農用運輸車用液力緩速器的設計與仿真分析

賴建生，李長友，馬興灶，方壯東

(1.華南農業大學 工程學院，廣州 510642；2.廣東科學技術職業學院，廣東 珠海 519090)

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農用運輸車用液力緩速器的設計與仿真分析

賴建生1,2，李長友1，馬興灶1，方壯東1

(1.華南農業大學 工程學院，廣州 510642；2.廣東科學技術職業學院，廣東 珠海 519090)

為解決農用運輸車長時間制動造成的熱衰退問題，參考THB40液力緩速器，基于相似理論設計了一款液力緩速器。計算確定了其設計制動力矩值和定轉子葉輪參數，運用Pro/E構建了其三維結構，并在CFX14.5平臺上以SST-kω湍流模型進行仿真計算。結果表明：制動力矩符合設計要求，流場的特征與THB40流場特征高度一致，為設計適合農用車用液力緩速器提供了借鑒。

農用運輸車；液力緩速器；相似理論；制動力矩；仿真計算

0 引言

農用運輸車也稱低速載貨汽車(GB7258-2004)，是以柴油機為動力，最高設計車速小于等于70km/h、最大設計總質量小于等于4 500kg、長小于等于6m、寬小于等于2m、高小于等于2.5m、具有4個車輪的貨車，是目前農村主要的貨物運輸工具之一。據2014年全國國民經濟和社會發展統計公報，三輪汽車和低速貨車保有量為972萬輛，其中52%左右為低速貨車。由于我國農村道路多以丘陵山地坡陡彎多的地形為主，大多路況較差，而車輛又常超載，因此農用車必須具備足夠的持續制動能力，以確保行車時的制動安全。如果僅使用主制動器持續制動， 主制動器熱衰退嚴重， 影響行車安全[1]。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%[2]，給國家、集體和家庭都帶來了巨大的損失，如2006年4月29貴州黔西南州興義市農用車側翻致13死12傷的特大交通事故[3]。因此，研究農用運輸車的制動裝置尤其是非接觸式的輔助制動裝置具有重要的現實意義。

目前，對農用運輸車制動的研究主要集中在接觸式主制動系統故障檢測與維修[4-8]、性能分析[9-11]、優化設計與仿真計等方面[12-14]；而對農用運輸車輔助制動系統的研究鮮有報道，僅有將傳統的氣壓式或液壓式的制動系統改裝為電磁式制動系統的研究[15]。為此，本文以THB40液力緩速器為原型機，以總質量4t、額定載貨量2t的農用運輸車為對象，基于相似理論設計一款農用運輸車用液力緩速器，計算后確定其設計制動力矩值和定轉子葉輪參數，并對其行仿真計算，確定其制動力矩與流場特征，為農用運輸車用液力緩速器的研究提供借鑒。

1 設計原理與計算

1.1 研究對象

農用運輸車的速度最高為70km/h,因車的形式多種，大多數裝配的發動機都是小于60kW的。本文以裝配60kW的某款農用運輸車為應用研究對象，其參數如表 1所示。

表1 某農用運輸車參數

車輛下行在坡度為i(坡角為θ)的道路上，車質量為m(kg)，考慮到液力緩速器制動過程中發動機無驅動力輸出，忽略發動機泵氣損失，推導液力緩速器對車輛的制動減速度為[16]

(1)

其中，T為緩速器制動力矩；λ為后橋主減速比；r為輪胎半徑；CD為風阻系數；A為迎風面積(m2)；u為行駛速度為(m/s)；f為滾動阻力系數。 當恒速下坡時，α 為0，此時液力緩速器的制動力矩T為

(2)

農村道路多為一般四級公路，坡度平原微丘區為5%，山嶺重丘區為9%。以坡度9%、車速20km/h恒速下坡為例，將表 1的相關參數帶入求得T為139.31N·m，此時車輪轉速約為373r/min。

根據計算結果，對比了目前的輔助制動裝置后，選用制動扭矩大、熱衰退小、制動性能穩定、體積相對較小的液力緩速器。由于THB40液力緩速器是筆者研究團隊與深圳市特爾佳科技股份有限公司合作研發的重載車用并聯后置式(安裝在變速器后端)液力緩速器，額定制動力矩4 000N·m，總體設計尺寸為610mm×343mm×578mm, 是已經過測試的合格樣機，因此作為研究的原型機,如圖 1所示，具體參數如表 2所示。

1.控制閥 2.溫度傳感器 3.換熱器 4.進水口 5.油尺 6.本體部分 7.進氣口圖1 THB40液力緩速器樣機Fig.1 The Prototype of THB40 Hydraulic Retarder表2 THB40技術參數Table 2 The Technical Parameters of THB40

參數名稱單位參數值額定制動力矩N·m4000

續表2

1.2 設計原理

液力緩速器是液力元件，當兩液力緩速器幾何相似、運動相似和動力相似時可用相似理論，基于原型機研究樣機的特性[17]。幾何相似是指兩液力緩速器的循環圓形狀和流道相似，且相應的循環圓形狀、循環圓直徑、葉片出入口半徑等尺寸成比例，相對應的定轉子葉輪的傾角角度相等；運動相似是指兩液力緩速器中的介質流動狀態相似，相應點的速度方向相同大小成比例，即各相應點上介質質點的速度三角形相似；動力相似是指兩液力緩速器葉輪內介質流各相應點上作用同樣性質的力，作用力的大小成比例且方向相同。

1.3 設計計算

根據第四相似定律：對于幾何相似的液力元件，在等傾角工況下，其制動力矩與幾何尺寸和轉速之間的關系為[18]。

Te=λmρgn2D5

(3)

其中，Te為制動力矩(N·m)；λm為制動力矩系數；ρ為介質密度(kg/m3)；g為重力加速度，取g=9.8N/m2；n為轉子葉輪轉速(r/min)；D為循環圓有效直徑(m)。液力緩速器油液介質都選用殼牌SM 5W-40潤滑油，15℃時的密度為851kg/m3。

設THB40液力緩速器的循環圓有效直徑為Dd1=0.062m、循環圓大徑為Db1=0.242m、循環圓內徑為Di1=0.18m，循環圓外徑為De1=0.304m，農用運輸車用液力緩速器的循環圓有效直徑為Dd2、循環圓大徑為Db2、循環圓內徑為Di2、循環圓外徑為De2。THB40液力緩速器在500r/min、滿充液(近似)和介質溫度95℃工況時的制動力矩為2170.0N·m[19]。假定油液介質密度不隨溫度變化，取851kg/m3，將相關的數據代入式(3)，算出λm=1.1361。根據式(2)計算的農用運輸車用液力緩速器制動力矩139.31N·m及對應的轉速373r/min、油液介質密度(取851kg/m3)及λm值，由式(3)得

(4)

由相似理論可知：農用運輸車用液力緩速器和THB40液力緩速器的循環圓大徑、循環圓內徑和循環圓外徑與循環圓有效直徑都是成比例的，即

(5)

將THB40的相應參數值和式(4)結果代入后求得：Db2=0.141m，Di2=0.105m，De2=0.177m。同樣可以確定農用運輸用液力緩速器的定轉子的葉片數分別為20和25，進出油口數量與傾角與THB40相同，相關參數如表 3所示。

表3 農用運輸車用液力緩速器技術參數

基于THB40液力緩速器定轉子葉輪的三維結構圖和表3，使用Pro/E構建農用車用液力緩速器定轉子葉輪的三維圖，如圖2所示。

圖2 農用運輸車用液力緩速器定轉子三維圖Fig.2 The 3-Dimentional Drawing of Hydraulic Retarder’s

Blades for Farm Transport

考慮到農用運輸車變速器三軸式的結構，為了安裝方便，將花鍵與轉子葉輪設計為一體式結構。

2 仿真計算與分析

2.1 仿真計算

CFD計算基于ANSYS14.5平臺[20]，以定轉子工作腔為研究對象，進行相應的簡化，抽取全流道計算流域，如圖 3所示。同時，設置為液相連續介質模型，用SST-kω雙方程湍流模型[21-23]和Heat Transfer Total Energy熱量傳輸求解模型進行數值求解[24-25]。

圖 3 農用運輸車用液力緩速器全流道仿真計算模型Fig.3 The Whole Passage Computational Model of Hydraulic

Retarder for Farm Transport

充液率設為100%，定轉子交界面設置為流體-流體交界面，耦合方式為GGI。SST-kω雙方程湍流模型的相關參數設置如下[26]：σk1=0.85，σω1=0.5，β1=0.075，γ1=0.553，σk2=1.0，σω2=0.856，β2=0.082 8，γ2=0.440，β*=0.09，κ=0.41，α1=0.31。介質溫度95℃不變，油液介質粘度、定壓比熱容和熱導率查表后分別設為0.013 06Pa·s、1 885J/kg·K、0.127W/m·K，密度按851kg/m3進行設置。液力緩速器特征長度l取其循環圓濕周直徑，即l=0.018m,故湍流的強度尺度L=0.002 126m。由湍粘度計算式(6)可以算出湍粘度μt[27]，則

ω=κ0.5/(Cmu0.25*L)

(6)

其中，μt為湍粘度；κ為湍動能，取κ=0.41；ω為比耗散率；Cmu為湍流模型計算系數，取Cmu=0.09；ρ為油液介質的密度，取ρ=851kg/m3。

將以上的相關參數代入, 從350r/min開始CFD計算，然后每整百轉速(即300+100N，N=1,2,3，…)計算一次，直到1 000r/min。殘差設定當所有變量的殘差值都小于10-3(即監控縱坐標中的1.0e-03)，且增加的求解目標制動轉矩監測值無限趨于某一值時就認為計算收斂。計算完成后，運用CFD-Post提取制動制動轉矩等數據。

2.2 計算結果分析

限于篇幅，選擇600r/min及900r/min兩種工況下的相關壓力場云圖進行分析，如圖 4所示。

圖 4 農用運輸車用液力緩速器定輪流體交換面 壓力場云圖及壓力切分區域圖Fig.4 The Total Pressure Contour and ISO-Clip of

Hydraulic Retarder for Farm Transport

由圖4可以看出：液力緩速器工作過程中，由于轉子葉輪的轉動，在循環圓的中心區域位置形成低于控制氣壓壓力的負壓區域；工作介質在壓縮空氣的作用下通過進油流道壓入定、轉輪工作腔內，并由于負壓形成平衡性循環，直至停止制動控制氣壓降為0bar。這是液力緩速器能持續制動的關鍵因素，也是液力緩速器將進油口布置在負壓區域的原因。因為此種設計降低了循環進油阻力，節省壓縮空氣，這與THB40的內流場分析結果是高度一致的[28]。由圖4(a)可以看出：600r/min時交界面總壓最大值為1.473e+06Pa，出現在流域邊緣的外側，最小值為-3.122e+05Pa，出現在流域靠近出油口位置。由圖4(b)可以看出：900r/min時交界面總壓最大值為4.861e+06Pa，出現在流域邊緣的外側，最小值為-9.980e+05Pa，出現在流域靠近出油口位置。這也說明，在滿充液和介質溫度為95℃工況下緩速器內流場的壓力是隨轉速的升高而增大的，轉速越高，壓力越大，制動力矩也越大。

制動力矩隨轉速的變化曲線如圖 5所示。

圖 5 制動轉矩-轉速關系曲線(100%充液率，介質溫度95℃)Fig. 5 The relation curves between brake torque and filling ratio

with 100% filling ratio and 95℃ medium temperature

將轉速與制動轉矩進行曲線擬合，結果表明：二次多項式函數關系具有非常好的擬合優度，擬合方程和判定系數如圖5所示(P<0.01)。由圖5可以看出：液力緩速器制動轉矩與轉速在滿充液時呈二次多項式函數關系，制動轉矩值隨轉速升高增大，與轉速的平方成正比，這與用相似理論計算的結果是一致的。在375r/min時，制動力矩值為139.79 N·m ，大于農用運輸車以20km/h下9%的坡度時的制動力矩139.31N·m，符合設計要求。

3 結論

1)基于相似理論，以現有成熟的THB40樣機為原型機設計的農用運輸車用液力緩速器的CFD仿真計算表明：內流場壓力云圖與ISO-clip云圖與原型機云圖幾何相似，壓力都是隨轉速升高增大，轉速越高，壓力越大。

2)CFD仿真計算顯示農用運輸車用液力緩速器的制動力矩與轉速呈極顯著二次多項式函數關系，即制動轉矩值與轉速值平方成正比，計算結果與相似理論計算結果一致。

3)基于相似理論，以現有成熟的樣機為原型機研究農用運輸車用液力緩速器是可以嘗試采用的方法。CFD仿真計算表明：其制動力矩值符合農用運輸車恒速制動的力矩要求。

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Design and Simulation Analysis of Hydraulic Retarder for Farm Transporter

Lai Jiansheng1,2, Li Changyou1, Ma Xingzao1, Fang Zhuangdong1

(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Guangdong Institute of Science and Technology, Zhuhai 519085, China )

In order to solve heat fade problems of farm transporter, this paper design a hydraulic retarder for farm transport vehicle by using similarity theory based on THB40 hydraulic retarder. The target value of design braking torque and the parameters of stator and rotor are confirmed after calculated, three-dimensional structure was constructed by using Pro/E, and the model was simulated on the CFX14.5 platform. The results show that the braking torque is in accordance with the design requirements, the characteristics of flow field are both the same as the THB40. The research results provide a reference for the design of hydraulic retarder of agricultural vehicle.

farm transporter; hydraulic retarder; similarity theory; braking torque; simulation calculation

2016-05-13

高等學校博士學科點專項科研基金項目(20114404110021)

賴建生(1981-)，男，廣東河源人，博士研究生，(E-mail)jianshenglai@126.com。

李長友(1958-)，男，陜西蒲城人，教授，博士生導師，博士，(E-mail)lichyx@scau.edu.cn。

S229；U463.53

A

1003-188X(2017)06-0255-05