雙主機坦克動力系統(tǒng)研究

張更云，白創(chuàng)軍，萬 康，王普凱

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

?

【裝備理論與裝備技術(shù)】

雙主機坦克動力系統(tǒng)研究

張更云，白創(chuàng)軍，萬 康，王普凱

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

提出了雙主機坦克動力系統(tǒng)概念、并機方案與控制策略；對雙主機坦克動力系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)主要部件的布局與管路提出了改進措施；雙主機坦克動力系統(tǒng)對大幅提高未來主戰(zhàn)坦克機動性、經(jīng)濟性、起動性和可靠性具有優(yōu)勢。

坦克動力系統(tǒng)； 雙主機；可靠性

目前各國主戰(zhàn)坦克都采取單主發(fā)動機(以下簡稱主機)或單主機加輔助發(fā)動機動力系統(tǒng)的方案[1]，主機為坦克機動提供動力，輔助發(fā)動機用于坦克停車狀態(tài)、戰(zhàn)斗部值班時為用電設備提供電力、并向蓄電池充電，此時主發(fā)動機不工作。這種方式可以有效滿足車輛停車狀態(tài)時電臺、電轉(zhuǎn)炮塔等用電設備的電力需要，又可以節(jié)省主發(fā)動機的使用摩托小時，減少主發(fā)動機在低速、低負荷狀態(tài)的工作時間。

兩種方式都有相同的不足：① 主發(fā)動機都必須滿足坦克各種工況下的動力需求，如最高時速時的最大功率工況，爬最大坡度時的最大扭矩工況，而使用中更多的時間是坦克中低速度下的發(fā)動機低速、低負荷工況。而此時發(fā)動機有效比油耗、排放指標都遠高于最佳油耗點工況。② 主發(fā)動機發(fā)生故障時，坦克往往只能原地待援，這種狀況發(fā)生在射擊、通訊、駕駛訓練中尚可用其他車輛救援，假如發(fā)生實戰(zhàn)中，則車輛將處于危險的境地。③ 進一步提高發(fā)動機額定功率受坦克高度的限制。

解決上述問題，有必要采用雙主機坦克動力系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1 雙主機坦克動力系統(tǒng)方案

1.1 雙主機坦克動力系統(tǒng)相關概念

雙主機動力系統(tǒng)是指利用同一套輔助系統(tǒng)的兩臺相同型號的主發(fā)動機，通過并車裝置控制[2-3]輸出扭矩的動力系統(tǒng)。 包括兩臺主機及輔助系統(tǒng)和并機控制傳動裝置(見圖1)。

兩臺主機分別叫1號機和2號機，兩臺主機可同時輸出動力、也可單獨輸出動力，構(gòu)成3種工作狀態(tài)，分別是1號機單獨工作； 2號機單獨工作； 1、2號機同時工作。動力通過并車傳動控制裝置輸出，經(jīng)綜合傳動裝置、側(cè)減速器傳到坦克主動輪。

圖1 雙主機動力系統(tǒng)示意圖

1.2 并機控制傳動裝置及工作原理

并機控制傳動裝置由4個離合器和7個齒輪組成(見圖1)。4個離合器中， C1的傳動扭矩能力是C2、C3、C4的2倍，4個離合器控制3種工作狀態(tài)以及3種工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

1.2.1 從停機狀態(tài)起動到3種工作狀態(tài)的控制

當需要1號機單獨工作時，1號機起動到怠速，C2與C3離合器結(jié)合，C1與C4離合器分離，1號主機動力輸出路徑順序為Z5-Z6-Z4-Z1-Z2-Z3，經(jīng)綜合傳動裝置、側(cè)減速器傳到坦克主動輪；需要2號機單獨工作時，2號機起動到怠速，C2與C4離合器結(jié)合，C1與C3離合器分離，2號主機動力輸出路徑順序為Z7-Z6-Z4-Z1-Z2-Z3；需要1、2號機聯(lián)合工作時，二機分別起動到怠速，C1與C3、C4離合器結(jié)合，C2離合器分離，1、2號機動力分別經(jīng)Z5、Z7傳到Z6，之后的傳動順序為Z6-Z2-Z3。離合器的狀態(tài)如表1所示。

表1 3種工作狀態(tài)與4個離合器工作狀態(tài)

1.2.2 工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換控制

從1號機或2號機單獨工作轉(zhuǎn)換到兩機并機工作狀態(tài)時，將2號機或1號機對應的離合器C4或C3結(jié)合，C2離合器分離、C1離合器結(jié)合。如從1號機單獨工作轉(zhuǎn)換到兩機并機工作狀態(tài)時，由C2與C3離合器結(jié)合與C1與C4離合器分離變?yōu)镃3、C4 、C1結(jié)合，C2離合器分離。從2號機單獨工作轉(zhuǎn)換到兩機并機工作狀態(tài)時，由C2與C4離合器結(jié)合，C1與C3離合器分離也變?yōu)镃3、C4、C1結(jié)合，C2離合器分離。

從兩機并機工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到1號機或2號機單獨工作時，將2號機或1號機對應的離合器C4或C3分離；為減少旋轉(zhuǎn)部件慣量，C1離合器分離、C2離合器結(jié)合。如從兩機并機工作轉(zhuǎn)換到1號機單獨工作狀態(tài)時，由C1與C3、C4結(jié)合，C2離合器分離變?yōu)镃2與C3離合器結(jié)合與C1與C4離合器分離。從兩機并機工作轉(zhuǎn)換到2號機單獨工作狀態(tài)時，由C1與C3、C4結(jié)合，C2離合器分離變?yōu)镃2與C4離合器結(jié)合，C1與C3離合器分離。

由1號機工作轉(zhuǎn)換到2號機工作時，離合器C3結(jié)合、C4分離狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C4結(jié)合、C3分離；由2號機工作轉(zhuǎn)換到1號機工作時，離合器C4結(jié)合、C3分離狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C3結(jié)合、C4分離。

傳動電控系統(tǒng)控制4個離合器的結(jié)合與分離。

2 雙主機動力的輔助系統(tǒng)

雙主機動力的輔助系統(tǒng)仍包括進排氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。由于雙主機動力系統(tǒng)的兩臺發(fā)動機共同利用一套輔助系統(tǒng)，發(fā)動機要采用型號相同的柴油機或燃氣輪機，以便保證通用性。

為了滿足兩臺主機的3種工作狀態(tài)，需要對傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)布局做改進。輔助系統(tǒng)方案改進的原則是：一是在滿足兩主機3種工作狀態(tài)的情況下，盡可能共用系統(tǒng)部件，減輕輔助系統(tǒng)質(zhì)量；二是在任何一臺主機出現(xiàn)故障或“缺席”時，能快速處理，不能影響另一臺主機的正常工作。三是為快速維護保養(yǎng)提供方便，動力艙采用整體吊裝方式，輔助系統(tǒng)部件按需要布置在發(fā)動機、動力艙和底盤其他部位(見表2)，動力艙和底盤其他部位間的機件連接管路安裝快速接頭。

3 雙主機坦克動力系統(tǒng)的主要性能分析

坦克動力系統(tǒng)原則上要滿足功率足、體積小，高度低、比油耗低、起動性好、工作可靠、維護簡便的動力、經(jīng)濟、起動與使用性能要求。

3.1 動力性

坦克噸功率越高，其機動性愈好。目前單臺功率最大的坦克發(fā)動機為美國M1A3坦克的1 323 kW燃氣輪機，進一步提高坦克發(fā)動機的功率受到單臺發(fā)動機體積與高度的限制，特別是活塞式發(fā)動機。目前解決的方法是采取高功率密度柴油機，升功率達到92 kW/L[4]，但受到材料力學強度、耐熱強度、散熱技術(shù)的局限及發(fā)動機壽命的要求，單臺高功率密度柴油機的功率仍未突破1 103 kW。

隨著全電坦克、電磁炮等新技術(shù)的開發(fā)，對坦克動力系統(tǒng)的最大功率要求有大幅的提高，一般認為需要1 500 kW到1 600 kW，采用雙主機坦克動力系統(tǒng)既能滿足這一需求，又能使發(fā)動機的高度還在允許范圍。每臺主機的額定功率為750 kW到800 kW的柴油機，若按升功率32.5 kW/L的水平設計X型無連桿柴油機，本體長寬高為880 mm×1 000 mm×984 mm，兩臺的尺寸仍然略小于一臺豹II式坦克發(fā)動機的尺寸與質(zhì)量。若采用升功率達到92 kW/L的高功率密度綜合技術(shù)， 功率為550 kW的6缸機高590 mm，寬700 mm，長760 mm，質(zhì)量僅為520 kg， 兩臺功率為750 kW到800 kW的高功率密度柴油機也可以作為雙主機坦克動力系統(tǒng)的發(fā)動機。這樣，雙主機坦克動力系統(tǒng)最大功率將在原單機1 103 kW的基礎上提高36%～45%，而發(fā)動機的高度與體積不增加。

表2 雙主機坦克動力輔助系統(tǒng)主要部件布置

3.2 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性主要指坦克的百公里油耗q100，用坦克行駛阻力Fr和發(fā)動機燃油消耗率be計算[5]

式中：Fr為行駛阻力(N)； be為發(fā)動機的燃油消耗率[g/(kW·h)]； ηt為傳動系的效率； ρ為燃油的密度(kg/L)。

如果以相同的車速與檔位行駛同樣的距離，可以認為坦克的行駛阻力Fr、傳動系的效率ηt相同，百公里油耗只與發(fā)動機的燃油消耗率be有關。對于發(fā)動機的be有最經(jīng)濟的負荷與轉(zhuǎn)速范圍，離開了這個經(jīng)濟區(qū)域工況，be的值均增加，坦克靠變速箱檔位來調(diào)節(jié)發(fā)動機的負荷與轉(zhuǎn)速，使其工作在經(jīng)濟油耗區(qū)域。

訓練與作戰(zhàn)中，坦克使用功率變化的范圍很大，坦克對最大功率的需求通常只在高速機動、超車追擊等時機，這種時機的占比很低，大部分時間發(fā)動機工作在中低負荷狀態(tài)，在一般的駕駛、通信、射擊訓練和綜合演練中，坦克平均越野速度從15.2km/h到19.2km/h不等[6]，特別是原地開機待命狀態(tài)，發(fā)動機功率更小。發(fā)動機的工況必然在效率很低的小負荷工況，甚至怠速工況，很難甚至不能選擇合適的檔位使be調(diào)到經(jīng)濟區(qū)域。

如果采用雙機動力系統(tǒng)，上述工況均只開一臺主機，通過選擇合適的檔位， be將在最低的區(qū)域工作，從而降低坦克百公里油耗，并相應減少廢氣排放。

3.3 工作可靠性

為應保證主戰(zhàn)坦克在各種外界條件下可靠工作，避免故障，各國制定主戰(zhàn)坦克發(fā)動機的保險期均不超過1 000h，首次大修壽命不超過2 000h。然而坦克發(fā)動機的工作條件惡劣，環(huán)境變化較大，加上戰(zhàn)損等因素，沒有達到保險期的發(fā)動機本體停機故障時有發(fā)生，如水泵軸斷裂，機油泵傳動軸斷裂，拉缸、抱軸等。這些故障往往很難原地修復，若發(fā)生在訓練中尚可補救，假如發(fā)生實戰(zhàn)中，坦克將處于危險的境地。

采用雙主機的動力系統(tǒng)后，兩臺發(fā)動機本體同時出現(xiàn)故障的概率遠低于單機出現(xiàn)故障的概率，理論上不會出現(xiàn)因發(fā)動機本體故障停車而導致坦克戰(zhàn)斗力喪失，因為只要有一臺發(fā)動機正常工作，就可保證坦克機動與用電設備的動力需求，保證坦克的戰(zhàn)斗力，從而提高坦克的可靠性。

3.4 低溫起動性

評價起動性能的主要參數(shù)包括一定溫度下發(fā)動機起動時間、暖機時間、怠速轉(zhuǎn)速、怠速波動率、起步時間及起動極限溫度等[7]。坦克發(fā)動機常用起動極限溫度即低溫起動性來考核，對直噴式燃燒系統(tǒng)的坦克柴油機，最低溫度值達 -5℃。

雙主機動力系統(tǒng)的兩臺發(fā)動機是單獨起動的，由于其一臺的功率是單主機動力系統(tǒng)的一半，所以其起動運動件慣量小，運動副摩擦面積及壓力小，壓縮行程阻力小，驅(qū)動噴油泵、機油泵、配氣機構(gòu)等附件的阻力小，在蓄電池或壓縮空氣壓力等其他條件一致的情況下，雙主機動力系統(tǒng)發(fā)動機的起動時間、暖機時間、怠速轉(zhuǎn)速、怠速波動率、起步時間等指標都好于單主機動力系統(tǒng)。

4 結(jié)論

研究認為雙主機坦克動力系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：能部分克服發(fā)動機高度與體積對單主機動力系統(tǒng)發(fā)動機功率的限制，大幅增加坦克總體最大功率，提高機動性能；能有效降低坦克使用百公里油耗，提高使用經(jīng)濟性能；能大幅降低發(fā)動機故障停機概率，提高可靠性能；能降低起動阻力，提高發(fā)動機起動性能。雙主機坦克動力系統(tǒng)工程化過程中還有一些問題需要深入研究，一是雙主機同轉(zhuǎn)速工作時可能出現(xiàn)共振問題，二是并機控制傳動裝置與綜合傳動裝置一體化及控制問題。

[1] 張均享.高機動性運載車輛動力系統(tǒng)[M].北京：中國科學出版社， 2000:82-122.

[2] 陳嘉雄，呂健，劉赟.柴油機并車裝置的控制策略研究[J].柴油機，2012(3).22-25.

[3] 王宇,陸平,李曉通,等.柴柴動力裝置(CODAD)控制策略研究及齒輪箱優(yōu)化設計[J].應用科技，2003,12(12)：52-55.

[4] 張玉申.高功率密度柴油機及其關鍵技術(shù)[J].車用發(fā)動機，2004(3)：5-11.

[5] 王憲成，張更云，韓樹,等.車用內(nèi)燃機學[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006： 154-157.

[6] 孫佰東.裝甲車輛發(fā)動機典型訓練任務載荷剖面研究[D].北京：裝甲兵工程學院，2013.

[7] 陳釗.汽車起動性能評價體系的研究[J].機械研究與應用,2006(10):22-23.

(責任編輯 周江川)

Research for Double Engine Power System of Tank

ZHANG Geng-yun, BAI Chuang-jun, WAN Kang, WANG Pu-kai

(Department of Mechanic Engineering, the Academy of Armored Force Engineering Institute, Beijing 100072, China)

The concept of the double main engine system of the tank power system, the scheme of the parallel running engine and its control scheme and the required modification for the auxiliary system were proposed. The advantage of the improvement in a great extent of the mobility, economic performance, starting ability and reliability of the future main battle tank by the parallel running main engine power system was also analyzed.

power system of tank; double engine; reliability

2016-11-09；

2016-12-15

軍隊科研計劃項目

張更云(1966—)， 男，博士，教授，主要從事動力機械及工程研究。

10.11809/scbgxb2017.04.004

張更云，白創(chuàng)軍，萬康，等.雙主機坦克動力系統(tǒng)研究[J].兵器裝備工程學報，2017(4):18-21.

format:ZHANG Geng-yun, BAI Chuang-jun, WAN Kang, et al.Research for Double Engine Power System of Tank[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):18-21.

TK401

A

2096-2304(2017)04-0018-04