提高煤礦車輛輸出功率換擋規律的研究

張立文（神華集團包頭礦業有限責任公司，內蒙古自治區包頭市，014030）

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提高煤礦車輛輸出功率換擋規律的研究

張立文
（神華集團包頭礦業有限責任公司，內蒙古自治區包頭市，014030）

摘 要在分析典型煤礦車輛換擋規律的基礎上，將防爆柴油機與液力變矩器視為一個新型動力源，提出了一種將防爆柴油機油門開度、液力變矩器高效區兩端最小速比和最大速比這3個參數作為換擋規律的控制點，以提高液力變矩器渦輪輸出功率為目標的換擋規律。同時建立了該類車輛動力傳動系統的動力學模型，并利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了相應的仿真計算模型，并與原以液力變矩器高效區兩端最小速比和高效區最大速比這2個參數作為換擋規律控制點的換擋規律進行對比，驗證該種換擋規律的可行性。仿真結果表明，該換擋規律在提高煤礦液力傳動車輛傳動系的動力性的同時，也能提高該類車輛液力機械傳動系的傳動效率和運行經濟效益。

關鍵詞車輛 液力傳動 換擋規律 仿真

隨著采掘機械化的快速發展，礦用防爆車輛在煤礦生產中的應用日漸廣泛。相關數據顯示，全國礦井中采用液力機械傳動車輛的礦山有500余處，使用量在4500臺以上，普遍采用的傳動方式為:防爆柴油機→液力變矩器→動力換擋變速箱→驅動橋→車輪，在制定車輛的換擋規律時，基于液力傳動車輛本身傳動效率低以及車輛行駛速度慢（通常低于40 km/h）的特點，動力匹配設計時，一般會將變矩器高效區工作范圍的效率限定在≥75%，同時給定變矩器泵輪轉速和渦輪轉速這2種主參數，該設計方法只是簡單的將液力變矩器對整車動力性和燃油經濟性的影響進行量化，未從全面考慮防爆柴油機在非動力區、非經濟區以及變矩器工作在低效區等因素帶給車輛功率損耗造成的影響。

本文變換了傳統的研究思路，將防爆發動機裝置與液力變矩器作為一個新型動力源，著眼于廣義的傳動系統，以液力變矩器渦輪輸出功率為研究目標，提出了一種適用于煤礦液力傳動車輛的換擋規律研究方法。

1　換擋原理

在換擋原理研究中，首先選定防爆柴油機油門開度、泵輪轉速和渦輪轉速這3大換擋參數，研究防爆柴油機和液力變矩器對車輛傳動系統動力性及燃油經濟性造成的影響。

1.1 發動機的工作特性

基于最小二乘法，通過臺架試驗數據擬合獲得的典型防爆柴油機工作特性圖如圖1所示。

圖1　典型發動機工作特性圖

由圖1可以看出，防爆柴油機的輸出扭矩是一個與防爆柴油機油門開度和發動機轉速相關的函數。

1.2 液力變矩器的工作特性

變矩器的原始特性曲線是描述變矩器性能及工作特性的常用方法，典型液力變矩器原始特性圖如圖2所示。

圖2　液力變矩器原始特性圖

由圖2可以看出，變矩器的原始特性主要反映了速比與千轉力矩、變矩比和效率之間的函數關系。

1.3 換擋規律

由于煤礦井下車輛通常在巷道路面崎嶇不平、多粉塵、煤泥和積水并常在含有瓦斯的狹小空間內進行作業，使得該類車輛的防爆柴油機油門開度和負載頻繁變化，傳動檔位需要頻繁切換以適應行駛路況的變化，進而導致防爆柴油機和液力變矩器的工況點頻繁變化。因此，只有確保防爆柴油機工作在動力性能和經濟性最佳區域、液力變矩器工作在高效區域附近，方可獲得較好的動力性和經濟性能。典型煤礦液力傳動車輛動力傳動系統如圖3所示。

圖3　典型煤礦液力傳動車輛動力傳動系統

液力傳動車輛多數選用液力變矩器，其與防爆柴油機采用剛性連接，由防爆柴油機和液力變矩器作為整體組成的新動力源，對應液力變矩器不同工況下的轉速比時，其輸出轉速和輸出扭矩與原防爆柴油機相比均發生了變化，最終導致防爆柴油機輸出功率的變化。該類車輛的液力變矩器輸出功率可以表示見式（1）:

式中:Pw——液力變矩器輸出功率，k W；

η——液力變矩器的傳遞效率；

Pe——防爆柴油機輸出功率，k W；

Te——防爆柴油機輸出扭矩，N·m；

ne——防爆柴油機輸出轉速，r/min。

此時，結合液力變矩器的工作特性，可推導出采用剛性連接，由防爆柴油機和液力變矩器作為整體組成的新動力源的輸出轉速和輸出扭矩分別見式（2）:

式中:nB——液力變矩器泵輪轉速，變矩器與變矩器與防爆柴油機直連時nB=ne，r/min；

im——變矩器與防爆柴油機與液力變矩器的中間傳動比；

TB——液力變矩器的泵輪扭矩，變矩器與防爆柴油機直連時TB=Te，N·m。

液力變矩器泵輪轉矩可以表示為式（3）:

式中:Mbg——液力變矩器的千轉力矩，N·m。

把公式（2）、（3）代入公式（1），結合防爆柴油機工作特性，該類車輛的液力變矩器輸出功率可表示為:

式中:α——防爆柴油機油門開度，%；

i——液力變矩器速比。

公式（4）所表示的曲線可以通過試驗臺獲得，并通過最小二乘法擬合后獲取。

按照油門開度最大（開度100%）的情況下，煤礦車輛四檔動力換擋變速箱的輸出功率曲線如圖4所示。

圖4　煤礦車輛四檔動力轉換檔變速箱的輸出功率曲線

由圖4可以看出，當取各檔位功率曲線的交點作為最佳換擋點時，該類車輛能夠獲取最大的輸出動力，本文選擇P0作為換擋線，取P0=95 k W。

按照該油門開度為100%的情況下，依據公式（4），繪制出的該油門開度時液力變矩器速比與渦輪輸出功率特性曲線如圖5所示。

圖5　液力變矩器在某油門開度時的速比與輸出功率特性曲線

由圖5可以看出，液力傳動類車輛在油門開度為100%時，換擋點位對應的液力變矩器速比分別為i1=0.41及i2=0.77。

同理，按照上述方法，可以推導出其他各油門開度下的換擋點，采用插值法擬合出該類車輛的換擋規律如圖6所示。

圖6　換擋規律

換擋過程如下:使用傳感器采集數據，采集信息包括車輛的油門開度α、泵輪轉速nB和渦輪轉速nT，已知泵輪轉速nB和渦輪轉速nT，可得變矩器的傳動比i。按圖6所示關系編制（α，i）表格，通過查表分析點（α，i），確定檔位關系，若點（α，i）落在降擋區且非最低擋，則執行降擋；如果點（α，i）落在升擋區且非最高擋，則執行升擋；其他情況則保持原擋。

2　仿真計算

2.1 動力學模型

防爆柴油機與液力變矩器典型聯接方式示意圖如圖7所示。

圖7　防爆柴油機與液力變矩器典型聯接方式示意圖

由圖7可以看出，防爆柴油機與液力變矩器通過彈性膜片聯接盤實現剛性連接，二者組成一個新的動力源，由此可推導出該類車輛的動力總成動力學模型如圖8所示。按照圖7防爆柴油機與液力變矩器典型聯接方式，推導出二者組成新動力總成的動力學模型如圖8所示。

列出其力學方程見式（5）和式（6）:

式中:JB——與液力變矩器泵輪相聯接一起轉動零件的等效轉動慣量，kg·m2；

Me——發動機輸出轉矩，，N·m；

MB——泵輪轉矩，N·m；

Jw——液力變矩器渦輪至車輛車輪之間的所有轉動件向渦輪軸轉化后的等效轉動慣量，kg·m2；

Mw——渦輪轉矩，N·m；

M——負載力矩，N·m。此外，煤礦液力傳動類車輛也使用帶有閉鎖功能的液力變矩器，與常規液力變矩器相比，其主要增加了一組閉鎖離合器，閉鎖離合器結合動力學模型如圖9所示。

圖8　液力傳動類車輛動力總成的動力學模型

圖9　帶閉鎖功能的液力變矩器離合器結合動力學模型

由此，推導出使用帶有閉鎖功能的液力變矩器煤礦液力傳動車輛的力學方程見式（7）和式（8）:

式中:M1——液力變矩器輸入驅動力矩，N·m；

MB——離合器從動摩擦片驅動力矩，N·m；

MC——閉鎖離合器的摩擦力矩，N·m；

Jz——離合器主動部分轉動慣量，kg·m2；

ω1——離合器主動摩擦片角速度，rad/s；

M2——渦輪軸所受的反作用力矩，N·m；

MT——離合器從動摩擦片驅動力矩，N·m；

Jb——離合器從動部分轉動慣量，kg·m2；

ω2——離合器從動摩擦片角速度，rad/s。

2.2 仿真分析

通過以上理論分析計算，采用Matlab/Simulink軟件建模仿真為平臺，建立煤礦液力傳動車輛的仿真分析模型。該模型分為防爆柴油機油門開度控制模塊、煤礦液力傳動車輛傳動系統模塊、負載模塊和換擋控制模塊這4大模塊，仿真計算模型結構圖如圖10所示，負載力矩曲線如圖11所示。

圖10　仿真計算模型結構圖

為了更好地仿真求解，在建模時假設如下:

（1）防爆柴油機油門開度為100%；

（2）按照圖11所示的線性關系加載負載力矩；

（3）防爆柴油機的初始轉速為ne=1800 r/min，液力變矩器渦輪的初始轉速為nw=1500 r/min；

（4）車輛擋位在Ⅲ擋；

（5）設定換擋時間為5 s。

本文分別進行了兩種方案的換擋規律研究，方案一采用限定變矩器高效區（效率≥75%）工作范圍的換擋規律確定方法，方案二采用本文提出的適用于煤礦車輛的以液力變矩器渦輪輸出功率為目標的換擋規律，即將防爆發動機與液力變矩器視為整體動力源的研究方法，通過仿真得出相應的換擋曲線分別如圖12和圖13所示。

圖11　負載力矩曲線

圖12　方案一換擋規律

圖13　方案二換擋規律

由圖12和圖13可知，方案二已經開始升檔進入升檔區時，方案一仍停留在原檔位，同時方案二的降檔也要遲于方案一。

通過仿真分析得出方案一和方案二兩種方案下，液力變矩器渦輪平均輸出功率曲線如圖14所示，將圖14的相關數據轉化為防爆柴油機性能曲線圖如圖15所示。

圖14　液力變矩器渦輪平均輸出功率曲線圖

由圖14和圖15可以看出，方案二中的防爆柴油機輸出轉速更接近最佳動力點和最低油耗點，即采用方案二可以使防爆柴油機的動力性和經濟性得到充分發揮，該方案的液力變矩器平均輸出功率要高于方案一。

圖15　防爆柴油機性能曲線圖

3　結論

（1）針對煤礦液力傳動車輛暴露出的傳動系統輸出動力低和油耗高等問題，提出了一種將防爆發動機與液力變矩器視為一個新型動力源，適用于煤礦車輛以液力變矩器渦輪輸出功率為目標的換擋規律。

（2）通過建立換擋規律的力學模型和Matlab/ Simulink仿真模型，對該類車輛的換擋規律進行仿真，驗證了其正確性。

（3）由仿真可知，該換擋規律不但能夠提高車輛傳動系的動力性，同時也提高了該類車輛液力機械傳動系的傳動效率和運行經濟效益。

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（責任編輯 王雅琴）

Research on shift schedule for increasing output power of coal mine vehicle

Zhang Liwen
（Shenhua Group Baotou Mining Co.Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014000，China）

AbstractBased upon analyzing shift schedule of typical coal mine vehicle，the author regarded explosion-proof diesel engine and hydraulic torque converter as new power sources，and provided a new shift schedule that taking 3 parameters as variables of shift schedule，accelerator position of explosion-proof diesel engine＇s，maximum ratio and minimum ratio of two ends of high efficiency zone of hydraulic torque converter and taking enhancing output power of torque converter as target，in the meanwhile，established dynamical model of power transmission system of the coal mine vehicleand also established simulated computer model by using Matlab/Simulink simulation software，compared original maximum ratio and minimum ratio of two ends of high efficiency zone of hydraulic torque converter to the shift schedule which taking the new 2 parameters as control points to terrified the feasibility of the shift schedule.The simulated results showed that the shift schedule not only enhanced dynamic property of transmission system of hydrodynamic drive coal mine vehicle，also enhanced transmission efficiency and operative economic benefits of hydraulic mechanical transmission system of the coal mine vehicle.

Key wordsvehicle，hydrodynamic drive，shift schedule，simulation

中圖分類號TD525

文獻標識碼A

作者簡介：張立文（1965－），男，內蒙古興和縣人，高級工程師，主要從事煤礦機電運輸方面的工作。