面向液力變矩器定制化選型的積分加權(quán)評價法*

王安麟　孟慶華　李文嘉　章明犬

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201804)

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面向液力變矩器定制化選型的積分加權(quán)評價法*

王安麟孟慶華李文嘉章明犬

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201804)

為解決整機工況特征與液力變矩器選型的動力學匹配問題，提出面向液力變矩器定制化選型的積分加權(quán)評價法.即在明確整機工況載荷特征的前提下，設(shè)定相應(yīng)的變矩器速比區(qū)間-效率權(quán)重，通過對其效率特性曲線進行分段積分，加權(quán)得到積分加權(quán)評價值，并將其作為變矩器經(jīng)濟性能的評價標準.文中分別以兩個現(xiàn)有變矩器模型為選型對象，驗證了提出的積分加權(quán)評價法對液力變矩器定制化選型的有效性.該評價法可在簡易地建立整機與配件匹配動力學映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)具有工程化意義的液力變矩器定制化選型.

液力變矩器；經(jīng)濟性能；評價標準；定制化選型

液力變矩器屬于復(fù)雜的液力傳動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，因具有優(yōu)良的帶載起動能力和自適應(yīng)性能而被廣泛應(yīng)用于工程機械，提高其性能一直是學者研究的重要課題.文獻[1- 2]從循環(huán)圓的角度進行了研究；文獻[3- 4]基于一元束流理論對液力變矩器葉片進行了優(yōu)化，但一元束流理論存在諸多假設(shè)，從而導致優(yōu)化結(jié)果誤差較大.隨著流體動力學的發(fā)展，采用三維流體解析可以較為真實地模擬液力變矩器內(nèi)部流場的流動情況[5].基于流體仿真技術(shù)，文獻[6- 9]分析了液力變矩器的動態(tài)特性；文獻[10]修正了一元束流理論預(yù)測模型，并用于液力變矩器的設(shè)計；文獻[11- 12]以液力變矩器的靜態(tài)性能參數(shù)作為評價指標，分別對葉片角和葉片數(shù)進行了優(yōu)化；文獻[13]建立了液力變矩器的葉片數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在整機系統(tǒng)的數(shù)字化平臺上實現(xiàn)了對葉片數(shù)的定制化設(shè)計.但以上都未從評價指標出發(fā)，根據(jù)整機工況特征對變矩器進行設(shè)計.

液力變矩器的經(jīng)濟性能、變矩性能和能容性能等反映了其綜合性能.經(jīng)濟性能是指液力變矩器在傳遞能量過程中的效率，不同速比工況對應(yīng)著不同的效率值.現(xiàn)有的經(jīng)濟性能評價指標主要為最高效率和高效區(qū)范圍，無法解決整機工況特征與液力變矩器選型的動力學匹配問題，割裂了與整機實際作業(yè)工況的聯(lián)系，限制了整機作業(yè)效率的提升.因此，僅以最高效率和高效區(qū)范圍作為評價指標進行選型和設(shè)計無法區(qū)別不同機種的實際作業(yè)要求.文中提出面向液力變矩器定制化選型的積分加權(quán)評價法，旨在實現(xiàn)針對不同工況要求的液力變矩器定制化選型，結(jié)合整機的實際工況載荷特征建立選型評價機制，使基于該評價法選型的液力變矩器性能符合該機型的實際作業(yè)要求，從而達到有針對性地提高其經(jīng)濟性能的目的.

文中以某型號裝載機用雙渦輪變矩器作為研究對象，通過對該型號裝載機實際作業(yè)的V型六段工況進行試驗，統(tǒng)計出工作在變矩器不同速比區(qū)間所占的比率，以此比率作為對應(yīng)區(qū)間效率的權(quán)重，記為速比區(qū)間-效率權(quán)重，并對效率的特性曲線進行分段積分，加權(quán)得到積分加權(quán)評價值，作為變矩器經(jīng)濟性能的評價標準，從而實現(xiàn)針對整機不同作業(yè)要求的變矩器定制化選型；同時，分別以兩個現(xiàn)有雙渦輪變矩器模型為選型對象，根據(jù)整機工況載荷特征提出兩種變矩器的速比區(qū)間-效率權(quán)重分布情況，驗證文中提出的積分加權(quán)評價法對于液力變矩器定制化選型的有效性.

1　基于裝載機典型工況試驗的速比區(qū)間-效率權(quán)重確定

1.1裝載機的典型工況試驗

文中以額定載重量為5噸的裝載機作為整機對象，為確定速比區(qū)間-效率權(quán)重，以V型六段工況作為裝載機實際作業(yè)的典型工況進行試驗.V型六段工況包括了裝載機實際作業(yè)的常用工況[14]，由“空載前進接近物料”、“鏟掘”、“滿載倒退”、“滿載前進”、“卸料”和“空載倒退”6個作業(yè)段組成，形成一個作業(yè)循環(huán)，是一種應(yīng)用廣泛的作業(yè)方式.具體試驗方案如圖1所示，在“空載前進接近物料”作業(yè)段，裝載機在距離料堆l處空載啟動，鏟斗浮動放平駛近料堆1～1.5m處時下降動臂使鏟斗接地，水平切入料堆；在“鏟掘”作業(yè)段，鏟斗以3°～7°的切削角插入料堆少許，加大發(fā)動機油門使鏟斗全力切入料堆，同時逐漸后傾并提升鏟斗直至裝滿物料；在“滿載倒退”作業(yè)段，鏟斗裝滿物料，提升鏟斗至運輸位置(鏟斗離地30～40cm的高度)，直接倒退到距離料堆l處；在“滿載前進”作業(yè)段，裝載機滿載駛向與其行駛方向夾角為60°的運輸車輛，該運輸車輛在距離料堆l處；在“卸料”作業(yè)段，將鏟斗舉升至卸載高度，轉(zhuǎn)動鏟斗將其內(nèi)物料傾卸；在“空載倒退”作業(yè)段，裝載機空載倒檔行駛離開運輸車輛，回到原始位置，同時鏟斗從高位放回低位，完成一個作業(yè)循環(huán)[15].

圖1　裝載機的典型工況試驗方案

Fig.1Experimentalschemeoftypicalworkingconditionofloader

試驗條件：晴天，環(huán)境溫度為20 ℃，大氣壓為1.015×105Pa，大氣相對濕度68%；試驗區(qū)間每段路況基本一致，試驗車速穩(wěn)定，重復(fù)試驗時車轍保持一致；為消除試驗駕駛員人為操作對測試結(jié)果的影響，采取由2名駕駛員各進行半數(shù)試驗的方法.

1.2速比區(qū)間-效率權(quán)重的確定

為對比整機不同載荷特征的實際作業(yè)要求，在對整機進行試驗時，分別取l為85m和15m進行試驗，并記為作業(yè)要求1和作業(yè)要求2.對于作業(yè)要求1，變矩器主要工作在高速比區(qū)(主要為0.6～0.9)，其實際作業(yè)特征主要反映中長距離作業(yè)；而對于作業(yè)要求2，變矩器主要工作在低速比區(qū)(主要為0.2～0.5)，其實際作業(yè)特征主要反映短距離作業(yè).對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到變矩器輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速[16]，將變矩器的速比范圍0～1分成10段，每段間隔0.1，統(tǒng)計得出裝載機工作在變矩器不同速比區(qū)間的分布比率，如表1所示.

由表1可知，裝載機在實際作業(yè)中，對于作業(yè)要求1，變矩器工作在高速比區(qū)所占的比率大，而對于作業(yè)要求2，變矩器工作在低速比區(qū)所占的比率大.如果某一速比范圍對應(yīng)的比率大，說明裝載機通常在此范圍處工作，在雙渦輪變矩器選型時，所選的模型在此范圍的效率應(yīng)該較大，從而有利于提高整機在實際作業(yè)中的經(jīng)濟性能，故此速比范圍對應(yīng)效率的重要程度相應(yīng)較大；如果此速比范圍對應(yīng)的比率較小，則說明裝載機很少在此范圍內(nèi)工作，變矩器在此范圍的效率值大并不會提高裝載機在實際作業(yè)中的經(jīng)濟性能，故此范圍對應(yīng)效率的重要程度相應(yīng)較低.因此，文中以變矩器工作在不同速比范圍所占的比率作為效率的權(quán)重，即速比區(qū)間-效率權(quán)重.

表1　不同速比區(qū)間的比率

2　液力變矩器的經(jīng)濟性能評價指標

傳統(tǒng)的液力變矩器經(jīng)濟性能評價指標為最高效率值和高效區(qū)范圍(對工程機械為效率η≥75%)，但最高效率值大并不能說明液力變矩器具有較好的經(jīng)濟性能，因為車輛實際作業(yè)不可能只工作在一點，只用最高效率值衡量液力變矩器的經(jīng)濟性能顯然是片面的[17].以高效區(qū)范圍作為液力變矩器的經(jīng)濟性能評價指標存在一定的合理性[18]，但不同機種的作業(yè)工況通常不盡相同，而工程機械所受的外部載荷又較為復(fù)雜，皆以高效區(qū)范圍作為經(jīng)濟性能的評價標準無法實現(xiàn)針對整機實際工況載荷特征的液力變矩器定制化選型和設(shè)計.現(xiàn)以兩個現(xiàn)有的雙渦輪變矩器模型為選型對象，記為模型1和2，討論傳統(tǒng)經(jīng)濟性能評價指標的合理性.模型1、2的循環(huán)圓直徑均為315mm，各葉輪的葉片數(shù)相同，其中泵輪、第一渦輪、第二渦輪、導輪的葉片個數(shù)分別為27、36、23、20，其葉片角度不同.兩個模型在傳動比為0.3～1.0之間的效率特性曲線如圖2所示，在低速比區(qū)，模型1的效率低于模型2的效率；在高速比區(qū)，模型1的效率高于模型2的效率.模型1和2的高效區(qū)范圍分別是3.639和3.719，如果以高效區(qū)范圍評價液力變矩器的優(yōu)劣，則模型2優(yōu)于模型1，在針對整機選型時，無論機種和整機的實際作業(yè)要求如何，均認為模型2與整機匹配時經(jīng)濟性能最佳.但通過裝載機的整機試驗，對于作業(yè)要求1，裝載機通常工作在高速比區(qū)，故高速比區(qū)的效率值更為重要，所以針對作業(yè)要求1，模型1適合整機的實際工況載荷特征；而對于作業(yè)要求2，裝載機通常工作在低速比區(qū)，故低速比區(qū)的效率值更為重要，所以針對作業(yè)要求2，模型2更適合整機的實際工況載荷特征.由此說明：以高效區(qū)范圍作為經(jīng)濟性能的評價指標并不合理，其無法反映整機的實際工況載荷特征，從而限制了整機在實際作業(yè)中效率的提升.

圖2　模型1和2的效率特性曲線

3　基于雙渦輪變矩器的積分加權(quán)評價法

3.1積分加權(quán)評價法

為了結(jié)合整機實際工況的載荷特征建立選型評價機制，提出了面向液力變矩器定制化選型的積分加權(quán)評價法，以此作為評價液力變矩器經(jīng)濟性能的標準，實現(xiàn)液力變矩器的定制化選型.具體思路為：如圖3所示，采用四次多項式擬合得到效率的特性曲線，將速比從0到1等分為10份，間隔為0.1，對每段區(qū)間進行積分，求出其面積Sk，再結(jié)合整機實際工況載荷特征確定效率的速比區(qū)間-效率權(quán)重wk，加權(quán)求得效率的積分加權(quán)評價值，作為經(jīng)濟性能的評價標準，值越大說明變矩器的經(jīng)濟性能越好.

(1)

式中，η為變矩器的效率，i為變矩器的速比.

圖3　雙渦輪變矩器效率特性曲線

Fig.3Characteristiccurveofefficiencyoftwinturbinetorqueconverter

3.2基于積分加權(quán)評價法的雙渦輪變矩器定制化選型

文中分別以模型1和2作為選型對象，討論積分加權(quán)評價法如何實現(xiàn)液力變矩器的定制化選型.模型1和2在不同速比處的效率通過臺架試驗獲得，列于表2.

表2　模型1和2在不同速比下的效率

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)擬合得出效率特性曲線公式.由于雙渦輪變矩器的效率特性曲線有兩個高效區(qū)，故采用分段擬合的方式得到效率公式，以工況轉(zhuǎn)換點處速比ic為臨界點，在速比為0～ic和ic～1區(qū)間分別進行擬合，得到模型1和2的效率特性曲線公式ηm1(i)、ηm2(i)，分別如式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

根據(jù)式(1)可以算得效率的積分加權(quán)評價值.根據(jù)作業(yè)要求1、2確定的速比區(qū)間-效率權(quán)重，分別算得積分加權(quán)評價值Sm1、Sm2，列于表3.

表3　模型1和2的積分加權(quán)評價值

由表3可知，模型1的Sm1大于模型2的Sm1，即對于作業(yè)要求1，以積分加權(quán)評價值作為評價指標，則模型1優(yōu)于模型2.從定性的角度分析，由表1可知，變矩器工作在速比為0.6～1.0區(qū)間所占的比率較0.0～0.6區(qū)間所占的比率大，說明裝載機通常在0.6～1.0區(qū)間工作，由于模型1在此區(qū)間的效率大于模型2，所以在針對作業(yè)要求1進行液力變矩器選型時，選用模型1相比于模型2更有利于整機實際作業(yè)效率的提高，即說明模型1優(yōu)于模型2，從而表明以積分加權(quán)評價值作為評價指標是合理的；模型1的Sm2小于模型2的Sm2，即對于作業(yè)要求2，以文中提出的積分加權(quán)評價值作為評價指標時，模型2優(yōu)于模型1.同樣，從定性的角度分析，變矩器工作在速比為0.0～0.6區(qū)間所占的比率較0.6～1.0區(qū)間所占的比率大，說明裝載機通常在0.0～0.6區(qū)間工作，由于模型2在此區(qū)間的效率大于模型1，所以在針對作業(yè)要求2進行液力變矩器選型時，選用模型2相比于模型1更有利于整機實際作業(yè)效率的提高，即說明模型2優(yōu)于模型1，表明以積分加權(quán)評價值作為評價指標是合理的.如果以高效區(qū)范圍作為評價指標，如第2節(jié)中所述，則無論對于作業(yè)要求1還是作業(yè)要求2，皆為模型2優(yōu)于模型1，與定性分析結(jié)果不符，這說明文中提出的積分加權(quán)評價法較傳統(tǒng)的評價方法更為合理，可以實現(xiàn)針對不同作業(yè)要求的液力變矩器的定制化選型.

4　結(jié)語

文中針對液力變矩器經(jīng)濟性能的傳統(tǒng)評價指標不夠合理的問題，提出面向液力變矩器定制化選型的積分加權(quán)評價法，旨在實現(xiàn)針對不同機型的液力變矩器定制化選型.以某型號裝載機用雙渦輪變矩器作為研究對象，結(jié)合裝載機的典型工況(V型六段工況)試驗確定變矩器的速比區(qū)間-效率權(quán)重，與效率的分段積分值進行加權(quán)得到評價值，作為液力變矩器經(jīng)濟性能的評價標準.通過對比兩個現(xiàn)有的雙渦輪變矩器模型，針對裝載機實際作業(yè)的兩種作業(yè)要求，驗證了該評價法相比于傳統(tǒng)評價法更為合理，實現(xiàn)了液力變矩器的定制化選型.該評價法是一種新的評價標準，可以實現(xiàn)針對現(xiàn)有機型的液力變矩器定制化選型和設(shè)計，具有工程化意義和價值.

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SupportedbytheNationalMajorScientificandTechnologicalAchievementsTransformationProject(FinanceBuildingNo.258(2012))

IntegralWeightedEvaluationMethodforCustom-MadeTypeSelectionofHydraulicTorqueConverters

WANG An-linMENG Qing-huaLI Wen-jiaZHANG Ming-quan

(SchoolofMechanicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Inordertoimplementthedynamicsmatchingbetweentheworkingconditioncharacteristicsofvehiclesandthetypeselectionofhydraulictorqueconverters,anintegralweightedevaluationmethod(IWEM)forthecustom-madetypeselectionoftorqueconvertersisproposed.Inthismethod,onthebasisoftheloadcharacteristicsofthevehicle,thespeedratiointerval-efficiencyweightsofthetorqueconverteraresetcorrespondingly,theefficiencycharacteristiccurveissegmentedandintegrated,andthecorrespondingintegralweightedevaluationvalueiscalculatedandusedastheevaluationstandardoftheeconomicperformanceoftorqueconverters.Then,twoexistingtorqueconvertermodelsareusedastheobjectstoverifytheeffectivenessoftheproposedIWEMforthecustom-madetypeselectionoftorqueconverters.TheresultsindicatethatIWEMhelpstosetupthedynamicmappingrelationshipbetweenthevehicleandtheaccessorieswithease.Thus,thecustom-madetypeselectionofhydraulictorqueconverterswithengineeringsignificancecanbesuccessfullyimplemented.

hydraulictorqueconverter;economicperformance;evaluationstandard;custom-madetypeselection

2015- 10- 08

國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目(財建〔2012〕258號)

王安麟(1954-)，男，教授，博士生導師，主要從事智能設(shè)計、工程機械等的研究.E-mail:wanganlin@#edu.cn

1000- 565X(2016)06- 0143- 06

TH137.332

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.06.022