装载机发动机与液力变矩器匹配优化

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据有关资料显示，装载机液力变矩器传动效率仅为 5O ～7O ]。因此，研究装载机发动机与变矩器的匹配非常必要。以提高二者共同工作时的启动性能、功率利用率和燃油经济性为目的，建立多 目标优化数学模型，通过 Matlab优化工具箱 fgoalat-tain函数对数学模型进行求解，计算出液力变器有效循环圆直径优化参数，实现装载机发动机与液力变矩器的最佳 匹配 。

1 发动机及液力变矩器特性分析发动机扭矩特性分 为外特性段和调速特性段 ，采用分段最小二乘法拟合[2]，曲线方程为：Me-n0a1 a2 ：，(，z ≤ ) (1)Me：bo 4-b1 7/ ，(7z。> ) (2)Me为发 动机转 矩 ；a。，n ，n ，b。，b 为 待定 系数； 。为发动机转速。

液力变矩器的负荷特性是反映在不同转速比时，泵轮转矩 M 随泵轮转速 7/ 的变化规律，其曲线方程为：MB- B D ，2 (3)Me为泵轮转矩； 为变矩系数；0为变矩器工作油密度；g为重力加速度；D为有效循环圆直径；，为泵轮转速。

2 匹配方案确定如何进行液压和液力的功率匹配是装载机设计首先要考虑的问题，-般是希望发动机在其额定点《机械与电子2013(8)工作，液力变矩器工作在高效区，使装载机具有良好的动力性好经济性。工程车辆功率的匹配-般有 3种方案：全功率匹配、部分功率匹配及折中匹配 ]。

部分功率匹配能使得装载机处于满载铲掘作业时，使发动机处在额定工作点并发出最大功率，但装载机动力性能差 ，布置困难。

折 中方案中，变矩器循环圆直径 的选取范围过大，装载机的运输工况、满载铲掘工况的动力性都不能达到最佳。

装载机在复合作业工况下，铲斗是逐渐装满的，工作装置油缸动作次数多 ，负荷小 。在转斗和提升的过程中，油缸的压力是变化的，其最大值只出现在某-瞬间。

图 1是 JZ425装载机满斗时油缸压力与举升高度的关系曲线。图 2表示转斗阻力矩与转角的关系∩见 ，工作装置油泵也是在部分负荷情况下工作。所以，行走装置和工作装置的实际功率比按部分功率匹配方案算得的额定功率熊多。

此外，针对全功率匹配在复合作业时发动机转速可能下降造成输出功率降低的问题，可以通过选用混合透穿的液力变矩器、适应性系数大的发动机、采用可以调节输入变矩器功率的系统等方法进行弥h/cm图 1 油缸油压与举升高度 的关 系/(。)图 2 转角阻力矩和转角的关系《机械与 电子2013(8)补。因此，按全功率匹配方法匹配能满足复合作业工况的功率需要。

3 建立多目标优化数学模型3.1 设计 目标变量取液力变矩器的有效循 环圆直 径 D 为设计变量。

3.2 建立目标 函数规定当 刁≥75%时，为变矩器高效区，高效区对应的最低输出转速为 n ，最大转速为 。。根据最佳匹配原则，建立 目标函数。

最大启动力矩目标函数为：F1(X)-lMrm -M。l (4)动力性 目标函数为：- F2(x)- nT1- 1 - 。

经济性 目标函数为：F。(x)- - - .鲁d (6)T2 √2丁c zM 为发动机最大净扭矩，Mo为液力变矩器零工况输人特性曲线与发动机净扭矩特性曲线交点处扭矩； 为液力变矩器涡轮平均输出转速。

3.3 约束条件与 i。对应的输人特性曲线与发动机外特性曲线交点处的输入转速 应满足：0.5n ≤ ≤ 。

与 i 对应的输入特性曲线与发动机外特性曲线交点处的输入转速 ，应控制在额定转速的 1O 以内：0.9nH≤n ≤1.InH。根据 T-i× B，取对应的输出转速 为目标函数的约束条件。i为液力变矩器传动比，i。为零工况时液力变矩器传动比，i 为液力变矩器在高效区时的传动比， 为发动机额定转速 。

4 实例分析4.1 特性 曲线拟合以 ZL30型装载机为例，优化柴油机和液力变矩器功率匹配。发动机额定功率为84.83 kW，额定转速 为 2 250 r/min，将发动机的外特性数据扣除 15%得到发动机的净外特性，其净外特性数据如表 1所示。变矩器原始特性数据如表 2所示。

· 49 ·表 1 发 动机 净外特性数据4.2 多目标优化 匹配将优化模型中的目标函数转化为标准形式，然后运用Matlab优化工具箱 fgoalatain函数求解可得优化匹配的有效直径 d-317.5 mm～液力变矩器的输入特性曲线和发动机的净扭矩特性曲线，以相同的坐标比例绘制在同-张图上，即得发动机与液力变矩器共同工作的输入特性曲线，如图 3所示。优化后的共同输出曲线如图 4所示。

B/r·rain-图 3 优化匹配 的共 同输入特性 曲线nT/r·rain-图4 共同工作输出特性曲线4.3 优化结果分析优化匹配的结果用以下参数进行评价：最大启· 5O ·动力矩 MT 变矩器高效区输 出转速范 围 d 、变矩 器 高效 区输 出扭矩 范 围dM、变矩器高效区平均输出功率 PTP、平均燃油率 G卯[4]。在相似的运动及动力条件下，利用传统匹配的计算，全功率匹配液力变矩器的有效循环圆直径 D 为361.5 mm，部分功率匹配变矩器的有效循环圆直径 D 为 278.6 mm，折中方案液力变矩 器 的有效循 环 圆直 径 D。为335.9 mm，评价参数对 比如表 3所示。

表 3 对 比数据 表由表 3可以看出，采用全功率匹配，并通过多目标优化匹配，选出的液力变矩器，使得液力变矩器与发动机的匹配性能有显著改善。装载机的起步性能，功率利用率都有较大提高，同时燃油率降低，提高了装载机的燃油经济性。

5 结束语根据装载机的工作特点，分析了装载机发动机与液力变矩器采用全功率匹配方案的合理性，建立了多 目标优化函数 ，提出优 化液力变矩器的有效循环圆直径的方法。通过实例匹配分析，证明了多目标优化匹配方法相比传统方法的精确性，为装载机发动机与变矩器的优化匹配提供了理论依据。