基于山地果園運輸車的液力緩速器設計與仿真

廖勁威，吳偉斌,b，馮運琳，許棚搏

(華南農業大學 a.工程學院；b.南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州　510642)

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基于山地果園運輸車的液力緩速器設計與仿真

廖勁威a，吳偉斌a,b，馮運琳a，許棚搏a

(華南農業大學 a.工程學院；b.南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州510642)

摘要：我國南方果園種植區多為丘陵山地，如柑橘果園種植地70%為丘陵。在坡陡彎多的道路地形中，持續下長坡的路況對運輸車的制動效能提出了更高的要求，連續制動導致主制動器熱衰退嚴重，威脅著行車安全。因此，研究適用于農用運輸車的輔助制動器，提高制動安全性十分必要。以華南農業大學自主研發的果園輕簡化輪式運輸車為研究對象，設計適用于運輸車的輔助制動裝置—液力緩速器。根據運輸車的參數和要求，采用相似設計理論計算新樣機參數；利用SolidWorks軟件對液力緩速器轉子和定子進行三維建模；利用MatLab/Simulink軟件對加裝液力緩速器的運輸車進行制動效能仿真和分析。仿真結果表明：在坡路上使用緩速器，制動時間減少12.7%，制動距離減少17.4%。

關鍵詞：山地果園運輸車；液力緩速器；SolidWorks；MatLab

0引言

我國農業生產水平的提高推動了農業運輸機械化的發展，尤其在丘陵山地坡陡彎多的道路地形，要求農用車必須具備足夠的持續制動能力以確保下長坡時的制動安全[1]；但如果僅使用主制動器持續制動，容易導致主制動器熱衰退嚴重，影響行車安全[2]。歷年農機事故數據表明：因制動不良造成的農機事故約占農機事故總數的50%，給國家、集體和家庭都帶來了巨大的損失。以柑橘為例的中國果園種植區，栽培區域僅限于亞熱帶地區，主要為15°左右的紅壤土丘陵坡地，對行走的運輸車制動性提出了更高的要求。緩速器在山地果園運輸上的研究有利于降低汽車行車制動裝置的制動次數和時間，減輕駕駛者疲勞程度，提高丘陵山地間的作業效率和運輸安全性。

為此，本文設計了一種適用于山地果園輪式運輸機的輔助制動裝置，通過建立聯合制動模型，并進行仿真分析，確保性能的可靠性及對運輸車的適用性。液力緩速器是一種耗能減速的制動元件，利用轉子和定子間的工作腔液體流動對轉子葉片沖擊產生阻礙力矩，并使轉子動能轉化為油液的熱能，再通過循環冷卻方式散發出去，實現動能到熱能的能量轉換從而減速制動[3]。

1設計原理

1.1　技術路線

本文以華南農業大學工程學院自主研發的山地果園輕簡化輪式運輸機作為研究對象[4](運輸機參數如表1所示)，設計一款適用的輔助制動裝置—液力緩速器，并對其進行建模，最后再進行制動效能的仿真。本文的主要研究內容如下：

1)利用相似設計理論進行液力緩速器的主要結構參數設計。本文首先對已經成熟應用在重型車輛和客車上的液力緩速器進行分析；然后根據山地果園輪式運輸機的參數與要求，利用相似設計理論，設計出輪式運輸機適用的液力緩速器的轉子、定子的結構參數。

2)建立液力緩速器的轉子和定子的三維模型。利用SolidWorks 軟件，根據已設計出的轉子、定子的結構參數，進行三維建模。

3)制動效能進行仿真與分析。利用Matlab/Simulink 軟件，對運輸車加裝液力緩速器前后的制動效能的仿真試驗，并根據所得結果進行分析。

1.2　利用相似設計理論相似設計

相似設計方法是液力元件設計的一種重要方法，其主要理論依據是相似原理[5]。在相似系統設計的基礎上, 將具有相似特性的機械產品及零/部件, 運用相似設計方法和相似工藝與裝備, 對相似單元進行生產制造[6]。研究表明:一個性能優良的液力耦合器在進行相似設計時，當新設計樣機泵輪轉速不超過原液力耦合器泵輪轉速的40%時，則設計的誤差范圍控制在2%~3%之間，精確度能滿足設計要求。

表1　山地果園運輸機主要參數

2設計及計算

2.1　原樣機的選擇

本設計以深圳特爾佳公司生產的THB-40型液力緩速器為原樣機(參數如表2)，具有尺寸小、質量輕、緩速力矩大及可長時間制動等特點。樣機質量為88kg，工作腔容積為9L；當轉速n=740r/min時，最大制動轉矩可達4 000N·m；采用密度為ρ=860kg/m3的長城金吉星J600半合成機油為液壓油，運動粘度v=14.92m2/s。

表2　THB-40型液力緩速器結構參數

2.2　THB-40型液力緩速器制動力矩系數計算

液力緩速器制動力矩計算公式為[7]

T=λMρgn2D5

其中，T為制動力矩(N·m)；λM為制動力矩系數；ρ為流體介質密度，取ρ=860kg/m3；g為重力加速度，取g=9.8N/m2；n為發動機轉速，取n=1 200r/min；D為有效循環圓直徑(m)。

因此，制動力矩系數為

2.3　相似設計計算新樣機參數

2.3.1新樣機的循環圓直徑DN

根據山地果園輪式運輸機的參數,其變速器的最大輸入扭矩為Tin max=16.5N·m，其變速器各擋位傳動比如表3所示。

表3山地果園運輸機變速器傳動比參數

Table 3Transmission ratio parameters of the gear transmission in mountain orchard

擋位傳動比主減速器減速比1122836R128

故變速器所能承受的最大扭矩為

Tt max=Tinmax·i0=16.5×12=198N·m

對新樣機循環圓直徑進行相似設計計算，則

2.3.2新樣機的循環圓內徑dD

原樣機THB-40的循環圓內外徑比值k，則

因此，新設計的液力緩速器循環圓內徑dN為

Dn=k·DN=92mm

相似比c為

因此，由比例相似得出新樣機的結構參數如表4所示。

表4　新設計液力緩速器的結構參數

續表4

3仿真與分析

3.1　緩速器轉子與定子的SolidWorks三維建模

參考特爾佳THB-40原樣機結構，根據新設計樣機內外圓直徑尺寸，設計出新樣機葉片形式機進出口的集合參數，如表5所示。

表5新設計樣機定子的葉片形式及進出口幾何參數

Table 5Stator blade form and Import and export geometric parameters of the new designed prototype

零件葉片形式參數定子前傾直葉片進油口參數(長方體)個數10總面積/mm2135長/mm9寬/mm1.5倒角0.5mm×45°出油口參數(圓柱形)個數6總面積/mm242.4直徑/mm3

轉子的三維建模參數與定子相似。

根據新樣機設計參數，利用SolidWorks軟件建模得到圖1轉子部件模型、圖2定子部件模型。

圖1　緩速器定子三維模型圖

圖2　緩速器轉子三維模型圖

3.2　基于液力緩速器的制動系統仿真模塊建立

為了節省實物制造的設計成本和測試時間，本文利用MatLab/Simulink軟件建立基于液力緩速器的三地果園運輸車制動系統仿真模型。

3.2.1建立液力緩速器仿真子模塊

液力緩速器工作腔內的制動液壓力、制動液量和制動軸的轉速決定了緩速器減速力矩的大小[8]。因此，液力緩速器的制動力矩公式為[9]

M=λρD5n2

其中，M為液力緩速器的制動轉矩(N·m)；λ為液力緩速器的制動轉矩系數，與腔型、葉片傾斜角、葉片數和充液量有關，取λ=2；ρ為工作液體的密度，取ρ= 860kg/m2；D為工作輪有效循環直徑(m)；n為工作輪轉速(r/min)。

3.2.2建立行車制動器仿真子模塊

本文選擇的華農第三代山地果園運輸車的行車制動是采用鼓式制動，其制動力矩計算公式為

TR=2(ρ-ρ0)BFArη

其中，p為制動器制動管路的油壓，取p=0.8MPa；p0為管路的壓力損耗，取p0=0；BF為制動因素，取BF=3.5；A為制動泵的工作面積，取A=0.024m2；r為制動鼓半徑，取r= 0.15m；η為制動器的制動效率，取η=0.8。

3.2.3建立山地果園運輸車行駛阻力模塊

運用汽車理論及動力學知識，可以得出車輛行駛阻力計算公式為

其中，Ff為滾動阻力(N)；f為滾動阻力系數，取f=0.0076+0.000056ua；Fi為坡度阻力(N)；i為坡度 ；Fw為空氣阻力(N)；CD為空氣阻力系數，取CD=0.65；A為汽車迎風面積，取A=2m2；ua為車速(km/h)；m為整車質量(kg)；g為重力加速度，取g=9.8m/s2。

3.2.4運輸車整車制動系統仿真模擬

本文研究運輸車的直線下坡制動情況，因此建立運輸車的運動方程為

其中，Fx為行駛阻力；Fy為液力緩速器阻力；Fb為行車制動器阻力。

整車的制動系統仿真模型如圖3所示。

圖3　整車的制動系統仿真模型

3.3　液力緩速器制動系統仿真分析

本文仿真實驗設定為長坡路制動，運輸車以15km/h的初始速度在坡度為7%的無限長坡路開始制動，直至車速穩定。運輸車檔位設定為Ⅱ擋，傳動比為8，分別進行以下3組仿真試驗。

1)液力緩速器和行車阻力共同作用制動，緩速器充液率為100%，得到運輸車速度曲線如圖4所示，制動減速度曲線如圖5所示。

2)行車制動器和行車阻力共同作用制動，得到運輸車的速度曲線如圖4中實線所示，制動距離如圖5中實線所示。

3)液力緩速器、行車制動器和行車阻力共同作用制動，得到運輸車速度曲線如圖6中虛線所示，制動距離曲線如圖7中虛線所示。

圖4　緩速器與行車阻力作用的速度曲線

圖5　運輸機的減速度曲線

圖6　液力緩速器是否參與制動的速度曲線

圖7　運輸機的制動位移曲線

3.4　模塊仿真結果與分析

由于運輸車最高車速為20km/h，達不到80km/h，所以僅使用液力緩速器制動不能保證運輸車在7%的坡路上恒速行駛。

坡路上行駛時，液力緩速器、行車制動器和行車阻力共同參與制動，比液力緩速器不參與制動的情況下制動時間和制動距離分別減少了12.7%、17.4%，體現出液力緩速器制動過程中的重要作用。

4結論

1)液力緩速器的制動能力受充液率的影響，充液率越小，液力緩速器的制動作用越小。

2)在下長坡路時，山地果園運輸車低高扭速的特性，使得最高車速限制在20km/h，所以僅靠液力緩速器制動而行車制動不作用時，不能保證山地果園運輸車恒速行駛。

3)在下長坡路時，液力緩速器、行車制動器和行駛阻力共同作用，比液力緩速器不參與制動的情況下制動時間和制動距離會減少。

參考文獻：

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Design and Simulation of Hydraulic Retarder Based on the Mountain Orchard Transporter

Liao Jinweia, Wu Weibina,b, Feng Yunlina，Xu Pengboa

(a.College of Engineering; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：Our country is an agricultural country, the use of farm transporter is not only can improve the efficiency of agricultural production, also can reduce the labor intensity of the farmers. However, 70% of the orchard is hills. On the downhill road conditions, it puts forward higher requirements on vehicle braking efficiency, continuous braking would cause the main brake serious thermal decay, threating to safety. Therefore, to improve the braking safety, it is necessary to research an auxiliary brake which is suitable for the farm transporter. This paper takes South China Agricultural University independently developed generation orchard simplified wheeled transport vehicle as the research object, and designs a hydraulic retarder which is applicable to the transport vehicle. According to the vehicle parameters and requirements, this paper takes the similar design theory to calculate the parameters of a new prototype; building 3D model of the hydraulic retarder rotor and stator by SolidWorks software; using MATLAB/Simulink software installed on vehicle hydraulic retarder braking performance simulation and analysis. The simulation results show that, using hydraulic retarder braking on the slope road, the braking time is reduced by 12.7%, and the braking distance is reduced by 17.4%.

Key words：the mountain orchard transporter；hydraulic retarder；SolidWorks； MatLab

中圖分類號：S232.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0082-05

作者簡介：廖勁威(1990-)，男，廣東信宜人，碩士研究生，(E-mail)lpweisky@qq.com。通訊作者：吳偉斌(1978-)，男，廣東中山人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203016，2014030347)；惠州市產學研結合項目(2013B050013015)；龍門縣科技計劃項目(2014N150422)

收稿日期：2015-07-30