基于圖形界面的挖掘機動力傳動系統優化匹配

姚永玉, 黃桂琴, 馮先澤

(1.洛陽理工學院機械工程學院,河南 洛陽 471023; 2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

基于圖形界面的挖掘機動力傳動系統優化匹配

姚永玉1, 黃桂琴1, 馮先澤2

(1.洛陽理工學院機械工程學院,河南 洛陽 471023; 2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

在研究現代挖掘機動力傳動系統的基礎上,推導出發動機和液力傳動系匹配的數學計算公式,建立一種工程上實用的匹配計算方法和優化目標評價參數,編制優化匹配計算程序,利用圖形界面直觀顯示具體選型計算結果,幫助設計人員迅速找到更好的匹配設計方案,并用實例驗證了該系統的實用性和正確性.

挖掘機; 動力匹配; 優化選型; 圖形界面

當前,挖掘機動力傳動系一般匹配液力機械傳動,以獲取較好的動力性和較高的對載荷變化的適應能力.在匹配其動力傳動系時,若選擇合適的共同工作點,則發動機的功率將能得到充分利用,但是,若動力匹配時液力變矩器的型號及其工作參數選擇不當,則整機的動力性優點難以充分發揮,甚至導致燃料消耗增加及生產率降低[1-2].然而,反復的選型匹配過程不僅計算復雜,而且過程繁瑣,本文在研究發動機和液力變矩器共同工作特性的基礎上,建立起挖掘機發動機與液力變矩器的優化匹配數學模型,在考慮其經濟性的同時,充分發揮動力性能,實現二者的優化匹配,并編制動力匹配優化程序,這不僅代替了原有的人工繁雜計算,大大提高了計算精度和計算效率,而且可以直觀顯示優化匹配的具體計算結果,幫助設計人員迅速找到更好的匹配設計方案,從而實現動力系統設備的正確選型.

1 建立發動機模型

柴油機輸出轉矩特性曲線由外特性段和調速特性段組成.外特性段可以近似以轉速為變量的二次方程表示.調速特性段(從標定工況到最大轉速點)近似為直線,可用以轉速為變量的一次方程表示.對由實驗得到的發動機外特性曲線上的若干離散點(ni,Mei)(i=1,2...)進行最小二乘法擬合求解得到發動機外特性段的數學表達式,以此為基礎可以求解出調速特性段的數學方程.發動機的轉矩特性方程表示為:

(1)

式中:Me為發動機轉矩;n為發動機轉速;neR為外特性曲線段與調速特性曲線段交點對應的發動機轉速.

2 建立液力變矩器模型

單級單相液力變矩器的原始特性中轉矩系數λB和轉矩比K與轉速比i的關系為高次方程[3],表示為方程(2).使用最小二乘法進行擬合計算,確定方程中的待定系數,即可得到液力變矩器的具體數學模型表達式.

(2)

式中:γ為工作液重度,γ=ρg;Ek，Fj為多項式系數;m,n為變矩器數學模型的階數.

3 挖掘機發動機與動力傳動系優化匹配

3.1 設計變量的選取

在已經確定變矩器的型式(λB，K確定)時,液力變矩器與挖掘機發動機直接相連,此時兩者匹配問題就是合理確定出變矩器的循環圓直徑D,即兩者共同工作特性只受循環圓直徑D影響,因此,將液力變矩器的有效循環園直徑D確定為設計變量[1].

3.2 目標函數的建立

若按照以上描述的挖掘機動力傳動系中二者的匹配原則,則需要進行多目標優化,在此采取加權求和的方法將多目標優化轉化為單目標優化[2,4-5],提出優化的目標函數為:

(3)

3.3 約束條件的選取

該優化問題為一維尋優問題,根據挖掘機啟動性能要求以及在i*(變矩器最大效率)工況下輸入特性曲線與發動機外特性凈扭矩特性曲線的交點的發動機轉速要求,求得優化變量D的約束形式.

(4)

3.4 優化目標評價參數的建立

(1) 最大輸出轉矩:MTmax=MT(i=0),MT(i=0)對應于工況(轉速比i=0)液力變矩器的輸出扭矩.

(2) 高效轉速范圍:dm=nT2/nT1,nT1,nT2對應于液力變矩器高效范圍(η≥0.75)上、下限的共同工作的渦輪軸轉速.

4 可視化優化匹配計算程序的設計

前述挖掘機優化動力匹配問題計算量大、問題復雜,且計算過程相似,為避免設計人員的重復性工作,利用編程軟件設計出可視化功能模塊[6-7],使匹配計算簡單、方便,提高了設計人員的工作效率.

4.1 程序編制總體思路

(1) 程序中的可視化曲線的繪制完全尊重事實計算,對發動機外特性曲線與液力變矩器原始特性曲線采用最小二乘法進行擬合,且可根據實際情況改變擬合次數.

(2) 將用于挖掘機傳動系的發動機與液力變矩器數據存檔,使程序能夠隨時調用,并且數據可以隨時添加或刪除.

(3) 對于各組數據原始數據數量不同的問題,程序采用自動獲取數據數目的方式,并實現數據類型的轉化,力求增大程序的通用性.

(4) 程序運行時,能夠對由于輸入數據或者操作的不正確進行適當的容錯處理.

(5) 利用軟件非常好的科學計算編程環境函數,程序界面的實現借助于軟件提供的Graphical User Interface(GUI)開發環境,減小了程序的使用難度.

本程序中使用的是動態數據庫,使用者可以直接使用程序內置的發動機與液力變矩器數據,也可以添加新的發動機與液力變矩器原始數據.在進行發動機與液力變矩器匹配計算或優化匹配時,可以選擇一個型號的發動機與不同型號液力變矩器,或者不同型號的發動機與一個型號的液力變矩器進行匹配計算[7].

4.2 程序的使用

現以某廠挖掘機裝備的N14-C315發動機與980C液力變矩器為例,闡述二者的可視化優化匹配計算過程,已知發動機最大空轉轉速為2 400 r·min-1.

啟動軟件,把軟件的工作目錄設置為程序的所在磁盤目錄,然后在軟件的命令行鍵入“akaishi”命令后回車,程序即可啟動,如圖1所示.

4.2.1 發動機特性擬合

進入發動機特性擬合界面(圖2),發動機型號列表中列出已有的發動機數據的型號,如果數據庫中沒有所要使用的發動機型號,選中“添加型號”,然后單擊“發動機特性擬合”按鈕,輸入發動機原始特性數據和擬合次數后,單擊“數據擬合”按鈕,程序將進行擬合計算,繪制曲線,并顯示擬合誤差,單擊“保存數據”按鈕,發動機擬合數據保存到數據庫,并會在主界面發動機型號列表更新顯示所添加的發動機型號.(刪除已保存發動機的數據,需到主界面選中所要刪除的發動機型號,單擊“刪除所選型號”,在確認刪除之后,發動機數據將被刪除).

圖1 程序啟動Fig.1 Start the program

圖2 發動機外特性曲線擬合Fig.2 Engine performance curve fitting

4.2.2 液力變矩器特性擬合

本模塊同樣設置“添加型號”、“保存數據”以及“刪除所選型號”功能,具體使用方法同發動機特性擬合制擬合曲線,這里不再重復,利用本文所選液力變矩器數據擬合后的特性曲線如圖3所示,同樣顯示擬合誤差.

圖3 液力變矩器特性曲線擬合Fig.3 Torque converter characteristic curve fitting

4.2.3 匹配特性分析

在進入匹配分析分析之前,需要先在程序主界面同時選中已經保存擬合數據(數據庫含有的型號)的發動機與液力變矩器,然后單擊“匹配特性分析”按鈕進入匹配特性分析界面,模塊單擊“求解共同工作點”按鈕即可進行共同工作點的求解,單擊“共同輸入特性”即可求解發動機與液力變矩器共同工作輸入特性.再單擊“共同工作輸出特性及評價”按鈕即可計算共同工作點,并繪制共同工作輸出特性曲線,計算匹配評價參數如圖4所示.

圖4 共同輸出特性Fig.4 Common output characteristics

4.2.4 優化匹配

在程序主界面(如圖1)同時選中已經保存擬合數據(數據庫含有的型號)的發動機與液力變矩器,單擊“優化匹配”按鈕進入優化匹配界面,輸入優化權重系數(用戶可自定義輸入優化權重系數,也可以使用程序提供的優化權重系數輔助設置功能,用戶可以根據優化的側重點不同選擇優化權重系數的分配方案),如圖6所示.本文取多目標權重分別為α1=0.05，α2=0.6，α3=0.05，α4=0.3,點擊“開始優化”按鈕,等待一段時間后,在該界面上顯示出優化結果以及優化前后發動機與液力變矩器共同工作輸出特性曲線的對比曲線,如圖5所示.

圖5 優化結果Fig.5 Optimization results

由圖7可以看出,優化后,液力變矩循環圓有效直徑從0.397 m優化為0.407 m,且后最大輸出功率對應的轉速點在液力變矩器的高效區內,并且基本與液力變矩器的效率最高時的轉速相吻合,使挖掘機整機能夠充分利用發動機的最大有效功率,從而獲得較大的輸出功率.與優化前的輸出特性相比,發動機與液力變矩器最高效率和最高輸出功率基本在挖掘機使用頻率較高的1 500 r·min-1發動機轉速上,提高了挖掘機正常使用的動力性能.

單擊“共同輸入特性對比”或“評價參數對比”,則分別直觀顯示出優化前后的共同輸入特性對比曲線與匹配評價參數對比結果,如圖6所示.

圖6 優化前后匹配評價參數Fig.6 Evaluation parameters before and after the optimization

圖6表明發動機與液力變矩器共同工作輸出的最大扭矩由優化前的2 385.7 N·m提高到了優化后的2 599.7 N·m,提高了挖掘機對重載荷的適應能力,同時高效轉速范圍dm也有所提高,即發動機的最大扭矩對應的轉速有所提高,適應了現代挖掘機高速重載工況需求.

圖8同時表明發動機和液力變矩器的共同工作全范圍與高效區平均功率分別由優化前的110.926 4 KW、153.855 1 KW提高到了119.028 7 KW、 166.331 KW,提高了挖掘機對發動機功率的利用率,從而提高了挖掘機的動力性;挖掘機在全工作范圍內與高效區的平均燃油消耗率分別由優化前的218.7 g·kW-1·h-1、218.645 2 g·kW-1·h-1降至217.626 7 g·kW-1·h-1，216.541 8 g·kW-1·h-1,這在一定程度上又提高了挖掘機的燃油經濟性.

5 結論

在對發動機和液力變矩器特性分析的基礎上,以綜合了挖掘機動力性、經濟性和啟動性能的指數為目標,對發動機與液力變矩器的匹配方案進行優化,并分析計算得到優化后的共同輸入、輸出特性.編制編制動力匹配優化程序,代替了原有的人工繁雜計算,提高了計算精度和計算效率,且可以直觀顯示優化匹配的具體計算結果,幫助設計人員迅速找到更好的匹配設計方案,且可以對數據進行添加保存.在對實際產品匹配優化算例中,挖掘機的最大輸出功率對應的轉速點在液力變矩器的高效區內,且高效區轉速范圍變大,同時在最大輸出轉矩變大的情況下,發動機的燃油消耗率稍有降低,提高了挖掘機的經濟性,這也驗證了本程序的正確性和可靠性,有一定的推廣應用前景.

[1] 姚永玉,馮先澤.挖掘機發動機及其動力傳動系的優化匹配[J].礦山機械,2015(2):28-29

YAO Yongyu,FENG Xianzhe.Optimal matching of engine and power transmission system of excavator[J].Mining Machinery,2015(2):28-29.

[2] 孫德臣.工程機械發動機與液力變矩器匹配方法研究[D].重慶：西南交通大學,2011.

SUN Dechen.Research on matching method of engine and torque converter in construction machinery[D].Chongqing:Southwest Jiao Tong University,2011.

[3] 趙慶波,劉昕暉.2-DOF鉸接輪式越野挖掘機功率匹配及牽引性能設計[J].礦山機械:2013,2(41):34-37.

ZHAO Qinbo,LIU Xinhui.Power matching and traction performance design of 2-DOF Articulated Wheeled Off Road excavator[J].Mining Machinery,2013,2(41):34-37.

[4] 孫躍東,周萍,尹冰聲.液力變矩器與發動機匹配的計算方法研究[J].機械制造,2004,41(11):35-37.

SUN Yuedong,ZHOU Ping,YIN Bingsheng.Research on calculation method of torque converter and engine matching[J].Machinery Manufacturing:2004,41(11):35-37

[5] 羅艷蕾.液力變矩器與柴油機合理匹配及其影響因素的分析[J].貴州工業大學學報,2001,5:32-35.

LUO Yanlei.Analysis of reasonable matching between hydraulic torque converter and diesel engine and its influencing factors[J].Journal of Guizhou Industry University,2001(5):32-35.

[6] 常綠.基于性能評價網狀圖的裝載機發動機與液力變矩器匹配優化[J].農業工程學報,2012,28(1):50-54.

CHANG Lv.Matching optimization of loader engine and hydraulic torque converter based on performance evaluation network diagram[J].Journal of Agricultural Engineering，2012,28(1):50-54.

[7] 邊淑君.發動機與液力變矩器匹配計算的軟件開發[J].工程機械,2007,38(6):10-13.

Bian Shujun.Software development of matching calculation of engine and torque converter[J].Engineering Machinery,2007,38(6):10-13.

Optimal matching on excavator power transmission system based on graphical interface

YAO Yong-yu1, HUANG Gui-qin1, FENG Xian-ze

(1.Department of Mechanical Engineering of Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023, China;2.School of Mechanical and Vehicle Engineering,Beijing Institute of Techology, Beijing 100081)

Based on the study on modern excavator power transmission systems, the mathematical formulae are first deduced to match the engine and hydraulic transmission system. Then, a matching calculation method, together with optimum objective evaluation parameters, is practically proposed. By completing the optimal matching programs, the option selection is conducted via graphical interface to assist designers in rapid design alternative matching. Finally, the practicality and correctness of this system are verified using examples.

excavator; power matching; optimal selection; graphical interface

姚永玉(1972-),女,副教授,工學碩士.E-mail:458934141@qq.com

文獻標志碼： A 文章編號： 1672-5581(2016)05-0440-05