農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器全流道數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

孔凡靜

摘 要 為給農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器的研究提供參考，以福伊特VR120液力緩速器為研究對(duì)象，通過(guò)三維掃描還原建立液力緩速器幾何模型，采用將流道模型全部選取出來(lái)的全流道仿真計(jì)算方法，在ANSYS14.5平臺(tái)上，采用SIMPLEC算法和RNG 模型對(duì)液力緩速器進(jìn)行全流道數(shù)值計(jì)算。結(jié)果顯示在500r/min～1200r/min轉(zhuǎn)速下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與相同轉(zhuǎn)速下在工況試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)得到制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)一致，誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了全流道仿真計(jì)算方法可作為農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器有效的研究方法。

關(guān)鍵詞 農(nóng)用運(yùn)輸車 液力緩速器 全流道 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ANSYS

中圖分類號(hào)：U463.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.013

Whole-flow-passage Numerical Simulation and Experimental

Validation of Farm Transporter's Hydraulic Retarder

KONG Fanjing

（Zhuhai Polytechnic Vocational and Technical School， Zhuhai， Guangdong 519090）

Abstract In order to provide reference for the study of farm transporter's hydraulic retarder， take the VOITH VR120 hydraulic retarder as the research object， restore the geometry of VR120 by 3D scanner， use ANSYS14.5 to simulate the whole-flow-passage of hydraulic retarder based on the full flow path model，， mature RNG model and SIMPLEC algorithm. The results show that the braking-torque under the velocity from 500r/min to 1200r/min has the same trend between whole-flow-passage simulation and bench test， the error less than 10%. It verified that the simulation analysis of hydraulic retarder is feasible and effective for the study of farm transporter's hydraulic retarder.

Keywords farm transporter； hydraulic retarder； whole-flow-passage； braking-torque； ANSYS

農(nóng)用運(yùn)輸車是目前農(nóng)村主要的貨物運(yùn)輸工具之一，由于我國(guó)農(nóng)村道路一般為縣級(jí)以下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別的道路，路面坡度較大且彎多路小，農(nóng)用運(yùn)輸車常在超載超速下運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)主制動(dòng)器熱衰退嚴(yán)重，影響行車安全。裝備輔助制動(dòng)系統(tǒng)是解決農(nóng)用運(yùn)輸車制動(dòng)安全問(wèn)題較為現(xiàn)實(shí)的方法。液力緩速器因其具有制動(dòng)力大、性能穩(wěn)定、熱衰退效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)，是輔助制動(dòng)裝備較為理想的選擇。但目前尚未有針對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車的液力緩速器，相關(guān)研究文獻(xiàn)僅有華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的吳偉斌和賴建生[1]的論文。

為此，本文以福伊特VR120液力緩速器研究對(duì)象，借助3D掃描還原設(shè)備，采用將流道模型全部選取出來(lái)的全流道仿真計(jì)算方法，在ANSYS14.5平臺(tái)上，以RNG 模型作為湍流計(jì)算模型[2]和SIMPLEC算法作為數(shù)值計(jì)算算法對(duì)液力緩速器進(jìn)行全流道數(shù)值計(jì)算；然后利用在搭建好的試驗(yàn)臺(tái)架上，按照數(shù)值計(jì)算時(shí)的工況條件進(jìn)行液力緩速器制動(dòng)特性臺(tái)架試驗(yàn)，將試驗(yàn)測(cè)量的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證全流道數(shù)值計(jì)算方法的可行性，從而為農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器的研究提供借鑒。

1 模型構(gòu)建

本文以裝配60kW發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)車速小于70km/h的某款農(nóng)用運(yùn)輸車為應(yīng)用研究對(duì)象（其參數(shù)如表1所示），根據(jù)相關(guān)計(jì)算，在500r/min轉(zhuǎn)速下持續(xù)穩(wěn)定制動(dòng)需要1400 N m的制動(dòng)力矩。[3]據(jù)此，比較國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品后選擇在1000r/min工況下制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)2000N m的德國(guó)福伊特VR120液力緩速器作為參考對(duì)象進(jìn)行研究。

為了準(zhǔn)確獲得VR120液力緩速器的幾何結(jié)構(gòu)模型，采用OKIO-V-1000三維掃描還原儀為主的掃描還原系統(tǒng)對(duì)定、轉(zhuǎn)子葉輪、殼體零件、換熱芯子等的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描還原，還原后的定、轉(zhuǎn)子葉輪結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出VR120液力緩速器的定、轉(zhuǎn)子葉輪有效直徑、循環(huán)圓直徑分別為300mm、62mm，葉片均為傾角45暗鬧幣鍍？

從圖1可以看出VR120液力緩速器定子葉輪上設(shè)計(jì)有作為工作腔介質(zhì)入口的槽式葉片，不規(guī)則對(duì)稱的進(jìn)、出油孔。槽式葉片的寬度比無(wú)槽葉片的寬度大1到1.5倍，定子葉輪和轉(zhuǎn)子葉輪葉片數(shù)目也不同，這決定了流場(chǎng)是非對(duì)稱的復(fù)雜流場(chǎng)，所以數(shù)值計(jì)算時(shí)須采用有別于傳統(tǒng)單流道模型的全流道模型才能更加準(zhǔn)確反映液力緩速器實(shí)際的工作狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果才更貼近實(shí)際。[4]

在Pro/E中重構(gòu)VR120三維模型并封閉進(jìn)出口后抽取了全流道模型，如圖2所示。在WORKBENCH平臺(tái)上對(duì)抽取的全流道模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗筮M(jìn)行網(wǎng)格劃分。

液力緩速器流道是非周期對(duì)稱的，故用自適應(yīng)的多面體網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并用SKEW進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明網(wǎng)格優(yōu)良率達(dá)到85%以上，滿足數(shù)值計(jì)算的要求。[5]

2 數(shù)值模擬計(jì)算

對(duì)劃分好網(wǎng)格的模型輸入到CFX進(jìn)行數(shù)值計(jì)算?？紤]到計(jì)算機(jī)軟硬件的實(shí)際，選用較為成熟的RNG 模型和SIMPLEC算法，并在設(shè)定好邊界條件后（見(jiàn)表2）對(duì)VR120網(wǎng)格化的模型進(jìn)行全流道仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)為了準(zhǔn)確判斷收斂采用了殘差與轉(zhuǎn)子葉輪轉(zhuǎn)矩雙重指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。[6]

仿真計(jì)算的殘差監(jiān)測(cè)結(jié)果表明運(yùn)算是收斂的。為使研究更具有意義，選取有代表性的3個(gè)工況轉(zhuǎn)速點(diǎn)（500r/min、700r/min和1200r/min）的定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面進(jìn)行分析，接觸面的壓力云圖與壓值區(qū)分圖如圖3所示。

從圖3的上半部分可以看出，三種不同轉(zhuǎn)速工況下的定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面壓力均呈現(xiàn)中間小兩邊大的分布態(tài)勢(shì)，壓力從中心位置開(kāi)始向兩側(cè)邊緣逐漸增大，接觸面中間位置壓力都小于進(jìn)口的初始?jí)毫?.5MPa，從而形成了真空。其中接觸面右上側(cè)的中間部分壓力最小，從500r/min工況時(shí)的120284Pa下降到700r/min工況時(shí)的-1.996e+005Pa再下降到1200r/min工況時(shí)的-1.729e+006Pa，顯然真空度是隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大的。接觸面右下側(cè)的邊緣是壓力的極大值區(qū)域，從500r/min工況時(shí)的1.180e+006Pa上升到700r/min工況時(shí)的1.792e+006Pa再升到1200r/min工況時(shí)的3.754e+006Pa，即隨著轉(zhuǎn)速的升高而接觸面邊緣壓力急劇增大。這意味著布置在定子葉輪中間的進(jìn)油孔因?yàn)橛姓婵斩鹊拇嬖谑沟霉ぷ鹘橘|(zhì)能迅速通過(guò)進(jìn)油孔充入工作腔，確保了液力緩速器的正常工作及其響應(yīng)速度；與此同時(shí)定子葉輪中間的出油孔在液力緩速器接到停止工作指令使比例閥泄壓后能在邊緣高壓的驅(qū)動(dòng)下迅速將工作介質(zhì)排出工作腔，實(shí)現(xiàn)了液力緩速器工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換。這是液力緩速器能持續(xù)、穩(wěn)定和有效工作的關(guān)鍵因素。

為了更清楚展示液力緩速器定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面負(fù)壓區(qū)的情況，運(yùn)用ANSYS Workbench的 ISO-Clip對(duì)接觸面進(jìn)行云圖區(qū)域切分，結(jié)果如圖3下半部分所示。從圖中可以清楚地看出三種轉(zhuǎn)速工況下的接觸面中間部分均存在明顯的負(fù)壓區(qū)（圖中灰色區(qū)域），這和壓力云圖的分析結(jié)果是一致的。

為了更直觀顯示液力緩速器的制動(dòng)效果，運(yùn)用ANSYS Workbench下的CFD-Post的轉(zhuǎn)矩計(jì)算功能（Function Calculator-Torque）計(jì)算出各轉(zhuǎn)速工況下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并利用Excel的X-Y散點(diǎn)圖將制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速擬合成如圖4所示的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。

從圖4可以看出隨著轉(zhuǎn)速的升高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之增大，近似于線性的關(guān)系。液力緩速器當(dāng)轉(zhuǎn)速小于900r/min時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高增大的幅度較轉(zhuǎn)速大于900r/min時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高增大的幅度小。為了更直觀反映制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，利用Excel自帶的曲線擬合功能擬合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖后得到制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈二次方正相關(guān)關(guān)系的關(guān)系式，具體見(jiàn)式（1），擬合式的相關(guān)系數(shù)R2 =0.9902即P<0.01，表明擬合關(guān)系式是可靠和可信的。

（1）

3 制動(dòng)特性的臺(tái)架驗(yàn)證

為確定CFD計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用搭建的電機(jī)工況試驗(yàn)臺(tái)架以相同的轉(zhuǎn)速工況對(duì)VR120液力緩速器進(jìn)行制動(dòng)特性試驗(yàn)。整個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)包含研華工控機(jī)、湘儀控制柜、50kW的三相異步電動(dòng)機(jī)、湘儀轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x和冷卻塔等裝置，具體設(shè)備及參數(shù)如表3所示。

將臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值與相同轉(zhuǎn)速工況下數(shù)值計(jì)算的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值匯集在Excel表中，同樣利用Excel的X-Y散點(diǎn)圖功能將臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性曲線和數(shù)值計(jì)算的制動(dòng)特性曲線整合在一起，如圖5所示。

圖5顯示相同轉(zhuǎn)速工況下VR120制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果雖然有誤差，但最大絕對(duì)誤差只有9.35%，且兩者隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)是基本一致的。與傳統(tǒng)的單流道的數(shù)值計(jì)算方法相對(duì)精度提高了10.7%。[7]這說(shuō)明全流道數(shù)值計(jì)算的結(jié)果能滿足開(kāi)展液力緩速器研究的要求，可以借鑒這種方法開(kāi)展農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器的研究工作。在后續(xù)的研究中可以對(duì)邊界條件、數(shù)值計(jì)算的模型、算法進(jìn)行更多的探討，結(jié)合農(nóng)用運(yùn)輸車經(jīng)濟(jì)性敏感的特點(diǎn)，借助已有的成熟的液力緩速器進(jìn)行研究、消化、改進(jìn)，設(shè)計(jì)出價(jià)格合適、性能穩(wěn)定的農(nóng)用運(yùn)輸車用的液力緩速器是可行的。

4 結(jié)論

（1）借助現(xiàn)有成熟的液力緩速器產(chǎn)品開(kāi)展農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器的應(yīng)用研究工作是可行的，具有較大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)前景。

（2）液力緩速器的結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用全流道式數(shù)值計(jì)算的方法比單流道的數(shù)值計(jì)算方法更加貼近實(shí)際，結(jié)果準(zhǔn)確度可提高10%左右。因此可以采用全流道式的數(shù)值計(jì)算方法開(kāi)展農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器的研究工作。

（3）液力緩速器定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面存在的負(fù)壓區(qū)對(duì)液力緩速器的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，后續(xù)農(nóng)用運(yùn)輸車液力緩速器的設(shè)計(jì)中也要考慮如何利用負(fù)壓區(qū)進(jìn)行進(jìn)出油口的設(shè)計(jì)布局工作。

（4）液力緩速器的數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件要求較高，受幾何模型、流道形式、湍流計(jì)算模型、算法等因素的影響，且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)這些因素的分析研究要細(xì)致認(rèn)真。

參考文獻(xiàn)

[1] 賴建生，李長(zhǎng)友，馬興灶，方壯東.農(nóng)用運(yùn)輸車用液力緩速器的設(shè)計(jì)與仿真分析.農(nóng)機(jī)化研究，2017（6）：255-259.

[2] 饒銀，李長(zhǎng)友，黃俊剛.液力緩速器雙向流固耦合研究.機(jī)床與液壓，2015（1）：116-122.

[3] 廖勁威，吳偉斌，馮運(yùn)琳，許棚搏.基于山地果園運(yùn)輸車的液力緩速器設(shè)計(jì)與仿真.農(nóng)機(jī)化研究，2016（8）：82-86.

[4] 趙旭飛.車用液力緩速器耦合場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文，2013.

[5] 孔令興，魏巍，閆清東.液力緩速器關(guān)鍵工作參數(shù)全流道數(shù)值模擬研究.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（3）：111-116.

[6] 黃俊剛.液力緩速器關(guān)鍵技術(shù)研究與樣機(jī)開(kāi)發(fā).華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士論文，2013.

[7] 呂金賀，褚亞旭，王月.循環(huán)圓對(duì)液力緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響分析.北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：557-560.