農(nóng)用運輸車用液力緩速器的設(shè)計與仿真分析

賴建生，李長友，馬興灶，方壯東

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642；2.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090)

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農(nóng)用運輸車用液力緩速器的設(shè)計與仿真分析

賴建生1,2，李長友1，馬興灶1，方壯東1

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642；2.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090)

為解決農(nóng)用運輸車長時間制動造成的熱衰退問題，參考THB40液力緩速器，基于相似理論設(shè)計了一款液力緩速器。計算確定了其設(shè)計制動力矩值和定轉(zhuǎn)子葉輪參數(shù)，運用Pro/E構(gòu)建了其三維結(jié)構(gòu)，并在CFX14.5平臺上以SST-kω湍流模型進行仿真計算。結(jié)果表明：制動力矩符合設(shè)計要求，流場的特征與THB40流場特征高度一致，為設(shè)計適合農(nóng)用車用液力緩速器提供了借鑒。

農(nóng)用運輸車；液力緩速器；相似理論；制動力矩；仿真計算

0 引言

農(nóng)用運輸車也稱低速載貨汽車(GB7258-2004)，是以柴油機為動力，最高設(shè)計車速小于等于70km/h、最大設(shè)計總質(zhì)量小于等于4 500kg、長小于等于6m、寬小于等于2m、高小于等于2.5m、具有4個車輪的貨車，是目前農(nóng)村主要的貨物運輸工具之一。據(jù)2014年全國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，三輪汽車和低速貨車保有量為972萬輛，其中52%左右為低速貨車。由于我國農(nóng)村道路多以丘陵山地坡陡彎多的地形為主，大多路況較差，而車輛又常超載，因此農(nóng)用車必須具備足夠的持續(xù)制動能力，以確保行車時的制動安全。如果僅使用主制動器持續(xù)制動， 主制動器熱衰退嚴重， 影響行車安全[1]。歷年農(nóng)機事故數(shù)據(jù)表明:因制動不良造成的農(nóng)機事故約占農(nóng)機事故總數(shù)的50%[2]，給國家、集體和家庭都帶來了巨大的損失，如2006年4月29貴州黔西南州興義市農(nóng)用車側(cè)翻致13死12傷的特大交通事故[3]。因此，研究農(nóng)用運輸車的制動裝置尤其是非接觸式的輔助制動裝置具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對農(nóng)用運輸車制動的研究主要集中在接觸式主制動系統(tǒng)故障檢測與維修[4-8]、性能分析[9-11]、優(yōu)化設(shè)計與仿真計等方面[12-14]；而對農(nóng)用運輸車輔助制動系統(tǒng)的研究鮮有報道，僅有將傳統(tǒng)的氣壓式或液壓式的制動系統(tǒng)改裝為電磁式制動系統(tǒng)的研究[15]。為此，本文以THB40液力緩速器為原型機，以總質(zhì)量4t、額定載貨量2t的農(nóng)用運輸車為對象，基于相似理論設(shè)計一款農(nóng)用運輸車用液力緩速器，計算后確定其設(shè)計制動力矩值和定轉(zhuǎn)子葉輪參數(shù)，并對其行仿真計算，確定其制動力矩與流場特征，為農(nóng)用運輸車用液力緩速器的研究提供借鑒。

1 設(shè)計原理與計算

1.1 研究對象

農(nóng)用運輸車的速度最高為70km/h,因車的形式多種，大多數(shù)裝配的發(fā)動機都是小于60kW的。本文以裝配60kW的某款農(nóng)用運輸車為應(yīng)用研究對象，其參數(shù)如表 1所示。

表1 某農(nóng)用運輸車參數(shù)

車輛下行在坡度為i(坡角為θ)的道路上，車質(zhì)量為m(kg)，考慮到液力緩速器制動過程中發(fā)動機無驅(qū)動力輸出，忽略發(fā)動機泵氣損失，推導(dǎo)液力緩速器對車輛的制動減速度為[16]

(1)

其中，T為緩速器制動力矩；λ為后橋主減速比；r為輪胎半徑；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積(m2)；u為行駛速度為(m/s)；f為滾動阻力系數(shù)。 當(dāng)恒速下坡時，α 為0，此時液力緩速器的制動力矩T為

(2)

農(nóng)村道路多為一般四級公路，坡度平原微丘區(qū)為5%，山嶺重丘區(qū)為9%。以坡度9%、車速20km/h恒速下坡為例，將表 1的相關(guān)參數(shù)帶入求得T為139.31N·m，此時車輪轉(zhuǎn)速約為373r/min。

根據(jù)計算結(jié)果，對比了目前的輔助制動裝置后，選用制動扭矩大、熱衰退小、制動性能穩(wěn)定、體積相對較小的液力緩速器。由于THB40液力緩速器是筆者研究團隊與深圳市特爾佳科技股份有限公司合作研發(fā)的重載車用并聯(lián)后置式(安裝在變速器后端)液力緩速器，額定制動力矩4 000N·m，總體設(shè)計尺寸為610mm×343mm×578mm, 是已經(jīng)過測試的合格樣機，因此作為研究的原型機,如圖 1所示，具體參數(shù)如表 2所示。

1.控制閥 2.溫度傳感器 3.換熱器 4.進水口 5.油尺 6.本體部分 7.進氣口圖1 THB40液力緩速器樣機Fig.1 The Prototype of THB40 Hydraulic Retarder表2 THB40技術(shù)參數(shù)Table 2 The Technical Parameters of THB40

參數(shù)名稱單位參數(shù)值額定制動力矩N·m4000

續(xù)表2

1.2 設(shè)計原理

液力緩速器是液力元件，當(dāng)兩液力緩速器幾何相似、運動相似和動力相似時可用相似理論，基于原型機研究樣機的特性[17]。幾何相似是指兩液力緩速器的循環(huán)圓形狀和流道相似，且相應(yīng)的循環(huán)圓形狀、循環(huán)圓直徑、葉片出入口半徑等尺寸成比例，相對應(yīng)的定轉(zhuǎn)子葉輪的傾角角度相等；運動相似是指兩液力緩速器中的介質(zhì)流動狀態(tài)相似，相應(yīng)點的速度方向相同大小成比例，即各相應(yīng)點上介質(zhì)質(zhì)點的速度三角形相似；動力相似是指兩液力緩速器葉輪內(nèi)介質(zhì)流各相應(yīng)點上作用同樣性質(zhì)的力，作用力的大小成比例且方向相同。

1.3 設(shè)計計算

根據(jù)第四相似定律：對于幾何相似的液力元件，在等傾角工況下，其制動力矩與幾何尺寸和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為[18]。

Te=λmρgn2D5

(3)

其中，Te為制動力矩(N·m)；λm為制動力矩系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)；g為重力加速度，取g=9.8N/m2；n為轉(zhuǎn)子葉輪轉(zhuǎn)速(r/min)；D為循環(huán)圓有效直徑(m)。液力緩速器油液介質(zhì)都選用殼牌SM 5W-40潤滑油，15℃時的密度為851kg/m3。

設(shè)THB40液力緩速器的循環(huán)圓有效直徑為Dd1=0.062m、循環(huán)圓大徑為Db1=0.242m、循環(huán)圓內(nèi)徑為Di1=0.18m，循環(huán)圓外徑為De1=0.304m，農(nóng)用運輸車用液力緩速器的循環(huán)圓有效直徑為Dd2、循環(huán)圓大徑為Db2、循環(huán)圓內(nèi)徑為Di2、循環(huán)圓外徑為De2。THB40液力緩速器在500r/min、滿充液(近似)和介質(zhì)溫度95℃工況時的制動力矩為2170.0N·m[19]。假定油液介質(zhì)密度不隨溫度變化，取851kg/m3，將相關(guān)的數(shù)據(jù)代入式(3)，算出λm=1.1361。根據(jù)式(2)計算的農(nóng)用運輸車用液力緩速器制動力矩139.31N·m及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速373r/min、油液介質(zhì)密度(取851kg/m3)及λm值，由式(3)得

(4)

由相似理論可知：農(nóng)用運輸車用液力緩速器和THB40液力緩速器的循環(huán)圓大徑、循環(huán)圓內(nèi)徑和循環(huán)圓外徑與循環(huán)圓有效直徑都是成比例的，即

(5)

將THB40的相應(yīng)參數(shù)值和式(4)結(jié)果代入后求得：Db2=0.141m，Di2=0.105m，De2=0.177m。同樣可以確定農(nóng)用運輸用液力緩速器的定轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)分別為20和25，進出油口數(shù)量與傾角與THB40相同，相關(guān)參數(shù)如表 3所示。

表3 農(nóng)用運輸車用液力緩速器技術(shù)參數(shù)

基于THB40液力緩速器定轉(zhuǎn)子葉輪的三維結(jié)構(gòu)圖和表3，使用Pro/E構(gòu)建農(nóng)用車用液力緩速器定轉(zhuǎn)子葉輪的三維圖，如圖2所示。

圖2 農(nóng)用運輸車用液力緩速器定轉(zhuǎn)子三維圖Fig.2 The 3-Dimentional Drawing of Hydraulic Retarder’s

Blades for Farm Transport

考慮到農(nóng)用運輸車變速器三軸式的結(jié)構(gòu)，為了安裝方便，將花鍵與轉(zhuǎn)子葉輪設(shè)計為一體式結(jié)構(gòu)。

2 仿真計算與分析

2.1 仿真計算

CFD計算基于ANSYS14.5平臺[20]，以定轉(zhuǎn)子工作腔為研究對象，進行相應(yīng)的簡化，抽取全流道計算流域，如圖 3所示。同時，設(shè)置為液相連續(xù)介質(zhì)模型，用SST-kω雙方程湍流模型[21-23]和Heat Transfer Total Energy熱量傳輸求解模型進行數(shù)值求解[24-25]。

圖 3 農(nóng)用運輸車用液力緩速器全流道仿真計算模型Fig.3 The Whole Passage Computational Model of Hydraulic

Retarder for Farm Transport

充液率設(shè)為100%，定轉(zhuǎn)子交界面設(shè)置為流體-流體交界面，耦合方式為GGI。SST-kω雙方程湍流模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下[26]：σk1=0.85，σω1=0.5，β1=0.075，γ1=0.553，σk2=1.0，σω2=0.856，β2=0.082 8，γ2=0.440，β*=0.09，κ=0.41，α1=0.31。介質(zhì)溫度95℃不變，油液介質(zhì)粘度、定壓比熱容和熱導(dǎo)率查表后分別設(shè)為0.013 06Pa·s、1 885J/kg·K、0.127W/m·K，密度按851kg/m3進行設(shè)置。液力緩速器特征長度l取其循環(huán)圓濕周直徑，即l=0.018m,故湍流的強度尺度L=0.002 126m。由湍粘度計算式(6)可以算出湍粘度μt[27]，則

ω=κ0.5/(Cmu0.25*L)

(6)

其中，μt為湍粘度；κ為湍動能，取κ=0.41；ω為比耗散率；Cmu為湍流模型計算系數(shù)，取Cmu=0.09；ρ為油液介質(zhì)的密度，取ρ=851kg/m3。

將以上的相關(guān)參數(shù)代入, 從350r/min開始CFD計算，然后每整百轉(zhuǎn)速(即300+100N，N=1,2,3，…)計算一次，直到1 000r/min。殘差設(shè)定當(dāng)所有變量的殘差值都小于10-3(即監(jiān)控縱坐標(biāo)中的1.0e-03)，且增加的求解目標(biāo)制動轉(zhuǎn)矩監(jiān)測值無限趨于某一值時就認為計算收斂。計算完成后，運用CFD-Post提取制動制動轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)。

2.2 計算結(jié)果分析

限于篇幅，選擇600r/min及900r/min兩種工況下的相關(guān)壓力場云圖進行分析，如圖 4所示。

圖 4 農(nóng)用運輸車用液力緩速器定輪流體交換面 壓力場云圖及壓力切分區(qū)域圖Fig.4 The Total Pressure Contour and ISO-Clip of

Hydraulic Retarder for Farm Transport

由圖4可以看出：液力緩速器工作過程中，由于轉(zhuǎn)子葉輪的轉(zhuǎn)動，在循環(huán)圓的中心區(qū)域位置形成低于控制氣壓壓力的負壓區(qū)域；工作介質(zhì)在壓縮空氣的作用下通過進油流道壓入定、轉(zhuǎn)輪工作腔內(nèi)，并由于負壓形成平衡性循環(huán)，直至停止制動控制氣壓降為0bar。這是液力緩速器能持續(xù)制動的關(guān)鍵因素，也是液力緩速器將進油口布置在負壓區(qū)域的原因。因為此種設(shè)計降低了循環(huán)進油阻力，節(jié)省壓縮空氣，這與THB40的內(nèi)流場分析結(jié)果是高度一致的[28]。由圖4(a)可以看出：600r/min時交界面總壓最大值為1.473e+06Pa，出現(xiàn)在流域邊緣的外側(cè)，最小值為-3.122e+05Pa，出現(xiàn)在流域靠近出油口位置。由圖4(b)可以看出：900r/min時交界面總壓最大值為4.861e+06Pa，出現(xiàn)在流域邊緣的外側(cè)，最小值為-9.980e+05Pa，出現(xiàn)在流域靠近出油口位置。這也說明，在滿充液和介質(zhì)溫度為95℃工況下緩速器內(nèi)流場的壓力是隨轉(zhuǎn)速的升高而增大的，轉(zhuǎn)速越高，壓力越大，制動力矩也越大。

制動力矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖 5所示。

圖 5 制動轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(100%充液率，介質(zhì)溫度95℃)Fig. 5 The relation curves between brake torque and filling ratio

with 100% filling ratio and 95℃ medium temperature

將轉(zhuǎn)速與制動轉(zhuǎn)矩進行曲線擬合，結(jié)果表明：二次多項式函數(shù)關(guān)系具有非常好的擬合優(yōu)度，擬合方程和判定系數(shù)如圖5所示(P<0.01)。由圖5可以看出：液力緩速器制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速在滿充液時呈二次多項式函數(shù)關(guān)系，制動轉(zhuǎn)矩值隨轉(zhuǎn)速升高增大，與轉(zhuǎn)速的平方成正比，這與用相似理論計算的結(jié)果是一致的。在375r/min時，制動力矩值為139.79 N·m ，大于農(nóng)用運輸車以20km/h下9%的坡度時的制動力矩139.31N·m，符合設(shè)計要求。

3 結(jié)論

1)基于相似理論，以現(xiàn)有成熟的THB40樣機為原型機設(shè)計的農(nóng)用運輸車用液力緩速器的CFD仿真計算表明：內(nèi)流場壓力云圖與ISO-clip云圖與原型機云圖幾何相似，壓力都是隨轉(zhuǎn)速升高增大，轉(zhuǎn)速越高，壓力越大。

2)CFD仿真計算顯示農(nóng)用運輸車用液力緩速器的制動力矩與轉(zhuǎn)速呈極顯著二次多項式函數(shù)關(guān)系，即制動轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)速值平方成正比，計算結(jié)果與相似理論計算結(jié)果一致。

3)基于相似理論，以現(xiàn)有成熟的樣機為原型機研究農(nóng)用運輸車用液力緩速器是可以嘗試采用的方法。CFD仿真計算表明：其制動力矩值符合農(nóng)用運輸車恒速制動的力矩要求。

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Design and Simulation Analysis of Hydraulic Retarder for Farm Transporter

Lai Jiansheng1,2, Li Changyou1, Ma Xingzao1, Fang Zhuangdong1

(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Guangdong Institute of Science and Technology, Zhuhai 519085, China )

In order to solve heat fade problems of farm transporter, this paper design a hydraulic retarder for farm transport vehicle by using similarity theory based on THB40 hydraulic retarder. The target value of design braking torque and the parameters of stator and rotor are confirmed after calculated, three-dimensional structure was constructed by using Pro/E, and the model was simulated on the CFX14.5 platform. The results show that the braking torque is in accordance with the design requirements, the characteristics of flow field are both the same as the THB40. The research results provide a reference for the design of hydraulic retarder of agricultural vehicle.

farm transporter; hydraulic retarder; similarity theory; braking torque; simulation calculation

2016-05-13

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20114404110021)

賴建生(1981-)，男，廣東河源人，博士研究生，(E-mail)jianshenglai@126.com。

李長友(1958-)，男，陜西蒲城人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)lichyx@scau.edu.cn。

S229；U463.53

A

1003-188X(2017)06-0255-05