地下運(yùn)礦車液力變矩器與柴油機(jī)匹配優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究

羅瑋佳，李必文，胡西云

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001)

1 引言

液力變矩器與柴油機(jī)參數(shù)匹配的合理性決定了地下鏟運(yùn)機(jī)及運(yùn)礦車的動力和經(jīng)濟(jì)性［1］。國外對此項技術(shù)封鎖保密，而國內(nèi)目前進(jìn)行匹配工作的手段較為原始:設(shè)計人員需要進(jìn)行大量繁復(fù)冗雜的手工計算和繪圖，匹配結(jié)果的合理性和可靠性依經(jīng)驗研判。通常匹配一型產(chǎn)品需時一周，如果要從多個方案中優(yōu)選，則設(shè)計周期一般需要一個月以上。研發(fā)能夠進(jìn)行自動設(shè)計計算、圖形輸出以及匹配合理性判斷的通用可視化程序［2］，不但可以提高效率設(shè)計、杜絕設(shè)計差錯，還可提升廠家對運(yùn)礦車市場的反應(yīng)速度、快速回復(fù)用戶匹配數(shù)據(jù)，產(chǎn)生現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)效益［3］。有基于此，本文就地下運(yùn)礦車液力變矩器與柴油機(jī)匹配優(yōu)化可視化程序研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 傳統(tǒng)的匹配方法和手段

2.1 傳統(tǒng)的變矩器與柴油機(jī)匹配計算路線

(1)在同一張圖上繪制柴油機(jī)凈功率狀態(tài)外特性曲線、各工況下的特性曲線和調(diào)速特性曲線、液力變矩器的輸入特性曲線(一般每簇有13～18條)，作為二者的共同工作輸入特性曲線，求得共同工作點(求取泵輪的轉(zhuǎn)速nBi與扭矩MBi)。

(2)計算共同工作特性曲線上各交點對應(yīng)的變矩器渦輪的輸出扭矩MT、轉(zhuǎn)速nT及功率NT，依此繪制變矩器的輸出特性曲線。

(3)計算運(yùn)礦車變速器各擋位對應(yīng)于nT的行駛速度v、對應(yīng)于v的車輪牽引力TE，依此繪制牽引特性曲線，進(jìn)行適用性分析。

(4)計算爬坡能力并繪制重載爬坡曲線，分析比較動力性能等。

2.2 傳統(tǒng)的匹配手段

(1)設(shè)計人員在充分收集各型柴油機(jī)凈功率狀態(tài)(或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))外特性曲線和各型液力變矩器輸入特性曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)資料和經(jīng)驗，初定變矩器與柴油機(jī)的組合方案。

(2)按上述匹配計算路線進(jìn)行手工計算和繪圖，并據(jù)經(jīng)驗研判匹配的合理性和可靠性。

(3)設(shè)計多個方案并從中優(yōu)選，或通過改變配置和特定設(shè)計，滿足用戶需求。

傳統(tǒng)匹配手段包括了描點繪圖、手工計算、經(jīng)驗研判和線圖法優(yōu)化，數(shù)據(jù)浩繁、計算量大、計算精度較低，要求設(shè)計人員有足夠的新品研發(fā)經(jīng)驗和拍板能力［4］。因此，研發(fā)集工程計算、自動繪圖、自動研判、過程及結(jié)果可視化、二次開發(fā)便捷的運(yùn)礦車液力變矩器與柴油機(jī)匹配優(yōu)化通用軟件就顯得十分必要，使一般設(shè)計人員也能承擔(dān)以往只有專家才能承擔(dān)的匹配優(yōu)化設(shè)計任務(wù)。

3 匹配優(yōu)化軟件的結(jié)構(gòu)層次與功能設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)層次

遵循模塊化設(shè)計的原理和方法，在分別建立柴油機(jī)與液力變矩器參數(shù)數(shù)據(jù)庫、給定匹配合理性判據(jù)的基礎(chǔ)上，用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系，完成工程計算、繪圖、研判和結(jié)果輸出。軟件基于Matlab GUI研發(fā)，圖1為其結(jié)構(gòu)層次圖。

圖1 匹配優(yōu)化軟件的結(jié)構(gòu)層次圖

3.2 軟件功能設(shè)計

(1)柴油機(jī)凈功率狀態(tài)外特性曲線、液力變矩器輸入特性曲線原始數(shù)據(jù)庫具有高可信度，便于查取、調(diào)用和運(yùn)算。柴油機(jī)的凈扭矩一般取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的94%。

(2)可偏移出各工況下的特性曲線、繪制調(diào)速特性曲線。

(3)自動求取與調(diào)用共同工作點的數(shù)據(jù)。

(4)自動求取變矩器輸出特性曲線的特征點數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線擬合。

(5)自動求取牽引特性曲線的特征點數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線擬合。

(6)自動獲取一擋重載最大牽引力下車輪的打滑速度，以作為驅(qū)動橋和輪邊減速器設(shè)計計算、強(qiáng)度校核的原始依據(jù)。

(7)自動求取重載爬坡曲線的特征點數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線擬合。

(8)主程序的動力性和經(jīng)濟(jì)性判據(jù)設(shè)置為:①變矩器與柴油機(jī)有共同工作點;②液力變矩器處于高效工作范圍，或在整個工作范圍內(nèi)獲得最高的平均輸出功率，最高效率時的負(fù)荷拋物線能在發(fā)動機(jī)最大功率標(biāo)定扭矩點附近通過;③液力變矩器高效范圍所對應(yīng)的共同工作轉(zhuǎn)速范圍較大，以利于提高工作機(jī)的適應(yīng)性;④變矩器渦輪最大輸出扭矩滿足起步性能要求，在低速比時的負(fù)荷拋物線能接近柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩點;⑤一擋起步最大爬坡角度達(dá)標(biāo)，柴油機(jī)不易熄火;⑥具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，共同工作的范圍處于柴油機(jī)比燃油消耗量最低值附近。

(9)具有簡單易用的交互式人機(jī)界面設(shè)計。

(10)保證輸出結(jié)果的完整性與設(shè)計的簡約化。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 柴油機(jī)凈功率狀態(tài)外特性曲線和變矩器輸入特性曲線的數(shù)學(xué)處理

筆者通過在紙質(zhì)文件上描點，或通過對電子文檔進(jìn)行圖形矢量化處理，得到柴油機(jī)凈功率狀態(tài)外特性曲線和液力變矩器輸入特性曲線的特征點數(shù)據(jù);再利用“TableCurve 2D曲線擬合與經(jīng)驗公式查找軟件”將特征點擬合為形式緊湊、可信度高的通用函數(shù)形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在此過程中，為保證擬合曲線的精度和適用性，除了考察其相關(guān)指數(shù)R2及剩余標(biāo)準(zhǔn)誤差σ，還應(yīng)綜合考察曲線的連續(xù)性、光滑性和保形性。以筆者的經(jīng)驗，一般情況下，對于柴油機(jī)凈功率狀態(tài)外特性曲線，以4次標(biāo)準(zhǔn)多項式擬合就可滿足上述要求，特殊情況可采用分段擬合曲線的形式來表達(dá)，其調(diào)速特性曲線的表達(dá)式則為直線方程;液力變矩器輸入特性曲線以3次標(biāo)準(zhǔn)多項式擬合即可滿足要求。這樣進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，不但解決了該類數(shù)據(jù)文件的表達(dá)、精度和傳遞問題，而且非常便于利用Matlab對聯(lián)立方程組進(jìn)行求解，以期獲得共同工作點的數(shù)據(jù)。最后以這兩類曲線數(shù)學(xué)模型的形式構(gòu)建柴油機(jī)和液力變矩器M文件形式的數(shù)據(jù)庫。

4.2 各工況下柴油機(jī)特性曲線數(shù)學(xué)模型的建立

不同工況變矩器的輸入扭矩是柴油機(jī)凈轉(zhuǎn)矩減去變速油泵、轉(zhuǎn)向油泵、工作油泵各種組合情況下消耗的扭矩，在已確定各油泵型號的條件下，通過人機(jī)對話的方式得到各工況下柴油機(jī)特性曲線的特征點數(shù)據(jù)，再通過上述方法得到擬合曲線及其4次標(biāo)準(zhǔn)多項式。由于是基于Matlab內(nèi)置的polyfit最小二乘法擬合功能，并未應(yīng)用到TableCurve 2D軟件，其擬合效果與精度未經(jīng)量化檢驗，故曲線精度可能會稍差。

在很多情況下，變速油泵、轉(zhuǎn)向油泵及工作油泵尚未選定型號規(guī)格，此時可根據(jù)經(jīng)驗計算:工況1(即變速油泵滿負(fù)荷工作、工作油泵與轉(zhuǎn)向油泵空載工況)時，按柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)外特性曲線所示扭矩的85%計算;工況4(即各油泵均滿負(fù)荷工況)時，則按30%。這種方式下，可利用TableCurve 2D軟件先行擬合曲線，這有助于快速設(shè)計。

4.3 共同工作點的求取方法

工況1下，求變矩器與柴油機(jī)的共同工作點(轉(zhuǎn)速nBi與扭矩MBi)，可分三種情況:①交點在工況1下的柴油機(jī)特性曲線上;②交點在工況1下的柴油機(jī)調(diào)速特性曲線上;③無交點?，F(xiàn)以求取調(diào)速特性曲線上交點為例，Matlab主程序形式為:

xa1=［v1a v1b］;%v1a、v1b為柴油機(jī)凈功率狀態(tài)調(diào)速特性曲線兩端點轉(zhuǎn)速值

ya1=［M1a M1b］;%M1a、M1b 為柴油機(jī)凈功率狀態(tài)調(diào)速特性曲線兩端點扭矩值

b=polyfit(xa1，ya1，1);%求柴油機(jī)凈功率狀態(tài)調(diào)速特性曲線直線方程系數(shù)向量

for i=1:n;%n為已賦值的變矩器輸入特性曲線的數(shù)量

bi=polyfit(xtb，yi，3);%xtb 為液力變矩器特征點轉(zhuǎn)速值向量，yi為第i條變矩器輸入曲線對應(yīng)于各轉(zhuǎn)速的扭矩值向量

btemp=［b1;b2;…;bn］;%btemp為擬合的液力變矩器輸入特性曲線3次標(biāo)準(zhǔn)多項式系數(shù)矩陣

Btemp=［0 0 b(1)b(2)-M1s］;%求柴油機(jī)工況1調(diào)速特性曲線直線方程系數(shù)向量，M1s為工況1下各泵消耗的扭矩，可交互式輸入，亦可按經(jīng)驗值

for ii=1:n

nBs=-Btemp+btemp(ii，:);% 聯(lián)立方程

nBtemp=roots(nBs);

nB(ii)=nBtemp(3);%求交點轉(zhuǎn)速

MB(ii)=polyval(b，nB(ii));%求交點扭矩

end

4.4 變矩器輸出特性曲線特征點數(shù)據(jù)的求取與曲線擬合方法

要得到變矩器輸出特性曲線，須求出變矩器渦輪的MT，nT，NT，為此需先行構(gòu)建液力變矩器的轉(zhuǎn)速比向量SR、SR對應(yīng)的變矩系數(shù)向量TR、SR對應(yīng)的效率值向量EFF的M文件形式的數(shù)據(jù)庫以備調(diào)用。Matlab主程序形式為:

MT=TR.*MB

nT=SR.*nB

NT=MT.*nT/9550

據(jù)經(jīng)驗，MT-nT曲線、NT-nT曲線、η(即 EFF)-nT曲線采用6次標(biāo)準(zhǔn)多項式擬合才能保證精度。

4.5 一擋重載最大牽引力下車輪打滑速度獲取方法

按公式計算出運(yùn)礦車變速器各擋位對應(yīng)于nT的行駛速度v、對應(yīng)于v的車輪牽引力TE，并采用6次標(biāo)準(zhǔn)多項式擬合出TE-v曲線，在同一張圖上繪制重載最大牽引力曲線、空載最大牽引力曲線，由此得到牽引特性曲線［5］。聯(lián)立一擋TE-v曲線和重載最大牽引力曲線方程，即可獲取一擋重載最大牽引力下車輪的打滑速度。

4.6 判據(jù)植入

根據(jù)現(xiàn)行的匹配合理性原則，結(jié)合筆者的經(jīng)驗以及用戶對整機(jī)性能的要求，按以下量化數(shù)據(jù)設(shè)置判據(jù)并植入主程序。

判據(jù)1:變矩器與柴油機(jī)是否有共同工作點(如無則直接返回，更改導(dǎo)輪直徑再試);

判據(jù)2:變矩器高效轉(zhuǎn)速dn=nT2/nT1是否大于1.8(高效工作范圍定義為效率高于75%，nT1、nT21分別為其中的最低、最高轉(zhuǎn)速);

判據(jù)3:高效動力 dmt=MT2/MT1是否大于2.5(MT1、MT2分別為其中渦輪輸出的最小、最大扭矩);

判據(jù)4:功率輸出系數(shù) φn=Ntav/Ne是否大于0.52(Ntav為全工作范圍平均輸出功率，Ne為柴油機(jī)額定功率);

判據(jù)5:高效區(qū)功率輸出系數(shù)φt=Nthav/Ne是否大于0.7(Nthav為高效區(qū)平均輸出功率);

判據(jù)6:一擋起步最大爬坡角度θ是否大于14°;

判據(jù)7:計算并顯示變矩器最大輸出扭矩MTmax作設(shè)計參考;

判據(jù)8:即柴油機(jī)是否易熄火。由于一般裝有全程調(diào)速器而不易熄火，故略去。

以判據(jù)1、2為例，將這些判據(jù)植入主程序中，程序形式為:

if～isempty(nBtemp)%判斷柴油機(jī)與液力變矩器曲線是否有交點

flag(1)=1;

else

flag(1)=0;

end

if flag==［1，1，1，1，1，1，1］

text(0，0.11，'柴油機(jī)與液力變矩器匹配合理'，'fontsize'，16，'color'，'b');

else

text(0，0.11，'柴油機(jī)與液力變矩器匹配不合理'，'fontsize'，16，'color'，'b');

tt_temp=find(flag==0);

for i=1:length(tt_temp)

switch tt_temp(i)

case 1

text(0，0.11*(i+1)，'柴油機(jī)與液力變矩器無共同工作點，更換導(dǎo)輪直徑'，'fontsize'，16，'color'，'b');

4.7 基于GUI的可視化設(shè)計

利用GUI內(nèi)置的圖形編程功能，在可視化程序界面上制作圖像窗口，包含的組件有:柴油機(jī)、液力變矩器的下拉菜單，輸出、刷新按鈕，以及柴油機(jī)與液力變矩器共同工作輸入特性曲線坐標(biāo)系。

利用GUI內(nèi)置的回調(diào)功能，調(diào)用Callback屬性值來執(zhí)行相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)［6-7］，如，調(diào)用柴油機(jī)和液力變矩器M文件，后臺計算并在圖像窗口的坐標(biāo)系上顯示兩者輸入特性曲線;調(diào)用line-cross子程序，計算、顯示兩者共同工作點的轉(zhuǎn)速、扭矩值;調(diào)用output子程序，計算、顯示變矩器渦輪輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率值以及運(yùn)礦車行使速度、車輪牽引力、爬坡動力值;繪制柴油機(jī)與液力變矩器輸出特性曲線圖、牽引曲線圖、重載爬坡曲線圖。顯示匹配合理性結(jié)果。

5 應(yīng)用實例

如對某20t地下自卸汽車進(jìn)行該項匹配設(shè)計，運(yùn)行可視化程序后，在下拉菜單中分別選擇柴油機(jī)、液力變矩器型號。當(dāng)F12L413FW型柴油機(jī)與C8502型液力變矩器相匹配時，共同工作輸入特性曲線如圖2(a)所示。點擊輸出按鈕后，共同工作輸出特性曲線、牽引曲線、重載爬坡曲線圖如圖2(b)所示，匹配合理性結(jié)論如圖4、圖5所示。

圖2 選擇柴油機(jī)型號

圖3 共同工作輸出曲線、牽引曲線、重載爬坡曲線圖

圖4 數(shù)據(jù)量化判據(jù)

圖5 綜合評判結(jié)果

6 結(jié)語

基于Matlab GUI研發(fā)了運(yùn)礦車液力變矩器與柴油機(jī)匹配優(yōu)化通用軟件，提出并系統(tǒng)地解決了軟件研發(fā)中的重點、難點問題，著重敘述了數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)處理、一擋重載最大牽引力下車輪打滑速度的獲取以及判據(jù)植入等關(guān)鍵技術(shù)，使軟件具有工程計算、自動繪圖、自動研判、過程及結(jié)果可視化的功能特點。此文的工作提升了匹配設(shè)計效率和匹配質(zhì)量，對應(yīng)用、二次開發(fā)該類軟件具有一定的理論價值和實際意義。

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