基于排放約束下煤礦液力機械車輛動力傳動系統的匹配?

任志勇

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司,山西省太原市,030006)

基于排放約束下煤礦液力機械車輛動力傳動系統的匹配?

任志勇

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司,山西省太原市,030006)

基于加權因子法,提出了一種集動力性、經濟性與排放性于一體的煤礦液力車輛動力傳動系統合理匹配的綜合評價指標,同時引入了衡量該類車輛排放特性好壞的顆粒物和排放質量指數,并給出了各加權參數因子確定方法和加權系數確定原則。利用Advisor軟件建立了煤礦液力車輛動力傳動系統仿真模型,結合Matlab優化工具箱編制了煤礦液力車輛動力傳動系統優化程序,并以WCJ10E煤礦井下防爆無軌膠輪車為例進行了分析計算,通過臺架試驗驗證了仿真模型的準確性,在此基礎上考慮排放特性約束對某型號煤礦液力傳動車輛的動力傳動系統進行了優化匹配。

排放約束 液力傳動 動力傳動系統 匹配 加權因子

近年來,隨著國內煤礦無軌膠輪車的推廣應用,以防爆柴油機為動力的液力傳動系統也越來越多地應用在無軌膠輪車上。據統計,目前使用液力傳動系統車輛的礦井有500余處,使用總量在4000臺以上。

目前煤礦采用的防爆膠輪車基本上以防爆柴油機為動力,其發出的刺鼻煙塵和刺耳的噪聲不但給井下生產工作環境帶來了巨大的污染,同時也在一定程度上存在著隱患,嚴重地制約了無軌膠輪車的推廣和使用。盡管煤礦井下針對防爆蓄電池動力與混合動力煤礦車輛的研究已經在國內鋪開,但是距離產品化還有一段很長的路。同時,要更新換代傳統防爆柴油機煤礦車輛要有很長的一段時期,期間要經歷蓄電池車輛、混合動力車輛大量推向市場以及改進的防爆柴油機煤礦車輛與之共存和替代的過程,這就使得在今后相當長的一段時間內傳統防爆柴油機煤礦車輛仍將占據市場的主導地位。就目前而言,改善傳統防爆柴油機煤礦車輛的性能、降低燃油消耗率以及減少排放與研制開發新一代能源煤礦車輛顯得尤為重要。

因此,以煤礦液力傳動車輛動力傳動系統的優化匹配為研究對象,綜合考慮整車的動力性、經濟性與排放性的動力傳動系統評價指標及整車排放性約束的動力傳動系統優化匹配方法具有重要意義。

1 動力傳動匹配評價指標

傳統液力傳動系統車輛的匹配設計主要考慮車輛的動力性和經濟性,基本都以滿足最佳動力性為目標,同時兼顧經濟性,很少考慮到動力傳動系統匹配與整車排放的關系。本文提出了一種基于整車排放性的煤礦液力傳動車輛動力傳動系統匹配的綜合評價指標,采用多因子加權法進行評價,即將整車驅動功率利用率、常用工況車速比油耗因子、防爆柴油機十一工況排放因子和排氣質量指數進行加權處理,得到一個綜合評價計分,利用該計分值來體現動力性、經濟性與排放性的煤礦液力傳動車輛動力傳動系統合理匹配程度,加權計分見式(1):

式中:Aopi——動力傳動系統匹配加權計分值;

αi——各因子的權系數;

λP——驅動功率利用率;

λge——常用工況車速比油耗因子;

λCO——CO排放物因子;

λNOx——NOx排放物因子;

λPM——顆粒物排放物因子;

λEQI——排氣質量因子。

2 各評價參數因子的確定

2.1 驅動功率利用率λP的計算

驅動功率為驅動力Fj和車速v圍成的面積,則第j檔的驅動功率為見式(2):

式中:vj——車輛在第j檔運行時的最低車速, km/h;

vj＋1——車輛在第j檔運行時的最高車速, km/h;

nTj——車輛在第j檔運行時,渦輪輸出的最低轉速,r/min;

nTj＋1——車輛在第j檔運行時,渦輪輸出的最高轉速,r/min;

TT——液力變矩器的輸出扭矩,N·m;

ηt——液力變矩器后面機械傳動效率;

nT——液力變矩器的輸出轉速,r/min。

由發動機與液力變矩器共同輸出特性可知:nT＝inB,TT＝KTB,考慮到防爆膠輪車液力傳動車輛的共同輸入特性和輸出特性:nB＝imne,TB＝imTe,液力變矩器泵輪扭矩見式(3):

式中:TB——液力變矩器的泵輪扭矩,若變矩器與發動機直接相連,則TB＝Te,N·m;

Mbg——液力變矩器的千轉力矩,N·m;

nB——液力變矩器泵輪轉速,若變矩器與發動機直接相連,則nB＝ne,r/min;

im——發動機與液力變矩器中間傳動比。

型式一定的液力變矩器原始特性可以表示為速比i的函數,即則液力傳動防爆膠輪車第j檔的驅動功率為見式(4):

同理推導出煤礦液力傳動車輛理想驅動力輸出的功率見式(5):

由式(4)和式(5)得出驅動功率利用率見式(6):

2.2 常用工況車速比油耗因子λge的計算

煤礦液力傳動車輛的常用工況為速度和驅動力所包圍的面積,根據液力變矩器輸出特性推導出防爆柴油機的常用工況,再按照加權平均的方法計算得出防爆發動機在常用工況下平均燃油消耗率為見式(7):

tij——防爆發動機在(Tei,nej)的工作時間,s;

ge——各工況點下平均燃油消耗率;

Tei——防爆發動機常用工況區的扭矩, N·m;

nej——防爆發動機常用工況區的轉速, r/min。

則常用車速比油耗因子見式(8):

2.3 排放因子λEQI的計算

國內當前關于防爆柴油機無軌膠輪車采用的標準為MT990－2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》和MT989－2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》,檢驗方法采用的是MT220－90《煤礦用防爆柴油機械排氣中一氧化碳、氮氧化物檢驗規范》,要求膠輪車排氣凈化后的有害氣體成分的體積濃度不應超過下列許可值:一氧化碳(CO)為0.1%;氮氧化物(NOx)為0.08%。建議增加排放顆粒物PM,同時采用GB20891－2007《非道路移動機械用柴油機及排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅰ、Ⅱ階段)》作為基準標準,用實車多工況循環試驗的排放值與標準值對比即可得到排放物因子,見式(9)、式(10)和式(11):

式中:ECO(N)、ENOx(N)、EPM(N)——分別為相應的中國N號排放標準值;

ECO、ENOx、EPM——分別對應多工況循環試驗下的實際排放量。

同時為了更好的評定膠輪車尾氣對煤礦井下空氣質量的影響,依據CAN/CSA－M424.1－88《地下礦用防爆柴油機—煤礦安全》,引入排氣質量指數,見式(12):

式中:EQI——排氣質量指數;

CO——一氧化碳濃度,ppm;

NO——一氧化氮濃度,ppm;

NO2——二氧化氮濃度,ppm;

SO2——二氧化硫濃度,ppm;

RCD——可燃粉塵濃度,mg/m3。

得出排氣質量因子見式(13):

3 權系數的確定原則

在車輛類型、動力型式、傳動方式以及使用條件等因數不同的情況下,權系數的選擇也不相同,確定時主要考慮以下原則:

(1)考慮到車輛的具體使用工況,驅動功率權系數α1應大于經濟性與排放性這2個評價指標,這可以直接決定車輛的動力性指標、車輛的最高車速、加速時間、最大爬坡度、高擋的利用率及整個傳動系匹配的好壞,在一定程度上影響著車輛燃油的經濟性和排放性。

(2)液力傳動車輛整體傳動系統效率要低于機械傳動系統,所以常用車速比油耗因子權系數α2應略高于機械傳動,該指標直接影響著整車燃油的經濟性及傳動系匹配的好壞。

(3)井下使用無軌膠輪車基本以防爆柴油機為動力源,主要排放物成分為CO、NOx和固體顆粒物,應根據相關排放法規和車輛的實際運行情況來確定相應的權系數α3。

(4)當前井下使用的防爆柴油機基本采用渦輪增壓技術和DOC尾氣后處理技術,對排放物中的CO成分有了明顯的改善,排放量較小;而主要排放物的成分為NOx和固體顆粒物,因此CO對應的α4取值應小于NOx和固體顆粒物對應的權系數α5和α6。

(5)排氣質量指數α7能夠較完善的體現整個煤礦液力傳動車輛對整個巷道及工作人員的污染情況,可根據整體使用量和功率來確定。

4 動力傳動系統優化匹配

4.1 仿真與優化模型的建立和驗證

基于典型的煤礦液力傳動車輛,利用高級車輛仿真軟件Advisor 2000本身自帶的發動機、液力變矩器、變速器、主減速器、車輪和車軸等部件模塊構建了整車動力傳動系統的仿真模型,建立時著重考慮了防爆柴油機防爆后扭矩、功率和油耗等發生的變化以及與普通地面柴油機的區別。為了保證仿真過程的正確性,直接采用防爆柴油機防爆處理后的實驗室數據進行模型參數設置,并對車輛傳動件及整車參數進行數據輸入/輸出。最后,通過該模型得出整車各檔最高車速、爬坡度和加速時間等動力性指標以及各工況條件下的車輛的燃油消耗量和各廢氣成分(CO、NOx、PM等)的排放量。

基于上述模型,利用Matlab優化工具箱及Simulink仿真工具編制了煤礦液力傳動車輛液力傳動系統優化匹配程序,與原模型共同完成煤礦液力傳動車輛動力傳動系統傳動系速比的優化匹配計算,為后續車輛的改進提高及設計提供理論依據。

最后,為了驗證該模型的正確性,利用中國煤炭科工集團太原研究院防爆膠輪車性能檢測裝置、礦用防爆柴油機性能試驗裝置和AVL排放測試系統對WCJ10E防爆柴油機無軌膠輪車進行了動力性、經濟性和排放性能試驗,試驗結果與仿真結果對比見表1。

表1 試驗結果與仿真結果的對比

由表1可知,該仿真優化模型能夠較好地對煤礦液力傳動車輛的動力性、經濟性與排放性進行模擬計算,具有較好的精度。

同時采用上述聯合仿真模型研究車輛平均車速和傳動系速比對排放特性的影響,平均車速與CO和NOx的排放關系曲線見圖1和圖2,傳動系速比與CO和NOx的排放關系見圖3和圖4。

由圖1和圖2可以看出,CO的排放隨著車輛平均車速的增加逐漸減小,達到32.5 km/h后出現最低值,隨后又隨著平均車速的提高而逐漸增大。NOx排放隨著平均車速的增加,NOx急劇增加并且持續的范圍較大,隨后又隨著平均車速的增加而下降至一個最低值,然后再次隨著平均車速的提高而升高,總體趨勢來看NOx排放是隨平均車速的增加而增大。

由圖3可以看出,傳動系速比的大小對CO的排放影響不是很明顯,CO的排放隨著主減速比的增大而略有增加。

圖1 平均車速與CO排放關系圖

圖2 平均車速與NOx排放關系圖

圖3 傳動系速比與CO排放物關系圖

由圖4可以看出,NOx排放受傳動系速比的影響較為復雜,先隨著主減速比的增大而降低至最低值,隨后又隨著傳動系速比的增大而增加。

圖4 傳動系速比與NOx排放物關系圖

4.2 優化目標和約束條件的確定

優化時以常用工況下最低燃油耗量為目標,以I擋和最高擋動力因數及最高車速為動力性約束條件,以CO、NOx和PM等排放量為排放性約束條件,同時以綜合評價計分值作為動力傳動系統匹配合理性的約束條件。

在計算綜合評價計分值時,各參數因子的權系數分別為:λP的權系數取0.5;λge的權系數取0.2;λCO的權系數取0.3;λNOx的權系數取0.5;λPM的權系數取0.2;λEQI的權系數取0.1,則加權計分表達式見式(14):

4.3 優化結果及分析

根據上述優化目標函數和約束條件,利用所建立的仿真模型和優化程序按煤礦液力傳動車輛十一工況循環對WCJ10E的動力傳動系進行優化匹配,傳動系統優化前分別為:Ⅰ擋56.807;Ⅱ擋29.471;Ⅲ擋16.942;Ⅳ擋9.539;優化后分別為:Ⅰ擋55.004;Ⅱ擋28.966;Ⅲ擋16.462;Ⅳ擋9.039(傳動系速比為液力變矩器偏置比、動力換擋變速箱和驅動橋速比之積)。

傳動系優化前、后車輛各項性能指標對比如表2所示。

表2 動力傳動系優化前后性能的比較

由表2可以看出,在煤礦液力傳動車輛動力傳動系統優化匹配時加入排放特性約束后,在保證汽車良好的經濟性與動力性的同時,進一步改善了車輛排放特性,提高其綜合評價性能。

5 結論

(1)提出了煤礦液力傳動車輛在進行動力傳動系統匹配時兼顧車輛排放特性的觀點,在此基礎上提出了包括排放特性在內的動力傳動系統綜合評價指標。

(2)提出了傳動系統綜合評價指標中各評價指標及參數因子的確定方法,同時引入了衡量該類車輛排放特性好壞的顆粒物PM和排氣質量指數概念。

(3)通過對試驗車輛的動力傳動系統進行了優化匹配表明,在煤礦液力傳動車輛動力傳動系統優化匹配時考慮排放特性的約束,對改善該類車輛的廢氣排放特性具有重要意義。

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[10] MT/T 989－2006.礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件[S]

The power transmission system matching of hydraulic vehicle in coal mine based on emission constraint

Ren Zhiyong
(Taiyuan Research Institute,China Coal Technology And Engineering Group,Taiyuan,Shanxi 030006,China)

Based on weighted factor method,a comprehensive evaluation index with power performance,economy and emissions has been proposed in hydraulic vehicle power transmission system in coal mine.The particulate of measuring the characteristics and quality index have been introduced.The method of weighted factor parameter and weighting coefficient have been determined.The simulation model has been established for the hydraulic transmission vehicle by using Advisor sofeware.The optimization program of hydraulic transmission vehicle has been compiled with the Matlab optimization toolbox.The explosion-proof rubber-tired vehicle in WCJ10E coal mine as an example,the accuracy of the simulation model has been verified by test.The results showed the emission constraint in the power transmission system of vehicle has been optimized matching.

emission constraint,hydraulic transmission,power transmission,matching, weighting factor

TD525

A

任志勇(1983－),男,山西渾源人,助理研究員,碩士,主要從事煤礦井下無軌輔助運輸車輛方面的科研工作。

(責任編輯 王雅琴)

中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金青年基金項目(2014QN025),中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金項目(2011MS013)