装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化

1、!""#年$月农业机械学报第%&卷第$期HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化常绿王国强唐新星李春然杨涛摘要)装载机发动机与液力变矩器之间的匹配对各自性能的发挥及整机牵引特性均有重要的影响*在拟合(装载机发动机与液力变矩器有关特性曲线的基础上+以装载机的动力性为目标+建立发动机与液力变矩器匹配的优化模型+优化装载机发动机与液力变矩器的功率匹配+给出了算例并分析了优化结果*关键词,装载机发动机液力变矩器功率匹配优化中图分类号,-/%0-!

2、.!.$文献标识码,1G23456578459:9;<9=>?84AB5:C9:D9?EF>A9:H>?4>?=54BI5>J>KL:C5:>9?MB>>KN98O>?PQRSTUV$WRSTXYZRST-RSTSSTUPQYS_RS$!RST-RZ!a$bbb+zb|cdedfgfdhijkdlm!noifmpfqriphmsptodfijmujvwxyvlJ4?8A4!Z"#_$R%&QSTZS%Z_Y#&ZS(#_%#_"%Q)#*#+#STS#,Z_"Q#+ZR)#_QR*$

3、-Z_%RS%b-S,+Y#S&#ZS#R&Q,Y+-+R.ST-#_,Z_$RS&#RS)"Q#+ZR)#_,Y+-+R.ST-#_,Z_$RS&#Q#$Z)#+b0+SYZ,/Z%Q)#*#+#STS#RS)%Z_Y#&ZS(#_%#_,Z_"Q#+ZR)#_*-_#*#S%#)S%Q*$Z)#+$#_&R+R-_Z$R%ZSZ,*Z$#&QR_R&%#_*%&*Z,)#*#+#STS#RS)%Z_Y#&ZS(#_%#_*&R_#)ZY%/.%Q#+Rb1S#$#%QZ)Z,+#R*

4、%*YR_#S)"Q#+ZR)#_-Z"#_&QR_R&%#_*%&R_#%R1#SR*Z/2#&%R$-+#*bT(#SR+*Z+5+-+!+6-3>4=9?OJUZR)#_*#+#STS#Z_Y#&ZS(#_%#_Z"#_$R%&QST%$7R%ZS引言液力变矩器广泛用于装载机的主传动上+发动机与液力变矩器组合构成一种复合动力装置+输出特性的好坏并不单纯取决于发动机或液力变矩器自身的性能+两者之间匹配是否合理对各自性能的发挥及整机牵引特性均有重要的影响*本文在拟合装载机发动机与液力变矩器有关特性曲线的基础上

5、+以装载机的动力性为目标+建立发动机与液力变矩器匹配的优化模型+优化装载机发动机与液力变矩器匹配性能*;特性曲线的拟合装载机通常以柴油机为动力源+其速度特性由调速特性曲线用直线描述*拟合方法见文献<$=*!=的函数*对于单级变矩器+可采用拟合方程<!A"BA$BA!>?dd$!BDBD|EaBA!|CaDddA"BA$dd"$!%!BDBD|EaBA!|aFDdddA"BA$dd"$!式中>GG泵轮力矩系数$外特性和调速特性组成*外特性曲线用多项式描述0通常+液力变矩器原始特性数据是关于传动比dGG工作液体的重度?收稿日

6、期,!"""!#项目编号,江苏省高校自然科学研究计划项目a"#/""!#|9:5常绿吉林大学机械科学与工程学院吉林大学机械科学与工程学院吉林大学机械科学与工程学院沈阳重型机械集团有限责任公司沈阳重型机械集团有限责任公司博士生教授博士生高级工程师+$""!8沈阳市高级工程师副教授a淮阴工学院|+$%""!8长春市博士生导师王国强唐新星李春然杨涛第,期常绿等l装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化-e""变矩器效率!#""变矩器变矩比&()*+,+-.&

7、quot;"拟合系数%$%发动机与液力变矩器共同工作输入特性的曲线拟合以及发动机与液力变矩器共同工作输出特性曲线的拟合方法见文献/-01转向油泵空载&工作装置油泵满载扭矩+得到部分功率匹配净转矩特性曲线5X(见图,该曲线Y.+,点为发动机部分功率匹配的额定工作点+过Y,点作液力S的负荷抛物线Y变矩器R可求得全功率匹配)R+Y,-液力变矩器的有效直径V-1这样当装载机处于满载铲掘作业时+发动机在额定点工作并发出最大功率+变矩器效率最高+装载机动力性最佳+经济性也比较好W但当装载机处于运输工况时+同理因为实际工作点偏离理想工作点+装载机的动力性比较差12匹配方法装载机的发动机一方

8、面驱动液力变矩器为行走装置提供动力+另一方面驱动液压油泵为工作装置提供动力以及为转向和变速操作提供动力1如何进行液压和液力的功率分配是装载机设计首先要考虑的问题1一般希望发动机在其额定点工作+液力变矩器在高效区工作+使装载机具有良好的动力性和经济性1234全功率匹配全功率匹配是考虑扣除液压系统的最小扭矩+即用发动机外特性转矩56减去变速油泵满载&转向油泵和工作装置油泵空载扭矩+得全功率匹配净转矩特性曲线57(如图,所示.+8为发动机额定工作点+$-为发动机全功率匹配额定工作点1图,发动机功率匹配方案9:;<,=>?A:B;CDE>?:FBGA:HID?JDDBDB;:

9、BD>BK?FCLMDFBNDC?DC在图-中找到液力变矩器最高效率点O,(!)!P>Q+R)RS.+求出对应的T,U值(O-点.和#值(O7点.1过图,中$-作液力变矩器R)RS时的负荷抛物线$,$-+可求得全功率匹配液力变矩器的有效直径V,1当装载机处于运输工况时(工作装置不工作.+发动机在额定工作点工作+变矩器效率最高+装载机动力性最佳+经济性也比较好W但当装载机满载铲掘作业时+发动机的净转矩特性曲线变为5X+它们的交点为$,+可以看出此时$,点远远偏离理想工作点+此时装载机的动力性比较差+造成行走速度低+工作装置动作缓慢1232部分功率匹配部分功率匹配是考虑扣除液压系统的最

10、大扭矩+即用发动机外特性转矩56减去变速油泵满载&图-液力变矩器原始特性拟合曲线9:;<-ZA>C>?DC:G?:MCNDF?FCLMDFBNDC?DC23折衷匹配方案折衷匹配方案即选择直径V+使得V,VV-1这样运输工况和铲掘工况的动力性虽然都不是最佳但也都不是最差1折衷匹配方案是目前广泛采用的方案+但V取多大则无定论+一般认为匹配点选择在比$-点转速大*C_P:B左右比较合适1优化匹配34设计变量取设计变量为液力变矩器的有效循环圆直径V+即)/V0)/a0132目标函数对有效直径为V的液力变矩器+当R)RS时负荷抛物线为5,)T,UVb-,1如图,中,-+当装载机

11、运输作业时+负荷抛物线与57曲线交点为-W当装载机铲掘作业时+负荷抛物线与5X曲线交点为,1显然可分别求得,&-点的转速和转矩+进而求得,&-点的功率1目标函数为P>Qc(.)c(a.)c(V.)b,5,b-5-eXe37fYg(,hd,eXe37f$-式中fY,&f$-""Y,和$-点的功率+当已知发动机外特性和工作油泵参数时可求出d""系数+*idi,1考虑到装载机绝大部分时间在装载作业/7jX0+取d)*3k实际上+d值不同+有不同的优化结果+把d值分0!农业机械学报.!%年别取为!"!#$"!#%

12、"!#&"!#&"!#("!#("!#)"!#)"得到不同的输出特性+进而求得高效区涡轮平*#!+均输出功率,见图0中散点1图中曲线,-/+23/14.值和对应的4值/除4的三次拟合曲为上述,2!外1-.线5从图0可以看出+值为!这说#(+,.峰值对应的4明目标函数中取42!#(是合理的5*#*.0+*#!(0+*#!$+*#!&+!#)$*+!#(%*+!#&&.+!#&*+!#005/%1液力变矩器的效率Q!+!#%!0+!#%$(+!#&!+!#&%+!#

13、&(%+!#(!.+!#(*+!#(*0+!#(*$+!#0()5!#(*0+!#(*.+!#(!%+!#&)&+!#&(0+!#&!+!#&.+_$/&1液力变矩器的能容系数Q)#&+*!*)&#*+*!#!&+*!(#*+*!(#0!+*!(#0!+*!(#0!+*!(#0!+*!(#0!+*!(#.!+*!(#*+*!(#*+*!(#!*+图04值和,-.对应关系图67890:;<=>7?A4=B,-.C#C约束条件该优化问题为一维寻优+D的取值范围为D*EDED.5F算例以GH0!型装载机为例+

14、按上述方法优化柴油机和液力变矩器功率匹配5原始数据包括发动机外特性数据"液力变矩器原始特性数据和各个油泵不同工况下的扭矩5考虑到计算精度和计算速度+发动机外特性数据和液力变矩器原始特性数据IJ均取为*(点5F#K发动机外特性和液力变矩器原始特性数据/*1发动机转速LM/NOP71Q*.).+*0&+*!+*%.+*&!+*(&+.!+.*.+.*(&+.!+.(!+.0!&+.0.&+.0%0+.$!+.$0&+.$.+.!5/.1发动机转矩RM/STP1Q$!#!+$!#!+$!#!+$!#!+0)#!+0)!#!+0(!#!

15、+0&!#!+0%#!+0%!#!+0!#!+00#!+0.!#!+.()#!+.$!#!+*&&#!+*0!#!+!#!5/01发动机耗油率UM/8O/VWTX11Q.0&#!+.0.#!+.%#!+.0#!+.0#!+.$#!+.#!+.&#!+.&#!+.&#!+.(#!+.)#!+.0!#!+.0.#)+.0$#!+.$*9!+.$#!+.#!5/$1液力变矩器的传动比YQ!+!#.(+!#0*.+!#$&.+!#!.+!#!+!#%!+!#%.+!#&!0+!#&.+!#&*+!#&&am

16、p;&+!#(!+!#($&+!#)!)+!#)&.+*#!*+*#*%!5/1液力变矩器的变矩系数ZQ0#!%*+.#*&+*#)(%+*#)!+*#.$+*#$0*+*#0.+*#.$+*#*%+*!&#)*+*!%#$+*!#*%+*!.#(*+.%#(5/(1制动工况能容系数"最高效率工况能容系数"最大传动比能容系数"最大能容系数Q)#&*!_$+*!(#.!*!_$+.%#(*!_$+*!(#0!*!_$5/)1换挡泵扭矩"转向泵空载扭矩"转向泵满载扭矩"工作泵空载扭矩&quo

17、t;工作泵满载扭矩/STP1Q*!#$!+0#0&+0#()+(#%+.$#$5F#曲线拟合和优化结果按前述曲线拟合方法+拟合出的发动机外特性曲线如图*中RM+全功率匹配净转矩特性曲线R0+部分功率匹配净转矩特性曲线R$5液力变矩器的原始特性拟合曲线如图.5按全功率匹配计算+得出液力变矩器的有效直径D2!#0%*Pa按部分功率匹配计算+得出有效直径D2!#.&(%P5液力变矩器原匹配直径D2!#00)P5应用拟牛顿法+基于b=><=c编程+得出优化的有效直径D2!#0.(%P5当Y2Yd2!#&.时负荷抛物线如图*中曲线e*e.所示5f优化结果分析发动机额定

18、转速为.!NOP7+额定转矩为0%!STP+额定功率为($#(0VW5优化后/即当D2!#0.(%P时1发动机与液力变矩器共同工作的输入和输出特性如图$和图所示5图中高效区涡轮转速范围为L.P72*!#%NOP7+L.P=g2.)(#)NOP75图中L*为泵轮转速",.为涡轮轴输出功率"R.为涡轮轴输出扭矩5把$种匹配方案的仿真结果列于表*5表*中方案*"方案."方案0和方案$分别对应全功率匹配方案"部分功率匹配方案"优化前原匹配方案和优化匹配方案5表中U-M指液力变矩器工作在高效区发动机的平均耗油率5考虑到全功率匹配/方案*1与实际

19、要求相差较远/图*1+表*中没有计算高效区涡轮平均输出功率及相应的发动机平均耗油率5第YY期常绿等l装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化表D几种匹配方案的比较0DHEFGIJKLJMFNOIOLNPJFQPGRSTFRQLKULTIJMFPOVWNX比较项目直径#Z+输出功率ZA_(dY耗油率Zb",/A_c7aY方案Y方案(方案方案!%&*YB%&()*%&B%&()*(Y&(!(&!(&*(&)(!&(&Y(图!优化后共同工作输入特性"&()*+,#$%0!1-./23456789865:9;<:2/.2:82=5;9>4:&()*+,6;2?:95:9;9A.2/5;/:57: