楊清翔，代衛(wèi)衛(wèi)，朱殿瑞

（1．中煤華晉能源有限責任公司王家?guī)X煤礦，山西　運城　043300；2．太原重型機械集團有限公司軋鋼設備分公司，山西　太原　030024）

WC5E運輸車發(fā)動機與變矩器匹配方法的研究

楊清翔1，代衛(wèi)衛(wèi)1，朱殿瑞2

（1．中煤華晉能源有限責任公司王家?guī)X煤礦，山西運城043300；2．太原重型機械集團有限公司軋鋼設備分公司，山西太原030024）

摘要以礦井防爆運輸車的發(fā)動機與變矩器為研究對象，介紹了發(fā)動機與變矩器各自的特性，并對其進行了匹配計算，在對運輸車的牽引特性進行分析的基礎上，對運輸車傳動系統(tǒng)的特性進行了優(yōu)化分析。旨在為今后運輸車發(fā)動機與變矩器的匹配提供一定的技術依據(jù)。

關鍵詞發(fā)動機；變矩器；匹配計算；優(yōu)化分析

礦井防爆運輸車作為能夠在具有煤塵、瓦斯等爆炸性氣體環(huán)境中安全作業(yè)的主要運輸工具，對提高現(xiàn)代化礦井的生產效率起著關鍵的作用。運輸車的防爆發(fā)動機與液力變矩器能否最優(yōu)匹配，又最終決定著機械傳動車輛的整車動力性能及燃油特性的好壞，所以，本文從發(fā)動機與液力變矩器的匹配角度出發(fā)，進行了分析，并根據(jù)分析結果，對傳動系統(tǒng)特性進行了優(yōu)化，為今后這方面的研究提供一定的計算依據(jù)與技術幫助。

1　防爆車發(fā)動機與變矩器的固有特性分析

1．1防爆車的液力機械傳動系統(tǒng)組成

WC5E為四輪驅動鉸接式車輛，其液力機械傳動系統(tǒng)主要由防爆發(fā)動機、液力變矩器、動力換擋變速箱、傳動軸、中間過橋、驅動橋和輪胎等組成［1－2］。

1．2發(fā)動機的固有特性分析

WC5E車用防爆發(fā)動機油門全開時的速度特性曲線見圖1，該曲線由外特性曲線和調速特性曲線組成。依據(jù)發(fā)動機扭矩非調速區(qū)段變化較緩、調速區(qū)段變化劇烈的特點，對離散的實驗數(shù)據(jù)使用“轉矩梯度”判斷發(fā)動機額定工況，最后采用最小二乘法進行擬合。

圖1　防爆發(fā)動機速度特性曲線圖

防爆發(fā)動機與液力變矩器進行匹配時，考慮扣除相關附件和各種液壓泵等消耗的扭矩，則數(shù)據(jù)點i處的凈扭矩為：

式中：

Mei—試驗第i點防爆柴油機輸出扭矩，N·m；

∑Mfi—試驗第i點發(fā)動機附屬裝置輸出扭矩之和；

∑Mbi—試驗第i點各種液壓泵輸出扭矩之和。

最后，對各離散點的凈扭矩采用與防爆發(fā)動機速度特性曲線相同的方法，繪制出防爆發(fā)動機凈扭矩曲線，WC5E車用防爆發(fā)動機凈扭矩曲線見圖2。

圖2　防爆發(fā)動機凈扭矩曲線圖

1．3變矩器的固有特性分析

液力變矩器的原始特性反映泵輪轉矩系數(shù)λ、效率η、變矩系數(shù)K隨轉速比i的變化規(guī)律，即λ＝f（i）、η＝f（i）和K＝f（i）。國內液力變矩器生產廠家使用千轉力矩MBg代替泵輪轉矩系數(shù)λ表示液力變矩器的能容［3］。WC5E車采用的液力變矩器原始特性見圖3。

圖3　液力變矩器的原始特性圖

由圖3可知，該變矩器為單級三元件兩相式綜合式液力變矩器，在K＞1時，綜合式液力變矩器工作于變矩器工況；K＝1時，綜合式液力變矩器轉變?yōu)榕己掀鱽砉ぷ鳎?］。該變矩器的效率在高速比區(qū)可達87．8%～91．6%。

2　防爆車發(fā)動機與變矩器匹配計算及牽引特性

2．1發(fā)動機與變矩器匹配計算

2．1．1匹配原則

WC5E防爆柴油機無軌膠輪車作為煤礦井下運輸類車輛，匹配時須考慮以下原則［5］：

1）高效工作區(qū)盡量寬一些，有利于提高整車對各種工況的適應性。

2）變矩器的高效范圍處于發(fā)動機最大功率點附近。

3）共同工作范圍盡量處于發(fā)動機燃料消耗量的最低處，使車輛擁有良好的經濟性。

4）變矩器啟動工況（i＝0）對應轉矩比i0的負荷拋物線與發(fā)動機最大扭矩點Memax重合或接近。

5）轉換工況對應轉矩比iM的負荷拋物線應處于最大扭矩點和最大功率對應扭矩點的區(qū)間［Memax，Mpmax］內。

6）最高效率點ηmax對應轉矩比i*的負荷拋物線處于發(fā)動機最大功率對應的扭矩點Mpmax附近。

7）所有負載拋物線中與發(fā)動機凈力矩曲線的交點（即共同工作點），都處在熄火點以右。

2．1．2發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸入特性

共同工作輸入特性直接影響著整車性能指標的優(yōu)劣，其求解步驟如下［6］：

1）依據(jù)發(fā)動機外特性曲線初步確定液力變矩器的循環(huán)圓直徑及原始特性曲線。

2）根據(jù)實際工況、發(fā)動機外特性曲線和液力變矩器原始特性曲線確定防爆發(fā)動機與液力變矩器的匹配原則。

3）繪制防爆發(fā)動機與液力變矩器的共同輸入特性曲線，確定出共同工作區(qū)域。

4）依據(jù)選取的匹配原則，評價共同工作區(qū)域的合理性，若不合理需通過具體措施進行調整，直至共同工作區(qū)域與匹配原則相符。

5）重新繪制防爆發(fā)動機與液力變矩器的共同輸入特性曲線，確定共同工作區(qū)域，求解出二者的共同工作點數(shù)據(jù)列表。

針對WC5E無軌膠輪車的使用工況，設定匹配原則，同時考慮共同工作區(qū)域中啟動工況、轉換工況和極限工況等特殊工況點的要求。

2．1．3發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸出特性

依據(jù)輸入特性輸出的共同工作點的數(shù)據(jù)（nB，TB），以及各共同工作點對應變矩器速比i下的變矩比K和效率η。根據(jù)公式：nT＝inB，TT＝KTB和get＝ge／η，求出防爆發(fā)動機與液力變矩器的共同工作輸出特性數(shù)據(jù)，繪制共同工作的輸出特性。WC5E液力變矩器與防爆發(fā)動機共同工作的輸出特性見圖4。

圖4　發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸出特性曲線

2．2發(fā)動機與變矩器共同作用的牽引特性分析

依據(jù)防爆發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸出特性，繪制驅動力—行駛阻力平衡曲線，并求解出各檔最大牽引力和最高車速。WC5E井下無軌膠輪車的驅動力—行駛阻力平衡圖見圖5。

圖5　WC5E車驅動力—行駛阻力平衡圖

3　傳動系統(tǒng)特性優(yōu)化分析

在液力機械傳動系統(tǒng)設計完成后，通過匹配分析對元部件的各個參數(shù)進行重新優(yōu)化設計。通過改變某元部件的型式，實現(xiàn)性能的提高和優(yōu)化［7］。綜合式液力變矩器結構簡單，工作可靠，性能穩(wěn)定，效率一般可達87．8%～91．6%，而且由于有偶合器工況，因而在高速比區(qū)的效率很高，可達94．9%～98．1%，因此，在某些工程機械中得到了廣泛的應用。單相式液力變矩器原始特性曲線見圖6，綜合式液力變矩器原始特性曲線見圖7。

由圖6和圖7對比可知，綜合式液力變矩器兼有變矩器和偶合器兩者的優(yōu)點。

把上述兩種變矩器與同一個液力機械傳動系統(tǒng)進行匹配分析，得出的共同工作輸出特性曲線見圖8和圖9。

圖6　單相式液力變矩器原始特性曲線圖

圖7　綜合式液力變矩器原始特性曲線圖

圖8　單相式與機械傳動系統(tǒng)共同工作輸出特性曲線

圖9　綜合式與機械傳動系統(tǒng)共同工作輸出特性曲線

4　結　語

通過對整車的液力機械傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，整車起動力矩增加了25．43 N·m，最高車速提高了10．9%，液力變矩器的平均工作效率提高了0．035，整車高效區(qū)評價油耗降低了6．18%，百公里燃油油耗量降低了4．0 L。優(yōu)化后WC5E液力機械傳動系統(tǒng)動力更強勁、油耗更低，整車性能指標優(yōu)于國內其它同類產品。

參考文獻

［1］宋恩澤．WC5E液力機械傳動系統(tǒng)的匹配研究［J］．煤礦機械，2011，32（10）：83－85．

［2］陳永峰，劉杰，王彥清，等．WC5E型防爆膠輪車全液壓制動系統(tǒng)設計研究［J］．煤礦機械，2010，31（03）：26－28．

［3］嚴鵬，吳光強．液力變矩器性能分析［J］．同濟大學學報，2004，32（11）：1504－1507．

［4］閆國軍，董泳，張輝，等．液力變矩器及其控制系統(tǒng)動特性研究［J］．機械工程學報，2002，38（02）：65－68．

［5］葛玉萍，鄭蘭霞．液力變矩器與發(fā)動機的合理匹配分析研究［J］．邵陽學院學報，2004，01（03）：65－67．

［6］蔣波，呂其惠．裝載機中的發(fā)動機與液力變矩器的匹配特性分析［J］．廣東交通職業(yè)技術學院學報，2003（4）：33－34．

［7］常綠，王國強，唐新星，等．裝載機發(fā)動機與液力變矩器功率匹配優(yōu)化［J］．農業(yè)機械學報，2006（11）：28－31．

中圖分類號：TD525

文獻標識碼：A

文章編號：1672－0652（2014）01－0032－04

收稿日期：2013－11－18

作者簡介：楊清翔（1980—），男，河南新野人，2008年畢業(yè)于遼寧工程技術大學，碩士研究生，工程師，主要從事煤礦技術管理方面的工作（E－mail）zhudianrui110＠163．com

Research on Matching Method of WC5E Transporter Engine and Torque Converter

Yang Qing－xiang，Dai Wei－wei，Zhu Dian－rui

AbstractTakes mine explosion－proof transporter engine and torque converter as the research object，introduces the respective features of engine and torque converter，then carries outmatching calculation．On the basis of analyzing the transporter traction characteristics，optimizes and analyzes the characteristics of transporter transmission system．It provides the technical basis for matching transporter engine and torque converter．

Key wordsEngine；Torque converter；Matching calculation；Optimized analysis