液力變矩器仿生葉片壓降性能試驗

袁哲，劉春寶，岳利維，楊化龍

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院， 吉林 長春 130022； 2.杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311203； 3.吉林省體育局 冬季競技運(yùn)動保障中心， 吉林 長春130000 )

0 引言

液力變矩器是被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械等機(jī)械中的一種非常重要的液力傳動元件.傳統(tǒng)的三元件液力變矩器主要由泵輪、渦輪及導(dǎo)輪組成.近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新型液力變矩器相繼出現(xiàn)，如雙渦輪液力變矩器、雙泵輪液力變矩器、導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器等[1-3].為了進(jìn)一步提高液力變矩器的性能，近年來國內(nèi)眾多研究者對液力變矩器的葉片參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化.例如：鄭恒玉分析了葉片數(shù)及進(jìn)出口角對液力變矩器性能的影響，其所得結(jié)果可為變矩器的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)[4]；閆清東等選取液力變矩器的入口角作為參數(shù)，并基于存檔的小種群移傳算法優(yōu)化了液力變矩器的性能[5]；石祥鐘等研究了液流角與葉片安放角間的關(guān)系，探討了兩級渦輪葉片安放角的優(yōu)化方案，并優(yōu)化了YJSW315雙渦輪液力變矩器的性能[6].

2016年，劉春寶等將仿生學(xué)應(yīng)用于葉片設(shè)計當(dāng)中，并利用CFD計算證明了仿生葉片的減阻效果優(yōu)于光滑葉片[7-8].為了驗證CFD數(shù)值計算的正確性，通常需要通過搭建試驗臺進(jìn)行壓降性能試驗;但若單獨(dú)為每個葉珊方案設(shè)計一套模具來制造樣機(jī)并進(jìn)行試驗，不僅耗時，而且成本巨大.為此，本文研究團(tuán)隊自主研制了一種葉輪機(jī)械壓降性能試驗臺，并通過壓降性能測試驗證了其有效性.

1 試驗內(nèi)容

1.1 液力變矩器仿生葉片的設(shè)計

液力變矩器的仿生葉片是根據(jù)自然界中生物表面的超疏水及低黏附特性進(jìn)行設(shè)計的，其目的是通過減阻增效來提高液力變矩器的效率.

1.2 液力變矩器仿生葉片的制造

利用數(shù)控機(jī)床等設(shè)備對設(shè)計出的液力變矩器仿生葉片進(jìn)行加工，并進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)處理，最終完成仿生葉片的制造.

1.3 液力變矩器壓降性能的試驗

利用流體機(jī)械壓降性能試驗臺對制造出的液力變矩器仿生葉片進(jìn)行壓降性能測試，以此證明仿生葉片的減阻性能優(yōu)于光滑葉片.

2 試驗設(shè)備

自主研制的液力變矩器壓降性能測試的試驗臺如圖1所示.試驗臺主要由電機(jī)、齒輪泵、密封艙、控制閥、油箱、壓力傳感器、流量傳感器、計算機(jī)等設(shè)備組成.密封艙為試驗臺的核心部件，測試前先將仿生葉片固定在密封艙內(nèi)的螺桿上，封閉后再進(jìn)行測試.在密封艙的進(jìn)出口處各放置一個壓力傳感器和流量傳感器，分別用以測量壓強(qiáng)和流量.控制閥和變頻器控制的電機(jī)用來調(diào)節(jié)管路的流量和壓強(qiáng)，壓強(qiáng)值與流量值可在計算機(jī)中讀出.由于此試驗臺選用的流量傳感器精度較高，因此為了延長傳感器的使用壽命，本設(shè)計在油箱中加入了過濾器，以此過濾油液中的雜質(zhì).齒輪泵在電機(jī)的帶動下，將油液抽入到管路當(dāng)中，形成封閉的循環(huán)管路.

3 試驗流程

本文的試驗流程如圖2所示，具體表述如下：

1)仿生設(shè)計液力變矩器的光滑葉片，得到仿生葉片；

2)機(jī)械加工設(shè)計得到的仿生葉片，得到試驗樣件；

3)對光滑葉片和仿生葉片進(jìn)行壓降性能對比試驗；

4)采集試驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析.如果仿生葉片的減阻性能低于光滑葉片的減阻性能，則需重新設(shè)計仿生葉片，直至其減阻性能優(yōu)于光滑葉片.

5)整理試驗數(shù)據(jù)，撰寫測試報告.

4 試驗操作步驟

4.1 仿生葉片的設(shè)計

1)仿植物葉片表面特性的葉片設(shè)計.研究表明，許多植物都具有良好的超疏水結(jié)構(gòu)[9].東北地區(qū)常見的狗尾草的葉子呈線狀披針形，葉片扁平，且葉片表面分布著有規(guī)律的棱槽結(jié)構(gòu).利用接觸角測量儀測量其葉片表面的接觸角和滾動角得知，其接觸角大于150°，滾動角小于10°.由此結(jié)果表明，狗尾草葉片表面也具有優(yōu)良的超疏水特性.因此，本文通過仿建狗尾草葉片上的棱槽結(jié)構(gòu)并將其布置在液力變矩器光滑葉片中能量損失較大的區(qū)域，用以減少液力變矩器內(nèi)部由于回流、渦旋等原因造成的液流損失，進(jìn)而提高變矩器的效率.

2)仿動物皮膚表面特性的葉片設(shè)計.經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，海豹皮膚表面分布著近似于L型的溝槽結(jié)構(gòu)，可以起到優(yōu)良的減阻效果，進(jìn)而可使海豹在水中快速游動.另外，通過CFD數(shù)值計算得知，L型溝槽的仿生葉片的減阻率優(yōu)于V型溝槽仿生葉片.因此，本文選擇L型溝槽的仿生葉片作為仿動物皮膚表面特性的設(shè)計方案.

4.2 液力變矩器仿生葉片的制造

為減小試驗誤差，需對設(shè)計好的液力變矩器仿生葉片進(jìn)行精細(xì)加工，以使制造出來的樣件盡可能與設(shè)計方案相一致.制造仿生葉片的主要步驟如下：

1)利用數(shù)控機(jī)床制造出未經(jīng)改進(jìn)的光滑葉片；

2)利用線切割機(jī)床在光滑葉片表面的相應(yīng)區(qū)域構(gòu)建仿生微結(jié)構(gòu)；

3)利用超聲波清洗機(jī)對加工的仿生葉片進(jìn)行化學(xué)清洗；

4)將清洗后的仿生葉片放入干燥箱中干燥，干燥后即得加工樣件.

4.3 液力變矩器壓降性能的試驗

利用本文自制的葉輪機(jī)械壓降性能試驗臺對仿生葉片樣件和光滑葉片樣件進(jìn)行性能測試和對比.壓降測試的試驗步驟如下：

1)按照圖1所示的結(jié)構(gòu)搭建用于測試的試驗臺，并保證各個元器件都能正常使用.

2)搭建好試驗臺后，將密封艙上蓋密封(此時不將液力變矩器葉片放入倉內(nèi)).

3)打開電源后，電機(jī)帶動齒輪泵開始工作(齒輪泵將油箱中的液壓油抽入到管路中，并使整個管路逐漸充滿油液，形成一個循環(huán)回路).油管充油一段時間后，將密封艙蓋上端的閥門打開，排出氣體.當(dāng)閥門氣孔處有油液均勻溢出時(表明此時密封艙已經(jīng)為全充液狀態(tài))關(guān)閉密封艙上蓋的閥門.采集數(shù)據(jù)時，利用計算機(jī)讀出密封艙兩端的油壓值，由此計算所得的差值即為壓降值.按此方法測試多組壓降值后，將平均值作為試驗數(shù)據(jù)的修正值.

4)得到修正的數(shù)據(jù)后，關(guān)閉電源，打開密封艙上蓋，將仿生葉片固定在上蓋下端的螺桿上，并調(diào)整好角度后放入密封艙中.密封好密封艙的上蓋后，接通電源，利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時通過調(diào)節(jié)管路中的控制閥改變密封艙兩端油液的流量，并記錄不同工況下的油壓.

5)關(guān)閉電源，將密封艙內(nèi)固定的仿生葉片換為光滑葉片，其擺放角度與仿生葉片的擺放角度相同.在此基礎(chǔ)上，測量不同工況下密封艙兩側(cè)的油壓，并記錄.

6)通過計算采集的數(shù)據(jù)得到液力變矩器仿生葉片和光滑葉片的壓降值，然后據(jù)此計算仿生葉片的減阻率.

5 結(jié)論

為了提高液力變矩器的性能，將仿生學(xué)思想融入到變矩器的葉片設(shè)計當(dāng)中，并利用自制的葉輪機(jī)械壓降性能試驗臺對液力變矩器光滑葉片和仿動物皮膚表面特性葉片的壓降性能進(jìn)行了對比.研究表明，不同工況下仿動物皮膚表面特性的葉片均具有不同程度的減阻效果，其中最大減阻率為8.98%.另外，通過CFD計算仿生葉片的壓降值顯示，該壓降值與試驗結(jié)果的誤差小于5%，由此說明CFD計算具有良好的可靠性.對仿植物葉片表面特性的葉片進(jìn)行CFD計算顯示，仿植物葉片表面特性的葉片的減阻率也優(yōu)于光滑葉片的減阻率.因此，本文方法對提高液力變矩器的效率和縮短變矩器的設(shè)計周期具有很好的參考價值.除此，本試驗方法還可應(yīng)用于仿生學(xué)課程和液力傳動課程的實驗教學(xué)，且有助于提高實驗教學(xué)質(zhì)量和降低試驗成本.