某型礦用膠輪車動力源匹配的研究

葉斐，楊世文，范志瑞

（中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

某型礦用膠輪車動力源匹配的研究

葉斐，楊世文，范志瑞

（中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

隨著礦山機械技術(shù)的不斷提高，在礦山巷道的底板上，液壓機械傳動防爆無軌膠輪車被大量用來進(jìn)行運輸工作。然而，運輸和自卸之間動力源的匹配應(yīng)加以改善。本文中，在特定類型的防爆膠輪車的基礎(chǔ)上，從上述問題出發(fā)，通過優(yōu)化匹配變速箱和匹配動力源，有效提高了防爆無軌膠輪車的動力性能，驗證了采用在折中匹配的基礎(chǔ)上使用液力機械分流變矩器，以及修正變速箱換擋規(guī)律來提升柴油防爆膠輪車的動力性能的方案是合理有效的。

礦山機械；膠輪車；優(yōu)化；匹配；換擋規(guī)律

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-49-04

前言

目前國內(nèi)外的工程機械，如推土機，裝載機，鏟運機都廣泛的應(yīng)用了液壓傳動和液力機械傳動。美國自1970年以來，超過90%的轎車使用了液力變矩器，公共交通的裝備率接近百分之百，也被廣泛應(yīng)用于重型車輛。歐洲和日本在液力變矩器的裝備率上也有明顯的提高。國外許多科研技術(shù)人員對發(fā)動機和液力變矩器的匹配進(jìn)行了深入的研究，形成了比較成熟的配套理論[1]。

由于液力變矩器的制造難度大，精度要求比較高，導(dǎo)致了國內(nèi)在這方面的發(fā)展還很落后，以及相關(guān)的匹配理論也很薄弱。因此，許多工程車制造商直接買入國外廠家生產(chǎn)的液力變矩器，這是很難與國內(nèi)使用的發(fā)動機完美匹配的，極大地限制了工程機械的發(fā)展。即便如此，在不懈的研究后，國內(nèi)學(xué)者仍然在不同的時期取得了一定的進(jìn)展。

在20世紀(jì)80年代，常德機械廠白鴻謀[2]率先使用液壓控制和輔助設(shè)備，提高了發(fā)動機與液力變矩器在某型液力變矩器上的共同工作性能，擴大了它們的工作范圍，并且成功的應(yīng)用畢托管實現(xiàn)了液力傳動器高速工作情況下的穩(wěn)定。近年來，隨著計算機應(yīng)用的廣泛, 涌現(xiàn)出很多新的研究方法和手段。上海理工大學(xué)的教授孫躍東[3]通過理論與工程實際中比較復(fù)雜的裝載機相結(jié)合，深入的研究了發(fā)動機和液力變矩器的匹配，對技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，隨后提出三種匹配評估方法，包括人工權(quán)衡法、綜合指標(biāo)法和加權(quán)法。吉林大學(xué)的陳淑清[4]等人提出了液力變矩器與發(fā)動機匹配的加權(quán)分值評估法，并且采用VB可視化建模軟件編寫出模塊化、可視化匹配優(yōu)化的程序。徐工科學(xué)研究院的周紅全[5]、殷琳等工程師提出了將液力變矩器的工作效率區(qū)中部應(yīng)用于新型柴油機等功率曲線中部的想法。吉林大學(xué)的杜洋[6]等人使用AMEsim軟件將裝載機的發(fā)動機和變矩器的合理匹配作為研究對象，對液力傳動的合理匹配做了仿真分析，加快了匹配的進(jìn)程，提高了設(shè)計精度和效率。淮陰工學(xué)院的常綠[7]針對評價指標(biāo)多、權(quán)重難以設(shè)置的問題，提出基于性能評價網(wǎng)狀圖的發(fā)動機與液力變矩器匹配的優(yōu)化方法。依據(jù)額定工況的接近度、起動能度、經(jīng)濟區(qū)寬容度、功率輸出系數(shù)和燃油消耗率系數(shù)這5項性能評估指標(biāo)，構(gòu)建出匹配性能的網(wǎng)狀評價圖，優(yōu)化目標(biāo)為面積最小，變量為循環(huán)圓直徑，建立目標(biāo)函數(shù)，使發(fā)動機和液力變矩器的匹配關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化。

1、動力源全功率匹配的共同輸入特性

液力變矩器隨泵輪轉(zhuǎn)速的變化，吸收和傳遞來自發(fā)動機的力矩特性，稱之為液力變矩器的輸入特性。

其中，γ=ρg，ρ為液力變矩器中的油液在工作溫度時的密度。

1.1 防爆柴油機凈功率的計算

礦用防爆膠輪車在驅(qū)動液力變矩器之前，需要驅(qū)動一系列附件。柴油機的重要技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 防爆柴油機的主要技術(shù)參數(shù)

由于附件轉(zhuǎn)速的特性都是各不相同的，所以要準(zhǔn)確計算附件所消耗的功率是非常困難的。為了達(dá)到簡化分析的目的，可以采用式（1）近似地表示附件損失修正系數(shù)x與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系n：

驅(qū)動附件空氣過濾器、消聲器、節(jié)溫器和油泵時，取損失修正系數(shù)xp=0.05；驅(qū)動風(fēng)扇和電機時，取損失修正系數(shù)xp=0.10；驅(qū)動附件加廢氣增壓時，取損失修正系數(shù)xp=0.15；驅(qū)動附件加轉(zhuǎn)向泵、補油泵、變速泵、工作泵時，取損失修正系數(shù)xp=0.20。代入式3、4分別計算，求得其凈功率值和凈扭矩值：

①各個轉(zhuǎn)速點凈功率P( n)'

1.2 功率的匹配

為保證防爆膠輪車在動力源匹配時能獲得最大的驅(qū)動力，全功率匹配需使轉(zhuǎn)向泵和工作泵進(jìn)行空轉(zhuǎn)，只有變速泵可以正常工作；膠輪車同時進(jìn)行舉升和牽引工況是部分功率匹配，需使轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行空轉(zhuǎn)。下圖（1）為動力源全功率匹配的共同輸入特性。

根據(jù)經(jīng)驗公式：

全功率匹配時：Te=TeH

部分功率匹配時：Te=0.4TeH

2、動力源匹配優(yōu)化

動力源的匹配必須對發(fā)動機在部分功率工作時的工況予以考慮。圖（2）為變矩器全功率和部分功率高效工況i=i*下的匹配曲線。

本文采用的匹配方案為折中匹配，液力變矩器循環(huán)圓直徑選取為D3，使得D2＜D3＜D1。

目標(biāo)函數(shù)可取為：

式中，c為系數(shù)，0＜c＜1，主要工況為運輸，因此取c=0.8。此優(yōu)化方案為一維尋優(yōu)，約束條件為下式（6）：

基于牛頓法，使用matlab編程進(jìn)行優(yōu)化后，液力變矩器循環(huán)圓的最優(yōu)直徑為D3=0.348m。

各種匹配方案的數(shù)據(jù)對比分析表明，優(yōu)化后的匹配方案在高效區(qū)輸出的平均功率有所增加，而且整體的動力學(xué)工作范圍也有所增加，因此本優(yōu)化方案是行之有效的。

3、使用液力機械分流變矩器的匹配

由于與優(yōu)化方案最接近的成品液力變矩器的循環(huán)圓直徑為D=0.340m，因此選用該成品液力變矩器。

為使新的動力源的輸出特性達(dá)到最優(yōu)，需要改良選定液力變矩器的原始特性和輸入特性。針對膠輪車特殊的工況，將選定的液力變矩器改造為外分流變矩器。

3.1 液力機械分流變矩器的原始特性計算

（1）運動學(xué)傳動比ifn

式中，iY為總液力傳動比；k為行星排的特性參數(shù)；ntnqnj分別代表行星排太陽輪、齒圈、行星架的轉(zhuǎn)速；npnw分別代表泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速；n0nb分別代表輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)速。

（2）動力學(xué)傳動比Kfn

（3）分流傳動效率

（4）分流的力矩和功率的分配

液力流的力矩分配系數(shù)為ap：

液力流的功率分配系數(shù)為bp：

（5）轉(zhuǎn)換到輸入軸的等效泵輪扭矩系數(shù)為λpfn

本文中采用的是普通內(nèi)外嚙合的單行星排齒輪，k值的適當(dāng)取值范圍為1.5～4，為了保證膠輪車起步時擁有足夠的動力輸出，k值越大越好，可以初選為k=4。下圖（3）為液力機械分流變矩器的原始特性圖。

3.2 行星排的特性參數(shù)優(yōu)化

若要防爆柴油機與液力機械分流后的變矩器達(dá)到最理想的匹配，需要尋找一個最優(yōu)的k值。因此在權(quán)衡i*工況和i0工況利用率的前提下，需使得兩工況下的負(fù)載拋物線盡量滿足要求。

目標(biāo)函數(shù)可取為：

式中：c為系數(shù)，0＜c＜1，首要考慮最高效率i*時的利用率，因此取c=0.7。

此優(yōu)化為一維尋優(yōu)，約束的條件為：

基于牛頓法，使用matlab二次開發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，行星排的特性參數(shù)k值的最優(yōu)解為k=3.6。

3.3 優(yōu)化k值以后的共同輸出特性

式中，k由發(fā)動機的扭矩因子et決定。

當(dāng)et≥1.2時，k=4，此時的等距轉(zhuǎn)速可通過隱式函數(shù)21得到

4、結(jié)論

本文首先通過計算某型礦用膠輪車上采用的防爆柴油機的凈特性，繪制凈特性曲線，闡述了液力變矩器的選型依據(jù)和典型工況，奠定了優(yōu)化匹配的基礎(chǔ)；其次，從全功率匹配的方向出發(fā)，重點研究了防爆柴油發(fā)動機和液力變矩器在共同工作時的輸入特性，評估了全功率匹配的合理度；再次，通過結(jié)合運輸和自卸兩種防爆膠輪車工況，制定部分功率匹配方案，并且相應(yīng)的提出折中匹配方案來兼顧兩種工況，令變量為液力變矩器折中設(shè)想的循環(huán)圓直徑，建立了目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后，參照優(yōu)化結(jié)果，選定符合要求的液力變矩器，改造液力變矩器為機械液力分流變矩器，達(dá)到匹配更加合理、防爆柴油機的功率利用率更加高效的目的。

[1] Raevskii A.N. Obtaining Optimum Power Output from an Engine Transmission Unit With a Transmissive Torque Converter[J]. Soviet Engineering Research,1987(7):22-25.

[2] 白鴻謀.用液控法擴大發(fā)動機與液力變矩器共同工作范圍[J].工程機械,1989(01):45-48.

[3]孫躍東.工程車輛液力變矩器與發(fā)動機匹配的研究[J].2003 (03):289-292.

[4] Evitin,Gregory.Optimal reliability enhancement for multi-state -Transmissionnetworks with fixed transmission times. Reliability Engineering and System Safety.2002,76(3):2.

[5] 周紅全,殷琳等.柴油機與液力變矩器合理匹配的新研究[J].工程機械,2005(12):18-22.

[6] 杜洋等.基于AMESim的裝載機液力傳動匹配的研究與特性分析[D].吉林大學(xué), 2012.

[7] ChangLü.Optimization of power matching on torque converter with diesel engine for wheel loader based on performance evaluation mesh figure[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(1): 50－54.

[8] 王曉.發(fā)動機與液力傳動系車輛優(yōu)化匹配軟件的研究[D].山東理工大學(xué), 2008.

[9] 李拔恒.裝有液力變矩器車輛的匹配研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[10] 常綠.礦用自卸汽車動力性、燃油經(jīng)濟性和平順性虛擬實驗技術(shù)研究[D].同濟大學(xué),2007.

The study of power matching for a certain type of rubber-tyred vehicle for mine

Ye Fei, Yang Shiwen, Fan Zhirui
（School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051）

With the continuous improvement of the mining machinery technology,Hydraulic mechanical transmission of explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle are used massively to conducting shipping work on the floor of mining roadway. However, the matching of two conditions of the power source between transportation and self-unloader should be improved. In this paper, on the basis of a certain type of explosion-proof rubber tyred car, the dynamic performance of the car is improved efficiently in terms of matching explosion-proof diesel engine and torque converter. The proposal, which is based on hydraulic machinery shunt torque converter on the basis of compromise matching optimization and fixed transmission shift schedule to imporve dynamic performance of the diesel explosion-proof rubber-tyred vehicle,is proved to be available.

Mining machinery; Rubber-tyred vehicle; Optimization; Matching; Shift schedule

U461.2

A

1671-7988(2015)01-49-04

葉斐，就讀于中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院。