升高车发动机与液力变矩器功率匹配优化    澄海升高车出租, 澄海升高车租赁, 升高车租赁  液力变矩器广泛用于升高车的主传动上,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。本文在拟合升高车发动机与液力变矩器有关特性曲线的基础上,以升高车的动力性为目标,建立发动机与液力变矩器匹配的优化模型,优化升高车发动机与液力变矩器匹配性能。

    1特性曲线的拟合: 升高车通常以柴油机为动力源,其速度特性由外特性和调速特性组成。外特性曲线用多项式描述;调速特性曲线用直线描述。通常,液力变矩器原始特性数据是关于传动比i的函数。对于单级变矩器,可采用拟合方程[2]λ1V=A0+A1i+A2i2K=(B0+B1i+B2i2)/(A0+A1i+A2i2)Z=(B0i+B1i2+B2i3)/(A0+A1i+A2i2)  式中  λ1——泵轮力矩系数   V——工作液体的重度  Z——变矩器效率   K——变矩器变矩比Aj、Bj(j=0,1,2)  ——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。

       升高车的发动机一方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。如何进行液压和液力的功率分配是升高车设计首先要考虑的问题。              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,使升高车具有良好的动力性和经济性。

       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Me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M3,H为发动机额定工作点,A2为发动机全功率匹配额定工作点。  在图2中找到液力变矩器最高效率点E1(Z=Zmax,i=i*),求出对应的λ1V值(E2点)和K值(E3点)。过图1中A2作液力变矩器i=i*时的负荷抛物线A1A2,可求得全功率匹配液力变矩器的有效直径D1。当升高车处于运输工况时(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,升高车动力性最佳,经济性也比较好;但当升高车满载铲掘作业时,发动机的净转矩特性曲线变为M4,它们的交点为A1,可以看出此时A1点远远偏离理想工作点,此时升高车的动力性比较差,造成行走速度低,工作装置动作缓慢。

      部分功率匹配: 部分功率匹配是考虑扣除液压系统的最大扭矩,即用发动机外特性转矩Me减去变速油泵满载、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M4(见图1),该曲线C1点为发动机部分功率匹配的额定工作点,过C1点作液力变矩器i=i*的负荷抛物线C1C2,可求得全功率匹配液力变矩器的有效直径D2。这样当升高车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,升高车动力性最佳,经济性也比较好;但当升高车处于运输工况时,同理因为实际工作点偏离理想工作点,升高车的动力性比较差。

     折衷匹配方案:  折衷匹配方案即选择直径D,使得D1>D>D2。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。折衷匹配方案是目前广泛采用的方案,但D取多大则无定论,一般认为匹配点选择在比A2点转速大50r/min左右比较合适。3优化匹配3.1设计变量取设计变量为液力变矩器的有效循环圆直径D,即X=[D]=[x]。

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     目标函数对有效直径为D的液力变矩器,当i=i*时负荷抛物线为M1=λ1VD5n21。如图1中B1B2,当升高车运输作业时,负荷抛物线与M3曲线交点为B2;当升高车铲掘作业时,负荷抛物线与M4曲线交点为B1。显然可分别求得B1、B2点的转速和转矩,进而求得B1、B2点的功率。目标函数为maxf(X)=f(x)=f(D)=cnB1MB19549.3PC1+(1-c)nB2MB29549.    PC1、PA2——C1和A2点的功率,当已知发动机外特性和工作油泵参数时可求出c——系数,0<c<1。考虑到升高车绝大部分时间在装载作业,取c=0.8实际上,c值不同,有不同的优化结果,把c值分别取为0、0.4、0.6、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0,得到不同的输出特性,进而求得高效区涡轮平均输出功率,图中曲线P2=f(c)为上述P′2值和对应的c值(除c=0外)的三次拟合曲线。 P2峰值对应的c值为0.8,这说明目标函数中取c=0.8是合理的。 约束条件该优化问题为一维寻优,D的取值范围为D1>D>D2。4算例以ZL30型升高车为例,按上述方法优化柴油机和液力变矩器功率匹配。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。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均取为18点。

      发动机外特性和液力变矩器原始特性数据(1)发动机转速ne(r/min):。(2)发动机转矩 。(3)发动机耗油率ge(g/(kW·h))。(4)液力变矩器的传动比。(5)液力变矩器的变矩系数K:3。(6)液力变矩器的效率Z:0,0    。(7)液力变矩器的能容系数λ1V×10-4:95.7。(8)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:95.75×10-4,108.20×10-4,26.88×10-4,108.30×10-4。   (9)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、工作泵满载扭矩(N·m):10.40,3.37,53.89,8.6,254.4。4.2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1中Me,全功率匹配净转矩特性曲线M3,部分功率匹配净转矩特性曲线M4。液力变矩器的原始特性拟合曲线如图2。按全功率匹配计算,得出液力变矩器的有效直径D=0.3615m;按部分功率匹配计算,得出有效直径D=0.2786m。液力变矩器原匹配直径D=0.3359m。应用拟牛顿法,基于Matlab编程,得出优化的有效直径D=0.3286m。当i=i*=0.725时负荷抛物线如图1中曲线B1B2所示。5优化结果分析发动机额定转速为2250r/min,额定转矩为360N·m,额定功率为84.83kW。优化后(即当D=0.3286m时)发动机与液力变矩器共同工作的输入和输出特性如图4和图5所示。图5中高效区涡轮转速范围为n2min=1105.6r/min,n2max=2298.9r/min。图5中n1为泵轮转速、P2为涡轮轴输出功率、M2为涡轮轴输出扭矩。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。表中g′e指液力变矩器工作在高效区发动机的平均耗油率。考虑到全功率匹配(方案1)与实际要求相差较远,表1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。 

     通过以上计算和分析可知,优化匹配方案比部分功率匹配方案和全功率匹配方案在动力性、燃油经济性及满足实际工作要求方面有很大优势;传统的折衷匹配范围较大,匹配结果有很大的随意性。升高车原来的液力变矩器的有效工作直径比优化匹配方案大,原来的匹配虽然对运输工况有利,但升高车在铲掘作业时就显得液压功率不足,造成工作装置动作迟缓,影响了升高车的工作效率。优化匹配方案与升高车原来的匹配相比,减少了液力功率,增加了液压功率,但高效区平均总有效功率有所增加,高效区发动机的平均耗油率有所减少,优化匹配方案优于原匹配方案。http://www.diaochegongsi.com/

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