姚永玉, 黄桂琴, 冯先泽

(1.洛阳理工学院机械工程学院,河南 洛阳 471023; 2.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)

基于图形界面的挖掘机动力传动系统优化匹配

姚永玉1, 黄桂琴1, 冯先泽2

(1.洛阳理工学院机械工程学院,河南 洛阳 471023; 2.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)

在研究现代挖掘机动力传动系统的基础上,推导出发动机和液力传动系匹配的数学计算公式,建立一种工程上实用的匹配计算方法和优化目标评价参数,编制优化匹配计算程序,利用图形界面直观显示具体选型计算结果,帮助设计人员迅速找到更好的匹配设计方案,并用实例验证了该系统的实用性和正确性.

挖掘机; 动力匹配; 优化选型; 图形界面

当前,挖掘机动力传动系一般匹配液力机械传动,以获取较好的动力性和较高的对载荷变化的适应能力.在匹配其动力传动系时,若选择合适的共同工作点,则发动机的功率将能得到充分利用,但是,若动力匹配时液力变矩器的型号及其工作参数选择不当,则整机的动力性优点难以充分发挥,甚至导致燃料消耗增加及生产率降低[1-2].然而,反复的选型匹配过程不仅计算复杂,而且过程繁琐,本文在研究发动机和液力变矩器共同工作特性的基础上,建立起挖掘机发动机与液力变矩器的优化匹配数学模型,在考虑其经济性的同时,充分发挥动力性能,实现二者的优化匹配,并编制动力匹配优化程序,这不仅代替了原有的人工繁杂计算,大大提高了计算精度和计算效率,而且可以直观显示优化匹配的具体计算结果,帮助设计人员迅速找到更好的匹配设计方案,从而实现动力系统设备的正确选型.

1 建立发动机模型

柴油机输出转矩特性曲线由外特性段和调速特性段组成.外特性段可以近似以转速为变量的二次方程表示.调速特性段(从标定工况到最大转速点)近似为直线,可用以转速为变量的一次方程表示.对由实验得到的发动机外特性曲线上的若干离散点(ni,Mei)(i=1,2...)进行最小二乘法拟合求解得到发动机外特性段的数学表达式,以此为基础可以求解出调速特性段的数学方程.发动机的转矩特性方程表示为:

(1)

式中:Me为发动机转矩;n为发动机转速;neR为外特性曲线段与调速特性曲线段交点对应的发动机转速.

2 建立液力变矩器模型

单级单相液力变矩器的原始特性中转矩系数λB和转矩比K与转速比i的关系为高次方程[3],表示为方程(2).使用最小二乘法进行拟合计算,确定方程中的待定系数,即可得到液力变矩器的具体数学模型表达式.

(2)

式中:γ为工作液重度,γ=ρg;Ek，Fj为多项式系数;m,n为变矩器数学模型的阶数.

3 挖掘机发动机与动力传动系优化匹配

3.1 设计变量的选取

在已经确定变矩器的型式(λB，K确定)时,液力变矩器与挖掘机发动机直接相连,此时两者匹配问题就是合理确定出变矩器的循环圆直径D,即两者共同工作特性只受循环圆直径D影响,因此,将液力变矩器的有效循环园直径D确定为设计变量[1].

3.2 目标函数的建立

若按照以上描述的挖掘机动力传动系中二者的匹配原则,则需要进行多目标优化,在此采取加权求和的方法将多目标优化转化为单目标优化[2,4-5],提出优化的目标函数为:

(3)

3.3 约束条件的选取

该优化问题为一维寻优问题,根据挖掘机启动性能要求以及在i*(变矩器最大效率)工况下输入特性曲线与发动机外特性净扭矩特性曲线的交点的发动机转速要求,求得优化变量D的约束形式.

(4)

3.4 优化目标评价参数的建立

(1) 最大输出转矩:MTmax=MT(i=0),MT(i=0)对应于工况(转速比i=0)液力变矩器的输出扭矩.

(2) 高效转速范围:dm=nT2/nT1,nT1,nT2对应于液力变矩器高效范围(η≥0.75)上、下限的共同工作的涡轮轴转速.

4 可视化优化匹配计算程序的设计

前述挖掘机优化动力匹配问题计算量大、问题复杂,且计算过程相似,为避免设计人员的重复性工作,利用编程软件设计出可视化功能模块[6-7],使匹配计算简单、方便,提高了设计人员的工作效率.

4.1 程序编制总体思路

(1) 程序中的可视化曲线的绘制完全尊重事实计算,对发动机外特性曲线与液力变矩器原始特性曲线采用最小二乘法进行拟合,且可根据实际情况改变拟合次数.

(2) 将用于挖掘机传动系的发动机与液力变矩器数据存档,使程序能够随时调用,并且数据可以随时添加或删除.

(3) 对于各组数据原始数据数量不同的问题,程序采用自动获取数据数目的方式,并实现数据类型的转化,力求增大程序的通用性.

(4) 程序运行时,能够对由于输入数据或者操作的不正确进行适当的容错处理.

(5) 利用软件非常好的科学计算编程环境函数,程序界面的实现借助于软件提供的Graphical User Interface(GUI)开发环境,减小了程序的使用难度.

本程序中使用的是动态数据库,使用者可以直接使用程序内置的发动机与液力变矩器数据,也可以添加新的发动机与液力变矩器原始数据.在进行发动机与液力变矩器匹配计算或优化匹配时,可以选择一个型号的发动机与不同型号液力变矩器,或者不同型号的发动机与一个型号的液力变矩器进行匹配计算[7].

4.2 程序的使用

现以某厂挖掘机装备的N14-C315发动机与980C液力变矩器为例,阐述二者的可视化优化匹配计算过程,已知发动机最大空转转速为2 400 r·min-1.

启动软件,把软件的工作目录设置为程序的所在磁盘目录,然后在软件的命令行键入“akaishi”命令后回车,程序即可启动,如图1所示.

4.2.1 发动机特性拟合

进入发动机特性拟合界面(图2),发动机型号列表中列出已有的发动机数据的型号,如果数据库中没有所要使用的发动机型号,选中“添加型号”,然后单击“发动机特性拟合”按钮,输入发动机原始特性数据和拟合次数后,单击“数据拟合”按钮,程序将进行拟合计算,绘制曲线,并显示拟合误差,单击“保存数据”按钮,发动机拟合数据保存到数据库,并会在主界面发动机型号列表更新显示所添加的发动机型号.(删除已保存发动机的数据,需到主界面选中所要删除的发动机型号,单击“删除所选型号”,在确认删除之后,发动机数据将被删除).

图1 程序启动Fig.1 Start the program

图2 发动机外特性曲线拟合Fig.2 Engine performance curve fitting

4.2.2 液力变矩器特性拟合

本模块同样设置“添加型号”、“保存数据”以及“删除所选型号”功能,具体使用方法同发动机特性拟合制拟合曲线,这里不再重复,利用本文所选液力变矩器数据拟合后的特性曲线如图3所示,同样显示拟合误差.

图3 液力变矩器特性曲线拟合Fig.3 Torque converter characteristic curve fitting

4.2.3 匹配特性分析

在进入匹配分析分析之前,需要先在程序主界面同时选中已经保存拟合数据(数据库含有的型号)的发动机与液力变矩器,然后单击“匹配特性分析”按钮进入匹配特性分析界面,模块单击“求解共同工作点”按钮即可进行共同工作点的求解,单击“共同输入特性”即可求解发动机与液力变矩器共同工作输入特性.再单击“共同工作输出特性及评价”按钮即可计算共同工作点,并绘制共同工作输出特性曲线,计算匹配评价参数如图4所示.

图4 共同输出特性Fig.4 Common output characteristics

4.2.4 优化匹配

在程序主界面(如图1)同时选中已经保存拟合数据(数据库含有的型号)的发动机与液力变矩器,单击“优化匹配”按钮进入优化匹配界面,输入优化权重系数(用户可自定义输入优化权重系数,也可以使用程序提供的优化权重系数辅助设置功能,用户可以根据优化的侧重点不同选择优化权重系数的分配方案),如图6所示.本文取多目标权重分别为α1=0.05，α2=0.6，α3=0.05，α4=0.3,点击“开始优化”按钮,等待一段时间后,在该界面上显示出优化结果以及优化前后发动机与液力变矩器共同工作输出特性曲线的对比曲线,如图5所示.

图5 优化结果Fig.5 Optimization results

由图7可以看出,优化后,液力变矩循环圆有效直径从0.397 m优化为0.407 m,且后最大输出功率对应的转速点在液力变矩器的高效区内,并且基本与液力变矩器的效率最高时的转速相吻合,使挖掘机整机能够充分利用发动机的最大有效功率,从而获得较大的输出功率.与优化前的输出特性相比,发动机与液力变矩器最高效率和最高输出功率基本在挖掘机使用频率较高的1 500 r·min-1发动机转速上,提高了挖掘机正常使用的动力性能.

单击“共同输入特性对比”或“评价参数对比”,则分别直观显示出优化前后的共同输入特性对比曲线与匹配评价参数对比结果,如图6所示.

图6 优化前后匹配评价参数Fig.6 Evaluation parameters before and after the optimization

图6表明发动机与液力变矩器共同工作输出的最大扭矩由优化前的2 385.7 N·m提高到了优化后的2 599.7 N·m,提高了挖掘机对重载荷的适应能力,同时高效转速范围dm也有所提高,即发动机的最大扭矩对应的转速有所提高,适应了现代挖掘机高速重载工况需求.

图8同时表明发动机和液力变矩器的共同工作全范围与高效区平均功率分别由优化前的110.926 4 KW、153.855 1 KW提高到了119.028 7 KW、 166.331 KW,提高了挖掘机对发动机功率的利用率,从而提高了挖掘机的动力性;挖掘机在全工作范围内与高效区的平均燃油消耗率分别由优化前的218.7 g·kW-1·h-1、218.645 2 g·kW-1·h-1降至217.626 7 g·kW-1·h-1，216.541 8 g·kW-1·h-1,这在一定程度上又提高了挖掘机的燃油经济性.

5 结论

在对发动机和液力变矩器特性分析的基础上,以综合了挖掘机动力性、经济性和启动性能的指数为目标,对发动机与液力变矩器的匹配方案进行优化,并分析计算得到优化后的共同输入、输出特性.编制编制动力匹配优化程序,代替了原有的人工繁杂计算,提高了计算精度和计算效率,且可以直观显示优化匹配的具体计算结果,帮助设计人员迅速找到更好的匹配设计方案,且可以对数据进行添加保存.在对实际产品匹配优化算例中,挖掘机的最大输出功率对应的转速点在液力变矩器的高效区内,且高效区转速范围变大,同时在最大输出转矩变大的情况下,发动机的燃油消耗率稍有降低,提高了挖掘机的经济性,这也验证了本程序的正确性和可靠性,有一定的推广应用前景.

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Optimal matching on excavator power transmission system based on graphical interface

YAO Yong-yu1, HUANG Gui-qin1, FENG Xian-ze

(1.Department of Mechanical Engineering of Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023, China;2.School of Mechanical and Vehicle Engineering,Beijing Institute of Techology, Beijing 100081)

Based on the study on modern excavator power transmission systems, the mathematical formulae are first deduced to match the engine and hydraulic transmission system. Then, a matching calculation method, together with optimum objective evaluation parameters, is practically proposed. By completing the optimal matching programs, the option selection is conducted via graphical interface to assist designers in rapid design alternative matching. Finally, the practicality and correctness of this system are verified using examples.

excavator; power matching; optimal selection; graphical interface

姚永玉(1972-),女,副教授,工学硕士.E-mail:458934141@qq.com

文献标志码： A 文章编号： 1672-5581(2016)05-0440-05