TY160推土機(jī)液力變矩器與柴油機(jī)匹配的研究

過鵬，談益歡

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

1 前言

TY160推土機(jī)的傳動形式采用液力傳動。液力傳動推土機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性與所采用的柴油機(jī)、液力變矩器以及它們之間的匹配有很大的關(guān)系，在液力傳動推土機(jī)整機(jī)設(shè)計時，除了結(jié)構(gòu)因素外，需要進(jìn)行液力變矩器與柴油機(jī)匹配計算，以保證推土機(jī)具有良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性。本文匹配計算利用計算機(jī)進(jìn)行模擬，并繪出相應(yīng)曲線，形象而較快地得到相應(yīng)的評價參數(shù)。因此，本文的研究對C6121柴油機(jī)與TY160推土機(jī)以及類似的匹配和評價有一定的實(shí)際應(yīng)用和指導(dǎo)價值。

2 柴油機(jī)特性及解析式

某TY160推土機(jī)選配的動力為C6121ZG55增壓柴油機(jī)，柴油機(jī)外特性、調(diào)速特性參數(shù)通過臺架試驗獲得。推土機(jī)工作泵耗功較小，本文中柴油機(jī)傳遞到變矩器泵輪上的扭矩取90%總扭矩值，見圖1凈扭矩線。

外特性段和調(diào)速特性段的解析式可分別用式（1）和式 （2）表示

式中，

Me——柴油機(jī)凈扭矩；

ne——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；

Ai、b0、b1——多項式系數(shù)；

k——多項式階數(shù)。

對于柴油機(jī)凈扭矩外特性，在實(shí)際應(yīng)用中為了保證足夠的精度，往往采用階數(shù)較高的數(shù)學(xué)模型，一般為5～7次[1]，并且分段表示。

3 液力變矩器特性

3.1 液力變矩器原始特性

變矩器的原始特性一般是由3條曲線組成,分別是泵輪扭矩系數(shù)λB=f(i)，變矩系數(shù)K=f(i)，及液力變矩器效率η=f(i)，λ、K、η與傳動比i之間的關(guān)系分別表示液力變矩器的負(fù)載特性、變矩特性和經(jīng)濟(jì)特性，它們之間的關(guān)系由廠家給出，它們與液力變矩器的輸入、輸出特性計算相關(guān)。

3.2 液力變矩器的輸入特性

液力變矩器的輸入特性指泵輪力矩M1與泵輪轉(zhuǎn)速n1之間的關(guān)系曲線，它是根據(jù)液力變矩器的計算公式 （3）得到的一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的拋線。

在變工況下，λ1=f(i)，輸入特線曲線為一組拋物線束，拋物線束寬度由λ1變化幅度決定。

拋物線i=0一般由試驗測得，圖2中拋物線束即輸入特性曲線。

4 液力變矩器與柴油機(jī)的共同工作特性

推土機(jī)與柴油機(jī)匹配一般為全功率匹配，推土機(jī)工作負(fù)荷大，工況惡劣，負(fù)荷率一般達(dá)到75%～90%，工況為間隙功率Ⅱ （連續(xù)運(yùn)行12 h）。

推土機(jī)在空行走時，在調(diào)速范圍內(nèi)運(yùn)行，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化小。推土機(jī)在推土?xí)r發(fā)揮最大牽引力，柴油機(jī)通常在最大扭矩點(diǎn)工作，此時柴油機(jī)與變矩器的匹配滿足最大效率的輸入特性曲線通過柴油機(jī)凈功率速度特性上的額定點(diǎn)左右。

4.1 液力變矩器與柴油機(jī)共同工作的輸入特性

求解變矩器與柴油機(jī)共同工作的輸入特性，就是尋求圖2中柴油機(jī)凈扭矩曲線與變矩器輸入特性曲線的一系列交點(diǎn)，用計算機(jī)模擬時可以通過聯(lián)立1、2、3曲線解析式求得[2]。

推土機(jī)采用全功率匹配，從圖2共同輸入特性曲線分析，液力變矩器最大效率工況i=0.8對應(yīng)的輸入特性曲線通過柴油機(jī)額定工況 （ne=1900 r/ m in），且液力變矩器高效率區(qū)基本在柴油機(jī)額定功率點(diǎn)的上方，且在1500～1900 r/m in柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。另外液力變矩器處于制動工況i=0時，從匹配曲線看，柴油機(jī)的扭矩點(diǎn)較大，可確保整機(jī)在短時間的過載情況下不熄火。

除柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較窄外，該液力變矩器與發(fā)動機(jī)匹配較好。

4.2 液力變矩器與柴油機(jī)共同工作的輸出特性

根據(jù)上節(jié)中求得的液力變矩器與柴油機(jī)共同工作點(diǎn)以及λ、K、η與傳動比i之間的關(guān)系，按下列公式計算各傳動比i下的渦輪軸輸出扭矩Mt、輸出轉(zhuǎn)速nt、輸出功率Nt。

由式 （3）、 （4）和 （5）可以得出一系列參數(shù)，根據(jù)這些數(shù)值可以用最小二乘法擬合出液力變矩器與柴油機(jī)共同工作的輸出特性曲線以及函數(shù)關(guān)系 （參見圖3），擬合得到的解析式可以用來求解評價參數(shù)。

5 變矩器與柴油機(jī)匹配性能的評價[3-4]

對推土機(jī)而言，液力變矩器與柴油機(jī)的匹配應(yīng)首先滿足動力性能，同時兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性。

推土機(jī)牽引系統(tǒng)占用了柴油機(jī)的絕大部分功率，故柴油機(jī)與整機(jī)的功率匹配也就顯得尤為重要。對此常用的評價參數(shù)如下：

1）啟動扭矩Mt0，由液力變矩器與柴油機(jī)共同工作的輸出特性得到i=0時，Mt0=1 498 N·m，表示該推土機(jī)啟動、加速的能力良好。

2）液力變矩器高效范圍內(nèi) （η≥0.75）渦輪轉(zhuǎn)速工作范圍dn=nt2/nt1=2.59，表示該液力變矩器與柴油機(jī)共同工作的速度范圍正常。其中，nt2=1 906 r/ m in、nt1=736 r/m in為液力變矩器高效區(qū)上下限的渦輪轉(zhuǎn)速。

3）液力變矩器高效范圍內(nèi)渦輪輸出扭矩范圍dM=Mt1/M2=3.17，表示該推土機(jī)的扭矩適應(yīng)性良好。其中，Mt2=1 133 N·m、Mt1=358 N·m為液力變矩器高效率區(qū)上下限的渦輪輸出扭矩。

4）平均輸出功率，表示推土機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力性能。

式中，nt2、nt1限定渦輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大值和最小值，可以取全工況范圍，也可以取高效率范圍。

在本文中，渦輪輸出轉(zhuǎn)速分布規(guī)律按均勻分布考慮，按下式計算：

將式 （8）代入式 （7）中，可以得到下式

評價高效區(qū)內(nèi)的平均輸出功率，即nt2和nt1為渦輪高效率范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)速最大值、最小值。本文匹配中Ntp為97.42 kW，在功率區(qū)域偏上，表明高效區(qū)內(nèi)輸出功率曲線較豐滿，推土機(jī)動力性能較好。

6 結(jié)束語

對于推土機(jī)整機(jī)匹配而言，還可以通過考察變速箱Ⅰ檔對最大牽引力與柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)以及推土機(jī)總質(zhì)量的關(guān)系、最大功率點(diǎn)與滑移率的關(guān)系等來判斷其牽引性能、滑移率是否適配，是否滿足動力性、經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)生產(chǎn)率的要求。

本文不對推土機(jī)牽引性能、滑移率展開分析，僅對C6121柴油機(jī)與TY160推土機(jī)液力變矩器的特性以及二者之間的匹配進(jìn)行了分析，給出了各個匹配步驟的數(shù)值計算，并提供了匹配的相關(guān)評價參數(shù)，分析了匹配的合理性，為實(shí)際工作提供了參考。

1孫躍東，周萍，尹冰聲.液力變矩器與柴油機(jī)匹配的計算方法研究 [J].機(jī)械制造，2003(11).

2焦生杰、余亮.工程機(jī)械液力傳動匹配的計算機(jī)輔助計算 [J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報，2001 (10).

3朱經(jīng)昌.液力變矩器的設(shè)計與計算 [M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

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