基于典型工況液力變矩器匹配性能的優化

王振寶，秦四成

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基于典型工況液力變矩器匹配性能的優化

王振寶，秦四成

(吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春，130022)

針對目前發動機與液力變矩器匹配方式存在的不足，為合理優化液力變矩器與發動機的匹配性能，測試裝載機典型工況下工作系統的載荷情況，并對測試數據進行處理，得到V型鏟裝工況下全功率匹配和部分功率匹配實際消耗的轉矩。以灰色關聯度為基礎建立液力變矩器與發動機匹配的多目標優化模型，根據處理后的試驗數據對某ZL50裝載機的液力變矩器有效循環圓直徑進行優化，優化后整體匹配性能提高3.8%。研究結果表明：基于典型工況的優化方法能夠提高發動機與液力變矩器的匹配性能，可以為液力變矩器的優化設計和合理匹配提供參考。

液力變矩器；匹配；優化；裝載機

液力變矩器作為一種液力傳動裝置，在工作過程中與發動機配合工作，兩者匹配后可以看作一種新的動力裝置，車輛動力性和經濟性在很大程度上取決于二者之間的匹配是否合理[1]。目前，液力變矩器與發動機常用的匹配方式有全功率匹配、部分功率匹配和折衷匹配等，常綠等[2?5]在此基礎上，建立了發動機與液力變矩器匹配的多目標優化模型，對匹配性能進行了優化，但裝載機作業工況復雜，載荷變化頻繁，不論采用何種匹配方式都難以同時滿足牽引工況和鏟掘工況的作業要求，同時按照一定比例扣除外特性轉矩，不符合裝載機實際作業情況，從而無法真正實現裝載機匹配方式的優化設計。針對這種情況，本文作者通過制定無量綱的匹配評價指標，并采用層次分析法和熵權法相結合進行綜合賦權，建立了液力變矩器與發動機匹配的評價方法；在此基礎上，測試了裝載機V型鏟裝工況工作系統的載荷情況，進而對某ZL50裝載機液力變矩器與發動機的匹配進行了典型工況下的優化。

1 匹配性能評價指標與權重

1.1 匹配性能評價指標

根據液力變矩器與發動機匹配的原則，制定以下5項匹配性能評價指標，為了消除各指標數值差別較大的影響，對其進行標準化處理[6?7]。

1) 最大轉矩輸出系數1，表示車輛克服起步和加速等較大負荷工況的能力：

式中：1為傳動比=0時液力變矩器負荷拋物線與發動機凈轉矩曲線的交點轉矩；max為發動機最大凈輸出轉矩。

2) 最大功率輸出系數2，表示液力變矩器實際最高效率工況與理想工況的接近程度：

式中：eH為發動機最大凈輸出功率；max為液力變矩器的最高效率；1為液力變矩器最高輸出功率。

3) 高效工作區寬度系數3，表示發動機與液力變矩器共同工作的速度范圍：

式中：w1和w2為液力變矩器效率=0.75時對應的渦輪轉速；max為渦輪軸輸出的最大轉速。

4) 功率輸出系數4，表示高效工作區范圍內發動機功率的平均利用程度：

5) 燃油消耗率系數5，表示液力變矩器與發動機共同工作區范圍內的經濟性：

根據式(1)~(5)的定義可知：1，2，3，4和5越大，對應的發動機與液力變矩器的匹配性能越好。

1.2 評價指標權重

上述每個評價指標都反映了匹配性能的不同側面，不同類型車輛的要求不同，需根據車輛實際工作情況要求，對評價指標進行加權處理。為了克服主、客觀賦權法單獨使用的不足，本文采用層次分析法和熵權法相結合對各指標進行綜合賦權，各評價指標權重確定的主要步驟如下[8?10]：

1) 成立專家組，利用九標度法判斷指標之間的相對重要性，建立決策判斷矩陣。

2) 計算判斷矩陣的最大特征值及對應的特征向量，特征向量歸一化后作為層次分析法的權向量。

3) 計算一致性指標I和一致性比率R，進行一致性檢驗：

其中：I為平均隨機一致性指標。當R＜0.1時，認為判斷矩陣滿足一致性，評價指標可以接受，否則判斷矩陣重新賦值修正。

4) 由個匹配方案構建熵權法的評價矩陣。

5) 對矩陣進行標準化，并計算各評價指標的熵為

6) 計算熵權法中各指標的權重為

7) 組合權重的計算公式為

(9)

2 基于灰色關聯度法評價函數的構建

灰色關聯分析是建立在充分利用客觀數據的基礎上，得到各個方案與最優理想方案的接近度，從而進行決策。灰色關聯分析法能夠處理信息不完全明確的灰色系統，對于小樣本無規律指標的評價問題決策準確性較高[11?12]。本文有個匹配方案，每個方案有5項指標，令0為理想方案，則0與x關于第個指標的關聯系數為

第個匹配方案與理想方案的關聯度為

3 試驗與數據處理

裝載機主要的作業工況有鏟裝和牽引等，在鏟裝過程中，裝載機承受的載荷大且變化頻繁，是影響裝載機使用性能的主要工況，針對裝載機常用的V型鏟裝作業方式進行試驗。

1) 試驗要求。選擇整機工作性能良好的某ZL50裝載機采用V型鏟裝作業方式進行試驗，使測試樣本達到100個工作循環以上，以保證測試結果的可信度。

2) 測試內容與方法。測試液力變矩器輸出轉速、裝載機擋位信號和各工作泵工作壓力等，采用網絡數據采集器，每秒采集100數據點，可以實現實時同步測量，并由測量計算機系統記錄、分析。

液壓泵工作壓力與其消耗的發動機轉矩關系式為

式中：為消耗的發動機轉矩；為工作泵壓力；為工作泵排量。

按照文獻[13?15]提出的分段合并、濾波、去除異常值及式(12)等對數據進行處理，結果如圖1和圖2所示。

(a) 液壓系統消耗發動機轉矩部分采樣數據；(b) 1個工作循環液壓系統消耗發動機轉矩

圖2 各工作泵和輔助裝置消耗的轉矩

根據渦輪轉速和擋位信號將V型鏟裝工況的1個循環分成：空載前進、鏟裝、后退、前進舉升、卸料空載后退5個時間段，各時間段液力變矩器與發動機匹配狀態如表1所示。

由試驗數據及表1計算得：1個V型鏟裝作業循環全功率匹配消耗的發動機轉矩為121.28 N·m，部分功率匹配消耗的發動機轉矩為263.97 N·m。

表1 各時間段液力變矩器的狀態

4 液力變矩器與發動機匹配優化

將關聯度函數作為優化目標函數，以液力變矩器的有效循環圓直徑作為設計變量，進行發動機與液力變矩器匹配性能的優化[16?17]。

1) 根據發動機和液力變矩器的原始數據及試驗數據，計算發動機與液力變矩器共同工作特性，如圖3所示。其中：e為發動機外特性曲線；1和2分別為全功率匹配和部分功率匹配發動機凈輸出轉矩曲線；P1和P2分別為全功率匹配和部分功率匹配液力變矩器輸出功率曲線；T1和T2分別為全功率匹配和部分功率匹配液力變矩器輸出轉矩曲線。

(a) 發動機與液力變矩器共同工作輸入特性；(b) 發動機與液力變矩器共同工作輸出特性

2) 根據發動機與液力變矩器的共同工作特性，利用式(1)~(5)計算出全功率匹配和部分功率匹配的各評價指標。

3) 重復以上步驟，分別計算出不同直徑時的各評價指標值。

4) 確定評價指標的綜合權重。

根據專家判斷，建立如下決策矩陣：

計算得矩陣的最大特征值max及對應的權向量AHP為

(14)

驗證一致性比率R=0.001＜0.1滿足一致性準則。

由不同循環圓直徑得到的匹配方案構建熵權法評價矩陣：

其中：u=a1+a2，a1和a2分別為相應時的全功率匹配評價指標和部分功率匹配評價指標，和由作業時間比例進行確定，根據表1得：=0.7，=0.3。

計算得熵權法的權向量為

各匹配性能評價指標的綜合權重：

(17)

5) 根據式(11)計算不同循環圓直徑對應的目標函數值，并繪制相應關系，如圖4所示，當等于0.350 m時，液力變矩器與發動機的匹配性能最優。

4.2 優化結果分析

原ZL50裝載機液力變矩器的有效循環圓直徑0為0.340 m，優化后直徑′等于0.350 m。優化前后評價指標關聯系數的變化如表2所示。

圖4 直徑D和目標函數對應的關系

表2 優化前后評價指標計算結果

從表2可以看出：優化后，除ζ(2)有所降低外，其他匹配性能都有不同程度的提高，該優化結果與評價指標關聯系數和權重分配有關，因此，選擇合理的賦權方法對多目標優化非常重要。

隨著匹配性能的優化，關聯度逐漸增大，而且與理想值差距較小，用下式計算優化前后匹配性能提高的程度：

式中：′為優化后的關聯度；max為關聯度的理想值，即1。

利用式(18)計算得優化后整體匹配性能提高3.8%，通過優化，改善了液力變矩器與發動機的匹配性能，同時提高了整車的動力性和經濟性。

5 結論

1) 根據液力變矩器與發動機的理想匹配原則，制定了5項量綱一的匹配評價指標，運用層次分析法和熵權法綜合賦權，避免了平均分配的不合理性，采用灰色關聯度法對液力變矩器與發動機匹配性能進行評價。

2) 針對V型鏟裝工況進行液力變矩器與發動機匹配性能的優化，避免了運行工況匹配方式單一的缺點，優化后整體匹配性能提高3.8%。結果表明采用灰色關聯度法對液力變矩器與發動機匹配性能進行評價與優化是有效可行的，能夠為匹配方案的設計、選取提供參考。

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(編輯 陳愛華)

Optimization of matching on torque converter with engine based on typical operating condition

WANG Zhenbao, QIN Sicheng

(College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)

In order to avoid the deficiencies of matching between engine and torque converter, and reasonable matching between engine and hydraulic torque converter, some actual tests were performed under typical operating condition. After segmentation, mergence, filtration, elimination of abnormal value, the engine torque actually consumed by working pumps and auxiliary device was obtained on V shovel loading conditions. The evaluation method of the hydraulic torque converter and engine matching was established based on grey relational analysis method. With a hydraulic torque converter of ZL50 loader as an example, the effective diameter of circular circle on hydraulic torque converter was optimized in view of the shovel loading cycle condition. After optimization, the matching performance of engine and torque converter increases by 3.8%. The results show that the optimal matching scheme can be improved based on typical operating condition, which can provide reference for the proper matching between engine and hydraulic torque converter.

torque converter; matching; optimization; wheel loader

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.009

TH137

A

1672?7207(2017)02?0331?06

2016?03?06；

2016?05?19

國家科技支撐計劃項目(2013BAF07B04)(Project(2013BAF07B04) supported by the National Science & Technology Pillar Program)

秦四成，教授，博士生導師，從事工程車輛節能技術研究；E-mail：qsc925@hotmail.com