高速液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其教學(xué)應(yīng)用

陳鐵軍, 左志鋼, 劉樹紅, 駱 毅, 莫 莉

(清華大學(xué) 熱能工程系， 北京 100084)

高速液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其教學(xué)應(yīng)用

陳鐵軍, 左志鋼, 劉樹紅, 駱 毅, 莫 莉

(清華大學(xué) 熱能工程系， 北京 100084)

針對(duì)目前國內(nèi)對(duì)應(yīng)用于商用汽車的高轉(zhuǎn)速、小尺寸的液力偶合器的研究較為缺乏,設(shè)計(jì)、搭建了高速液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、測量范圍廣、易于裝配等特點(diǎn)，對(duì)高速液力偶合器的研究與技術(shù)開發(fā)起到了關(guān)鍵的作用。同時(shí),結(jié)合教學(xué)要求，將該試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于液力傳動(dòng)課程的實(shí)驗(yàn)，取得良好的教學(xué)效果。

液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái); 高轉(zhuǎn)速; 教學(xué)應(yīng)用

液力偶合器是一種高效、節(jié)能的傳動(dòng)技術(shù),其柔性傳動(dòng)的特點(diǎn)使其可以協(xié)調(diào)多動(dòng)力機(jī)同步驅(qū)動(dòng),減輕并隔離由于工況變化而引起的沖擊載荷,因此廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械以及車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)中。目前國內(nèi)由于應(yīng)用領(lǐng)域的水平限制[1],尚無針對(duì)商用汽車的高轉(zhuǎn)速、小尺寸的液力偶合器的文獻(xiàn)報(bào)道。常規(guī)的液力偶合器試驗(yàn)臺(tái)目前主要用于測試低轉(zhuǎn)速、大尺寸的輸入、輸出扭矩及轉(zhuǎn)速,以及輸出外特性曲線。例如,何延?xùn)|[2]于大連液力偶合器廠完成的液力偶合器出廠試驗(yàn),標(biāo)定了待測液力偶合器在不同充液率下的運(yùn)行工況,得到了實(shí)際運(yùn)行的外特性曲線,有效圓直徑≥300 mm,測試轉(zhuǎn)速≤1 500 r/min；姚子生[3]對(duì)于輸入轉(zhuǎn)速為600 r/mi的液力偶合器進(jìn)行了試驗(yàn),得出了特性曲線,其試驗(yàn)的偶合器有效圓直徑為356 mm,測得輸入功率大約為22 kW。國外以德國福伊特(VOITH)公司技術(shù)最為先進(jìn)[4-5],并提供小尺寸、高轉(zhuǎn)速工況的系列產(chǎn)品,但因涉及技術(shù)機(jī)密,無技術(shù)可參考。

1 渦輪復(fù)合系統(tǒng)原理圖

內(nèi)燃機(jī)是目前我國應(yīng)用最多的動(dòng)力機(jī)械,我國燃機(jī)消耗的石油占全國石油消耗量的一半以上[6-7]。在節(jié)能減排、減少霧霾成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展主題時(shí),內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用得到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。內(nèi)燃機(jī)尾氣中含大量的余熱、余壓能,該部分能量的品質(zhì)高,具有再利用價(jià)值[8]。目前該余能回收被認(rèn)為是具有最好的節(jié)能減排潛力的技術(shù)之一[9]。其工作原理如圖1所示,在汽車的渦輪復(fù)合系統(tǒng)中,內(nèi)燃機(jī)排氣散失的余熱、余壓能通過動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,經(jīng)液力偶合器傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸,從而達(dá)到能量回收的目的。其中液力偶合器起著承前啟后的關(guān)鍵作用,可以有效減少?zèng)_擊載荷、實(shí)現(xiàn)負(fù)載自適應(yīng)調(diào)節(jié)、柔性協(xié)調(diào)多動(dòng)力輸入,其輸入轉(zhuǎn)速≥7 000 r/min,傳遞功率≥40 kW。因放空間有限、整體結(jié)構(gòu)緊湊,導(dǎo)致偶合器的工作腔有效直徑≤200 mm。

圖1 渦輪復(fù)合系統(tǒng)原理圖

2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 基本參數(shù)確定

液力偶合器的傳遞功率PB與轉(zhuǎn)速np、工作腔有效圓直徑D的關(guān)系如下：

(1)

式中:PB為泵輪功率,kW；λp為泵輪扭矩系數(shù),s2/m；ρ為工作液體的密度,kg/m3；np為泵輪輸入轉(zhuǎn)速,r/min；D為工作腔有效直徑,mm。

對(duì)于高轉(zhuǎn)速、小尺寸液力偶合器,在大功率、高轉(zhuǎn)速工況運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生較大的振動(dòng)以及不穩(wěn)定[10-11],對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)動(dòng)部件動(dòng)平衡、多軸同心度等的測量、控制系統(tǒng)要求高,研制成本高,因此需采用降速試驗(yàn)。如采用常規(guī)試驗(yàn)臺(tái)(見表1),無法滿足小尺寸要求；若滿足小尺寸、低速運(yùn)行要求，則功率較小,會(huì)降低測量扭矩精度,同時(shí)低速工況無法真實(shí)反應(yīng)高速工況偶合器內(nèi)部流動(dòng)特性。因此根據(jù)數(shù)值計(jì)算分析[12],高速液力偶合器試驗(yàn)臺(tái)基本參數(shù)如表1所示。

表1 高速與常規(guī)試驗(yàn)平臺(tái)測試參數(shù)比較

2.2 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)測試的需要,液力偶合器試驗(yàn)臺(tái)包括以下幾個(gè)部分:驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置、測量裝置、控制系統(tǒng)、臺(tái)架、連接零部件等,如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)裝置選用易于控制且精度較高的5.5 kW的四級(jí)的變頻調(diào)速交流電機(jī),最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000 r/min。

圖2 高速液力耦合器試驗(yàn)平臺(tái)

加載裝置選用電渦流測功機(jī),電渦流測功機(jī)相比于其他種類的加載裝置而言具有動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度快和易實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)加載控制的優(yōu)點(diǎn),且結(jié)構(gòu)簡單、慣性小,因此符合試驗(yàn)的要求。

控制系統(tǒng)包括變頻調(diào)速控制和起停控制系統(tǒng),試驗(yàn)臺(tái)的操作系統(tǒng)集中在控制臺(tái)上,控制臺(tái)設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)附近,以便操作者能清楚觀察試驗(yàn)過程。測控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由工控機(jī)、I/O 板卡、PLC 控制器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、顯示儀表等組成,其中轉(zhuǎn)速扭矩傳感器采用非接觸式的磁電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速,精度是0.5%,量程為20 N·m。軟件部分能夠?qū)崟r(shí)采集流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù),并具備自動(dòng)記錄存儲(chǔ)功能,可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線擬合和報(bào)告打印等。

液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái)為了滿足未來不同規(guī)格偶合器的試驗(yàn)需求,臺(tái)架采用規(guī)格為2 500 mm×1 000 mm的定制T型槽鑄鐵平臺(tái),尾部采用帶直線道軌移動(dòng)結(jié)構(gòu)。聯(lián)接裝置采用撓性金屬元件聯(lián)軸器。

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)誤差分析

由于試驗(yàn)平臺(tái)本身存在著非統(tǒng)計(jì)評(píng)定的不確定度(B類不確定度),將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度造成一定的影響,因此對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的B類不確定度進(jìn)行分析。

B類不確定度由式(2)計(jì)算:

(2)

式中:UB1為測量不確定度；UB2為為儀器不確定度。

對(duì)力矩測量,試驗(yàn)臺(tái)的力矩測量儀最小分度d為0.01N·m,因此UB1為d/2=0.005 N·m。由于力矩測量的精度等級(jí)為0.5級(jí),量程為20N·m,且儀器的不確定度概率分布為均勻分布。由式(3)計(jì)算得：

(3)

則力矩測量時(shí)的B類不確定度0.06 N·m。

對(duì)轉(zhuǎn)速測量,試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速測量儀最小分度d為1r/min,因此UB1取為d/2=0.5r/min。轉(zhuǎn)速的測量精度為0.5級(jí),量程為5 000r/min,且不確定度概率分布為均勻分布。由式(4)得：

(4)

則轉(zhuǎn)速測量時(shí)的B類不確定度14.5r/min。

轉(zhuǎn)速比i為

(5)

式中:nt為渦輪輸入轉(zhuǎn)速,r/min；np為泵輪輸入轉(zhuǎn)速,r/min。

令U(i)為轉(zhuǎn)速比測量時(shí)的誤差,則由式(5)和誤差傳遞公式可得式：

(6)

對(duì)于每一個(gè)測量工況均用式(6)對(duì)U(i)進(jìn)行計(jì)算,間接測量的轉(zhuǎn)速比的相對(duì)誤差界約為1%。

令λMP為泵輪力矩系數(shù)，U(λMP)為泵輪力矩系數(shù)測量時(shí)的誤差,則由式(7)得誤差傳遞公式(8)：

(7)

(8)

式中:Mp為泵輪扭矩,N·m。

對(duì)于每一個(gè)測量工況均用式(8)對(duì)U(λMP)進(jìn)行計(jì)算。間接測得的泵輪力矩系數(shù)的相對(duì)誤差界約為3%。

2.4 試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

試驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例對(duì)象為針對(duì)973課題“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機(jī)余熱能梯級(jí)利用基礎(chǔ)研究”而研發(fā)的高速液力偶合器樣機(jī),其有效圓直徑為150 mm,輸入轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,充液率為0.8。得到特性曲線如圖3所示，圖中MT為輸出扭矩，η為功率。

圖3 試驗(yàn)測得的外特性曲線

試驗(yàn)測得的外特性曲線的變化規(guī)律符合對(duì)樣機(jī)輸出性能的預(yù)估。同時(shí)在額定工況點(diǎn)(轉(zhuǎn)速比0.96)附近,試驗(yàn)所測扭矩及功率與數(shù)值模擬符合較好[12]。這表明該試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行高轉(zhuǎn)速、小尺寸類型的液力偶合器外特性試驗(yàn),并且測量結(jié)果可靠、精度高。

3 試驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)轉(zhuǎn)換

高速液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái)是科研用試驗(yàn)臺(tái)向教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)換的成功案例。液力傳動(dòng)課程是一門綜合流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)的綜合型課程,是流體機(jī)械及工程重要專業(yè)課程之一。清華大學(xué)液力傳動(dòng)課程其特色在于課程秉承科研、教學(xué)一體化的教學(xué)理念,課程緊密聯(lián)系實(shí)際。高速液力偶合器實(shí)驗(yàn)臺(tái)在搭建過程中與該課程教學(xué)緊密結(jié)合,貫徹《清華大學(xué)關(guān)于全面深化教育教學(xué)改革的若干意見》,多層次、高質(zhì)量、全方位服務(wù)了教學(xué)工作,如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)化用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合培養(yǎng)體系

在第一課堂,高速液力偶合器具有測量范圍廣,結(jié)構(gòu)緊湊,使用靈活,易于操作特點(diǎn),轉(zhuǎn)速及測量范圍可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié),可使學(xué)生清晰、快速掌握液力偶合器的性能實(shí)驗(yàn)方法。結(jié)合教學(xué)要求,設(shè)計(jì)專用卡具實(shí)現(xiàn)快速拆裝,保證安全余量,將科研額定工況轉(zhuǎn)速3 000 r/min降至教學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速800～1 200 r/min,保證測量誤差精度,將科研試驗(yàn)臺(tái)成功應(yīng)用于液力傳動(dòng)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),新開設(shè)綜合設(shè)計(jì)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——高速偶合器試驗(yàn)性能研究,并為汽車液力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)更新了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),加深學(xué)生對(duì)于較為抽象的液力傳動(dòng)相關(guān)知識(shí)的理解。

在第二課堂,通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè),搭建學(xué)生課外創(chuàng)新平臺(tái),強(qiáng)化學(xué)生全面素質(zhì)培養(yǎng)。從方案設(shè)計(jì)伊始即積極吸引本科生、研究生參加實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè),完成開設(shè)SRT(大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃)項(xiàng)目“液力偶合器與動(dòng)力渦輪一體化的設(shè)計(jì)”,學(xué)生通過開放式的學(xué)習(xí)和研究,增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣,鍛煉了動(dòng)手能力,開拓了創(chuàng)新意識(shí)。先后有13人次獲清華大學(xué)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室貢獻(xiàn)獎(jiǎng)2等2項(xiàng)、3等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

在第三課堂,在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)過程中,通過與相關(guān)生產(chǎn)廠家的廣泛、深入合作,統(tǒng)籌建成了“大連營城液力偶合器廠”課程生產(chǎn)實(shí)踐基地,新開實(shí)踐課程——液力偶合器制造技術(shù)拓展。通過“強(qiáng)調(diào)特色”的課程生產(chǎn)基地, “以小見大”的課程實(shí)踐理念,讓學(xué)生感受真實(shí)世界,在實(shí)踐中增強(qiáng)分析和解決實(shí)際問題能力。通過三個(gè)課堂的協(xié)同培養(yǎng),學(xué)生感到學(xué)有所用,由被動(dòng)學(xué)生到主動(dòng)學(xué)習(xí),鍛煉解決實(shí)際工程問題的能力,課程選課人數(shù)由以往5人左右達(dá)到目前30人的最大課容量。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、搭建高轉(zhuǎn)速小型液力偶合器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同于常規(guī)同類型試驗(yàn)臺(tái),根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速高、傳遞功率小,試驗(yàn)要求,對(duì)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)選擇、設(shè)備選型、軟件開發(fā)、成本控制進(jìn)行了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì),并深入探討了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差,保證了試驗(yàn)精度。通過滑動(dòng)導(dǎo)軌等的設(shè)計(jì)方案拓展了裝置功能與測量范圍,極大得提高了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的適應(yīng)性。為高速液力偶合器這種新型液力傳動(dòng)部件的開展基礎(chǔ)性、前瞻性研究提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

高速液力偶合器試驗(yàn)平臺(tái)具有測量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、易于操作特點(diǎn),結(jié)合教學(xué)要求,本文將科研試驗(yàn)臺(tái)成功應(yīng)用于液力傳動(dòng)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

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Design of high-speed hydraulic coupler test platform and its teaching application

Chen Tiejun, Zuo Zhigang, Liu Shuhong, Luo Yi, Mo Li

(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Aiming at the lack of research on the small-sized and high-speed hydraulic coupler applied to commercial vehicles, the test platform for the high-speed hydraulic coupler is designed and constructed. The platform has the characteristics of compact construction，wide measuring range，easy assembly, etc., playing a key role in the research and development of the high-speed hydraulic coupler. At the same time, combined with the teaching requirements, the test platform is applied to the experiment of Hydraulic Transmission course, which achieves the good teaching effect.

hydraulic coupler test platform; high rotation speed; teaching application

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.023

2016-08-18

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB707204)

陳鐵軍(1981—) 男,遼寧朝陽，碩士，工程師，從事流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)研究與教學(xué).

E-mail：ctj@mail.tsinghua.edu.cn

TH137.3

A

1002-4956(2017)2-0084-04