液力变矩器仿生叶片压降性能试验

袁哲，刘春宝，岳利维，杨化龙

(1.吉林大学 机械与航空航天工程学院， 吉林 长春 130022； 2.杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，浙江 杭州 311203； 3.吉林省体育局 冬季竞技运动保障中心， 吉林 长春130000 )

0 引言

液力变矩器是被广泛应用于工程机械、矿山机械、起重运输机械等机械中的一种非常重要的液力传动元件.传统的三元件液力变矩器主要由泵轮、涡轮及导轮组成.近年来随着技术的发展，一些新型液力变矩器相继出现，如双涡轮液力变矩器、双泵轮液力变矩器、导叶可调液力变矩器等[1-3].为了进一步提高液力变矩器的性能，近年来国内众多研究者对液力变矩器的叶片参数进行了设计和优化.例如：郑恒玉分析了叶片数及进出口角对液力变矩器性能的影响，其所得结果可为变矩器的设计提供理论基础[4]；闫清东等选取液力变矩器的入口角作为参数，并基于存档的小种群移传算法优化了液力变矩器的性能[5]；石祥钟等研究了液流角与叶片安放角间的关系，探讨了两级涡轮叶片安放角的优化方案，并优化了YJSW315双涡轮液力变矩器的性能[6].

2016年，刘春宝等将仿生学应用于叶片设计当中，并利用CFD计算证明了仿生叶片的减阻效果优于光滑叶片[7-8].为了验证CFD数值计算的正确性，通常需要通过搭建试验台进行压降性能试验;但若单独为每个叶珊方案设计一套模具来制造样机并进行试验，不仅耗时，而且成本巨大.为此，本文研究团队自主研制了一种叶轮机械压降性能试验台，并通过压降性能测试验证了其有效性.

1 试验内容

1.1 液力变矩器仿生叶片的设计

液力变矩器的仿生叶片是根据自然界中生物表面的超疏水及低黏附特性进行设计的，其目的是通过减阻增效来提高液力变矩器的效率.

1.2 液力变矩器仿生叶片的制造

利用数控机床等设备对设计出的液力变矩器仿生叶片进行加工，并进行相应的化学处理，最终完成仿生叶片的制造.

1.3 液力变矩器压降性能的试验

利用流体机械压降性能试验台对制造出的液力变矩器仿生叶片进行压降性能测试，以此证明仿生叶片的减阻性能优于光滑叶片.

2 试验设备

自主研制的液力变矩器压降性能测试的试验台如图1所示.试验台主要由电机、齿轮泵、密封舱、控制阀、油箱、压力传感器、流量传感器、计算机等设备组成.密封舱为试验台的核心部件，测试前先将仿生叶片固定在密封舱内的螺杆上，封闭后再进行测试.在密封舱的进出口处各放置一个压力传感器和流量传感器，分别用以测量压强和流量.控制阀和变频器控制的电机用来调节管路的流量和压强，压强值与流量值可在计算机中读出.由于此试验台选用的流量传感器精度较高，因此为了延长传感器的使用寿命，本设计在油箱中加入了过滤器，以此过滤油液中的杂质.齿轮泵在电机的带动下，将油液抽入到管路当中，形成封闭的循环管路.

3 试验流程

本文的试验流程如图2所示，具体表述如下：

1)仿生设计液力变矩器的光滑叶片，得到仿生叶片；

2)机械加工设计得到的仿生叶片，得到试验样件；

3)对光滑叶片和仿生叶片进行压降性能对比试验；

4)采集试验数据，并进行分析.如果仿生叶片的减阻性能低于光滑叶片的减阻性能，则需重新设计仿生叶片，直至其减阻性能优于光滑叶片.

5)整理试验数据，撰写测试报告.

4 试验操作步骤

4.1 仿生叶片的设计

1)仿植物叶片表面特性的叶片设计.研究表明，许多植物都具有良好的超疏水结构[9].东北地区常见的狗尾草的叶子呈线状披针形，叶片扁平，且叶片表面分布着有规律的棱槽结构.利用接触角测量仪测量其叶片表面的接触角和滚动角得知，其接触角大于150°，滚动角小于10°.由此结果表明，狗尾草叶片表面也具有优良的超疏水特性.因此，本文通过仿建狗尾草叶片上的棱槽结构并将其布置在液力变矩器光滑叶片中能量损失较大的区域，用以减少液力变矩器内部由于回流、涡旋等原因造成的液流损失，进而提高变矩器的效率.

2)仿动物皮肤表面特性的叶片设计.经实验发现，海豹皮肤表面分布着近似于L型的沟槽结构，可以起到优良的减阻效果，进而可使海豹在水中快速游动.另外，通过CFD数值计算得知，L型沟槽的仿生叶片的减阻率优于V型沟槽仿生叶片.因此，本文选择L型沟槽的仿生叶片作为仿动物皮肤表面特性的设计方案.

4.2 液力变矩器仿生叶片的制造

为减小试验误差，需对设计好的液力变矩器仿生叶片进行精细加工，以使制造出来的样件尽可能与设计方案相一致.制造仿生叶片的主要步骤如下：

1)利用数控机床制造出未经改进的光滑叶片；

2)利用线切割机床在光滑叶片表面的相应区域构建仿生微结构；

3)利用超声波清洗机对加工的仿生叶片进行化学清洗；

4)将清洗后的仿生叶片放入干燥箱中干燥，干燥后即得加工样件.

4.3 液力变矩器压降性能的试验

利用本文自制的叶轮机械压降性能试验台对仿生叶片样件和光滑叶片样件进行性能测试和对比.压降测试的试验步骤如下：

1)按照图1所示的结构搭建用于测试的试验台，并保证各个元器件都能正常使用.

2)搭建好试验台后，将密封舱上盖密封(此时不将液力变矩器叶片放入仓内).

3)打开电源后，电机带动齿轮泵开始工作(齿轮泵将油箱中的液压油抽入到管路中，并使整个管路逐渐充满油液，形成一个循环回路).油管充油一段时间后，将密封舱盖上端的阀门打开，排出气体.当阀门气孔处有油液均匀溢出时(表明此时密封舱已经为全充液状态)关闭密封舱上盖的阀门.采集数据时，利用计算机读出密封舱两端的油压值，由此计算所得的差值即为压降值.按此方法测试多组压降值后，将平均值作为试验数据的修正值.

4)得到修正的数据后，关闭电源，打开密封舱上盖，将仿生叶片固定在上盖下端的螺杆上，并调整好角度后放入密封舱中.密封好密封舱的上盖后，接通电源，利用变频器调节电机转速，同时通过调节管路中的控制阀改变密封舱两端油液的流量，并记录不同工况下的油压.

5)关闭电源，将密封舱内固定的仿生叶片换为光滑叶片，其摆放角度与仿生叶片的摆放角度相同.在此基础上，测量不同工况下密封舱两侧的油压，并记录.

6)通过计算采集的数据得到液力变矩器仿生叶片和光滑叶片的压降值，然后据此计算仿生叶片的减阻率.

5 结论

为了提高液力变矩器的性能，将仿生学思想融入到变矩器的叶片设计当中，并利用自制的叶轮机械压降性能试验台对液力变矩器光滑叶片和仿动物皮肤表面特性叶片的压降性能进行了对比.研究表明，不同工况下仿动物皮肤表面特性的叶片均具有不同程度的减阻效果，其中最大减阻率为8.98%.另外，通过CFD计算仿生叶片的压降值显示，该压降值与试验结果的误差小于5%，由此说明CFD计算具有良好的可靠性.对仿植物叶片表面特性的叶片进行CFD计算显示，仿植物叶片表面特性的叶片的减阻率也优于光滑叶片的减阻率.因此，本文方法对提高液力变矩器的效率和缩短变矩器的设计周期具有很好的参考价值.除此，本试验方法还可应用于仿生学课程和液力传动课程的实验教学，且有助于提高实验教学质量和降低试验成本.