基于MATLAB/GUI的地下柴油铲运机动力匹配仿真研究

2018-10-09王春华

机电工程技术 2018年9期

王春华

（中钢集团衡阳机械有限公司，湖南衡阳 421001）

地下铲运机是地下无轨采矿的核心设备，其动力性和燃油经济性取决于传动系统的合理匹配，而发动机与液力变矩器的匹配是传动系统合理匹配的最关键环节。当发动机和液力变矩器共同工作后，可视为一种全新的动力设备，具有新的性能特性，其输出特性的好坏对下铲运机的动力性和经济性有显著影响[6]。本文作者就地下铲运机动力匹配计算可视化程序进行系统化研究，有助于为地下铲运机快速提供动力选型方案。

1 发动机与变矩器的匹配

1.1 发动机的净扭矩特性曲线及拟合

柴油发动机性能特性常用速度特性、负荷特性、调速特性及万有特性来描述。柴油机的性能特性是发动机固有的性能，通过柴油机性能特性曲线可了解和分析柴油机的动力性、经济性、排放和热负荷状况等。柴油机喷油泵油量调节机构固定在最大位置时的速度特性即发动机的外特性[1]。外特性表明柴油机在不同转速下克服外界阻力的能力。调速特性使得发动机在负荷变化时能够维持发动机的转速稳定，用调速率来表明发动机标定工况运转与最高空转时的转速波动范围，该值一般为0.07～0.1。柴油机的扭矩特性曲线由柴油机的外特性扭矩曲线和调速特性扭矩曲线组成。如图1所示。柴油机的外特性扭矩曲线近似抛物线，调速特性扭矩曲线近似直线。在MATLAB软件中，常采用最小二乘法对扭矩曲线进行拟合，效果较好。

图1 带调速器的发动机扭矩特性曲线

发动机的净扭矩特性是指发动机实际输出至变矩器泵轮轴的扭矩。不仅要扣除柴油机辅助装置的（风扇、水泵、发电机、空气滤清器、消音器等）消耗的扭矩，还要扣除各类油泵（工作装置用油泵、变速泵、转向泵、制动泵）消耗的扭矩。柴油机辅助装置消耗的扭矩一般按发动机额定扭矩的10%～15%扣除。油泵消耗扭矩根据不同工况进行扣除，一是直行工况，该工况下，变速油泵满载，而工作油泵，转向制动泵处于空载；二是联合工况，该工况下，变速油泵、工作油泵满载，而转向制动泵处于空载。本文作者选择直行工况进行匹配计算。

1.2 液力变矩器的原始特性

液力变矩器的原始特性表示的是一系列几何相似、运动相似、动力相似的液力变矩器共同的基本特性[3]。其常用泵轮力矩系数λ、变矩系数k和效率η与变矩器的传动比i的关系特性来描述[2]。

1.3 共同工作的输入特性

当发动机与液力变矩器结合工作时，其稳定共同工作的基本条件是：发动机的净输出扭矩和转速与变矩器泵轮的扭矩和转速相等[6]。即Te=TB;ne=nB。将发动机的净扭矩特性曲线与变矩器负荷抛物线绘制在同一个坐标图上，求两者曲线的一系列交点即为共同工作点。

1.4 共同工作的输出特性

发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线，取决于发动机与液力变矩器的共同工作输入特性和变矩器的原始特性。通常按下式求解共同工作的输出特性：

TT=K·TB

NT=NB·η

nT=i·nB

式中：K、η、i分别为液力变矩器的变矩比、效率和转速比，TB、NB、nB分别为泵轮的扭矩、功率和转速。

发动机与变矩器共同工作的输出特性是铲运机牵引计算的基础。

2 变矩器和发动机匹配的原则

（1）直行工况下，发动机净扭矩特性曲线与失速时的变矩器输入特性曲线的交点略高于发动机标定转速。

（2）液力变矩器高效范围所对应的共同工作转速范围大。

（3）液力变矩器的最高效率输入特性曲线在发动机最大功率扭矩标定点附近通过[7]。

（4）共同工作的范围处于发动机燃油消耗量最低值附件，具有良好的经济性[2]。

3 柴油铲运机动力匹配计算软件

MATLAB具有强大的数值计算和图形显示功能，被广泛用于工程领域的设计及仿真。其图形用户界面（Graphi⁃cal User Interfaces，GUI）是指由窗口、菜单、图标、光标、按键、对话框和文本等各种图形对象组成的用户界面[5]，让用户与MATLAB的交互方式变得容易。利用MAT⁃LAB/GUI编写柴油铲运机动力匹配计算软件，可以直观地实现对柴油铲运机的牵引特性计算及动力选型设计。整个GUI程序界面包括油泵参数、发动机参数、变矩器参数以及其他参数4个参数输入界面。通过下方的清除、保存、打开控件可以实现上述参数的删除、保存及读取。点击开始计算控件可以实现铲运机的动力匹配计算，并绘制柴油机与变矩器共同工作的输入及输出特性曲线、牵引曲线及爬坡曲线。动力匹配计算软件界面如图2所示。

图2 地下柴油铲运机动力匹配计算软件

4 应用实例

如对某3立方地下柴油铲运机进行动力匹配计算。发动机选用康明斯QSB6.7-C220，变矩器、变速箱、驱动桥分别选用DANA公司C273.1、R32421、16D。运行地下铲运机动力匹配计算软件后，在方框内输入对应的参数，点击开始计算。依次得到发动机与变矩器的共同工作输入特性曲线、共同工作输出特性曲线、牵引力—阻力特性曲线、爬坡特性曲线。具体结果如图3—6所示。从图中可看出，发动机与变矩器满足匹配原则有关规定，且匹配计算最大牵引力大于铲运机重载最大牵引力，爬坡能力强，因此动力匹配结果和传动方案都比较合理。