装载机因其具有操作简便、机动灵活、用途广泛等优势,在道路、桥梁等基建领域发挥着重要作用。作为大功率、高能耗、高社会保有量的装载机,其节能降耗技术是目前研究的重点。装载机主要由动力传动系统与液压系统两大部分组成,装载机性能优劣与作业效率高低不仅与系统部件自身的工作性能有着密切关系,而且在很大程度上取决于相关部件之间的协调配合与参数配置。由于装载机作业过程复杂、载荷多变,目前对装载机典型工况下的动态载荷历程与特性规律研究还不够深入与细化,使得动力传动系统主要部件的匹配与优化基本还是依赖于设计经验和一些静态性能参数来进行,液压系统性能仿真与节能机理研究难以得到有效深入地开展。装载机发动机功率主要在动力传动系统与液压系统之间实时动态分配,只有对动力传动系统和液压系统进行集成并开展相应研究才能真实地反映装载机的实际工作过程,虽然有众多学者对装载机动力传动系统与液压系统进行了大量的研究,但绝大多数只是对这两系统进行独立研究,而集成这两系统开展研究的还非常少,并且目前在搭建装载机动力传动系统与液压系统仿真模型过程中均作了大量简化处理,导致仿真结果过分偏离真实情况,工程应用价值较低。针对上述问题,本文以国内常用的ZL50G轮式装载机为例开展了相关研究,具体内容包括:(1)分析了装载机动力传动系统主要部件工作特性及整车作业受力情况,建立了发动机与传动系统主要部件及整车相应的数学模型;针对液压系统动态分流发动机功率、铲斗铲阻动态变化及四轮实时全驱情况,提出了液压系统功率分流、铲阻及四轮驱动的处理方法及其在相关模块中的具体实现方式,基于已建的装载机动力传动系统主要部件数学模型,借鉴汽车性能仿真软件ADVISOR开发方法开发了符合装载机作业工况特征的动力传动系统性能仿真平台。(2)分析了装载机液压系统及其主要部件工作特性,应用AMESim建立了包含先导阀、液控多路阀等模型在内的工作装置液压系统仿真模型,以及包含优先阀、全液压负荷传感转向器等模型在内的转向液压系统仿真模型,集成调试工作装置液压系统与转向液压系统仿真模型,开发了装载机液压系统性能仿真平台。在此基础上,应用MATLAB/Simulink接口模块将动力传动系统与液压系统仿真模型予以集成,构建了装载机整车性能联合仿真平台,该平台可实现动力传动系统与液压系统联合动态仿真。(3)分析确定了装载机测试参数,设计了“有线测试”与“近程遥测”相结合的参数采集总体方案,分析选用了参数测试用传感器、遥测系统与数据采集仪,选用电阻应变片采用全桥电路构建了转矩传感器,应用自行设计的传感器标定装置对转矩与液压传感器性能进行了标定,连接装车后的各路传感器信号至数据采集仪,构建了装载机工作参数数据采集系统;分析确定了装载机典型试验工况并开展了实车试验,获得了第一手试验数据。(4)研究了装载机载荷信号预处理方法及主要部件仿真加载谱制取方法,针对装载机作业特点,提出了综合应用分段与合并、滤波与去异值、平稳性检验及加权平均等方法对采样的180个循环作业数据进行分析处理,制取了典型工况为87s的主要部件仿真加载谱及整车典型循环工况;对开发的装载机整车性能联合仿真平台施加制取的仿真加载谱后进行了仿真试验,对比实车试验结果可知,整车性能试验数据相对误差均在7%以内,液压系统参数变化趋势比较一致、最大值基本接近,表明构建的整车联合仿真平台精度较高,能够满足装载机整车性能仿真需要。(5)基于装载机典型工况,考虑不同物料作业比例获得了液压系统实际消耗发动机加权转矩值,据此提出了一种发动机与液力变矩器匹配新方案,经积分均值计算得到在变矩器高效区新匹配方案的涡轮轴输出功率与发动机油耗率分别为77.38kW、225.65g/(kW·h),均优于原匹配方案、部分功率匹配方案。对装载机典型工况变速器档位使用情况进行统计分析,提出了基于典型工况档位利用率的传动比优化方法,以变矩器涡轮高效区输出功率利用率最高为目标函数,应用遗传算法对装载机传动比进行全面优化,优化后的前进一档、后退一档传动比分别比原先增大了9.33%、8.66%,除后退三档外,其余传动比均有所减小,这有利于改善装载机牵引性能、提高作业效率。分析了装载机现行液压系统工作能耗,计算得到系统工作效率仅为53.1%,指出了系统能耗较大是因定量泵输出不能自动适应负载变化引起的;设计了一种新型负载敏感控制系统,应用AMESim建立了系统相应仿真模型,计算确定了系统元件结构技术参数。应用装载机整车联合仿真平台对系统优化改进后的装载机性能进行了仿真,结果表明,优化改进后的液压系统作业效率提高了20.09%,最大牵引力、最高车速较现有系统分别提高了5.27%、7.63%,作业油耗则下降了5.93%,由此可见,采用的动力传动系统部件匹配与参数优化方法以及液压系统的改进措施可行。