“直驶电机+转向马达”联合传动结构、并联式双侧独立电传动结构。
并联式“直驶电机+转向电机”联合传动结构、并联式“直驶电机+转向马达”联合传动结构、混联式双侧独立电传动结构、混联式“直驶电机+转向电机”联合传动结构和混联式“直驶电机+转向马达”联合传动结构。
参考推土机传动结构以及保证推土机的最佳牵引性能的基础上，拟采用串联式双侧电机传动结构实现对推土机的驱动。
电传动系统包括主动力系统、辅助动力系统、储能动力源和驱动执行系统，其中，主动力系统由发动机和发电机组构成，辅助动力系统包括储能装置和DC/DC变换器。
驱动执行系统为推土机的驱动电机，分为左、右两侧；当两侧驱动电机转速一致时，推土机开展直线作业；当需要转向作业时，左、右两侧驱动电机的转速不同。
3.1推土机电传动系统动力学仿真
在实际工作中，推土机典型工况为循环作业，重点对推土机的牵引和运输两种工况下的特点进行分析，具体采用ADVISOR2002仿真软件构建仿真模型，并根据关键设备的选型结果对模型中的参数进行设置。
分别对上述牵引工况和运输工况下的发动机、发电机、电动机等设备的性能进行分析，并与传统柴油传动系统的性能进行对比。
3.2关键设备性能仿真分析
以发动机为例对仿真结果列出，并对结果进行分析，在牵引和运输工况下电传动系统推土机发动机的仿真结果如下图。
虽然在实际工作中推土机所面临的负载波动较大，但是发动机的工况点均分布在可控范围之内，其输出的转矩相对恒定，对应的油耗较低。
在运输工况下，推土机发动机所承受的阻力较小而且波动也较小，其工况下分布在可控范围之内，对应输出转矩波动较小，油耗较低。
总的来讲，电传动推土机在实际工况中虽然其在牵引和运输工况下均可按照预设的策略运行，而且均处于高效率的区间内运行，因此，可以得出电传动推土机发动机所输出的功率可以满足实际工况的需求，且油耗低、工作效率高等。
同理得出，在牵引工况下发电机的工作效率可保持在85%以上；而在运输工况下发电机的工作效率保持在80%~88%之间。
3.3与传统燃油传动推土机性能对比
从推土机的牵引性能和燃油效率两方面对比电传统和燃油传动推土机的性能。
（1）牵引性能对比
通过仿真对比，得出电传动和燃油传动推土机的牵引力对比结果如下图。
从整体上分析随着推土机行走速度的增加，对应牵引力减小，而且在牵引工况下时，推土机的行走速度偏低，此时电传动推土机的牵引力明显大于传统燃油传动推土机的牵引力。
而在运输工况下，推土机的行走速度偏大，此时电传动推土机的牵引力略大于传统燃油传统推土机，总的来讲，电传动推土机的牵引性能优于燃油传统推土机的性能。
（2）燃油效率对比
通过计算得出，两种传动方式对应的推土机的燃油消耗率如下表。
电传动推土机的燃油消耗率明显低于燃油传动方式。
推土机为工程生产中广泛应用的设备，针对当前燃油传动推土机所面临的油耗高、污染高的问题，拟提出采用电传动方式对推土机进行驱动，具体结论总结如下：
（1）用串联式双侧电机传动结构实现对推土机的驱动，包括有主动力系统、辅助动力系统、储能动力源和驱动执行系统。
（2）通过仿真分析得出：在牵引工况下发电机的工作效率可保持在85%以上；而在运输工况下发电机的工作效率保持在80%~88%之间。
（3）通过对比可以得出：电传动推土机相比于燃油传动推土机在牵引性能和燃油效率两个方面具有明显的优势。
常见优化方法与策略
推土机电传动系统的设计是提高推土机性能和可靠性的关键，探讨改进推土机电传动系统设计的常见优化方法和策略。
包括选用高效传动装置、优化传动路径、提高动力调节能力、降低能耗与排放等。
（1）选用高效传动装置：优化推土机电传动系统的一个关键方面是选用高效的传动装置，传统的液力变矩器和多级齿轮传动装置的效率较低。
可以考虑采用新型的电力传动装置，如电动摩托车式传动、液压传动等，以提高传动效率和响应性。
（2）优化传动路径：传动路径的设计是推土机电传动系统的关键，通过减少传动装置和零部件的数量，减小功率损耗和摩擦损失，可以提高传动效率。
同时，考虑减少动力传递过程中的转向和转角，以减少传动损耗和能耗。
（3）提高动力调节能力：推土机作业需要对动力进行精确调节和控制，优化控制系统。
采用先进的电子控制、反馈和调节技术，可以实现更精准的动力调节，提高推土机的灵活性和操作性能。
（4）全面考虑能耗与排放：在改进推土机电传动系统设计时，要全面考虑能耗和排放问题。
采用先进的节能技术，如能量回收系统、智能驱动控制等，可以降低能源消耗和碳排放。
（5）使用先进的仿真工具进行优化分析：借助先进的仿真工具，如多体动力学仿真软件、有限元分析等，对推土机电传动系统进行优化分析。
通过模拟和模型测试，可以预测和评估系统在不同负载和工况下的性能，并进行优化设计。
结论
推土机电传动系统的设计和动力学仿真分析是提高机械性能和效率的重要手段，通过合理的设计原则和仿真分析方法，可以优化电传动系统的结构和控制，实现推土机的高效运行和工作效果。
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