廖劲威，吴伟斌,b，冯运琳，许棚搏

(华南农业大学 a.工程学院；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州　510642)



基于山地果园运输车的液力缓速器设计与仿真

廖劲威a，吴伟斌a,b，冯运琳a，许棚搏a

(华南农业大学 a.工程学院；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642)

摘要：我国南方果园种植区多为丘陵山地，如柑橘果园种植地70%为丘陵。在坡陡弯多的道路地形中，持续下长坡的路况对运输车的制动效能提出了更高的要求，连续制动导致主制动器热衰退严重，威胁着行车安全。因此，研究适用于农用运输车的辅助制动器，提高制动安全性十分必要。以华南农业大学自主研发的果园轻简化轮式运输车为研究对象，设计适用于运输车的辅助制动装置—液力缓速器。根据运输车的参数和要求，采用相似设计理论计算新样机参数；利用SolidWorks软件对液力缓速器转子和定子进行三维建模；利用MatLab/Simulink软件对加装液力缓速器的运输车进行制动效能仿真和分析。仿真结果表明：在坡路上使用缓速器，制动时间减少12.7%，制动距离减少17.4%。

关键词：山地果园运输车；液力缓速器；SolidWorks；MatLab

0引言

我国农业生产水平的提高推动了农业运输机械化的发展，尤其在丘陵山地坡陡弯多的道路地形，要求农用车必须具备足够的持续制动能力以确保下长坡时的制动安全[1]；但如果仅使用主制动器持续制动，容易导致主制动器热衰退严重，影响行车安全[2]。历年农机事故数据表明：因制动不良造成的农机事故约占农机事故总数的50%，给国家、集体和家庭都带来了巨大的损失。以柑橘为例的中国果园种植区，栽培区域仅限于亚热带地区，主要为15°左右的红壤土丘陵坡地，对行走的运输车制动性提出了更高的要求。缓速器在山地果园运输上的研究有利于降低汽车行车制动装置的制动次数和时间，减轻驾驶者疲劳程度，提高丘陵山地间的作业效率和运输安全性。

为此，本文设计了一种适用于山地果园轮式运输机的辅助制动装置，通过建立联合制动模型，并进行仿真分析，确保性能的可靠性及对运输车的适用性。液力缓速器是一种耗能减速的制动元件，利用转子和定子间的工作腔液体流动对转子叶片冲击产生阻碍力矩，并使转子动能转化为油液的热能，再通过循环冷却方式散发出去，实现动能到热能的能量转换从而减速制动[3]。

1设计原理

1.1　技术路线

本文以华南农业大学工程学院自主研发的山地果园轻简化轮式运输机作为研究对象[4](运输机参数如表1所示)，设计一款适用的辅助制动装置—液力缓速器，并对其进行建模，最后再进行制动效能的仿真。本文的主要研究内容如下：

1)利用相似设计理论进行液力缓速器的主要结构参数设计。本文首先对已经成熟应用在重型车辆和客车上的液力缓速器进行分析；然后根据山地果园轮式运输机的参数与要求，利用相似设计理论，设计出轮式运输机适用的液力缓速器的转子、定子的结构参数。

2)建立液力缓速器的转子和定子的三维模型。利用SolidWorks 软件，根据已设计出的转子、定子的结构参数，进行三维建模。

3)制动效能进行仿真与分析。利用Matlab/Simulink 软件，对运输车加装液力缓速器前后的制动效能的仿真试验，并根据所得结果进行分析。

1.2　利用相似设计理论相似设计

相似设计方法是液力元件设计的一种重要方法，其主要理论依据是相似原理[5]。在相似系统设计的基础上, 将具有相似特性的机械产品及零/部件, 运用相似设计方法和相似工艺与装备, 对相似单元进行生产制造[6]。研究表明:一个性能优良的液力耦合器在进行相似设计时，当新设计样机泵轮转速不超过原液力耦合器泵轮转速的40%时，则设计的误差范围控制在2%~3%之间，精确度能满足设计要求。

表1　山地果园运输机主要参数

2设计及计算

2.1　原样机的选择

本设计以深圳特尔佳公司生产的THB-40型液力缓速器为原样机(参数如表2)，具有尺寸小、质量轻、缓速力矩大及可长时间制动等特点。样机质量为88kg，工作腔容积为9L；当转速n=740r/min时，最大制动转矩可达4 000N·m；采用密度为ρ=860kg/m3的长城金吉星J600半合成机油为液压油，运动粘度v=14.92m2/s。

表2　THB-40型液力缓速器结构参数

2.2　THB-40型液力缓速器制动力矩系数计算

液力缓速器制动力矩计算公式为[7]

T=λMρgn2D5

其中，T为制动力矩(N·m)；λM为制动力矩系数；ρ为流体介质密度，取ρ=860kg/m3；g为重力加速度，取g=9.8N/m2；n为发动机转速，取n=1 200r/min；D为有效循环圆直径(m)。

因此，制动力矩系数为

2.3　相似设计计算新样机参数

2.3.1新样机的循环圆直径DN

根据山地果园轮式运输机的参数,其变速器的最大输入扭矩为Tin max=16.5N·m，其变速器各挡位传动比如表3所示。

表3山地果园运输机变速器传动比参数

Table 3Transmission ratio parameters of the gear transmission in mountain orchard

挡位传动比主减速器减速比1122836R128

故变速器所能承受的最大扭矩为

Tt max=Tinmax·i0=16.5×12=198N·m

对新样机循环圆直径进行相似设计计算，则

2.3.2新样机的循环圆内径dD

原样机THB-40的循环圆内外径比值k，则

因此，新设计的液力缓速器循环圆内径dN为

Dn=k·DN=92mm

相似比c为

因此，由比例相似得出新样机的结构参数如表4所示。

表4　新设计液力缓速器的结构参数

续表4

3仿真与分析

3.1　缓速器转子与定子的SolidWorks三维建模

参考特尔佳THB-40原样机结构，根据新设计样机内外圆直径尺寸，设计出新样机叶片形式机进出口的集合参数，如表5所示。

表5新设计样机定子的叶片形式及进出口几何参数

Table 5Stator blade form and Import and export geometric parameters of the new designed prototype

零件叶片形式参数定子前倾直叶片进油口参数(长方体)个数10总面积/mm2135长/mm9宽/mm1.5倒角0.5mm×45°出油口参数(圆柱形)个数6总面积/mm242.4直径/mm3

转子的三维建模参数与定子相似。

根据新样机设计参数，利用SolidWorks软件建模得到图1转子部件模型、图2定子部件模型。

图1　缓速器定子三维模型图

图2　缓速器转子三维模型图

3.2　基于液力缓速器的制动系统仿真模块建立

为了节省实物制造的设计成本和测试时间，本文利用MatLab/Simulink软件建立基于液力缓速器的三地果园运输车制动系统仿真模型。

3.2.1建立液力缓速器仿真子模块

液力缓速器工作腔内的制动液压力、制动液量和制动轴的转速决定了缓速器减速力矩的大小[8]。因此，液力缓速器的制动力矩公式为[9]

M=λρD5n2

其中，M为液力缓速器的制动转矩(N·m)；λ为液力缓速器的制动转矩系数，与腔型、叶片倾斜角、叶片数和充液量有关，取λ=2；ρ为工作液体的密度，取ρ= 860kg/m2；D为工作轮有效循环直径(m)；n为工作轮转速(r/min)。

3.2.2建立行车制动器仿真子模块

本文选择的华农第三代山地果园运输车的行车制动是采用鼓式制动，其制动力矩计算公式为

TR=2(ρ-ρ0)BFArη

其中，p为制动器制动管路的油压，取p=0.8MPa；p0为管路的压力损耗，取p0=0；BF为制动因素，取BF=3.5；A为制动泵的工作面积，取A=0.024m2；r为制动鼓半径，取r= 0.15m；η为制动器的制动效率，取η=0.8。

3.2.3建立山地果园运输车行驶阻力模块

运用汽车理论及动力学知识，可以得出车辆行驶阻力计算公式为

其中，Ff为滚动阻力(N)；f为滚动阻力系数，取f=0.0076+0.000056ua；Fi为坡度阻力(N)；i为坡度 ；Fw为空气阻力(N)；CD为空气阻力系数，取CD=0.65；A为汽车迎风面积，取A=2m2；ua为车速(km/h)；m为整车质量(kg)；g为重力加速度，取g=9.8m/s2。

3.2.4运输车整车制动系统仿真模拟

本文研究运输车的直线下坡制动情况，因此建立运输车的运动方程为

其中，Fx为行驶阻力；Fy为液力缓速器阻力；Fb为行车制动器阻力。

整车的制动系统仿真模型如图3所示。

图3　整车的制动系统仿真模型

3.3　液力缓速器制动系统仿真分析

本文仿真实验设定为长坡路制动，运输车以15km/h的初始速度在坡度为7%的无限长坡路开始制动，直至车速稳定。运输车档位设定为Ⅱ挡，传动比为8，分别进行以下3组仿真试验。

1)液力缓速器和行车阻力共同作用制动，缓速器充液率为100%，得到运输车速度曲线如图4所示，制动减速度曲线如图5所示。

2)行车制动器和行车阻力共同作用制动，得到运输车的速度曲线如图4中实线所示，制动距离如图5中实线所示。

3)液力缓速器、行车制动器和行车阻力共同作用制动，得到运输车速度曲线如图6中虚线所示，制动距离曲线如图7中虚线所示。

图4　缓速器与行车阻力作用的速度曲线

图5　运输机的减速度曲线

图6　液力缓速器是否参与制动的速度曲线

图7　运输机的制动位移曲线

3.4　模块仿真结果与分析

由于运输车最高车速为20km/h，达不到80km/h，所以仅使用液力缓速器制动不能保证运输车在7%的坡路上恒速行驶。

坡路上行驶时，液力缓速器、行车制动器和行车阻力共同参与制动，比液力缓速器不参与制动的情况下制动时间和制动距离分别减少了12.7%、17.4%，体现出液力缓速器制动过程中的重要作用。

4结论

1)液力缓速器的制动能力受充液率的影响，充液率越小，液力缓速器的制动作用越小。

2)在下长坡路时，山地果园运输车低高扭速的特性，使得最高车速限制在20km/h，所以仅靠液力缓速器制动而行车制动不作用时，不能保证山地果园运输车恒速行驶。

3)在下长坡路时，液力缓速器、行车制动器和行驶阻力共同作用，比液力缓速器不参与制动的情况下制动时间和制动距离会减少。

参考文献：

[1]焦志波．电涡流缓速器在汽车制动中的控制研究[D]．西安：长安大学，2006．

[2]何仁．汽车辅助制动装置[M]．北京：化学工业出版社，2005．

[3]施凯男．汽车液力缓速器辅助制动性能研究[D]．西安：长安大学，2009．

[4]吴伟斌，赵奔，朱余清，等．丘陵山地果园运输机的研究进展[J]．华中农业大学学报，2013，4(32)：135-142．

[5]马文星．液力传动理论与设计[M]．北京：化学工业出版社，2004．

[6]胡冬奎，王平期．相似理论及其在机械工程中的应用[J]．现代制造工业，2009(11)：9-12．

[7]Lu Yifei，Yan Heshun，Xiang Changle，et al．The calculation method for braking performance of vehicular hydraulic retarder[J]．Automotive Engineering．Beijing，2003(2)：182-185．

[8]张玉玺，程秀生，刘维海，等．液力缓速器的试验研究[J]．工程机械，2007，11(38)：4-7．

[9]Bin Song，Jiangang Lv， Yun Liu， et al． The simulation and analysis on engine and hydraulic retarder continual braking performance of the tracked vehicle on long downhill[C]//The Ninth Internationational Conference on Electronic Measurement & Instruments．BeiJing：ICEMI，2009：928-931．

Design and Simulation of Hydraulic Retarder Based on the Mountain Orchard Transporter

Liao Jinweia, Wu Weibina,b, Feng Yunlina，Xu Pengboa

(a.College of Engineering; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：Our country is an agricultural country, the use of farm transporter is not only can improve the efficiency of agricultural production, also can reduce the labor intensity of the farmers. However, 70% of the orchard is hills. On the downhill road conditions, it puts forward higher requirements on vehicle braking efficiency, continuous braking would cause the main brake serious thermal decay, threating to safety. Therefore, to improve the braking safety, it is necessary to research an auxiliary brake which is suitable for the farm transporter. This paper takes South China Agricultural University independently developed generation orchard simplified wheeled transport vehicle as the research object, and designs a hydraulic retarder which is applicable to the transport vehicle. According to the vehicle parameters and requirements, this paper takes the similar design theory to calculate the parameters of a new prototype; building 3D model of the hydraulic retarder rotor and stator by SolidWorks software; using MATLAB/Simulink software installed on vehicle hydraulic retarder braking performance simulation and analysis. The simulation results show that, using hydraulic retarder braking on the slope road, the braking time is reduced by 12.7%, and the braking distance is reduced by 17.4%.

Key words：the mountain orchard transporter；hydraulic retarder；SolidWorks； MatLab

中图分类号：S232.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0082-05

作者简介：廖劲威(1990-)，男，广东信宜人，硕士研究生，(E-mail)lpweisky@qq.com。通讯作者：吴伟斌(1978-)，男，广东中山人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203016，2014030347)；惠州市产学研结合项目(2013B050013015)；龙门县科技计划项目(2014N150422)

收稿日期：2015-07-30