农用运输车用液力缓速器全流道数值计算与试验验证

孔凡静

摘 要 为给农用运输车用液力缓速器的研究提供参考，以福伊特VR120液力缓速器为研究对象，通过三维扫描还原建立液力缓速器几何模型，采用将流道模型全部选取出来的全流道仿真计算方法，在ANSYS14.5平台上，采用SIMPLEC算法和RNG 模型对液力缓速器进行全流道数值计算。结果显示在500r/min～1200r/min转速下的制动转矩与相同转速下在工况试验台试验得到制动转矩变化趋势一致，误差在10%以内，验证了全流道仿真计算方法可作为农用运输车用液力缓速器有效的研究方法。

关键词 农用运输车 液力缓速器 全流道 制动转矩 ANSYS

中图分类号：U463.53 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.013

Whole-flow-passage Numerical Simulation and Experimental

Validation of Farm Transporter's Hydraulic Retarder

KONG Fanjing

（Zhuhai Polytechnic Vocational and Technical School， Zhuhai， Guangdong 519090）

Abstract In order to provide reference for the study of farm transporter's hydraulic retarder， take the VOITH VR120 hydraulic retarder as the research object， restore the geometry of VR120 by 3D scanner， use ANSYS14.5 to simulate the whole-flow-passage of hydraulic retarder based on the full flow path model，， mature RNG model and SIMPLEC algorithm. The results show that the braking-torque under the velocity from 500r/min to 1200r/min has the same trend between whole-flow-passage simulation and bench test， the error less than 10%. It verified that the simulation analysis of hydraulic retarder is feasible and effective for the study of farm transporter's hydraulic retarder.

Keywords farm transporter； hydraulic retarder； whole-flow-passage； braking-torque； ANSYS

農用运输车是目前农村主要的货物运输工具之一，由于我国农村道路一般为县级以下的乡镇级别的道路，路面坡度较大且弯多路小，农用运输车常在超载超速下运行，长时间制动时主制动器热衰退严重，影响行车安全。装备辅助制动系统是解决农用运输车制动安全问题较为现实的方法。液力缓速器因其具有制动力大、性能稳定、热衰退效应小等优点，是辅助制动装备较为理想的选择。但目前尚未有针对农用运输车的液力缓速器，相关研究文献仅有华南农业大学的吴伟斌和赖建生[1]的论文。

为此，本文以福伊特VR120液力缓速器研究对象，借助3D扫描还原设备，采用将流道模型全部选取出来的全流道仿真计算方法，在ANSYS14.5平台上，以RNG 模型作为湍流计算模型[2]和SIMPLEC算法作为数值计算算法对液力缓速器进行全流道数值计算；然后利用在搭建好的试验台架上，按照数值计算时的工况条件进行液力缓速器制动特性台架试验，将试验测量的制动转矩值与数值计算进行比对分析，验证全流道数值计算方法的可行性，从而为农用运输车用液力缓速器的研究提供借鉴。

1 模型构建

本文以装配60kW发动机，设计车速小于70km/h的某款农用运输车为应用研究对象（其参数如表1所示），根据相关计算，在500r/min转速下持续稳定制动需要1400 N m的制动力矩。[3]据此，比较国内外的产品后选择在1000r/min工况下制动转矩可达2000N m的德国福伊特VR120液力缓速器作为参考对象进行研究。

为了准确获得VR120液力缓速器的几何结构模型，采用OKIO-V-1000三维扫描还原仪为主的扫描还原系统对定、转子叶轮、壳体零件、换热芯子等的三维数据进行扫描还原，还原后的定、转子叶轮结构图如图1所示。通过分析数据得出VR120液力缓速器的定、转子叶轮有效直径、循环圆直径分别为300mm、62mm，叶片均为倾角45暗闹币镀？

从图1可以看出VR120液力缓速器定子叶轮上设计有作为工作腔介质入口的槽式叶片，不规则对称的进、出油孔。槽式叶片的宽度比无槽叶片的宽度大1到1.5倍，定子叶轮和转子叶轮叶片数目也不同，这决定了流场是非对称的复杂流场，所以数值计算时须采用有别于传统单流道模型的全流道模型才能更加准确反映液力缓速器实际的工作状态，计算结果才更贴近实际。[4]

在Pro/E中重构VR120三维模型并封闭进出口后抽取了全流道模型，如图2所示。在WORKBENCH平台上对抽取的全流道模型进行适当的处理后进行网格划分。

液力缓速器流道是非周期对称的，故用自适应的多面体网格划分方法进行网格划分，并用SKEW进行网格质量评价。结果表明网格优良率达到85%以上，满足数值计算的要求。[5]

2 数值模拟计算

对划分好网格的模型输入到CFX进行数值计算。考虑到计算机软硬件的实际，选用较为成熟的RNG 模型和SIMPLEC算法，并在设定好边界条件后（见表2）对VR120网格化的模型进行全流道仿真计算。计算时为了准确判断收敛采用了残差与转子叶轮转矩双重指标进行监测。[6]

仿真计算的残差监测结果表明运算是收敛的。为使研究更具有意义，选取有代表性的3个工况转速点（500r/min、700r/min和1200r/min）的定、转子叶轮流域接触面进行分析，接触面的压力云图与压值区分图如图3所示。

从图3的上半部分可以看出，三种不同转速工况下的定、转子叶轮流域接触面压力均呈现中间小两边大的分布态势，压力从中心位置开始向两侧边缘逐渐增大，接触面中间位置压力都小于进口的初始压力0.5MPa，从而形成了真空。其中接触面右上侧的中間部分压力最小，从500r/min工况时的120284Pa下降到700r/min工况时的-1.996e+005Pa再下降到1200r/min工况时的-1.729e+006Pa，显然真空度是随着转速的升高而增大的。接触面右下侧的边缘是压力的极大值区域，从500r/min工况时的1.180e+006Pa上升到700r/min工况时的1.792e+006Pa再升到1200r/min工况时的3.754e+006Pa，即随着转速的升高而接触面边缘压力急剧增大。这意味着布置在定子叶轮中间的进油孔因为有真空度的存在使得工作介质能迅速通过进油孔充入工作腔，确保了液力缓速器的正常工作及其响应速度；与此同时定子叶轮中间的出油孔在液力缓速器接到停止工作指令使比例阀泄压后能在边缘高压的驱动下迅速将工作介质排出工作腔，实现了液力缓速器工作状态的快速转换。这是液力缓速器能持续、稳定和有效工作的关键因素。

为了更清楚展示液力缓速器定、转子叶轮流域接触面负压区的情况，运用ANSYS Workbench的 ISO-Clip对接触面进行云图区域切分，结果如图3下半部分所示。从图中可以清楚地看出三种转速工况下的接触面中间部分均存在明显的负压区（图中灰色区域），这和压力云图的分析结果是一致的。

为了更直观显示液力缓速器的制动效果，运用ANSYS Workbench下的CFD-Post的转矩计算功能（Function Calculator-Torque）计算出各转速工况下的制动转矩，并利用Excel的X-Y散点图将制动转矩与转速拟合成如图4所示的制动转矩特性曲线图。

从图4可以看出随着转速的升高制动转矩也随之增大，近似于线性的关系。液力缓速器当转速小于900r/min时的制动转矩随转速升高增大的幅度较转速大于900r/min时制动转矩随转速升高增大的幅度小。为了更直观反映制动转矩与转速的关系，利用Excel自带的曲线拟合功能拟合制动转矩与转速的关系图后得到制动转矩与转速呈二次方正相关关系的关系式，具体见式（1），拟合式的相关系数R2 =0.9902即P<0.01，表明拟合关系式是可靠和可信的。

（1）

3 制动特性的台架验证

为确定CFD计算结果的准确性，利用搭建的电机工况试验台架以相同的转速工况对VR120液力缓速器进行制动特性试验。整个台架试验系统包含研华工控机、湘仪控制柜、50kW的三相异步电动机、湘仪转矩转速测量仪和冷却塔等装置，具体设备及参数如表3所示。

将台架试验测定的制动转矩值与相同转速工况下数值计算的制动转矩值和对应的转速值汇集在Excel表中，同样利用Excel的X-Y散点图功能将台架试验测试的制动转矩特性曲线和数值计算的制动特性曲线整合在一起，如图5所示。

图5显示相同转速工况下VR120制动转矩的数值计算结果与台架试验结果虽然有误差，但最大绝对误差只有9.35%，且两者随转速的变化趋势是基本一致的。与传统的单流道的数值计算方法相对精度提高了10.7%。[7]这说明全流道数值计算的结果能满足开展液力缓速器研究的要求，可以借鉴这种方法开展农用运输车用液力缓速器的研究工作。在后续的研究中可以对边界条件、数值计算的模型、算法进行更多的探讨，结合农用运输车经济性敏感的特点，借助已有的成熟的液力缓速器进行研究、消化、改进，设计出价格合适、性能稳定的农用运输车用的液力缓速器是可行的。

4 结论

（1）借助现有成熟的液力缓速器产品开展农用运输车用液力缓速器的应用研究工作是可行的，具有较大的社会价值和经济前景。

（2）液力缓速器的结构是非对称的复杂结构，采用全流道式数值计算的方法比单流道的数值计算方法更加贴近实际，结果准确度可提高10%左右。因此可以采用全流道式的数值计算方法开展农用运输车用液力缓速器的研究工作。

（3）液力缓速器定、转子叶轮流域接触面存在的负压区对液力缓速器的设计具有重要的指导意义，后续农用运输车液力缓速器的设计中也要考虑如何利用负压区进行进出油口的设计布局工作。

（4）液力缓速器的数值计算对计算机软硬件要求较高，受几何模型、流道形式、湍流计算模型、算法等因素的影响，且计算时间较长，因此对这些因素的分析研究要细致认真。

参考文献

[1] 赖建生，李长友，马兴灶，方壮东.农用运输车用液力缓速器的设计与仿真分析.农机化研究，2017（6）：255-259.

[2] 饶银，李长友，黄俊刚.液力缓速器双向流固耦合研究.机床与液压，2015（1）：116-122.

[3] 廖劲威，吴伟斌，冯运琳，许棚搏.基于山地果园运输车的液力缓速器设计与仿真.农机化研究，2016（8）：82-86.

[4] 赵旭飞.车用液力缓速器耦合场分析与试验研究.华南农业大学硕士论文，2013.

[5] 孔令兴，魏巍，闫清东.液力缓速器关键工作参数全流道数值模拟研究.华中科技大学学报（自然科学版），2017（3）：111-116.

[6] 黄俊刚.液力缓速器关键技术研究与样机开发.华南农业大学博士论文，2013.

[7] 吕金贺，褚亚旭，王月.循环圆对液力缓速器制动转矩的影响分析.北华大学学报（自然科学版），2015（4）：557-560.