双主机坦克动力系统研究

张更云，白创军，万 康，王普凯

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)



【装备理论与装备技术】

双主机坦克动力系统研究

张更云，白创军，万 康，王普凯

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)

提出了双主机坦克动力系统概念、并机方案与控制策略；对双主机坦克动力系统的辅助系统主要部件的布局与管路提出了改进措施；双主机坦克动力系统对大幅提高未来主战坦克机动性、经济性、起动性和可靠性具有优势。

坦克动力系统； 双主机；可靠性

目前各国主战坦克都采取单主发动机(以下简称主机)或单主机加辅助发动机动力系统的方案[1]，主机为坦克机动提供动力，辅助发动机用于坦克停车状态、战斗部值班时为用电设备提供电力、并向蓄电池充电，此时主发动机不工作。这种方式可以有效满足车辆停车状态时电台、电转炮塔等用电设备的电力需要，又可以节省主发动机的使用摩托小时，减少主发动机在低速、低负荷状态的工作时间。

两种方式都有相同的不足：① 主发动机都必须满足坦克各种工况下的动力需求，如最高时速时的最大功率工况，爬最大坡度时的最大扭矩工况，而使用中更多的时间是坦克中低速度下的发动机低速、低负荷工况。而此时发动机有效比油耗、排放指标都远高于最佳油耗点工况。② 主发动机发生故障时，坦克往往只能原地待援，这种状况发生在射击、通讯、驾驶训练中尚可用其他车辆救援，假如发生实战中，则车辆将处于危险的境地。③ 进一步提高发动机额定功率受坦克高度的限制。

解决上述问题，有必要采用双主机坦克动力系统来实现。

1 双主机坦克动力系统方案

1.1 双主机坦克动力系统相关概念

双主机动力系统是指利用同一套辅助系统的两台相同型号的主发动机，通过并车装置控制[2-3]输出扭矩的动力系统。 包括两台主机及辅助系统和并机控制传动装置(见图1)。

两台主机分别叫1号机和2号机，两台主机可同时输出动力、也可单独输出动力，构成3种工作状态，分别是1号机单独工作； 2号机单独工作； 1、2号机同时工作。动力通过并车传动控制装置输出，经综合传动装置、侧减速器传到坦克主动轮。

图1 双主机动力系统示意图

1.2 并机控制传动装置及工作原理

并机控制传动装置由4个离合器和7个齿轮组成(见图1)。4个离合器中， C1的传动扭矩能力是C2、C3、C4的2倍，4个离合器控制3种工作状态以及3种工作状态之间的转换。

1.2.1 从停机状态起动到3种工作状态的控制

当需要1号机单独工作时，1号机起动到怠速，C2与C3离合器结合，C1与C4离合器分离，1号主机动力输出路径顺序为Z5-Z6-Z4-Z1-Z2-Z3，经综合传动装置、侧减速器传到坦克主动轮；需要2号机单独工作时，2号机起动到怠速，C2与C4离合器结合，C1与C3离合器分离，2号主机动力输出路径顺序为Z7-Z6-Z4-Z1-Z2-Z3；需要1、2号机联合工作时，二机分别起动到怠速，C1与C3、C4离合器结合，C2离合器分离，1、2号机动力分别经Z5、Z7传到Z6，之后的传动顺序为Z6-Z2-Z3。离合器的状态如表1所示。

表1 3种工作状态与4个离合器工作状态

1.2.2 工作状态之间的转换控制

从1号机或2号机单独工作转换到两机并机工作状态时，将2号机或1号机对应的离合器C4或C3结合，C2离合器分离、C1离合器结合。如从1号机单独工作转换到两机并机工作状态时，由C2与C3离合器结合与C1与C4离合器分离变为C3、C4 、C1结合，C2离合器分离。从2号机单独工作转换到两机并机工作状态时，由C2与C4离合器结合，C1与C3离合器分离也变为C3、C4、C1结合，C2离合器分离。

从两机并机工作状态转换到1号机或2号机单独工作时，将2号机或1号机对应的离合器C4或C3分离；为减少旋转部件惯量，C1离合器分离、C2离合器结合。如从两机并机工作转换到1号机单独工作状态时，由C1与C3、C4结合，C2离合器分离变为C2与C3离合器结合与C1与C4离合器分离。从两机并机工作转换到2号机单独工作状态时，由C1与C3、C4结合，C2离合器分离变为C2与C4离合器结合，C1与C3离合器分离。

由1号机工作转换到2号机工作时，离合器C3结合、C4分离状态转换为C4结合、C3分离；由2号机工作转换到1号机工作时，离合器C4结合、C3分离状态转换为C3结合、C4分离。

传动电控系统控制4个离合器的结合与分离。

2 双主机动力的辅助系统

双主机动力的辅助系统仍包括进排气系统、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、起动系统、电控系统。由于双主机动力系统的两台发动机共同利用一套辅助系统，发动机要采用型号相同的柴油机或燃气轮机，以便保证通用性。

为了满足两台主机的3种工作状态，需要对传统的辅助系统布局做改进。辅助系统方案改进的原则是：一是在满足两主机3种工作状态的情况下，尽可能共用系统部件，减轻辅助系统质量；二是在任何一台主机出现故障或“缺席”时，能快速处理，不能影响另一台主机的正常工作。三是为快速维护保养提供方便，动力舱采用整体吊装方式，辅助系统部件按需要布置在发动机、动力舱和底盘其他部位(见表2)，动力舱和底盘其他部位间的机件连接管路安装快速接头。

3 双主机坦克动力系统的主要性能分析

坦克动力系统原则上要满足功率足、体积小，高度低、比油耗低、起动性好、工作可靠、维护简便的动力、经济、起动与使用性能要求。

3.1 动力性

坦克吨功率越高，其机动性愈好。目前单台功率最大的坦克发动机为美国M1A3坦克的1 323 kW燃气轮机，进一步提高坦克发动机的功率受到单台发动机体积与高度的限制，特别是活塞式发动机。目前解决的方法是采取高功率密度柴油机，升功率达到92 kW/L[4]，但受到材料力学强度、耐热强度、散热技术的局限及发动机寿命的要求，单台高功率密度柴油机的功率仍未突破1 103 kW。

随着全电坦克、电磁炮等新技术的开发，对坦克动力系统的最大功率要求有大幅的提高，一般认为需要1 500 kW到1 600 kW，采用双主机坦克动力系统既能满足这一需求，又能使发动机的高度还在允许范围。每台主机的额定功率为750 kW到800 kW的柴油机，若按升功率32.5 kW/L的水平设计X型无连杆柴油机，本体长宽高为880 mm×1 000 mm×984 mm，两台的尺寸仍然略小于一台豹II式坦克发动机的尺寸与质量。若采用升功率达到92 kW/L的高功率密度综合技术， 功率为550 kW的6缸机高590 mm，宽700 mm，长760 mm，质量仅为520 kg， 两台功率为750 kW到800 kW的高功率密度柴油机也可以作为双主机坦克动力系统的发动机。这样，双主机坦克动力系统最大功率将在原单机1 103 kW的基础上提高36%～45%，而发动机的高度与体积不增加。

表2 双主机坦克动力辅助系统主要部件布置

3.2 经济性

经济性主要指坦克的百公里油耗q100，用坦克行驶阻力Fr和发动机燃油消耗率be计算[5]

式中：Fr为行驶阻力(N)； be为发动机的燃油消耗率[g/(kW·h)]； ηt为传动系的效率； ρ为燃油的密度(kg/L)。

如果以相同的车速与档位行驶同样的距离，可以认为坦克的行驶阻力Fr、传动系的效率ηt相同，百公里油耗只与发动机的燃油消耗率be有关。对于发动机的be有最经济的负荷与转速范围，离开了这个经济区域工况，be的值均增加，坦克靠变速箱档位来调节发动机的负荷与转速，使其工作在经济油耗区域。

训练与作战中，坦克使用功率变化的范围很大，坦克对最大功率的需求通常只在高速机动、超车追击等时机，这种时机的占比很低，大部分时间发动机工作在中低负荷状态，在一般的驾驶、通信、射击训练和综合演练中，坦克平均越野速度从15.2km/h到19.2km/h不等[6]，特别是原地开机待命状态，发动机功率更小。发动机的工况必然在效率很低的小负荷工况，甚至怠速工况，很难甚至不能选择合适的档位使be调到经济区域。

如果采用双机动力系统，上述工况均只开一台主机，通过选择合适的档位， be将在最低的区域工作，从而降低坦克百公里油耗，并相应减少废气排放。

3.3 工作可靠性

为应保证主战坦克在各种外界条件下可靠工作，避免故障，各国制定主战坦克发动机的保险期均不超过1 000h，首次大修寿命不超过2 000h。然而坦克发动机的工作条件恶劣，环境变化较大，加上战损等因素，没有达到保险期的发动机本体停机故障时有发生，如水泵轴断裂，机油泵传动轴断裂，拉缸、抱轴等。这些故障往往很难原地修复，若发生在训练中尚可补救，假如发生实战中，坦克将处于危险的境地。

采用双主机的动力系统后，两台发动机本体同时出现故障的概率远低于单机出现故障的概率，理论上不会出现因发动机本体故障停车而导致坦克战斗力丧失，因为只要有一台发动机正常工作，就可保证坦克机动与用电设备的动力需求，保证坦克的战斗力，从而提高坦克的可靠性。

3.4 低温起动性

评价起动性能的主要参数包括一定温度下发动机起动时间、暖机时间、怠速转速、怠速波动率、起步时间及起动极限温度等[7]。坦克发动机常用起动极限温度即低温起动性来考核，对直喷式燃烧系统的坦克柴油机，最低温度值达 -5℃。

双主机动力系统的两台发动机是单独起动的，由于其一台的功率是单主机动力系统的一半，所以其起动运动件惯量小，运动副摩擦面积及压力小，压缩行程阻力小，驱动喷油泵、机油泵、配气机构等附件的阻力小，在蓄电池或压缩空气压力等其他条件一致的情况下，双主机动力系统发动机的起动时间、暖机时间、怠速转速、怠速波动率、起步时间等指标都好于单主机动力系统。

4 结论

研究认为双主机坦克动力系统具有以下优势：能部分克服发动机高度与体积对单主机动力系统发动机功率的限制，大幅增加坦克总体最大功率，提高机动性能；能有效降低坦克使用百公里油耗，提高使用经济性能；能大幅降低发动机故障停机概率，提高可靠性能；能降低起动阻力，提高发动机起动性能。双主机坦克动力系统工程化过程中还有一些问题需要深入研究，一是双主机同转速工作时可能出现共振问题，二是并机控制传动装置与综合传动装置一体化及控制问题。

[1] 张均享.高机动性运载车辆动力系统[M].北京：中国科学出版社， 2000:82-122.

[2] 陈嘉雄，吕健，刘赟.柴油机并车装置的控制策略研究[J].柴油机，2012(3).22-25.

[3] 王宇,陆平,李晓通,等.柴柴动力装置(CODAD)控制策略研究及齿轮箱优化设计[J].应用科技，2003,12(12)：52-55.

[4] 张玉申.高功率密度柴油机及其关键技术[J].车用发动机，2004(3)：5-11.

[5] 王宪成，张更云，韩树,等.车用内燃机学[M].北京：兵器工业出版社，2006： 154-157.

[6] 孙佰东.装甲车辆发动机典型训练任务载荷剖面研究[D].北京：装甲兵工程学院，2013.

[7] 陈钊.汽车起动性能评价体系的研究[J].机械研究与应用,2006(10):22-23.

(责任编辑 周江川)

Research for Double Engine Power System of Tank

ZHANG Geng-yun, BAI Chuang-jun, WAN Kang, WANG Pu-kai

(Department of Mechanic Engineering, the Academy of Armored Force Engineering Institute, Beijing 100072, China)

The concept of the double main engine system of the tank power system, the scheme of the parallel running engine and its control scheme and the required modification for the auxiliary system were proposed. The advantage of the improvement in a great extent of the mobility, economic performance, starting ability and reliability of the future main battle tank by the parallel running main engine power system was also analyzed.

power system of tank; double engine; reliability

2016-11-09；

2016-12-15

军队科研计划项目

张更云(1966—)， 男，博士，教授，主要从事动力机械及工程研究。

10.11809/scbgxb2017.04.004

张更云，白创军，万康，等.双主机坦克动力系统研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):18-21.

format:ZHANG Geng-yun, BAI Chuang-jun, WAN Kang, et al.Research for Double Engine Power System of Tank[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):18-21.

TK401

A

2096-2304(2017)04-0018-04