液力減速器啟動過程的瞬態壓力脈動分析

劉厚林，張立新，董 亮，劉嘉偉

液力減速器啟動過程的瞬態壓力脈動分析

劉厚林，張立新，董 亮※，劉嘉偉

（江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013）

為研究葉片傾角、充液率對液力減速器啟動過程瞬態壓力脈動的影響，該文基于INV3020數據采集系統組成的瞬態壓力脈動測試系統，對60°、75°、90°共3種葉片傾角和60%、70%、80%、90%、100%共5種充液率工況下的壓力脈動信號進行采集。結果表明：不同葉片傾角的液力減速器在啟動過程壓力脈動峰值所對應的頻率均出現在200 Hz以下，壓力脈動主要集中于葉頻處且隨著葉片傾角的增加呈現增大的趨勢。不同充液率液力減速器在啟動過程壓力脈動主要集中于葉頻處，在60%～90%充液率工況下，壓力脈動幅值隨著充液率上升而減小，在90%～100%充液率工況下，隨著充液率上升而快速增大。因此，減小葉片傾角和維持充液率在70%～90%下能有效減小壓力脈動。研究結果揭示了不同葉片傾角，不同充液率對液力減速器啟動瞬態壓力脈動的影響規律，可為低振動，低噪聲液力減速器的優化設計提供理論依據。

壓力；模型；液力減速器；充液率；葉片傾角；瞬態

0 引 言

液力減速器也稱液力緩速器，是車輛傳動系統中一種高效輔助制動裝置[1-3]。目前，車輛正向高速、重載方向發展，但車輛制動仍主要依靠傳統摩擦制動器來實現，車輛在制動過程中會出現制動器制動效能熱衰退現象，導致車輛安全性和舒適性下降[4-7]。相比傳統車輛制動系統，裝有液力減速器的車輛能有效改善制動和傳動品質，在長坡道下行時，能夠連續提供控制車輛下行速度的阻力，保證行車安全；在平路制動時，能夠平穩、無磨損地提供車輛所需約90%的制動力，且在整個制動過程中，速度均勻變化，避免出現沖擊現象[8-9]。在國外，液力減速器已經廣泛應用于軍用車輛，重型工程汽車和大型公共汽車上；在國內，雖然一些廠家也開始研制相應的產品，但是品種比較單一，還未能廣泛應用。因此，提升自主研制液力減速器的能力，對中國車輛行車安全、經濟發展具有重大意義。

液力減速器內部流動復雜，在啟動工況時泵輪、渦輪較大的轉速差會引起明顯的非定常流動現象，由于液力減速器的內部流動決定外部性能，所以內部的壓力脈動是影響機組運行穩定性的關鍵因素[10-11]。目前，國外學者在液力變矩器的概述理論、流場特性和穩態試驗測量方面已經做了大量的研究[12-15]。國內對液力變矩器的研究主要集中在穩態特性試驗和理論分析[16-18]；國外對液力變矩器流場計算方法的研究逐漸由穩態發展到瞬態。以穩態特性工作理論解釋液力元件在實際動態下的工況變化，在以傳動為主的液力元件應用領域是合適的，但在以快速性、準確性等瞬態指標為目標的控制系統中應用液力元件，則必須考慮它們的動態特性[19]。實際工作過程中，液力減速器經常處于速度突變的瞬態變化過程，所以液力減速器內部流體的非線性瞬態特性不能忽略[20-22]。

Song等[23]采用全流道瞬態數值計算方法對液力減速器瞬態流場進行分析與計算，開發了液力減速器流場分析、性能計算與優化設計相結合的液力減速器設計優化系統。劉春寶[24]等在液力變矩器瞬態流場特性分析的基礎上進行了液力變矩器三維瞬態流場計算，建立了旋轉坐標系下的控制方程，采用數值模擬的方法對液力變矩器瞬態控制方程進行計算，并將計算結果與試驗結果對比，二者誤差較小，說明瞬態流場計算方法可用于指導液力變矩器的設計和性能優化。

液力減速器內部壓力脈動是引起其振動噪聲的重要因素之一，目前還沒有液力減速器在不同葉片傾角、不同充液率下啟動過程瞬態壓力脈動的研究。本文以液力減速器為試驗對象，采集不同葉片傾角在不同充液率下啟動過程的瞬態壓力脈動信號，分析軸頻和葉頻處的壓力脈動幅值，研究葉片傾角和充液率對瞬態壓力脈動的影響，以期為低振動低噪聲液力減速器的結構優化設計提供理論依據。

1 試驗對象與測量系統

1.1 試驗對象

本文以液力減速器為試驗對象，其水力結構主要包括泵輪、渦輪、殼體和后蓋板，液力減速器結構如圖1所示。

1.泵輪 2.渦輪 3.殼體 4.后蓋板 5.機械密封 6.傳動軸 7.軸承箱 8.軸承 9.地腳螺栓

泵輪與渦輪葉片傾角相同，傾角分別為60°、75°和90°，循環圓內徑為50 mm，外徑為150 mm，葉片高度均為20 mm，泵輪葉片數為11片、渦輪葉片數為12片。泵輪、渦輪幾何參數如表1所示。

表1 泵輪、渦輪幾何參數

1.2 試驗方案

以60°、75°、90°葉片傾角的液力減速器為試驗對象，調節腔體內充液量，對60%、70%、80%、90%、100%充液量，700、800、900、1 000 r/min時的液力減速器進行壓力脈動信號采集。

1.3 試驗測量系統

試驗裝置主要有變頻器、驅動電機、液力減速器、高頻動態壓力傳感器、轉矩轉速采集儀和增壓泵等。變頻器型號為三星F700變頻器，可實現對驅動電機變頻調速。驅動電機為皖南生產的三相異步電動機，型號為Y2-90L-4，技術參數如表2所示，試驗系統示意圖如圖2所示。

表2 電機參數

1.變頻器 2.INV3020C數據采集系統 3.轉速轉矩采集儀 4.電機 5.轉速轉矩傳感器 6.出口球閥 7.壓力脈動傳感器 8.進口球閥 9.液力減速器 10.排液球閥 11.增壓泵 12.水池

測試前，打開液力減速器進口球閥和出口球閥，啟動增壓泵將液力減速器腔體充滿水，關閉增壓泵，關閉液力減速器進口球閥和出口球閥，通過調節排液球閥開度來控制液力減速器腔體不同充液率[25]。

充液率（%）的計算公式為

式中V為充液容積，mm3；V為滿充液時的充液容積，mm3。

充液率的標定如圖3所示。

注：α為充液角，(°)。

充液容積V的計算公式為

滿充液時的充液容積V的計算公式為

本文對不同工況下液力減速器啟動過程瞬態壓力脈動信號進行采集和數據處理。試驗采用HM90高頻動態壓力傳感器采集壓力脈動信號，每次測量之前對壓力傳感器均進行校準。HM90高頻動態壓力傳感器技術指標如表3所示，壓力脈動測點布置位置如圖4所示。

表3 HM90高頻動態壓力脈動傳感器參數

圖4 高頻動態壓力變送器安裝位置

采樣頻率過高會導致特征信號混疊，采樣頻率過低則會導致特征信號無法被捕捉，無法保證采集信號對原始信號的真實還原。為反映真實瞬態壓力脈動信號，根據奈奎斯特理論，將采樣頻率設為高于原始信號最高頻率的2倍[26]。本文選取采樣頻率為6 400 Hz，采樣時間為30 s。

2 試驗結果與分析

2.1 液力減速器瞬態壓力脈動模型

壓力脈動是由于葉片和導葉之間相互作用引起的周期性水流脈動。液力減速器內部壓力脈動產生原因是：轉動的泵輪葉片與靜止的渦輪葉片之間產生動靜干涉作用，泵輪葉片出口的旋轉壓力場、速度場與下游的靜止的渦輪葉片發生干涉，從而導致壓力脈動[27-28]。下面從液力減速器壓力脈動的產生機理進行研究。

假定液力減速器內部流體絕熱、不可壓縮，內部能量轉換主要有2種形式，泵輪將自身的動能轉換為流體的動能，流體將獲得的動能全部轉換為內能，因此可以用連續性方程和動量方程作為控制方程。旋轉坐標系下的控制方程如下[29]：

1）連續性方程

2）動量方程

假定泵輪內部為定常流動，同時忽略泵輪內部的質量力，方程可以簡化為

將式（7）轉化為圓柱坐標系下表示為

泵輪周圍流場表示為

2.2 壓力脈動信號分析

2.2.1 不同葉片傾角對壓力脈動的影響

對試驗數據的壓力脈動時域進行時頻變換，本文采樣頻率為6 400 Hz，樣本點32 768個，采用漢寧窗進行數據處理[30]。選取充液率70%下的各傾角葉輪時域信號內連續數點做漢寧窗的快速傅里葉變換，圖5為不同角度葉輪在70%充液率下啟動至轉速分別達到800、900、1 000 r/min的瞬態過程壓力脈動頻域圖，試驗結果如圖5所示。本文下面所說軸頻、葉頻、干涉頻率都是針對于目標轉速而言。

圖5 不同葉片傾角在70%充液率下的壓力脈動頻域圖

從圖5可以看出，各角度葉輪的壓力脈動峰值所對應的頻率均出現在200 Hz以下，啟動過程壓力脈動峰值點出現在葉頻處，這是由于液力減速器啟動瞬間轉速的快速增加導致了干涉頻率。90°葉輪的壓力脈動峰值最大，且壓力脈動主要集中于軸頻、干涉頻率及其倍頻處。75°葉輪和60°葉輪與90°葉輪有相似的規律，在干涉頻率處壓力脈動幅值最大，且干涉頻率處壓力脈動幅值隨著葉頻倍數的增加呈現下降趨勢。壓力脈動由泵輪與渦輪干涉產生，且表現為干涉頻率倍頻脈動。為進一步分析不同傾角葉輪對壓力脈動的影響，取軸頻、干涉頻率及其倍頻處的壓力脈動幅值，得到了不同傾角葉輪在70%充液率情況下啟動到不同轉速情況下軸頻、干涉頻率壓力脈動幅值如表4所示。

從表4中可以看出，在軸頻處，壓力脈動幅值表現為隨著葉輪角度的增大先減小后增加的變化趨勢。瞬態過程中壓力脈動主要集中于葉頻處，在充液率70%情況下，較低轉速即700、800 r/min時，壓力脈動幅值隨著葉輪角度增大而上升；較高轉速時，壓力脈動幅值隨著葉輪角度增大先減小后大幅度上升。在90°葉輪達到峰值1 670 Pa。在葉頻倍頻處，葉片傾角的增加也引起壓力脈動幅值的增大。因此，減小葉片傾角角度能有效的降低壓力脈動幅值，從而降低動靜葉片干涉產生的射流尾跡影響。

表4 70%充液率下不同葉片傾角的壓力脈動幅值

2.2.2 不同充液率對壓力脈動的影響

截取75°葉輪下的各充液率在不同轉速時域信號內連續數點做漢寧窗的快速傅里葉變換，分析頻域0～1 000 Hz內主要頻率成分及其幅值大小，如圖6所示。

圖6 啟動至不同轉速的壓力脈動頻域圖

從圖6可以得出，瞬態過程下，壓力脈動主要集中在0～400 Hz。隨著充液率的增加，壓力脈動幅值先減小后增大，在100%充液率時液體所具有的動能達到最大，此時葉頻處壓力脈動為最高值。壓力脈動峰值存在于軸頻、葉頻及葉頻倍頻處。不同充液率下的軸頻、葉頻及葉頻倍頻處壓力脈動見圖7。

由圖7中可以看出，在軸頻處，隨著充液率增大，壓力脈動幅值總體呈現上升趨勢，在60%～80%充液量時，壓力脈動幅值隨轉速變化不明顯；在90%～100%充液率時，隨著泵輪轉速的增加，壓力脈動幅值明顯增大；相同充液量下，壓力脈動幅值隨轉速增大而增加。壓力脈動最大值在葉輪葉頻處，且隨著充液率增加壓力脈動先降低后增加；隨著轉速的增加，各充液率下壓力脈動幅值變化幅度越大，所以適當降低轉速可以減小壓力脈動變化幅度，增加液力減速器使用壽命。在葉輪倍頻處，壓力脈動幅值在60%～90%充液率時下降，在90%～100%充液率時大幅度上升且達到最大值。因此，在75°葉輪時，使充液率保持70%～90%能有效減小壓力脈動。

圖7 不同充液率壓力脈動幅值折線圖

3 結 論

1）在瞬態啟動過程時，液力減速器運行時的壓力脈動峰值出現在一倍葉頻處。

2）對于相同充液率下不同葉片傾角的葉輪，傾角在60°～75°時，啟動過程壓力脈動峰值隨著轉速的增加呈現減小的趨勢；傾角在75°～90°時，啟動過程壓力脈動峰值隨著轉速的增加呈現先減小后快速增大的趨勢。在實際工程應用中，保持葉片傾角在60°～75°時可以有效降低瞬態壓力脈動。

3）75°葉輪在60%及100%充液率啟動過程有較大的壓力脈動，在70%～90%充液率下壓力脈動較小，且壓力脈動幅值隨轉速增大變化不大。在實際工程應用中，保持充液率在70%～90%時可以有效降低瞬態壓力脈動，實現液力減速器平穩啟動。

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Analysis of transient pressure pulsation during hydraulic retarder starting process

Liu Houlin, Zhang Lixin, Dong Liang※, Liu Jiawei

(,,212013,)

Hydraulic retarder is a highly efficient auxiliary brake device in vehicle transmission system. Compared with traditional vehicle braking systems, it can improve braking and transmission thereby improving safety in driving. Being able to independently design and manufacture hydraulic retarders is therefore essential to safeguarding development of vehicle industry for a country. The internal pressure pulsation in the hydraulic retarder is one of important factors that could cause vibrations and noise in a vehicle, while there is limited study on how the transient pressure pulsation changes responsively to the impeller angle and liquid filling rate in the transmission system. The purpose of this paper is to bridge this gap by presenting the results of an experiment study on the impact of the impeller angle and charging rate on transient pressure pulsation in a hydraulic retarder during its starting process. We compared three blade inclination angles: 60°, 75° and 90°, and five liquid filling rate: 60%, 70%, 80%, 90% and 100%, and conducted the experiments in a transient pressure pulsation test system equipped with an INV3020 data acquisition system. The test system included a frequency converter, a drive motor, a hydraulic retarder, a high frequency dynamic pressure sensor, a torque speed collector and a booster pump. During the test, the motor speed was adjusted by the inverter, and the liquid filling rate was adjusted by the inlet ball valve and the outlet ball valve in the hydraulic reducer as well as the booster pump to control water-filling of the hydraulic reducer cavity. The amplitude of the pressure pulsation at the axial frequency and the leaf frequency was analyzed to elucidate the effect of the impeller angle and the liquid filling rate. The results showed that the peaks of the pressure pulsation in the hydraulic retarder under different blade inclination angles occurred below 200 Hz, and the pressure pulsation mainly occurred at the leaf frequency and increased with the blade inclination. The pressure pulsation under different liquid filling rate mainly occurred at the leaf frequency. The amplitude of the pressure pulsation decreased as the charging rate increased from 60% to 90%, and then increased steadily when the charging rate further increased from 90% to 100%. Reducing the impeller angle and maintaining the charging rate at 70%-90% can therefore effectively reduce the pressure pulsation. The results presented in this paper unravel the impact of the impeller angle and charging rate on transient pressure pulsation in the hydraulic retarder, and have important implications for optimal design of low-vibration and low-noisy hydraulic retarders.

pressure; models; hydraulic retarder; liquid filling rate; blade inclination angles; transient

劉厚林，張立新，董 亮，劉嘉偉. 液力減速器啟動過程的瞬態壓力脈動分析[J]. 農業工程學報，2020，36(1)：67－73.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.008 http://www.tcsae.org

Liu Houlin, Zhang Lixin, Dong Liang, Liu Jiawei. Analysis of transient pressure pulsation during hydraulic retarder starting process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 67－73. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.008 http://www.tcsae.org

2019-09-16

2019-12-19

國家自然科學基金（51879122,51779106）；江蘇省產學研聯合創新資金（BY2016072-01）；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項目（GBZB-017）；鎮江市重點研發計劃（GY2017001，GY2018025）；江蘇大學高級人才科研啟動基金（15JDG052）；江蘇高校優勢學科建設工程（PAPD）

劉厚林，研究員，主要研究方向為現代泵水力設計與優化方法。Email：liuhoulin@ujs.edu.cn

董 亮，副研究員，主要研究方向為旋轉機械設計與優化。Email：dongliang@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.008

TH132.46

A

1002-6819(2020)-01-0067-07