循環工況下變矩器葉片角設計空間的性能優化

李文嘉，王安麟，李曉田，張慶武

(1.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804； 2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073)

循環工況下變矩器葉片角設計空間的性能優化

李文嘉1，王安麟1，李曉田1，張慶武2

(1.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804； 2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073)

為解決整機循環工況與液力變矩器的匹配問題，并建立變矩器設計參數與整機工況的動力學映射關系，本文提出循環工況條件下變矩器葉片角設計空間的性能優化方法。該方法在整機物理實驗條件下，以其變矩器的統計循環工況加權效率為評價目標，利用變矩器一元束流理論及其流固耦合仿真結果構建變矩器性能模型，對變矩器葉片角設計變量進行優化。優化過程中以整機V型和T型典型工況及雙渦輪變矩器為研究對象，在變矩器流固耦合仿真精度得到臺架實驗驗證的前提下，證明優化后變矩器統計循環工況加權效率分別提升2.64%和2.48%。該方法簡易性地建立了整機與變矩器葉片角設計參數間的一體化動力學匹配關系，對同類面向主機的配件定制化設計具有工程化指導價值。

循環工況； 變矩器； 葉片角設計空間； 性能優化； 流固耦合仿真； 加權效率

液力變矩器因其啟動扭矩大、載荷自適應能力強等特點廣泛應用于工程機械。液力變矩器的傳統設計方法僅考慮設計功率等粗糙設計指標和單一工況，不考慮整機循環工況，這導致變矩器與整機循環工況之間無法建立高效的動力學映射關系，制約變矩器實際作業時性能的提升。

為提升液力變矩器性能，學者做了大量研究：BANERJEE等建立變矩器關鍵參數對性能影響的敏感度方程，并優化出一組變矩器能量損失較小的結構參數[1]，KESY等基于一元束流理論分析對變矩器性能產生主要影響作用的若干結構參數，并對其進行優化[2-3]，WU等輔助計算機研究變矩器與發動機的匹配，以提高操作穩定性和舒適性[4]；DI等在車輛減速條件下利用變矩器傳動比等信息控制發動機扭矩[5]；CUI等以動力性和經濟性優化發動機與變矩器的匹配[6]；王安麟等根據裝載機循環工況提出變矩器性能匹配指標，但未對變矩器結構參數進行優化[7]。以上研究或單純優化變矩器葉片結構，或單純考慮變矩器與發動機的匹配，或考慮整機循環工況而未對變矩器進行性能優化，導致整機循環工況與液力變矩器的匹配問題存在較大研究空間。

為建立變矩器設計參數與整機工況的動力學映射關系，本文以5 t裝載機用雙渦輪液力變矩器為研究對象，根據裝載機V型和T型典型工況的物理實驗，統計循環工況條件下變矩器在各速比區間工作的概率，得到變矩器的統計循環工況加權效率計算公式，作為性能評價目標；在通過變矩器臺架實驗驗證其流固耦合仿真精度基礎上，利用流固耦合仿真結果修正變矩器一元束流理論中的經驗系數，構建變矩器性能模型；對變矩器葉片角設計變量進行優化，并以流固耦合仿真驗證性能優化方法的有效率性。

1 變矩器統計循環工況加權效率

工程機械具有作業循環性強、工況惡劣、工作載荷大等共同特點。本文以額定載重量為5 t的裝載機用雙渦輪液力變矩器(以下簡稱為變矩器)為對象，研究整機循環工況與變矩器的匹配問題。

1.1裝載機循環工況實驗

為保證變矩器速比區間分布的典型性，并驗證“循環工況條件下變矩器葉片角設計空間的性能優化方法”的有效性，以裝載機廣泛應用的典型V型六段工況及T型六段工況作為實驗循環工況。兩種工況均包括了裝載機實際作業的常用工況[8]，由“空載前進接近物料”、“鏟掘”、“滿載倒退”、“滿載前進”、“卸料”和“空載倒退”六個作業段組成，形成一個作業循環，是應用廣泛的作業方式。具體實驗方案如圖1所示，在“空載前進接近物料”作業段，裝載機在圖示位置空載啟動，鏟斗浮動放平駛近料堆1～1.5 m處時下降動臂使鏟斗接地，水平切入料堆；在“鏟掘”作業段，鏟斗以3°～7°的切削角插入料堆少許，加大發動機油門使鏟斗全力切入料堆的同時，逐漸后傾并提升鏟斗直至裝滿物料；在“滿載倒退”作業段，鏟斗裝滿物料，提升鏟斗至運輸高度(鏟斗離地30～40 cm的高度)，倒退至圖示位置；在“滿載前進”作業段，裝載機滿載駛向運輸車輛；在“卸料”作業段，將鏟斗舉升至卸載高度，轉動鏟斗將其內物料傾卸；在“空載倒退”作業段，裝載機空載倒檔行駛離開運輸車輛，回到原始位置，同時鏟斗從高位放回低位，完成一個作業循環[9]。

圖1 裝載機實驗方案Fig.1 Experiment project of loader

實驗條件：晴天，環境溫度20 ℃，大氣壓為1.015 bar，大氣相對濕度68%；作業對象為二類土(普通土)；實驗區間每段路況基本一致，實驗車速穩定，循環實驗時車轍保持一致；為消除實驗駕駛員人為操作對測試結果的影響，采取由2名駕駛員各進行半數實驗的方法。

這里需要指出：對于不同作業對象及工況，得到的變矩器統計循環工況加權效率會存在一定差異，變矩器的優化結果也會不同，由于無法針對所有作業對象及工況進行實驗，因此僅以二類土為作業對象、選取V型和T型典型工況進行研究，以驗證本文研究方法的有效性。

1.2變矩器的統計循環工況加權效率

對實驗數據進行處理，分別得到兩種工況下變矩器的速比[7]，將變矩器的速比范圍0～1分為10段，間隔0.1，統計得到循環工況條件下，變矩器在各速比區間的工作概率，如圖2所示。

圖2 變矩器在各速比區間的工作概率Fig.2 Working probability in each speed ratio interval

圖2中某一速比區間對應的工作概率大，則表明變矩器更經常工作在此區間，變矩器在此區間的效率表現對變矩器實際工作時的效率影響更顯著。從圖2可以看出：V型工況下，變矩器更經常工作在傳動比0.1～0.4，T型工況下，變矩器更經常工作在0.6～0.9。為定量化表征變矩器實際工作時的效率，以變矩器各速比區間對應的工作概率為權重，提出變矩器的統計循環工況加權效率(以下簡稱加權效率)，其計算公式為

(1)

(2)

式中：η(k-1)/10+(m-1)/100表示速比為(k-1)/10+(m-1)/100時，變矩器的效率。將式(2)代入式(1)，則可以得到變矩器加權效率公式：

(3)

變矩器加權效率基于整機循環工況得到，可以反映變矩器實際工作時的效率，因此將其作為變矩器評價目標。

2 葉片角設計空間的變矩器性能模型

2.1設計變量及建模方法

現有研究證明，變矩器葉片角對于變矩器性能的影響顯著[1]，因此選擇變矩器葉片角作為變矩器設計變量。為保證性能模型的精度，每個設計變量取值范圍是以現有變矩器產品葉片角為中心的±10°[10]。現有變矩器產品的葉片角及葉片角設計變量的取值范圍如表1所示。

表1現有變矩器葉片角及設計變量的取值范圍

Table1Bladeangleofcurrenttorqueconverterandvaluerangeofdesignvariables(°)

為便于對設計變量進行優化，性能模型需具有較快的計算速度，因此選用一元束流理論作為性能模型的建模理論。一元束流理論中的部分系數與變矩器型號和工況相關，如出口液流偏離和沖擊損失系數。文獻[11]以單渦輪液力變矩器為研究對象，根據流固耦合仿真結果求解了出口液流偏離和沖擊損失系數，得到的模型對變矩器性能預測精度較高。本文采用相同的研究方法，即建立多組葉片角設計空間范圍內的三維模型，分別對其進行流固耦合仿真，根據仿真結果求解變矩器的出口液流偏離和沖擊損失系數。

2.2流固耦合仿真精度

流固耦合仿真技術可以方便地獲得變矩器內部流場的信息，為本文研究出口偏離角和沖擊損失系數提供了可能。流固耦合仿真對于變矩器的計算精度已經得到了學術界的證實[11-12]，本文也進行了臺架實驗，并與其三維模型的流固耦合仿真進行了對比，如圖3所示，轉矩比、效率、泵輪能容的平均相對誤差分別為0.86%、0.47%和1.02%，由此可知流固耦合仿真的誤差較小。

2.3出口液流偏離

由于葉片的彎曲和葉輪的旋轉，液體在葉輪流道內流動時并未完全貼合葉片，即出口液流與葉片之間存在一定偏離[12]。根據對于最高工況下的液流出口偏離，文獻[12]給出了幾種不同的經驗公式，然而這些公式在其他效率下的計算精度較低。文獻[11]假設葉片角變化不大的條件下，液流絕對速度的圓周分速度偏差僅與傳動比相關，取得不錯效果，因此本文采用相同假設。

圖3 臺架實驗與流固耦合仿真對比Fig. 3 Bench experiment and fluid-solid coupling simulation

根據流固耦合仿真結果及上述假設，可以得到4個葉輪液流絕對速度的圓周分速度偏差，如圖4。

圖4 液流絕對速度的圓周分速度偏差Fig.4 Peripheral velocity deviation of absolute velocity of flow

2.4沖擊損失系數

一元束流理論利用沖擊損失系數表征變矩器內部液體的能量損失。由于變矩器內部流場的復雜性，變矩器不同葉輪的沖擊損失系數不同，同一葉輪的沖擊損失系數在不同工況下也可能不同。現有的假設認為各葉輪的沖擊損失系數由葉輪沖擊工作面或非工作面決定，基于此假設的研究取得了不錯的效果[11]。本文依照此假設，根據流固耦合仿真結果計算變矩器各葉輪的沖擊角度及能量損失等相關物理量，根據沖擊角度確定沖擊工作面或非工作面，根據葉輪能量損失等物理量確定沖擊損失系數。研究發現，由于泵輪轉速較高且導輪靜止，因此泵輪非工作面沒有受到沖擊。各葉輪的沖擊損失系數如表2。

2.5性能模型精度的驗證

確定出口偏離和沖擊損失系數則可以完成性能模型的搭建。為驗證性能模型的精度，在葉片角設計變量的取值范圍內隨機選取一組葉片角組合，根據此葉片角組合建模，并進行流固耦合仿真，與性能模型的預測進行對比，如圖5所示。性能模型的平均偏差為1.5%。

表2 各葉輪的沖擊損失系數

圖5 性能模型與流固耦合仿真的效率對比Fig.5 Efficiency comparison of performance model and fluid-solid coupling simulation

3 循環工況條件下變矩器性能優化及驗證

3.1變矩器性能優化結果

根據第2節建立的性能優化模型，在葉片角設計空間的范圍內，以第1節推導的加權效率為優化目標，分別針對兩種不同工況，對變矩器葉片角設計變量進行優化。優化結果如表3所示。

表3循環工況條件下變矩器葉片角優化結果

Table3Torqueconverterperformanceoptimizationresultsundertheconditionofdrivingcycle(°)

3.2性能優化結果的驗證

根據表3所示的各葉輪葉片角可以建立變矩器三維模型，并進行流固耦合仿真。流固耦合仿真精度在2.2節進行了驗證。兩個優化模型與原始模型的流固耦合仿真的效率對比如圖6所示。對于V型工況，V型工況優化模型、T型工況優化模型以及原始模型的加權效率分別為77.49%、77.23%和74.85%，V型工況優化模型的加權效率最高，且相對于原始模型提升2.64%；對于T型工況，三者的加權效率分別為78.24%、78.30%和75.82%，T型工況優化模型的加權效率最高，且相對于原始模型提升2.48%。

圖6 優化模型與原始模型的效率對比Fig.6 Efficiency of optimization and original model

4 結論

1)根據流固耦合仿真分析，兩個優化模型均在各自工況表現更高的加權效率；與原始模型相比，加權效率分別提升2.64%和2.48%。

2)該方法簡易地建立了整機與變矩器葉片角設計參數間的一體化動力學匹配關系，對同類面向主機的配件定制化設計有工程化指導價值。

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本文引用格式：

李文嘉，王安麟，李曉田，等. 循環工況下變矩器葉片角設計空間的性能優化[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(11): 1781-1785.

LI Wenjia, WANG Anlin, LI Xiaotian, et al. Performance optimization of the design space of torque converter′s blade angle under the condition of driving cycle[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1781-1785.

Performanceoptimizationofthedesignspaceoftorqueconverter′sbladeangleundertheconditionofdrivingcycle

LI Wenjia1, WANG Anlin1, LI Xiaotian1, ZHANG Qingwu2

(1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.Shantui Construction Machinery Co., Ltd., Ji′ning 272073, China)

To solve the matching problem between driving cycle and torque converter and to build the dynamics mapping relationship between the design parameters of torque converter and working condition, a performance optimization method for the design space of a torque converter′s blade angle under the condition of driving cycle was proposed. In a physical experiment, the statistics driving cycle weighted efficiency of the torque converter was taken as the evaluation objective. A performance model was built by using one-dimensional flow theory and the fluid-solid coupling simulation result of the torque converter. The blade angle design variables of the torque converter were optimized. Typical working conditions of V and T, and the torque converter with double turbines were the research object during the optimization. The statistics driving cycle weighted efficiency improved by 2.64% and 2.48%, respectively, as verified by the precision of the fluid-solid coupling simulation through a bench experiment on the torque converter. An integration dynamics mapping relationship between the whole machine and the blade angle design variables was established in a simple manner. The method has good engineering guidance value for the customized design of a machine with congeneric fittings.

driving cycle; torque converter; blade angle design space; performance optimization; fluid-solid coupling simulation; weighing efficiency

10.11990/jheu.201606058

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1511.096.html

TH137.332

A

1006-7043(2017)11-1781-05

2016-06-20.

網絡出版日期：2017-04-27.

2012年重大科技成果轉化項目(〔2012〕258號).

李文嘉(1989-), 男, 博士研究生；

王安麟(1954-), 男, 教授, 博士生導師.

李文嘉，E-mail:pigeon_lwj_1989@126.com.