姚永玉, 黃桂琴, 馮先澤

(1.洛陽理工學院機械工程學院,河南 洛陽 471023; 2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

基于圖形界面的挖掘機動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配

姚永玉1, 黃桂琴1, 馮先澤2

(1.洛陽理工學院機械工程學院,河南 洛陽 471023; 2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

在研究現(xiàn)代挖掘機動力傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,推導出發(fā)動機和液力傳動系匹配的數(shù)學計算公式,建立一種工程上實用的匹配計算方法和優(yōu)化目標評價參數(shù),編制優(yōu)化匹配計算程序,利用圖形界面直觀顯示具體選型計算結(jié)果,幫助設(shè)計人員迅速找到更好的匹配設(shè)計方案,并用實例驗證了該系統(tǒng)的實用性和正確性.

挖掘機; 動力匹配; 優(yōu)化選型; 圖形界面

當前,挖掘機動力傳動系一般匹配液力機械傳動,以獲取較好的動力性和較高的對載荷變化的適應能力.在匹配其動力傳動系時,若選擇合適的共同工作點,則發(fā)動機的功率將能得到充分利用,但是,若動力匹配時液力變矩器的型號及其工作參數(shù)選擇不當,則整機的動力性優(yōu)點難以充分發(fā)揮,甚至導致燃料消耗增加及生產(chǎn)率降低[1-2].然而,反復的選型匹配過程不僅計算復雜,而且過程繁瑣,本文在研究發(fā)動機和液力變矩器共同工作特性的基礎(chǔ)上,建立起挖掘機發(fā)動機與液力變矩器的優(yōu)化匹配數(shù)學模型,在考慮其經(jīng)濟性的同時,充分發(fā)揮動力性能,實現(xiàn)二者的優(yōu)化匹配,并編制動力匹配優(yōu)化程序,這不僅代替了原有的人工繁雜計算,大大提高了計算精度和計算效率,而且可以直觀顯示優(yōu)化匹配的具體計算結(jié)果,幫助設(shè)計人員迅速找到更好的匹配設(shè)計方案,從而實現(xiàn)動力系統(tǒng)設(shè)備的正確選型.

1 建立發(fā)動機模型

柴油機輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線由外特性段和調(diào)速特性段組成.外特性段可以近似以轉(zhuǎn)速為變量的二次方程表示.調(diào)速特性段(從標定工況到最大轉(zhuǎn)速點)近似為直線,可用以轉(zhuǎn)速為變量的一次方程表示.對由實驗得到的發(fā)動機外特性曲線上的若干離散點(ni,Mei)(i=1,2...)進行最小二乘法擬合求解得到發(fā)動機外特性段的數(shù)學表達式,以此為基礎(chǔ)可以求解出調(diào)速特性段的數(shù)學方程.發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩特性方程表示為:

(1)

式中:Me為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩;n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;neR為外特性曲線段與調(diào)速特性曲線段交點對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速.

2 建立液力變矩器模型

單級單相液力變矩器的原始特性中轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB和轉(zhuǎn)矩比K與轉(zhuǎn)速比i的關(guān)系為高次方程[3],表示為方程(2).使用最小二乘法進行擬合計算,確定方程中的待定系數(shù),即可得到液力變矩器的具體數(shù)學模型表達式.

(2)

式中:γ為工作液重度,γ=ρg;Ek，F(xiàn)j為多項式系數(shù);m,n為變矩器數(shù)學模型的階數(shù).

3 挖掘機發(fā)動機與動力傳動系優(yōu)化匹配

3.1 設(shè)計變量的選取

在已經(jīng)確定變矩器的型式(λB，K確定)時,液力變矩器與挖掘機發(fā)動機直接相連,此時兩者匹配問題就是合理確定出變矩器的循環(huán)圓直徑D,即兩者共同工作特性只受循環(huán)圓直徑D影響,因此,將液力變矩器的有效循環(huán)園直徑D確定為設(shè)計變量[1].

3.2 目標函數(shù)的建立

若按照以上描述的挖掘機動力傳動系中二者的匹配原則,則需要進行多目標優(yōu)化,在此采取加權(quán)求和的方法將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化[2,4-5],提出優(yōu)化的目標函數(shù)為:

(3)

3.3 約束條件的選取

該優(yōu)化問題為一維尋優(yōu)問題,根據(jù)挖掘機啟動性能要求以及在i*(變矩器最大效率)工況下輸入特性曲線與發(fā)動機外特性凈扭矩特性曲線的交點的發(fā)動機轉(zhuǎn)速要求,求得優(yōu)化變量D的約束形式.

(4)

3.4 優(yōu)化目標評價參數(shù)的建立

(1) 最大輸出轉(zhuǎn)矩:MTmax=MT(i=0),MT(i=0)對應于工況(轉(zhuǎn)速比i=0)液力變矩器的輸出扭矩.

(2) 高效轉(zhuǎn)速范圍:dm=nT2/nT1,nT1,nT2對應于液力變矩器高效范圍(η≥0.75)上、下限的共同工作的渦輪軸轉(zhuǎn)速.

4 可視化優(yōu)化匹配計算程序的設(shè)計

前述挖掘機優(yōu)化動力匹配問題計算量大、問題復雜,且計算過程相似,為避免設(shè)計人員的重復性工作,利用編程軟件設(shè)計出可視化功能模塊[6-7],使匹配計算簡單、方便,提高了設(shè)計人員的工作效率.

4.1 程序編制總體思路

(1) 程序中的可視化曲線的繪制完全尊重事實計算,對發(fā)動機外特性曲線與液力變矩器原始特性曲線采用最小二乘法進行擬合,且可根據(jù)實際情況改變擬合次數(shù).

(2) 將用于挖掘機傳動系的發(fā)動機與液力變矩器數(shù)據(jù)存檔,使程序能夠隨時調(diào)用,并且數(shù)據(jù)可以隨時添加或刪除.

(3) 對于各組數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)數(shù)量不同的問題,程序采用自動獲取數(shù)據(jù)數(shù)目的方式,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化,力求增大程序的通用性.

(4) 程序運行時,能夠?qū)τ捎谳斎霐?shù)據(jù)或者操作的不正確進行適當?shù)娜蒎e處理.

(5) 利用軟件非常好的科學計算編程環(huán)境函數(shù),程序界面的實現(xiàn)借助于軟件提供的Graphical User Interface(GUI)開發(fā)環(huán)境,減小了程序的使用難度.

本程序中使用的是動態(tài)數(shù)據(jù)庫,使用者可以直接使用程序內(nèi)置的發(fā)動機與液力變矩器數(shù)據(jù),也可以添加新的發(fā)動機與液力變矩器原始數(shù)據(jù).在進行發(fā)動機與液力變矩器匹配計算或優(yōu)化匹配時,可以選擇一個型號的發(fā)動機與不同型號液力變矩器,或者不同型號的發(fā)動機與一個型號的液力變矩器進行匹配計算[7].

4.2 程序的使用

現(xiàn)以某廠挖掘機裝備的N14-C315發(fā)動機與980C液力變矩器為例,闡述二者的可視化優(yōu)化匹配計算過程,已知發(fā)動機最大空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為2 400 r·min-1.

啟動軟件,把軟件的工作目錄設(shè)置為程序的所在磁盤目錄,然后在軟件的命令行鍵入“akaishi”命令后回車,程序即可啟動,如圖1所示.

4.2.1 發(fā)動機特性擬合

進入發(fā)動機特性擬合界面(圖2),發(fā)動機型號列表中列出已有的發(fā)動機數(shù)據(jù)的型號,如果數(shù)據(jù)庫中沒有所要使用的發(fā)動機型號,選中“添加型號”,然后單擊“發(fā)動機特性擬合”按鈕,輸入發(fā)動機原始特性數(shù)據(jù)和擬合次數(shù)后,單擊“數(shù)據(jù)擬合”按鈕,程序?qū)⑦M行擬合計算,繪制曲線,并顯示擬合誤差,單擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕,發(fā)動機擬合數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫,并會在主界面發(fā)動機型號列表更新顯示所添加的發(fā)動機型號.(刪除已保存發(fā)動機的數(shù)據(jù),需到主界面選中所要刪除的發(fā)動機型號,單擊“刪除所選型號”,在確認刪除之后,發(fā)動機數(shù)據(jù)將被刪除).

圖1 程序啟動Fig.1 Start the program

圖2 發(fā)動機外特性曲線擬合Fig.2 Engine performance curve fitting

4.2.2 液力變矩器特性擬合

本模塊同樣設(shè)置“添加型號”、“保存數(shù)據(jù)”以及“刪除所選型號”功能,具體使用方法同發(fā)動機特性擬合制擬合曲線,這里不再重復,利用本文所選液力變矩器數(shù)據(jù)擬合后的特性曲線如圖3所示,同樣顯示擬合誤差.

圖3 液力變矩器特性曲線擬合Fig.3 Torque converter characteristic curve fitting

4.2.3 匹配特性分析

在進入匹配分析分析之前,需要先在程序主界面同時選中已經(jīng)保存擬合數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫含有的型號)的發(fā)動機與液力變矩器,然后單擊“匹配特性分析”按鈕進入匹配特性分析界面,模塊單擊“求解共同工作點”按鈕即可進行共同工作點的求解,單擊“共同輸入特性”即可求解發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸入特性.再單擊“共同工作輸出特性及評價”按鈕即可計算共同工作點,并繪制共同工作輸出特性曲線,計算匹配評價參數(shù)如圖4所示.

圖4 共同輸出特性Fig.4 Common output characteristics

4.2.4 優(yōu)化匹配

在程序主界面(如圖1)同時選中已經(jīng)保存擬合數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫含有的型號)的發(fā)動機與液力變矩器,單擊“優(yōu)化匹配”按鈕進入優(yōu)化匹配界面,輸入優(yōu)化權(quán)重系數(shù)(用戶可自定義輸入優(yōu)化權(quán)重系數(shù),也可以使用程序提供的優(yōu)化權(quán)重系數(shù)輔助設(shè)置功能,用戶可以根據(jù)優(yōu)化的側(cè)重點不同選擇優(yōu)化權(quán)重系數(shù)的分配方案),如圖6所示.本文取多目標權(quán)重分別為α1=0.05，α2=0.6，α3=0.05，α4=0.3,點擊“開始優(yōu)化”按鈕,等待一段時間后,在該界面上顯示出優(yōu)化結(jié)果以及優(yōu)化前后發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸出特性曲線的對比曲線,如圖5所示.

圖5 優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimization results

由圖7可以看出,優(yōu)化后,液力變矩循環(huán)圓有效直徑從0.397 m優(yōu)化為0.407 m,且后最大輸出功率對應的轉(zhuǎn)速點在液力變矩器的高效區(qū)內(nèi),并且基本與液力變矩器的效率最高時的轉(zhuǎn)速相吻合,使挖掘機整機能夠充分利用發(fā)動機的最大有效功率,從而獲得較大的輸出功率.與優(yōu)化前的輸出特性相比,發(fā)動機與液力變矩器最高效率和最高輸出功率基本在挖掘機使用頻率較高的1 500 r·min-1發(fā)動機轉(zhuǎn)速上,提高了挖掘機正常使用的動力性能.

單擊“共同輸入特性對比”或“評價參數(shù)對比”,則分別直觀顯示出優(yōu)化前后的共同輸入特性對比曲線與匹配評價參數(shù)對比結(jié)果,如圖6所示.

圖6 優(yōu)化前后匹配評價參數(shù)Fig.6 Evaluation parameters before and after the optimization

圖6表明發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸出的最大扭矩由優(yōu)化前的2 385.7 N·m提高到了優(yōu)化后的2 599.7 N·m,提高了挖掘機對重載荷的適應能力,同時高效轉(zhuǎn)速范圍dm也有所提高,即發(fā)動機的最大扭矩對應的轉(zhuǎn)速有所提高,適應了現(xiàn)代挖掘機高速重載工況需求.

圖8同時表明發(fā)動機和液力變矩器的共同工作全范圍與高效區(qū)平均功率分別由優(yōu)化前的110.926 4 KW、153.855 1 KW提高到了119.028 7 KW、 166.331 KW,提高了挖掘機對發(fā)動機功率的利用率,從而提高了挖掘機的動力性;挖掘機在全工作范圍內(nèi)與高效區(qū)的平均燃油消耗率分別由優(yōu)化前的218.7 g·kW-1·h-1、218.645 2 g·kW-1·h-1降至217.626 7 g·kW-1·h-1，216.541 8 g·kW-1·h-1,這在一定程度上又提高了挖掘機的燃油經(jīng)濟性.

5 結(jié)論

在對發(fā)動機和液力變矩器特性分析的基礎(chǔ)上,以綜合了挖掘機動力性、經(jīng)濟性和啟動性能的指數(shù)為目標,對發(fā)動機與液力變矩器的匹配方案進行優(yōu)化,并分析計算得到優(yōu)化后的共同輸入、輸出特性.編制編制動力匹配優(yōu)化程序,代替了原有的人工繁雜計算,提高了計算精度和計算效率,且可以直觀顯示優(yōu)化匹配的具體計算結(jié)果,幫助設(shè)計人員迅速找到更好的匹配設(shè)計方案,且可以對數(shù)據(jù)進行添加保存.在對實際產(chǎn)品匹配優(yōu)化算例中,挖掘機的最大輸出功率對應的轉(zhuǎn)速點在液力變矩器的高效區(qū)內(nèi),且高效區(qū)轉(zhuǎn)速范圍變大,同時在最大輸出轉(zhuǎn)矩變大的情況下,發(fā)動機的燃油消耗率稍有降低,提高了挖掘機的經(jīng)濟性,這也驗證了本程序的正確性和可靠性,有一定的推廣應用前景.

[1] 姚永玉,馮先澤.挖掘機發(fā)動機及其動力傳動系的優(yōu)化匹配[J].礦山機械,2015(2):28-29

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Optimal matching on excavator power transmission system based on graphical interface

YAO Yong-yu1, HUANG Gui-qin1, FENG Xian-ze

(1.Department of Mechanical Engineering of Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023, China;2.School of Mechanical and Vehicle Engineering,Beijing Institute of Techology, Beijing 100081)

Based on the study on modern excavator power transmission systems, the mathematical formulae are first deduced to match the engine and hydraulic transmission system. Then, a matching calculation method, together with optimum objective evaluation parameters, is practically proposed. By completing the optimal matching programs, the option selection is conducted via graphical interface to assist designers in rapid design alternative matching. Finally, the practicality and correctness of this system are verified using examples.

excavator; power matching; optimal selection; graphical interface

姚永玉(1972-),女,副教授,工學碩士.E-mail:458934141@qq.com

文獻標志碼： A 文章編號： 1672-5581(2016)05-0440-05