礦用鏟運車動力換擋變速箱濕式主離合器的優化設計

劉德寧

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

中煤科工集團太原研究院有限公司研制的一款礦用鏟運車主要用于搬運綜采工作面25 t以下的支架、帶式輸送機、移動變電站等，是綜采工作面搬家倒面的主要設備。該車采用前后機架鉸接式、液力機械傳動、4×4前后輪驅動，并采用帶安全型制動器和防滑自鎖差速器的重型驅動橋，具有車速快、承載能力大、檢修方便等特點。

由于礦用鏟運車的工作路況復雜，其濕式主離合器采用油液冷卻摩擦表面的離合器，這種離合器在接合過程中因滑磨而產生的熱量隨時被冷卻油液帶走，使摩擦表面的溫度得到有效控制，并能顯著降低摩擦表面的磨損，故濕式主離合器工作性能穩定，長期使用后，壓緊力和摩擦因數均變化不大[1]。本文以某礦用鏟運車動力換擋變速箱為載體，對動力換擋變速箱濕式主離合器進行了分析，并進行仿真優化探討。

1 濕式主離合器結構原理

該礦用鏟運車變速箱的濕式主離合器主要由主動部分、從動部分和操縱部分組成[2-3]。主動部分包括離合器殼體、主動摩擦片、壓盤等；從動部分包括離合器軸、從動摩擦片等；操縱部分由踏板、比例壓力閥、液壓缸(活塞)組成。濕式主摩擦離合器結構如圖1所示。

離合器接合時，主動軸通過花鍵聯接帶動離合器殼體，離合器殼體同樣通過花鍵聯接帶動主動摩擦片轉動，液壓油推動活塞移動，使其逐漸壓緊從動摩擦片，在末端墊片和活塞的壓緊作用下，摩擦片之間達到一定的摩擦作用力，主動摩擦片帶動從動摩擦片、離合器軸一起轉動。離合器分離時，踩下離合器踏板，液壓油卸去，離合器在回位彈簧的作用下使主動摩擦片和從動摩擦片分離[4]。

2 整機傳動系的參數

鏟運機搬運車動力換擋變速箱整車參數如表1所示。傳動系參數如表2所示。

表1 整車參數

3 換擋過程離合器壓力最優控制

由于鏟運機搬運車輛功率較大，工作環境惡劣，

表2 動力換擋變速箱傳動比

又經常換擋，主離合器頻繁地接合與滑磨使摩擦片很容易磨損，滑磨產生的熱量使摩擦片溫度升高，加劇了摩擦片的磨損，降低了主離合器的使用壽命。為了延長其使用壽命，有必要對主離合器進行優化。

主離合器的優化主要是針對摩擦片進行優化。主離合器摩擦片的主要參數為：離合器的儲備系數β，摩擦片外徑D1，內徑d1，摩擦面所承受的單位壓緊力p0，摩擦片數Z，摩擦面摩擦因數f，摩擦片厚度h，摩擦片間的間隙大小。本文在原有主離合器尺寸結構不變的基礎上，選取不影響現有主離合器結構的參數p0和f進行優化[5-6]。

4 主離合器接合過程的仿真分析

濕式主離合器接合過程仿真數學模型的求解實質上是求解一個微分方程組，采用全區間積分的定步長四階Runge-Kutta法求解微分方程，用這種方法求解，可以得到任意時刻發動機的角速度和離合器從動軸角速度、主動部分與從動部分的轉速相等。這樣主離合器接合的每一時刻都可以得到相應參數的數值解。利用Matlab圖形仿真模塊Simulink建立鏟運機起步時離合器接合過程的仿真模型[7-8]，如圖2所示。設置仿真類型為定步長四階Runge-Kutta(ODE4)，定步長Δt=0.002 5 s。

該鏟運機使用的動力換擋變速箱濕式主離合器的從動片和摩擦片分別為鋼和紙基粉末冶金材料，摩擦因數在0.1～0.12范圍內選取(此處取0.11)，

圖2 起步時離合器接合過程Simulink仿真模型圖

分別在不通油壓下離合器接合過程的仿真，這樣可以得到不同油壓對于離合器接合過程的影響情況，見圖3。在圖3中，油壓在1.2 MPa、1.4 MPa和1.5 MPa下離合器接合完成時間分別為1.61 s、1.35 s和1.23 s，其油壓越大，說明主離合器接合越快。

圖3 不同油壓下離合器接合過程圖

圖4和圖5分別為3種不同油壓下離合器接合過程中的滑磨功率和滑磨功變化情況。當油壓在1.2 MPa時，其滑磨功率最小，但其產生的滑磨功最大；當1.5 MPa時，情況正好與之相反。由于油壓小，需要滑磨的時間越長，盡管滑磨功率小，但整個滑磨功并沒有減少。但這也并非意味著主離合器接合過程油壓越大越好，因為油壓越大，接合時間越短，這樣接合過程會產生很大的沖擊，故在選擇油壓時，要綜合考慮滑磨功和沖擊度的影響，這對選擇合適的油壓對離合器有很重要的意義。

圖4 不同油壓下離合器的滑磨功率圖

圖5 不同油壓下離合器產生的滑磨功

將車輛手動變速箱設在固定擋位(I擋)，在實際固定油壓(1.5 MPa)的情況下，對動力換擋變速箱分別在1、2、3、4擋時進行離合器起步接合過程的仿真。圖6為動力換擋變速箱在1、2、3、4時的主離合器接合過程，4擋的接合時間分別為1.26 s、1.28 s、1.315 s和1.38 s。這說明傳動比越大(即擋位越低)，接合時間越少，主要原因是低擋從發動機傳遞過來的轉矩大、速度小，離合器主動端速度下降快，與從動端速度很快趨于一致，這也符合常規的車輛起步情況，一般采用低擋起步。

圖6 不同油壓下離合器接合過程圖

圖7和圖8分別為各個擋位離合器接合過程的滑磨功率和滑磨功的變化情況，整個過程中4擋的滑磨功率和產生的滑磨功都最大，1擋最小，這也說明了高擋位不利于離合器起步接合過程。高擋時，接合時間長，滑磨功較大，滑磨功率也較大，主要原因是高擋時離合器主、從動端的速度差較大，即使高擋轉矩較小，但相對來說還是速度差對離合器滑磨功率的影響更大。

圖7 各擋位時離合器的滑磨功率圖

圖8 各擋位時離合器的滑磨功率圖

5 結論

根據車輛傳動系統的動力學利用MATLAB/Simulink建立濕式主離合器起步接合過程仿真計算模型，分別對濕式主離合器不同油壓、不同擋位下的離合器接合過程、滑磨功率、滑磨功進行仿真對比分析。

分析結果顯示：

1) 油壓越大，接合時間越短，盡管滑磨功率較大，但整個過程中產生的滑磨功較小。

2) 擋位越低，接合時間越短，其過程中產生的滑磨功以及滑磨功率越小，有利于車輛起步。