WC5E运输车发动机与变矩器匹配方法的研究

杨清翔，代卫卫，朱殿瑞

（1．中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿，山西　运城　043300；2．太原重型机械集团有限公司轧钢设备分公司，山西　太原　030024）

WC5E运输车发动机与变矩器匹配方法的研究

杨清翔1，代卫卫1，朱殿瑞2

（1．中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿，山西运城043300；2．太原重型机械集团有限公司轧钢设备分公司，山西太原030024）

摘要以矿井防爆运输车的发动机与变矩器为研究对象，介绍了发动机与变矩器各自的特性，并对其进行了匹配计算，在对运输车的牵引特性进行分析的基础上，对运输车传动系统的特性进行了优化分析。旨在为今后运输车发动机与变矩器的匹配提供一定的技术依据。

关键词发动机；变矩器；匹配计算；优化分析

矿井防爆运输车作为能够在具有煤尘、瓦斯等爆炸性气体环境中安全作业的主要运输工具，对提高现代化矿井的生产效率起着关键的作用。运输车的防爆发动机与液力变矩器能否最优匹配，又最终决定着机械传动车辆的整车动力性能及燃油特性的好坏，所以，本文从发动机与液力变矩器的匹配角度出发，进行了分析，并根据分析结果，对传动系统特性进行了优化，为今后这方面的研究提供一定的计算依据与技术帮助。

1　防爆车发动机与变矩器的固有特性分析

1．1防爆车的液力机械传动系统组成

WC5E为四轮驱动铰接式车辆，其液力机械传动系统主要由防爆发动机、液力变矩器、动力换挡变速箱、传动轴、中间过桥、驱动桥和轮胎等组成［1－2］。

1．2发动机的固有特性分析

WC5E车用防爆发动机油门全开时的速度特性曲线见图1，该曲线由外特性曲线和调速特性曲线组成。依据发动机扭矩非调速区段变化较缓、调速区段变化剧烈的特点，对离散的实验数据使用“转矩梯度”判断发动机额定工况，最后采用最小二乘法进行拟合。

图1　防爆发动机速度特性曲线图

防爆发动机与液力变矩器进行匹配时，考虑扣除相关附件和各种液压泵等消耗的扭矩，则数据点i处的净扭矩为：

式中：

Mei—试验第i点防爆柴油机输出扭矩，N·m；

∑Mfi—试验第i点发动机附属装置输出扭矩之和；

∑Mbi—试验第i点各种液压泵输出扭矩之和。

最后，对各离散点的净扭矩采用与防爆发动机速度特性曲线相同的方法，绘制出防爆发动机净扭矩曲线，WC5E车用防爆发动机净扭矩曲线见图2。

图2　防爆发动机净扭矩曲线图

1．3变矩器的固有特性分析

液力变矩器的原始特性反映泵轮转矩系数λ、效率η、变矩系数K随转速比i的变化规律，即λ＝f（i）、η＝f（i）和K＝f（i）。国内液力变矩器生产厂家使用千转力矩MBg代替泵轮转矩系数λ表示液力变矩器的能容［3］。WC5E车采用的液力变矩器原始特性见图3。

图3　液力变矩器的原始特性图

由图3可知，该变矩器为单级三元件两相式综合式液力变矩器，在K＞1时，综合式液力变矩器工作于变矩器工况；K＝1时，综合式液力变矩器转变为偶合器来工作［4］。该变矩器的效率在高速比区可达87．8%～91．6%。

2　防爆车发动机与变矩器匹配计算及牵引特性

2．1发动机与变矩器匹配计算

2．1．1匹配原则

WC5E防爆柴油机无轨胶轮车作为煤矿井下运输类车辆，匹配时须考虑以下原则［5］：

1）高效工作区尽量宽一些，有利于提高整车对各种工况的适应性。

2）变矩器的高效范围处于发动机最大功率点附近。

3）共同工作范围尽量处于发动机燃料消耗量的最低处，使车辆拥有良好的经济性。

4）变矩器启动工况（i＝0）对应转矩比i0的负荷抛物线与发动机最大扭矩点Memax重合或接近。

5）转换工况对应转矩比iM的负荷抛物线应处于最大扭矩点和最大功率对应扭矩点的区间［Memax，Mpmax］内。

6）最高效率点ηmax对应转矩比i*的负荷抛物线处于发动机最大功率对应的扭矩点Mpmax附近。

7）所有负载抛物线中与发动机净力矩曲线的交点（即共同工作点），都处在熄火点以右。

2．1．2发动机与液力变矩器共同工作的输入特性

共同工作输入特性直接影响着整车性能指标的优劣，其求解步骤如下［6］：

1）依据发动机外特性曲线初步确定液力变矩器的循环圆直径及原始特性曲线。

2）根据实际工况、发动机外特性曲线和液力变矩器原始特性曲线确定防爆发动机与液力变矩器的匹配原则。

3）绘制防爆发动机与液力变矩器的共同输入特性曲线，确定出共同工作区域。

4）依据选取的匹配原则，评价共同工作区域的合理性，若不合理需通过具体措施进行调整，直至共同工作区域与匹配原则相符。

5）重新绘制防爆发动机与液力变矩器的共同输入特性曲线，确定共同工作区域，求解出二者的共同工作点数据列表。

针对WC5E无轨胶轮车的使用工况，设定匹配原则，同时考虑共同工作区域中启动工况、转换工况和极限工况等特殊工况点的要求。

2．1．3发动机与液力变矩器共同工作的输出特性

依据输入特性输出的共同工作点的数据（nB，TB），以及各共同工作点对应变矩器速比i下的变矩比K和效率η。根据公式：nT＝inB，TT＝KTB和get＝ge／η，求出防爆发动机与液力变矩器的共同工作输出特性数据，绘制共同工作的输出特性。WC5E液力变矩器与防爆发动机共同工作的输出特性见图4。

图4　发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线

2．2发动机与变矩器共同作用的牵引特性分析

依据防爆发动机与液力变矩器共同工作的输出特性，绘制驱动力—行驶阻力平衡曲线，并求解出各档最大牵引力和最高车速。WC5E井下无轨胶轮车的驱动力—行驶阻力平衡图见图5。

图5　WC5E车驱动力—行驶阻力平衡图

3　传动系统特性优化分析

在液力机械传动系统设计完成后，通过匹配分析对元部件的各个参数进行重新优化设计。通过改变某元部件的型式，实现性能的提高和优化［7］。综合式液力变矩器结构简单，工作可靠，性能稳定，效率一般可达87．8%～91．6%，而且由于有偶合器工况，因而在高速比区的效率很高，可达94．9%～98．1%，因此，在某些工程机械中得到了广泛的应用。单相式液力变矩器原始特性曲线见图6，综合式液力变矩器原始特性曲线见图7。

由图6和图7对比可知，综合式液力变矩器兼有变矩器和偶合器两者的优点。

把上述两种变矩器与同一个液力机械传动系统进行匹配分析，得出的共同工作输出特性曲线见图8和图9。

图6　单相式液力变矩器原始特性曲线图

图7　综合式液力变矩器原始特性曲线图

图8　单相式与机械传动系统共同工作输出特性曲线

图9　综合式与机械传动系统共同工作输出特性曲线

4　结　语

通过对整车的液力机械传动系统的优化，整车起动力矩增加了25．43 N·m，最高车速提高了10．9%，液力变矩器的平均工作效率提高了0．035，整车高效区评价油耗降低了6．18%，百公里燃油油耗量降低了4．0 L。优化后WC5E液力机械传动系统动力更强劲、油耗更低，整车性能指标优于国内其它同类产品。

参考文献

［1］宋恩泽．WC5E液力机械传动系统的匹配研究［J］．煤矿机械，2011，32（10）：83－85．

［2］陈永峰，刘杰，王彦清，等．WC5E型防爆胶轮车全液压制动系统设计研究［J］．煤矿机械，2010，31（03）：26－28．

［3］严鹏，吴光强．液力变矩器性能分析［J］．同济大学学报，2004，32（11）：1504－1507．

［4］闫国军，董泳，张辉，等．液力变矩器及其控制系统动特性研究［J］．机械工程学报，2002，38（02）：65－68．

［5］葛玉萍，郑兰霞．液力变矩器与发动机的合理匹配分析研究［J］．邵阳学院学报，2004，01（03）：65－67．

［6］蒋波，吕其惠．装载机中的发动机与液力变矩器的匹配特性分析［J］．广东交通职业技术学院学报，2003（4）：33－34．

［7］常绿，王国强，唐新星，等．装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化［J］．农业机械学报，2006（11）：28－31．

中图分类号：TD525

文献标识码：A

文章编号：1672－0652（2014）01－0032－04

收稿日期：2013－11－18

作者简介：杨清翔（1980—），男，河南新野人，2008年毕业于辽宁工程技术大学，硕士研究生，工程师，主要从事煤矿技术管理方面的工作（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