裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配優(yōu)化

于國(guó)紅，楊翰元，劉俊平，陳惠賢

（1.蘭州城市學(xué)院機(jī)械工程系，甘肅 蘭州 730070；2.金川機(jī)械制造公司，甘肅 金昌 737100；3.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

據(jù)有關(guān)資料顯示，裝載機(jī)液力變矩器傳動(dòng)效率僅為50%～70%［1］。因此，研究裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的匹配非常必要。以提高二者共同工作時(shí)的啟動(dòng)性能、功率利用率和燃油經(jīng)濟(jì)性為目的，建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過Matlab優(yōu)化工具箱fgoalattain函數(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，計(jì)算出液力變器有效循環(huán)圓直徑優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的最佳匹配。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)及液力變矩器特性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性分為外特性段和調(diào)速特性段，采用分段最小二乘法擬合［2］，曲線方程為：

Me為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；a0，a1，a2，b1，b2為待定系數(shù)；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

液力變矩器的負(fù)荷特性是反映在不同轉(zhuǎn)速比時(shí)，泵輪轉(zhuǎn)矩MB隨泵輪轉(zhuǎn)速nB的變化規(guī)律，其曲線方程為：

MB為泵輪轉(zhuǎn)矩；λB為變矩系數(shù)；ρ為變矩器工作油密度；g為重力加速度；D為有效循環(huán)圓直徑；，nB為泵輪轉(zhuǎn)速。

2 匹配方案確定

如何進(jìn)行液壓和液力的功率匹配是裝載機(jī)設(shè)計(jì)首先要考慮的問題，一般是希望發(fā)動(dòng)機(jī)在其額定點(diǎn)工作，液力變矩器工作在高效區(qū)，使裝載機(jī)具有良好的動(dòng)力性好經(jīng)濟(jì)性。工程車輛功率的匹配一般有3種方案：全功率匹配、部分功率匹配及折中匹配［3］。

部分功率匹配能使得裝載機(jī)處于滿載鏟掘作業(yè)時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處在額定工作點(diǎn)并發(fā)出最大功率，但裝載機(jī)動(dòng)力性能差，布置困難。

折中方案中，變矩器循環(huán)圓直徑的選取范圍過大，裝載機(jī)的運(yùn)輸工況、滿載鏟掘工況的動(dòng)力性都不能達(dá)到最佳。

裝載機(jī)在復(fù)合作業(yè)工況下，鏟斗是逐漸裝滿的，工作裝置油缸動(dòng)作次數(shù)多，負(fù)荷小。在轉(zhuǎn)斗和提升的過程中，油缸的壓力是變化的，其最大值只出現(xiàn)在某一瞬間。

圖1是JZ425裝載機(jī)滿斗時(shí)油缸壓力與舉升高度的關(guān)系曲線。圖2表示轉(zhuǎn)斗阻力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系?？梢?，工作裝置油泵也是在部分負(fù)荷情況下工作。所以，行走裝置和工作裝置的實(shí)際功率比按部分功率匹配方案算得的額定功率小很多。

此外，針對(duì)全功率匹配在復(fù)合作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可能下降造成輸出功率降低的問題，可以通過選用混合透穿的液力變矩器、適應(yīng)性系數(shù)大的發(fā)動(dòng)機(jī)、采用可以調(diào)節(jié)輸入變矩器功率的系統(tǒng)等方法進(jìn)行彌補(bǔ)。因此，按全功率匹配方法匹配能滿足復(fù)合作業(yè)工況的功率需要。

圖1 油缸油壓與舉升高度的關(guān)系

圖2 轉(zhuǎn)角阻力矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系

3 建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)變量

取液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑D為設(shè)計(jì)變量。

3.2 建立目標(biāo)函數(shù)

規(guī)定當(dāng)η≥75%時(shí)，為變矩器高效區(qū)，高效區(qū)對(duì)應(yīng)的最低輸出轉(zhuǎn)速為nT1，最大轉(zhuǎn)速為nT2。根據(jù)最佳匹配原則，建立目標(biāo)函數(shù)。

最大啟動(dòng)力矩目標(biāo)函數(shù)為：

動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)為：

經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)為：

MTmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈扭矩，M0為液力變矩器零工況輸入特性曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩特性曲線交點(diǎn)處扭矩；nTP為液力變矩器渦輪平均輸出轉(zhuǎn)速。

3.3 約束條件

與i0對(duì)應(yīng)的輸入特性曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線交點(diǎn)處的輸入轉(zhuǎn)速n0B應(yīng)滿足：0.5nH≤n0B≤nH。與i＊對(duì)應(yīng)的輸入特性曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線交點(diǎn)處的輸入轉(zhuǎn)速n＊，應(yīng)控制在額定轉(zhuǎn)速的10%以內(nèi)：0.9nH≤n＊≤1.1nH。根據(jù)nT=i×nB，取對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速nT為目標(biāo)函數(shù)的約束條件。i為液力變矩器傳動(dòng)比，i0為零工況時(shí)液力變矩器傳動(dòng)比，i＊為液力變矩器在高效區(qū)時(shí)的傳動(dòng)比，nH為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

4 實(shí)例分析

4.1 特性曲線擬合

以ZL30型裝載機(jī)為例，優(yōu)化柴油機(jī)和液力變矩器功率匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為84.83kW，額定轉(zhuǎn)速nH為2250r／min，將發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性數(shù)據(jù)扣除15%得到發(fā)動(dòng)機(jī)的凈外特性，其凈外特性數(shù)據(jù)如表1所示。變矩器原始特性數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)凈外特性數(shù)據(jù)

表2 變矩器原始特性數(shù)據(jù)

4.2 多目標(biāo)優(yōu)化匹配

將優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，然后運(yùn)用Matlab優(yōu)化工具箱fgoalattain函數(shù)求解可得優(yōu)化匹配的有效直徑d=317.5mm。將液力變矩器的輸入特性曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)的凈扭矩特性曲線，以相同的坐標(biāo)比例繪制在同一張圖上，即得發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸入特性曲線，如圖3所示。優(yōu)化后的共同輸出曲線如圖4所示。

圖3 優(yōu)化匹配的共同輸入特性曲線

圖4 共同工作輸出特性曲線

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化匹配的結(jié)果用以下參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)：最大啟動(dòng)力矩MTmax、變矩器高效區(qū)輸出轉(zhuǎn)速范圍dn、變矩器高效區(qū)輸出扭矩范圍dM、變矩器高效區(qū)平均輸出功率PTP、平均燃油率GTP［4］。在相似的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力條件下，利用傳統(tǒng)匹配的計(jì)算，全功率匹配液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑D1為361.5mm，部分功率匹配變矩器的有效循環(huán)圓直徑D2為278.6mm，折中方案液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑D3為335.9mm，評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 對(duì)比數(shù)據(jù)表

由表3可以看出，采用全功率匹配，并通過多目標(biāo)優(yōu)化匹配，選出的液力變矩器，使得液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性能有顯著改善。裝載機(jī)的起步性能，功率利用率都有較大提高，同時(shí)燃油率降低，提高了裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)裝載機(jī)的工作特點(diǎn)，分析了裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器采用全功率匹配方案的合理性，建立了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，提出優(yōu)化液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑的方法。通過實(shí)例匹配分析，證明了多目標(biāo)優(yōu)化匹配方法相比傳統(tǒng)方法的精確性，為裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的優(yōu)化匹配提供了理論依據(jù)。

［1］朱經(jīng)昌.液力變矩器的設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.

［2］焦生杰，余 亮.工程機(jī)械液力傳動(dòng)匹配的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，（21）：89-91.

［3］劉仕平，賀倩茹.ZL30裝載機(jī)功率匹配的優(yōu)化［J］.水利電力機(jī)械，1994，（8）：13-17.

［4］梁艷紅，呂新民，劉雪艷.發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（3）：132-134.