WC5E運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器匹配方法的研究

楊清翔，代衛(wèi)衛(wèi)，朱殿瑞

（1．中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦，山西　運(yùn)城　043300；2．太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司軋鋼設(shè)備分公司，山西　太原　030024）

WC5E運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器匹配方法的研究

楊清翔1，代衛(wèi)衛(wèi)1，朱殿瑞2

（1．中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦，山西運(yùn)城043300；2．太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司軋鋼設(shè)備分公司，山西太原030024）

摘要以礦井防爆運(yùn)輸車的發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器為研究對象，介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器各自的特性，并對其進(jìn)行了匹配計(jì)算，在對運(yùn)輸車的牽引特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對運(yùn)輸車傳動(dòng)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了優(yōu)化分析。旨在為今后運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的匹配提供一定的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)；變矩器；匹配計(jì)算；優(yōu)化分析

礦井防爆運(yùn)輸車作為能夠在具有煤塵、瓦斯等爆炸性氣體環(huán)境中安全作業(yè)的主要運(yùn)輸工具，對提高現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)效率起著關(guān)鍵的作用。運(yùn)輸車的防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器能否最優(yōu)匹配，又最終決定著機(jī)械傳動(dòng)車輛的整車動(dòng)力性能及燃油特性的好壞，所以，本文從發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配角度出發(fā)，進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對傳動(dòng)系統(tǒng)特性進(jìn)行了優(yōu)化，為今后這方面的研究提供一定的計(jì)算依據(jù)與技術(shù)幫助。

1　防爆車發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的固有特性分析

1．1防爆車的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成

WC5E為四輪驅(qū)動(dòng)鉸接式車輛，其液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要由防爆發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、動(dòng)力換擋變速箱、傳動(dòng)軸、中間過橋、驅(qū)動(dòng)橋和輪胎等組成［1－2］。

1．2發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性分析

WC5E車用防爆發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開時(shí)的速度特性曲線見圖1，該曲線由外特性曲線和調(diào)速特性曲線組成。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩非調(diào)速區(qū)段變化較緩、調(diào)速區(qū)段變化劇烈的特點(diǎn)，對離散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用“轉(zhuǎn)矩梯度”判斷發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況，最后采用最小二乘法進(jìn)行擬合。

圖1　防爆發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線圖

防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器進(jìn)行匹配時(shí)，考慮扣除相關(guān)附件和各種液壓泵等消耗的扭矩，則數(shù)據(jù)點(diǎn)i處的凈扭矩為：

式中：

Mei—試驗(yàn)第i點(diǎn)防爆柴油機(jī)輸出扭矩，N·m；

∑Mfi—試驗(yàn)第i點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)附屬裝置輸出扭矩之和；

∑Mbi—試驗(yàn)第i點(diǎn)各種液壓泵輸出扭矩之和。

最后，對各離散點(diǎn)的凈扭矩采用與防爆發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線相同的方法，繪制出防爆發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩曲線，WC5E車用防爆發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩曲線見圖2。

圖2　防爆發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩曲線圖

1．3變矩器的固有特性分析

液力變矩器的原始特性反映泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ、效率η、變矩系數(shù)K隨轉(zhuǎn)速比i的變化規(guī)律，即λ＝f（i）、η＝f（i）和K＝f（i）。國內(nèi)液力變矩器生產(chǎn)廠家使用千轉(zhuǎn)力矩MBg代替泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ表示液力變矩器的能容［3］。WC5E車采用的液力變矩器原始特性見圖3。

圖3　液力變矩器的原始特性圖

由圖3可知，該變矩器為單級三元件兩相式綜合式液力變矩器，在K＞1時(shí)，綜合式液力變矩器工作于變矩器工況；K＝1時(shí)，綜合式液力變矩器轉(zhuǎn)變?yōu)榕己掀鱽砉ぷ鳎?］。該變矩器的效率在高速比區(qū)可達(dá)87．8%～91．6%。

2　防爆車發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器匹配計(jì)算及牽引特性

2．1發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器匹配計(jì)算

2．1．1匹配原則

WC5E防爆柴油機(jī)無軌膠輪車作為煤礦井下運(yùn)輸類車輛，匹配時(shí)須考慮以下原則［5］：

1）高效工作區(qū)盡量寬一些，有利于提高整車對各種工況的適應(yīng)性。

2）變矩器的高效范圍處于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)附近。

3）共同工作范圍盡量處于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量的最低處，使車輛擁有良好的經(jīng)濟(jì)性。

4）變矩器啟動(dòng)工況（i＝0）對應(yīng)轉(zhuǎn)矩比i0的負(fù)荷拋物線與發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)Memax重合或接近。

5）轉(zhuǎn)換工況對應(yīng)轉(zhuǎn)矩比iM的負(fù)荷拋物線應(yīng)處于最大扭矩點(diǎn)和最大功率對應(yīng)扭矩點(diǎn)的區(qū)間［Memax，Mpmax］內(nèi)。

6）最高效率點(diǎn)ηmax對應(yīng)轉(zhuǎn)矩比i*的負(fù)荷拋物線處于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率對應(yīng)的扭矩點(diǎn)Mpmax附近。

7）所有負(fù)載拋物線中與發(fā)動(dòng)機(jī)凈力矩曲線的交點(diǎn)（即共同工作點(diǎn)），都處在熄火點(diǎn)以右。

2．1．2發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸入特性

共同工作輸入特性直接影響著整車性能指標(biāo)的優(yōu)劣，其求解步驟如下［6］：

1）依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線初步確定液力變矩器的循環(huán)圓直徑及原始特性曲線。

2）根據(jù)實(shí)際工況、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線和液力變矩器原始特性曲線確定防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配原則。

3）繪制防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的共同輸入特性曲線，確定出共同工作區(qū)域。

4）依據(jù)選取的匹配原則，評價(jià)共同工作區(qū)域的合理性，若不合理需通過具體措施進(jìn)行調(diào)整，直至共同工作區(qū)域與匹配原則相符。

5）重新繪制防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的共同輸入特性曲線，確定共同工作區(qū)域，求解出二者的共同工作點(diǎn)數(shù)據(jù)列表。

針對WC5E無軌膠輪車的使用工況，設(shè)定匹配原則，同時(shí)考慮共同工作區(qū)域中啟動(dòng)工況、轉(zhuǎn)換工況和極限工況等特殊工況點(diǎn)的要求。

2．1．3發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸出特性

依據(jù)輸入特性輸出的共同工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)（nB，TB），以及各共同工作點(diǎn)對應(yīng)變矩器速比i下的變矩比K和效率η。根據(jù)公式：nT＝inB，TT＝KTB和get＝ge／η，求出防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的共同工作輸出特性數(shù)據(jù)，繪制共同工作的輸出特性。WC5E液力變矩器與防爆發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作的輸出特性見圖4。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸出特性曲線

2．2發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器共同作用的牽引特性分析

依據(jù)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸出特性，繪制驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡曲線，并求解出各檔最大牽引力和最高車速。WC5E井下無軌膠輪車的驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖見圖5。

圖5　WC5E車驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖

3　傳動(dòng)系統(tǒng)特性優(yōu)化分析

在液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過匹配分析對元部件的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過改變某元部件的型式，實(shí)現(xiàn)性能的提高和優(yōu)化［7］。綜合式液力變矩器結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，性能穩(wěn)定，效率一般可達(dá)87．8%～91．6%，而且由于有偶合器工況，因而在高速比區(qū)的效率很高，可達(dá)94．9%～98．1%，因此，在某些工程機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。單相式液力變矩器原始特性曲線見圖6，綜合式液力變矩器原始特性曲線見圖7。

由圖6和圖7對比可知，綜合式液力變矩器兼有變矩器和偶合器兩者的優(yōu)點(diǎn)。

把上述兩種變矩器與同一個(gè)液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配分析，得出的共同工作輸出特性曲線見圖8和圖9。

圖6　單相式液力變矩器原始特性曲線圖

圖7　綜合式液力變矩器原始特性曲線圖

圖8　單相式與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共同工作輸出特性曲線

圖9　綜合式與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共同工作輸出特性曲線

4　結(jié)　語

通過對整車的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，整車起動(dòng)力矩增加了25．43 N·m，最高車速提高了10．9%，液力變矩器的平均工作效率提高了0．035，整車高效區(qū)評價(jià)油耗降低了6．18%，百公里燃油油耗量降低了4．0 L。優(yōu)化后WC5E液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力更強(qiáng)勁、油耗更低，整車性能指標(biāo)優(yōu)于國內(nèi)其它同類產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TD525

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672－0652（2014）01－0032－04

收稿日期：2013－11－18

作者簡介：楊清翔（1980—），男，河南新野人，2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理方面的工作（E－mail）zhudianrui110＠163．com

Research on Matching Method of WC5E Transporter Engine and Torque Converter

Yang Qing－xiang，Dai Wei－wei，Zhu Dian－rui

AbstractTakes mine explosion－proof transporter engine and torque converter as the research object，introduces the respective features of engine and torque converter，then carries outmatching calculation．On the basis of analyzing the transporter traction characteristics，optimizes and analyzes the characteristics of transporter transmission system．It provides the technical basis for matching transporter engine and torque converter．

Key wordsEngine；Torque converter；Matching calculation；Optimized analysis