循環(huán)工況下變矩器葉片角設(shè)計(jì)空間的性能優(yōu)化

李文嘉，王安麟，李曉田，張慶武

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804； 2.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073)

循環(huán)工況下變矩器葉片角設(shè)計(jì)空間的性能優(yōu)化

李文嘉1，王安麟1，李曉田1，張慶武2

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804； 2.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073)

為解決整機(jī)循環(huán)工況與液力變矩器的匹配問(wèn)題，并建立變矩器設(shè)計(jì)參數(shù)與整機(jī)工況的動(dòng)力學(xué)映射關(guān)系，本文提出循環(huán)工況條件下變矩器葉片角設(shè)計(jì)空間的性能優(yōu)化方法。該方法在整機(jī)物理實(shí)驗(yàn)條件下，以其變矩器的統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率為評(píng)價(jià)目標(biāo)，利用變矩器一元束流理論及其流固耦合仿真結(jié)果構(gòu)建變矩器性能模型，對(duì)變矩器葉片角設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中以整機(jī)V型和T型典型工況及雙渦輪變矩器為研究對(duì)象，在變矩器流固耦合仿真精度得到臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的前提下，證明優(yōu)化后變矩器統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率分別提升2.64%和2.48%。該方法簡(jiǎn)易性地建立了整機(jī)與變矩器葉片角設(shè)計(jì)參數(shù)間的一體化動(dòng)力學(xué)匹配關(guān)系，對(duì)同類(lèi)面向主機(jī)的配件定制化設(shè)計(jì)具有工程化指導(dǎo)價(jià)值。

循環(huán)工況； 變矩器； 葉片角設(shè)計(jì)空間； 性能優(yōu)化； 流固耦合仿真； 加權(quán)效率

液力變矩器因其啟動(dòng)扭矩大、載荷自適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械。液力變矩器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法僅考慮設(shè)計(jì)功率等粗糙設(shè)計(jì)指標(biāo)和單一工況，不考慮整機(jī)循環(huán)工況，這導(dǎo)致變矩器與整機(jī)循環(huán)工況之間無(wú)法建立高效的動(dòng)力學(xué)映射關(guān)系，制約變矩器實(shí)際作業(yè)時(shí)性能的提升。

為提升液力變矩器性能，學(xué)者做了大量研究：BANERJEE等建立變矩器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)性能影響的敏感度方程，并優(yōu)化出一組變矩器能量損失較小的結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]，KESY等基于一元束流理論分析對(duì)變矩器性能產(chǎn)生主要影響作用的若干結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[2-3]，WU等輔助計(jì)算機(jī)研究變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，以提高操作穩(wěn)定性和舒適性[4]；DI等在車(chē)輛減速條件下利用變矩器傳動(dòng)比等信息控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩[5]；CUI等以動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的匹配[6]；王安麟等根據(jù)裝載機(jī)循環(huán)工況提出變矩器性能匹配指標(biāo)，但未對(duì)變矩器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[7]。以上研究或單純優(yōu)化變矩器葉片結(jié)構(gòu)，或單純考慮變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，或考慮整機(jī)循環(huán)工況而未對(duì)變矩器進(jìn)行性能優(yōu)化，導(dǎo)致整機(jī)循環(huán)工況與液力變矩器的匹配問(wèn)題存在較大研究空間。

為建立變矩器設(shè)計(jì)參數(shù)與整機(jī)工況的動(dòng)力學(xué)映射關(guān)系，本文以5 t裝載機(jī)用雙渦輪液力變矩器為研究對(duì)象，根據(jù)裝載機(jī)V型和T型典型工況的物理實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況條件下變矩器在各速比區(qū)間工作的概率，得到變矩器的統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率計(jì)算公式，作為性能評(píng)價(jià)目標(biāo)；在通過(guò)變矩器臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其流固耦合仿真精度基礎(chǔ)上，利用流固耦合仿真結(jié)果修正變矩器一元束流理論中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，構(gòu)建變矩器性能模型；對(duì)變矩器葉片角設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，并以流固耦合仿真驗(yàn)證性能優(yōu)化方法的有效率性。

1 變矩器統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率

工程機(jī)械具有作業(yè)循環(huán)性強(qiáng)、工況惡劣、工作載荷大等共同特點(diǎn)。本文以額定載重量為5 t的裝載機(jī)用雙渦輪液力變矩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為變矩器)為對(duì)象，研究整機(jī)循環(huán)工況與變矩器的匹配問(wèn)題。

1.1裝載機(jī)循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)

為保證變矩器速比區(qū)間分布的典型性，并驗(yàn)證“循環(huán)工況條件下變矩器葉片角設(shè)計(jì)空間的性能優(yōu)化方法”的有效性，以裝載機(jī)廣泛應(yīng)用的典型V型六段工況及T型六段工況作為實(shí)驗(yàn)循環(huán)工況。兩種工況均包括了裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)的常用工況[8]，由“空載前進(jìn)接近物料”、“鏟掘”、“滿(mǎn)載倒退”、“滿(mǎn)載前進(jìn)”、“卸料”和“空載倒退”六個(gè)作業(yè)段組成，形成一個(gè)作業(yè)循環(huán)，是應(yīng)用廣泛的作業(yè)方式。具體實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示，在“空載前進(jìn)接近物料”作業(yè)段，裝載機(jī)在圖示位置空載啟動(dòng)，鏟斗浮動(dòng)放平駛近料堆1～1.5 m處時(shí)下降動(dòng)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(dòng)機(jī)油門(mén)使鏟斗全力切入料堆的同時(shí)，逐漸后傾并提升鏟斗直至裝滿(mǎn)物料；在“滿(mǎn)載倒退”作業(yè)段，鏟斗裝滿(mǎn)物料，提升鏟斗至運(yùn)輸高度(鏟斗離地30～40 cm的高度)，倒退至圖示位置；在“滿(mǎn)載前進(jìn)”作業(yè)段，裝載機(jī)滿(mǎn)載駛向運(yùn)輸車(chē)輛；在“卸料”作業(yè)段，將鏟斗舉升至卸載高度，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗將其內(nèi)物料傾卸；在“空載倒退”作業(yè)段，裝載機(jī)空載倒檔行駛離開(kāi)運(yùn)輸車(chē)輛，回到原始位置，同時(shí)鏟斗從高位放回低位，完成一個(gè)作業(yè)循環(huán)[9]。

圖1 裝載機(jī)實(shí)驗(yàn)方案Fig.1 Experiment project of loader

實(shí)驗(yàn)條件：晴天，環(huán)境溫度20 ℃，大氣壓為1.015 bar，大氣相對(duì)濕度68%；作業(yè)對(duì)象為二類(lèi)土(普通土)；實(shí)驗(yàn)區(qū)間每段路況基本一致，實(shí)驗(yàn)車(chē)速穩(wěn)定，循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)車(chē)轍保持一致；為消除實(shí)驗(yàn)駕駛員人為操作對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，采取由2名駕駛員各進(jìn)行半數(shù)實(shí)驗(yàn)的方法。

這里需要指出：對(duì)于不同作業(yè)對(duì)象及工況，得到的變矩器統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率會(huì)存在一定差異，變矩器的優(yōu)化結(jié)果也會(huì)不同，由于無(wú)法針對(duì)所有作業(yè)對(duì)象及工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此僅以二類(lèi)土為作業(yè)對(duì)象、選取V型和T型典型工況進(jìn)行研究，以驗(yàn)證本文研究方法的有效性。

1.2變矩器的統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到兩種工況下變矩器的速比[7]，將變矩器的速比范圍0～1分為10段，間隔0.1，統(tǒng)計(jì)得到循環(huán)工況條件下，變矩器在各速比區(qū)間的工作概率，如圖2所示。

圖2 變矩器在各速比區(qū)間的工作概率Fig.2 Working probability in each speed ratio interval

圖2中某一速比區(qū)間對(duì)應(yīng)的工作概率大，則表明變矩器更經(jīng)常工作在此區(qū)間，變矩器在此區(qū)間的效率表現(xiàn)對(duì)變矩器實(shí)際工作時(shí)的效率影響更顯著。從圖2可以看出：V型工況下，變矩器更經(jīng)常工作在傳動(dòng)比0.1～0.4，T型工況下，變矩器更經(jīng)常工作在0.6～0.9。為定量化表征變矩器實(shí)際工作時(shí)的效率，以變矩器各速比區(qū)間對(duì)應(yīng)的工作概率為權(quán)重，提出變矩器的統(tǒng)計(jì)循環(huán)工況加權(quán)效率(以下簡(jiǎn)稱(chēng)加權(quán)效率)，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：η(k-1)/10+(m-1)/100表示速比為(k-1)/10+(m-1)/100時(shí)，變矩器的效率。將式(2)代入式(1)，則可以得到變矩器加權(quán)效率公式：

(3)

變矩器加權(quán)效率基于整機(jī)循環(huán)工況得到，可以反映變矩器實(shí)際工作時(shí)的效率，因此將其作為變矩器評(píng)價(jià)目標(biāo)。

2 葉片角設(shè)計(jì)空間的變矩器性能模型

2.1設(shè)計(jì)變量及建模方法

現(xiàn)有研究證明，變矩器葉片角對(duì)于變矩器性能的影響顯著[1]，因此選擇變矩器葉片角作為變矩器設(shè)計(jì)變量。為保證性能模型的精度，每個(gè)設(shè)計(jì)變量取值范圍是以現(xiàn)有變矩器產(chǎn)品葉片角為中心的±10°[10]。現(xiàn)有變矩器產(chǎn)品的葉片角及葉片角設(shè)計(jì)變量的取值范圍如表1所示。

表1現(xiàn)有變矩器葉片角及設(shè)計(jì)變量的取值范圍

Table1Bladeangleofcurrenttorqueconverterandvaluerangeofdesignvariables(°)

為便于對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，性能模型需具有較快的計(jì)算速度，因此選用一元束流理論作為性能模型的建模理論。一元束流理論中的部分系數(shù)與變矩器型號(hào)和工況相關(guān)，如出口液流偏離和沖擊損失系數(shù)。文獻(xiàn)[11]以單渦輪液力變矩器為研究對(duì)象，根據(jù)流固耦合仿真結(jié)果求解了出口液流偏離和沖擊損失系數(shù)，得到的模型對(duì)變矩器性能預(yù)測(cè)精度較高。本文采用相同的研究方法，即建立多組葉片角設(shè)計(jì)空間范圍內(nèi)的三維模型，分別對(duì)其進(jìn)行流固耦合仿真，根據(jù)仿真結(jié)果求解變矩器的出口液流偏離和沖擊損失系數(shù)。

2.2流固耦合仿真精度

流固耦合仿真技術(shù)可以方便地獲得變矩器內(nèi)部流場(chǎng)的信息，為本文研究出口偏離角和沖擊損失系數(shù)提供了可能。流固耦合仿真對(duì)于變矩器的計(jì)算精度已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界的證實(shí)[11-12]，本文也進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，并與其三維模型的流固耦合仿真進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示，轉(zhuǎn)矩比、效率、泵輪能容的平均相對(duì)誤差分別為0.86%、0.47%和1.02%，由此可知流固耦合仿真的誤差較小。

2.3出口液流偏離

由于葉片的彎曲和葉輪的旋轉(zhuǎn)，液體在葉輪流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)并未完全貼合葉片，即出口液流與葉片之間存在一定偏離[12]。根據(jù)對(duì)于最高工況下的液流出口偏離，文獻(xiàn)[12]給出了幾種不同的經(jīng)驗(yàn)公式，然而這些公式在其他效率下的計(jì)算精度較低。文獻(xiàn)[11]假設(shè)葉片角變化不大的條件下，液流絕對(duì)速度的圓周分速度偏差僅與傳動(dòng)比相關(guān)，取得不錯(cuò)效果，因此本文采用相同假設(shè)。

圖3 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與流固耦合仿真對(duì)比Fig. 3 Bench experiment and fluid-solid coupling simulation

根據(jù)流固耦合仿真結(jié)果及上述假設(shè)，可以得到4個(gè)葉輪液流絕對(duì)速度的圓周分速度偏差，如圖4。

圖4 液流絕對(duì)速度的圓周分速度偏差Fig.4 Peripheral velocity deviation of absolute velocity of flow

2.4沖擊損失系數(shù)

一元束流理論利用沖擊損失系數(shù)表征變矩器內(nèi)部液體的能量損失。由于變矩器內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，變矩器不同葉輪的沖擊損失系數(shù)不同，同一葉輪的沖擊損失系數(shù)在不同工況下也可能不同?，F(xiàn)有的假設(shè)認(rèn)為各葉輪的沖擊損失系數(shù)由葉輪沖擊工作面或非工作面決定，基于此假設(shè)的研究取得了不錯(cuò)的效果[11]。本文依照此假設(shè)，根據(jù)流固耦合仿真結(jié)果計(jì)算變矩器各葉輪的沖擊角度及能量損失等相關(guān)物理量，根據(jù)沖擊角度確定沖擊工作面或非工作面，根據(jù)葉輪能量損失等物理量確定沖擊損失系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，由于泵輪轉(zhuǎn)速較高且導(dǎo)輪靜止，因此泵輪非工作面沒(méi)有受到?jīng)_擊。各葉輪的沖擊損失系數(shù)如表2。

2.5性能模型精度的驗(yàn)證

確定出口偏離和沖擊損失系數(shù)則可以完成性能模型的搭建。為驗(yàn)證性能模型的精度，在葉片角設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)隨機(jī)選取一組葉片角組合，根據(jù)此葉片角組合建模，并進(jìn)行流固耦合仿真，與性能模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。性能模型的平均偏差為1.5%。

表2 各葉輪的沖擊損失系數(shù)

圖5 性能模型與流固耦合仿真的效率對(duì)比Fig.5 Efficiency comparison of performance model and fluid-solid coupling simulation

3 循環(huán)工況條件下變矩器性能優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1變矩器性能優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)第2節(jié)建立的性能優(yōu)化模型，在葉片角設(shè)計(jì)空間的范圍內(nèi)，以第1節(jié)推導(dǎo)的加權(quán)效率為優(yōu)化目標(biāo)，分別針對(duì)兩種不同工況，對(duì)變矩器葉片角設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

表3循環(huán)工況條件下變矩器葉片角優(yōu)化結(jié)果

Table3Torqueconverterperformanceoptimizationresultsundertheconditionofdrivingcycle(°)

3.2性能優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證

根據(jù)表3所示的各葉輪葉片角可以建立變矩器三維模型，并進(jìn)行流固耦合仿真。流固耦合仿真精度在2.2節(jié)進(jìn)行了驗(yàn)證。兩個(gè)優(yōu)化模型與原始模型的流固耦合仿真的效率對(duì)比如圖6所示。對(duì)于V型工況，V型工況優(yōu)化模型、T型工況優(yōu)化模型以及原始模型的加權(quán)效率分別為77.49%、77.23%和74.85%，V型工況優(yōu)化模型的加權(quán)效率最高，且相對(duì)于原始模型提升2.64%；對(duì)于T型工況，三者的加權(quán)效率分別為78.24%、78.30%和75.82%，T型工況優(yōu)化模型的加權(quán)效率最高，且相對(duì)于原始模型提升2.48%。

圖6 優(yōu)化模型與原始模型的效率對(duì)比Fig.6 Efficiency of optimization and original model

4 結(jié)論

1)根據(jù)流固耦合仿真分析，兩個(gè)優(yōu)化模型均在各自工況表現(xiàn)更高的加權(quán)效率；與原始模型相比，加權(quán)效率分別提升2.64%和2.48%。

2)該方法簡(jiǎn)易地建立了整機(jī)與變矩器葉片角設(shè)計(jì)參數(shù)間的一體化動(dòng)力學(xué)匹配關(guān)系，對(duì)同類(lèi)面向主機(jī)的配件定制化設(shè)計(jì)有工程化指導(dǎo)價(jià)值。

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本文引用格式：

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LI Wenjia, WANG Anlin, LI Xiaotian, et al. Performance optimization of the design space of torque converter′s blade angle under the condition of driving cycle[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1781-1785.

Performanceoptimizationofthedesignspaceoftorqueconverter′sbladeangleundertheconditionofdrivingcycle

LI Wenjia1, WANG Anlin1, LI Xiaotian1, ZHANG Qingwu2

(1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.Shantui Construction Machinery Co., Ltd., Ji′ning 272073, China)

To solve the matching problem between driving cycle and torque converter and to build the dynamics mapping relationship between the design parameters of torque converter and working condition, a performance optimization method for the design space of a torque converter′s blade angle under the condition of driving cycle was proposed. In a physical experiment, the statistics driving cycle weighted efficiency of the torque converter was taken as the evaluation objective. A performance model was built by using one-dimensional flow theory and the fluid-solid coupling simulation result of the torque converter. The blade angle design variables of the torque converter were optimized. Typical working conditions of V and T, and the torque converter with double turbines were the research object during the optimization. The statistics driving cycle weighted efficiency improved by 2.64% and 2.48%, respectively, as verified by the precision of the fluid-solid coupling simulation through a bench experiment on the torque converter. An integration dynamics mapping relationship between the whole machine and the blade angle design variables was established in a simple manner. The method has good engineering guidance value for the customized design of a machine with congeneric fittings.

driving cycle; torque converter; blade angle design space; performance optimization; fluid-solid coupling simulation; weighing efficiency

10.11990/jheu.201606058

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1511.096.html

TH137.332

A

1006-7043(2017)11-1781-05

2016-06-20.

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2017-04-27.

2012年重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(〔2012〕258號(hào)).

李文嘉(1989-), 男, 博士研究生；

王安麟(1954-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.

李文嘉，E-mail:pigeon_lwj_1989@126.com.