地下运矿车液力变矩器与柴油机匹配优化关键技术研究

罗玮佳，李必文，胡西云

(南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001)

1 引言

液力变矩器与柴油机参数匹配的合理性决定了地下铲运机及运矿车的动力和经济性［1］。国外对此项技术封锁保密，而国内目前进行匹配工作的手段较为原始:设计人员需要进行大量繁复冗杂的手工计算和绘图，匹配结果的合理性和可靠性依经验研判。通常匹配一型产品需时一周，如果要从多个方案中优选，则设计周期一般需要一个月以上。研发能够进行自动设计计算、图形输出以及匹配合理性判断的通用可视化程序［2］，不但可以提高效率设计、杜绝设计差错，还可提升厂家对运矿车市场的反应速度、快速回复用户匹配数据，产生现实的经济效益［3］。有基于此，本文就地下运矿车液力变矩器与柴油机匹配优化可视化程序研发的关键技术进行系统研究。

2 传统的匹配方法和手段

2.1 传统的变矩器与柴油机匹配计算路线

(1)在同一张图上绘制柴油机净功率状态外特性曲线、各工况下的特性曲线和调速特性曲线、液力变矩器的输入特性曲线(一般每簇有13～18条)，作为二者的共同工作输入特性曲线，求得共同工作点(求取泵轮的转速nBi与扭矩MBi)。

(2)计算共同工作特性曲线上各交点对应的变矩器涡轮的输出扭矩MT、转速nT及功率NT，依此绘制变矩器的输出特性曲线。

(3)计算运矿车变速器各挡位对应于nT的行驶速度v、对应于v的车轮牵引力TE，依此绘制牵引特性曲线，进行适用性分析。

(4)计算爬坡能力并绘制重载爬坡曲线，分析比较动力性能等。

2.2 传统的匹配手段

(1)设计人员在充分收集各型柴油机净功率状态(或标准状态)外特性曲线和各型液力变矩器输入特性曲线的基础上，根据文献资料和经验，初定变矩器与柴油机的组合方案。

(2)按上述匹配计算路线进行手工计算和绘图，并据经验研判匹配的合理性和可靠性。

(3)设计多个方案并从中优选，或通过改变配置和特定设计，满足用户需求。

传统匹配手段包括了描点绘图、手工计算、经验研判和线图法优化，数据浩繁、计算量大、计算精度较低，要求设计人员有足够的新品研发经验和拍板能力［4］。因此，研发集工程计算、自动绘图、自动研判、过程及结果可视化、二次开发便捷的运矿车液力变矩器与柴油机匹配优化通用软件就显得十分必要，使一般设计人员也能承担以往只有专家才能承担的匹配优化设计任务。

3 匹配优化软件的结构层次与功能设计

3.1 软件结构层次

遵循模块化设计的原理和方法，在分别建立柴油机与液力变矩器参数数据库、给定匹配合理性判据的基础上，用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系，完成工程计算、绘图、研判和结果输出。软件基于Matlab GUI研发，图1为其结构层次图。

图1 匹配优化软件的结构层次图

3.2 软件功能设计

(1)柴油机净功率状态外特性曲线、液力变矩器输入特性曲线原始数据库具有高可信度，便于查取、调用和运算。柴油机的净扭矩一般取标准状态的94%。

(2)可偏移出各工况下的特性曲线、绘制调速特性曲线。

(3)自动求取与调用共同工作点的数据。

(4)自动求取变矩器输出特性曲线的特征点数据并进行曲线拟合。

(5)自动求取牵引特性曲线的特征点数据并进行曲线拟合。

(6)自动获取一挡重载最大牵引力下车轮的打滑速度，以作为驱动桥和轮边减速器设计计算、强度校核的原始依据。

(7)自动求取重载爬坡曲线的特征点数据并进行曲线拟合。

(8)主程序的动力性和经济性判据设置为:①变矩器与柴油机有共同工作点;②液力变矩器处于高效工作范围，或在整个工作范围内获得最高的平均输出功率，最高效率时的负荷抛物线能在发动机最大功率标定扭矩点附近通过;③液力变矩器高效范围所对应的共同工作转速范围较大，以利于提高工作机的适应性;④变矩器涡轮最大输出扭矩满足起步性能要求，在低速比时的负荷抛物线能接近柴油机的最大转矩点;⑤一挡起步最大爬坡角度达标，柴油机不易熄火;⑥具有良好的燃油经济性，共同工作的范围处于柴油机比燃油消耗量最低值附近。

(9)具有简单易用的交互式人机界面设计。

(10)保证输出结果的完整性与设计的简约化。

4 关键技术研究

4.1 柴油机净功率状态外特性曲线和变矩器输入特性曲线的数学处理

笔者通过在纸质文件上描点，或通过对电子文档进行图形矢量化处理，得到柴油机净功率状态外特性曲线和液力变矩器输入特性曲线的特征点数据;再利用“TableCurve 2D曲线拟合与经验公式查找软件”将特征点拟合为形式紧凑、可信度高的通用函数形式的数学表达式，在此过程中，为保证拟合曲线的精度和适用性，除了考察其相关指数R2及剩余标准误差σ，还应综合考察曲线的连续性、光滑性和保形性。以笔者的经验，一般情况下，对于柴油机净功率状态外特性曲线，以4次标准多项式拟合就可满足上述要求，特殊情况可采用分段拟合曲线的形式来表达，其调速特性曲线的表达式则为直线方程;液力变矩器输入特性曲线以3次标准多项式拟合即可满足要求。这样进行数学处理，不但解决了该类数据文件的表达、精度和传递问题，而且非常便于利用Matlab对联立方程组进行求解，以期获得共同工作点的数据。最后以这两类曲线数学模型的形式构建柴油机和液力变矩器M文件形式的数据库。

4.2 各工况下柴油机特性曲线数学模型的建立

不同工况变矩器的输入扭矩是柴油机净转矩减去变速油泵、转向油泵、工作油泵各种组合情况下消耗的扭矩，在已确定各油泵型号的条件下，通过人机对话的方式得到各工况下柴油机特性曲线的特征点数据，再通过上述方法得到拟合曲线及其4次标准多项式。由于是基于Matlab内置的polyfit最小二乘法拟合功能，并未应用到TableCurve 2D软件，其拟合效果与精度未经量化检验，故曲线精度可能会稍差。

在很多情况下，变速油泵、转向油泵及工作油泵尚未选定型号规格，此时可根据经验计算:工况1(即变速油泵满负荷工作、工作油泵与转向油泵空载工况)时，按柴油机标准状态外特性曲线所示扭矩的85%计算;工况4(即各油泵均满负荷工况)时，则按30%。这种方式下，可利用TableCurve 2D软件先行拟合曲线，这有助于快速设计。

4.3 共同工作点的求取方法

工况1下，求变矩器与柴油机的共同工作点(转速nBi与扭矩MBi)，可分三种情况:①交点在工况1下的柴油机特性曲线上;②交点在工况1下的柴油机调速特性曲线上;③无交点。现以求取调速特性曲线上交点为例，Matlab主程序形式为:

xa1=［v1a v1b］;%v1a、v1b为柴油机净功率状态调速特性曲线两端点转速值

ya1=［M1a M1b］;%M1a、M1b 为柴油机净功率状态调速特性曲线两端点扭矩值

b=polyfit(xa1，ya1，1);%求柴油机净功率状态调速特性曲线直线方程系数向量

for i=1:n;%n为已赋值的变矩器输入特性曲线的数量

bi=polyfit(xtb，yi，3);%xtb 为液力变矩器特征点转速值向量，yi为第i条变矩器输入曲线对应于各转速的扭矩值向量

btemp=［b1;b2;…;bn］;%btemp为拟合的液力变矩器输入特性曲线3次标准多项式系数矩阵

Btemp=［0 0 b(1)b(2)-M1s］;%求柴油机工况1调速特性曲线直线方程系数向量，M1s为工况1下各泵消耗的扭矩，可交互式输入，亦可按经验值

for ii=1:n

nBs=-Btemp+btemp(ii，:);% 联立方程

nBtemp=roots(nBs);

nB(ii)=nBtemp(3);%求交点转速

MB(ii)=polyval(b，nB(ii));%求交点扭矩

end

4.4 变矩器输出特性曲线特征点数据的求取与曲线拟合方法

要得到变矩器输出特性曲线，须求出变矩器涡轮的MT，nT，NT，为此需先行构建液力变矩器的转速比向量SR、SR对应的变矩系数向量TR、SR对应的效率值向量EFF的M文件形式的数据库以备调用。Matlab主程序形式为:

MT=TR.*MB

nT=SR.*nB

NT=MT.*nT/9550

据经验，MT-nT曲线、NT-nT曲线、η(即 EFF)-nT曲线采用6次标准多项式拟合才能保证精度。

4.5 一挡重载最大牵引力下车轮打滑速度获取方法

按公式计算出运矿车变速器各挡位对应于nT的行驶速度v、对应于v的车轮牵引力TE，并采用6次标准多项式拟合出TE-v曲线，在同一张图上绘制重载最大牵引力曲线、空载最大牵引力曲线，由此得到牵引特性曲线［5］。联立一挡TE-v曲线和重载最大牵引力曲线方程，即可获取一挡重载最大牵引力下车轮的打滑速度。

4.6 判据植入

根据现行的匹配合理性原则，结合笔者的经验以及用户对整机性能的要求，按以下量化数据设置判据并植入主程序。

判据1:变矩器与柴油机是否有共同工作点(如无则直接返回，更改导轮直径再试);

判据2:变矩器高效转速dn=nT2/nT1是否大于1.8(高效工作范围定义为效率高于75%，nT1、nT21分别为其中的最低、最高转速);

判据3:高效动力 dmt=MT2/MT1是否大于2.5(MT1、MT2分别为其中涡轮输出的最小、最大扭矩);

判据4:功率输出系数 φn=Ntav/Ne是否大于0.52(Ntav为全工作范围平均输出功率，Ne为柴油机额定功率);

判据5:高效区功率输出系数φt=Nthav/Ne是否大于0.7(Nthav为高效区平均输出功率);

判据6:一挡起步最大爬坡角度θ是否大于14°;

判据7:计算并显示变矩器最大输出扭矩MTmax作设计参考;

判据8:即柴油机是否易熄火。由于一般装有全程调速器而不易熄火，故略去。

以判据1、2为例，将这些判据植入主程序中，程序形式为:

if～isempty(nBtemp)%判断柴油机与液力变矩器曲线是否有交点

flag(1)=1;

else

flag(1)=0;

end

if flag==［1，1，1，1，1，1，1］

text(0，0.11，'柴油机与液力变矩器匹配合理'，'fontsize'，16，'color'，'b');

else

text(0，0.11，'柴油机与液力变矩器匹配不合理'，'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)，'柴油机与液力变矩器无共同工作点，更换导轮直径'，'fontsize'，16，'color'，'b');

4.7 基于GUI的可视化设计

利用GUI内置的图形编程功能，在可视化程序界面上制作图像窗口，包含的组件有:柴油机、液力变矩器的下拉菜单，输出、刷新按钮，以及柴油机与液力变矩器共同工作输入特性曲线坐标系。

利用GUI内置的回调功能，调用Callback属性值来执行相应的回调函数［6-7］，如，调用柴油机和液力变矩器M文件，后台计算并在图像窗口的坐标系上显示两者输入特性曲线;调用line-cross子程序，计算、显示两者共同工作点的转速、扭矩值;调用output子程序，计算、显示变矩器涡轮输出扭矩、转速、功率值以及运矿车行使速度、车轮牵引力、爬坡动力值;绘制柴油机与液力变矩器输出特性曲线图、牵引曲线图、重载爬坡曲线图。显示匹配合理性结果。

5 应用实例

如对某20t地下自卸汽车进行该项匹配设计，运行可视化程序后，在下拉菜单中分别选择柴油机、液力变矩器型号。当F12L413FW型柴油机与C8502型液力变矩器相匹配时，共同工作输入特性曲线如图2(a)所示。点击输出按钮后，共同工作输出特性曲线、牵引曲线、重载爬坡曲线图如图2(b)所示，匹配合理性结论如图4、图5所示。

图2 选择柴油机型号

图3 共同工作输出曲线、牵引曲线、重载爬坡曲线图

图4 数据量化判据

图5 综合评判结果

6 结语

基于Matlab GUI研发了运矿车液力变矩器与柴油机匹配优化通用软件，提出并系统地解决了软件研发中的重点、难点问题，着重叙述了数据数学处理、一挡重载最大牵引力下车轮打滑速度的获取以及判据植入等关键技术，使软件具有工程计算、自动绘图、自动研判、过程及结果可视化的功能特点。此文的工作提升了匹配设计效率和匹配质量，对应用、二次开发该类软件具有一定的理论价值和实际意义。

［1］ 高梦熊.地下装载机:结构、设计与使用［M］.北京:冶金工业出版社，2002.

［2］ 何 芳，张锡杰，秦伟一.液力变矩器与发动机的匹配软件的开发［J］.柴油机，2004(4):22-25.

［3］ 周红全，殷琳，丁平芳.柴油机与液力变矩器合理匹配的新研究［J］.工程机械，2005(12):18-22.

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［5］ 马鹏飞.液力传动机械匹配及牵引计算的计算机辅助计算分析［J］.机械科学与技术，1998(3):394-396.

［6］ 陈垚光，毛涛涛.精通MATLAB GUI设计［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［7］ 王耀华.基于UG的液力变矩器三维建模与虚拟装配［J］.机械，2009(S1):58-59.