裝載機發(fā)動機與液力變矩器功率匹配優(yōu)化

1、!""#年$月農(nóng)業(yè)機械學報第%&卷第$期HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH裝載機發(fā)動機與液力變矩器功率匹配優(yōu)化常綠王國強唐新星李春然楊濤摘要)裝載機發(fā)動機與液力變矩器之間的匹配對各自性能的發(fā)揮及整機牽引特性均有重要的影響*在擬合(裝載機發(fā)動機與液力變矩器有關(guān)特性曲線的基礎(chǔ)上+以裝載機的動力性為目標+建立發(fā)動機與液力變矩器匹配的優(yōu)化模型+優(yōu)化裝載機發(fā)動機與液力變矩器的功率匹配+給出了算例并分析了優(yōu)化結(jié)果*關(guān)鍵詞,裝載機發(fā)動機液力變矩器功率匹配優(yōu)化中圖分類號,-/%0-!

2、.!.$文獻標識碼,1G23456578459:9;<9=>?84AB5:C9:D9?EF>A9:H>?4>?=54BI5>J>KL:C5:>9?MB>>KN98O>?PQRSTUV$WRSTXYZRST-RSTSSTUPQYS_RS$!RST-RZ!a$bbb+zb|cdedfgfdhijkdlm!noifmpfqriphmsptodfijmujvwxyvlJ4?8A4!Z"#_$R%&QSTZS%Z_Y#&ZS(#_%#_"%Q)#*#+#STS#,Z_"Q#+ZR)#_QR*$

3、-Z_%RS%b-S,+Y#S&#ZS#R&Q,Y+-+R.ST-#_,Z_$RS&#RS)"Q#+ZR)#_,Y+-+R.ST-#_,Z_$RS&#Q#$Z)#+b0+SYZ,/Z%Q)#*#+#STS#RS)%Z_Y#&ZS(#_%#_,Z_"Q#+ZR)#_*-_#*#S%#)S%Q*$Z)#+$#_&R+R-_Z$R%ZSZ,*Z$#&QR_R&%#_*%&*Z,)#*#+#STS#RS)%Z_Y#&ZS(#_%#_*&R_#)ZY%/.%Q#+Rb1S#$#%QZ)Z,+#R*

4、%*YR_#S)"Q#+ZR)#_-Z"#_&QR_R&%#_*%&R_#%R1#SR*Z/2#&%R$-+#*bT(#SR+*Z+5+-+!+6-3>4=9?OJUZR)#_*#+#STS#Z_Y#&ZS(#_%#_Z"#_$R%&QST%$7R%ZS引言液力變矩器廣泛用于裝載機的主傳動上+發(fā)動機與液力變矩器組合構(gòu)成一種復合動力裝置+輸出特性的好壞并不單純?nèi)Q于發(fā)動機或液力變矩器自身的性能+兩者之間匹配是否合理對各自性能的發(fā)揮及整機牽引特性均有重要的影響*本文在擬合裝載機發(fā)動機與液力變矩器有關(guān)特性曲線的基礎(chǔ)上

5、+以裝載機的動力性為目標+建立發(fā)動機與液力變矩器匹配的優(yōu)化模型+優(yōu)化裝載機發(fā)動機與液力變矩器匹配性能*;特性曲線的擬合裝載機通常以柴油機為動力源+其速度特性由調(diào)速特性曲線用直線描述*擬合方法見文獻<$=*!=的函數(shù)*對于單級變矩器+可采用擬合方程<!A"BA$BA!>?dd$!BDBD|EaBA!|CaDddA"BA$dd"$!%!BDBD|EaBA!|aFDdddA"BA$dd"$!式中>GG泵輪力矩系數(shù)$外特性和調(diào)速特性組成*外特性曲線用多項式描述0通常+液力變矩器原始特性數(shù)據(jù)是關(guān)于傳動比dGG工作液體的重度?收稿日

6、期,!"""!#項目編號,江蘇省高校自然科學研究計劃項目a"#/""!#|9:5常綠吉林大學機械科學與工程學院吉林大學機械科學與工程學院吉林大學機械科學與工程學院沈陽重型機械集團有限責任公司沈陽重型機械集團有限責任公司博士生教授博士生高級工程師+$""!8沈陽市高級工程師副教授a淮陰工學院|+$%""!8長春市博士生導師王國強唐新星李春然楊濤第,期常綠等l裝載機發(fā)動機與液力變矩器功率匹配優(yōu)化-e""變矩器效率!#""變矩器變矩比&()*+,+-.&

7、quot;"擬合系數(shù)%$%發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸入特性的曲線擬合以及發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸出特性曲線的擬合方法見文獻/-01轉(zhuǎn)向油泵空載&工作裝置油泵滿載扭矩+得到部分功率匹配凈轉(zhuǎn)矩特性曲線5X(見圖,該曲線Y.+,點為發(fā)動機部分功率匹配的額定工作點+過Y,點作液力S的負荷拋物線Y變矩器R可求得全功率匹配)R+Y,-液力變矩器的有效直徑V-1這樣當裝載機處于滿載鏟掘作業(yè)時+發(fā)動機在額定點工作并發(fā)出最大功率+變矩器效率最高+裝載機動力性最佳+經(jīng)濟性也比較好W但當裝載機處于運輸工況時+同理因為實際工作點偏離理想工作點+裝載機的動力性比較差12匹配方法裝載機的發(fā)動機一方

8、面驅(qū)動液力變矩器為行走裝置提供動力+另一方面驅(qū)動液壓油泵為工作裝置提供動力以及為轉(zhuǎn)向和變速操作提供動力1如何進行液壓和液力的功率分配是裝載機設(shè)計首先要考慮的問題1一般希望發(fā)動機在其額定點工作+液力變矩器在高效區(qū)工作+使裝載機具有良好的動力性和經(jīng)濟性1234全功率匹配全功率匹配是考慮扣除液壓系統(tǒng)的最小扭矩+即用發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩56減去變速油泵滿載&轉(zhuǎn)向油泵和工作裝置油泵空載扭矩+得全功率匹配凈轉(zhuǎn)矩特性曲線57(如圖,所示.+8為發(fā)動機額定工作點+$-為發(fā)動機全功率匹配額定工作點1圖,發(fā)動機功率匹配方案9:;<,=>?A:B;CDE>?:FBGA:HID?JDDBDB;:

9、BD>BK?FCLMDFBNDC?DC在圖-中找到液力變矩器最高效率點O,(!)!P>Q+R)RS.+求出對應的T,U值(O-點.和#值(O7點.1過圖,中$-作液力變矩器R)RS時的負荷拋物線$,$-+可求得全功率匹配液力變矩器的有效直徑V,1當裝載機處于運輸工況時(工作裝置不工作.+發(fā)動機在額定工作點工作+變矩器效率最高+裝載機動力性最佳+經(jīng)濟性也比較好W但當裝載機滿載鏟掘作業(yè)時+發(fā)動機的凈轉(zhuǎn)矩特性曲線變?yōu)?X+它們的交點為$,+可以看出此時$,點遠遠偏離理想工作點+此時裝載機的動力性比較差+造成行走速度低+工作裝置動作緩慢1232部分功率匹配部分功率匹配是考慮扣除液壓系統(tǒng)的最

10、大扭矩+即用發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩56減去變速油泵滿載&圖-液力變矩器原始特性擬合曲線9:;<-ZA>C>?DC:G?:MCNDF?FCLMDFBNDC?DC23折衷匹配方案折衷匹配方案即選擇直徑V+使得V,VV-1這樣運輸工況和鏟掘工況的動力性雖然都不是最佳但也都不是最差1折衷匹配方案是目前廣泛采用的方案+但V取多大則無定論+一般認為匹配點選擇在比$-點轉(zhuǎn)速大*C_P:B左右比較合適1優(yōu)化匹配34設(shè)計變量取設(shè)計變量為液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑V+即)/V0)/a0132目標函數(shù)對有效直徑為V的液力變矩器+當R)RS時負荷拋物線為5,)T,UVb-,1如圖,中,-+當裝載機

11、運輸作業(yè)時+負荷拋物線與57曲線交點為-W當裝載機鏟掘作業(yè)時+負荷拋物線與5X曲線交點為,1顯然可分別求得,&-點的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩+進而求得,&-點的功率1目標函數(shù)為P>Qc(.)c(a.)c(V.)b,5,b-5-eXe37fYg(,hd,eXe37f$-式中fY,&f$-""Y,和$-點的功率+當已知發(fā)動機外特性和工作油泵參數(shù)時可求出d""系數(shù)+*idi,1考慮到裝載機絕大部分時間在裝載作業(yè)/7jX0+取d)*3k實際上+d值不同+有不同的優(yōu)化結(jié)果+把d值分0!農(nóng)業(yè)機械學報.!%年別取為!"!#$"!#%

12、"!#&"!#&"!#("!#("!#)"!#)"得到不同的輸出特性+進而求得高效區(qū)渦輪平*#!+均輸出功率,見圖0中散點1圖中曲線,-/+23/14.值和對應的4值/除4的三次擬合曲為上述,2!外1-.線5從圖0可以看出+值為!這說#(+,.峰值對應的4明目標函數(shù)中取42!#(是合理的5*#*.0+*#!(0+*#!$+*#!&+!#)$*+!#(%*+!#&&.+!#&*+!#005/%1液力變矩器的效率Q!+!#%!0+!#%$(+!#&!+!#&%+!#

13、&(%+!#(!.+!#(*+!#(*0+!#(*$+!#0()5!#(*0+!#(*.+!#(!%+!#&)&+!#&(0+!#&!+!#&.+_$/&1液力變矩器的能容系數(shù)Q)#&+*!*)&#*+*!#!&+*!(#*+*!(#0!+*!(#0!+*!(#0!+*!(#0!+*!(#0!+*!(#.!+*!(#*+*!(#*+*!(#!*+圖04值和,-.對應關(guān)系圖67890:;<=>7?A4=B,-.C#C約束條件該優(yōu)化問題為一維尋優(yōu)+D的取值范圍為D*EDED.5F算例以GH0!型裝載機為例+

14、按上述方法優(yōu)化柴油機和液力變矩器功率匹配5原始數(shù)據(jù)包括發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)"液力變矩器原始特性數(shù)據(jù)和各個油泵不同工況下的扭矩5考慮到計算精度和計算速度+發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)和液力變矩器原始特性數(shù)據(jù)IJ均取為*(點5F#K發(fā)動機外特性和液力變矩器原始特性數(shù)據(jù)/*1發(fā)動機轉(zhuǎn)速LM/NOP71Q*.).+*0&+*!+*%.+*&!+*(&+.!+.*.+.*(&+.!+.(!+.0!&+.0.&+.0%0+.$!+.$0&+.$.+.!5/.1發(fā)動機轉(zhuǎn)矩RM/STP1Q$!#!+$!#!+$!#!+$!#!+0)#!+0)!#!+0(!#!

15、+0&!#!+0%#!+0%!#!+0!#!+00#!+0.!#!+.()#!+.$!#!+*&&#!+*0!#!+!#!5/01發(fā)動機耗油率UM/8O/VWTX11Q.0&#!+.0.#!+.%#!+.0#!+.0#!+.$#!+.#!+.&#!+.&#!+.&#!+.(#!+.)#!+.0!#!+.0.#)+.0$#!+.$*9!+.$#!+.#!5/$1液力變矩器的傳動比YQ!+!#.(+!#0*.+!#$&.+!#!.+!#!+!#%!+!#%.+!#&!0+!#&.+!#&*+!#&&am

16、p;&+!#(!+!#($&+!#)!)+!#)&.+*#!*+*#*%!5/1液力變矩器的變矩系數(shù)ZQ0#!%*+.#*&+*#)(%+*#)!+*#.$+*#$0*+*#0.+*#.$+*#*%+*!&#)*+*!%#$+*!#*%+*!.#(*+.%#(5/(1制動工況能容系數(shù)"最高效率工況能容系數(shù)"最大傳動比能容系數(shù)"最大能容系數(shù)Q)#&*!_$+*!(#.!*!_$+.%#(*!_$+*!(#0!*!_$5/)1換擋泵扭矩"轉(zhuǎn)向泵空載扭矩"轉(zhuǎn)向泵滿載扭矩"工作泵空載扭矩&quo

17、t;工作泵滿載扭矩/STP1Q*!#$!+0#0&+0#()+(#%+.$#$5F#曲線擬合和優(yōu)化結(jié)果按前述曲線擬合方法+擬合出的發(fā)動機外特性曲線如圖*中RM+全功率匹配凈轉(zhuǎn)矩特性曲線R0+部分功率匹配凈轉(zhuǎn)矩特性曲線R$5液力變矩器的原始特性擬合曲線如圖.5按全功率匹配計算+得出液力變矩器的有效直徑D2!#0%*Pa按部分功率匹配計算+得出有效直徑D2!#.&(%P5液力變矩器原匹配直徑D2!#00)P5應用擬牛頓法+基于b=><=c編程+得出優(yōu)化的有效直徑D2!#0.(%P5當Y2Yd2!#&.時負荷拋物線如圖*中曲線e*e.所示5f優(yōu)化結(jié)果分析發(fā)動機額定

18、轉(zhuǎn)速為.!NOP7+額定轉(zhuǎn)矩為0%!STP+額定功率為($#(0VW5優(yōu)化后/即當D2!#0.(%P時1發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸入和輸出特性如圖$和圖所示5圖中高效區(qū)渦輪轉(zhuǎn)速范圍為L.P72*!#%NOP7+L.P=g2.)(#)NOP75圖中L*為泵輪轉(zhuǎn)速",.為渦輪軸輸出功率"R.為渦輪軸輸出扭矩5把$種匹配方案的仿真結(jié)果列于表*5表*中方案*"方案."方案0和方案$分別對應全功率匹配方案"部分功率匹配方案"優(yōu)化前原匹配方案和優(yōu)化匹配方案5表中U-M指液力變矩器工作在高效區(qū)發(fā)動機的平均耗油率5考慮到全功率匹配/方案*1與實際

19、要求相差較遠/圖*1+表*中沒有計算高效區(qū)渦輪平均輸出功率及相應的發(fā)動機平均耗油率5第YY期常綠等l裝載機發(fā)動機與液力變矩器功率匹配優(yōu)化表D幾種匹配方案的比較0DHEFGIJKLJMFNOIOLNPJFQPGRSTFRQLKULTIJMFPOVWNX比較項目直徑#Z+輸出功率ZA_(dY耗油率Zb",/A_c7aY方案Y方案(方案方案!%&*YB%&()*%&B%&()*(Y&(!(&!(&*(&)(!&(&Y(圖!優(yōu)化后共同工作輸入特性"&()*+,#$%0!1-./23456789865:9;<:2/.2:82=5;9>4:&()*+,6;2?:95:9;9A.2/5;/:57: