基于典型工況液力變矩器匹配性能的優(yōu)化

王振寶，秦四成

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基于典型工況液力變矩器匹配性能的優(yōu)化

王振寶，秦四成

(吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春，130022)

針對目前發(fā)動機與液力變矩器匹配方式存在的不足，為合理優(yōu)化液力變矩器與發(fā)動機的匹配性能，測試裝載機典型工況下工作系統(tǒng)的載荷情況，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到V型鏟裝工況下全功率匹配和部分功率匹配實際消耗的轉(zhuǎn)矩。以灰色關(guān)聯(lián)度為基礎(chǔ)建立液力變矩器與發(fā)動機匹配的多目標(biāo)優(yōu)化模型，根據(jù)處理后的試驗數(shù)據(jù)對某ZL50裝載機的液力變矩器有效循環(huán)圓直徑進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后整體匹配性能提高3.8%。研究結(jié)果表明：基于典型工況的優(yōu)化方法能夠提高發(fā)動機與液力變矩器的匹配性能，可以為液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計和合理匹配提供參考。

液力變矩器；匹配；優(yōu)化；裝載機

液力變矩器作為一種液力傳動裝置，在工作過程中與發(fā)動機配合工作，兩者匹配后可以看作一種新的動力裝置，車輛動力性和經(jīng)濟性在很大程度上取決于二者之間的匹配是否合理[1]。目前，液力變矩器與發(fā)動機常用的匹配方式有全功率匹配、部分功率匹配和折衷匹配等，常綠等[2?5]在此基礎(chǔ)上，建立了發(fā)動機與液力變矩器匹配的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對匹配性能進(jìn)行了優(yōu)化，但裝載機作業(yè)工況復(fù)雜，載荷變化頻繁，不論采用何種匹配方式都難以同時滿足牽引工況和鏟掘工況的作業(yè)要求，同時按照一定比例扣除外特性轉(zhuǎn)矩，不符合裝載機實際作業(yè)情況，從而無法真正實現(xiàn)裝載機匹配方式的優(yōu)化設(shè)計。針對這種情況，本文作者通過制定無量綱的匹配評價指標(biāo)，并采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合進(jìn)行綜合賦權(quán)，建立了液力變矩器與發(fā)動機匹配的評價方法；在此基礎(chǔ)上，測試了裝載機V型鏟裝工況工作系統(tǒng)的載荷情況，進(jìn)而對某ZL50裝載機液力變矩器與發(fā)動機的匹配進(jìn)行了典型工況下的優(yōu)化。

1 匹配性能評價指標(biāo)與權(quán)重

1.1 匹配性能評價指標(biāo)

根據(jù)液力變矩器與發(fā)動機匹配的原則，制定以下5項匹配性能評價指標(biāo)，為了消除各指標(biāo)數(shù)值差別較大的影響，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[6?7]。

1) 最大轉(zhuǎn)矩輸出系數(shù)1，表示車輛克服起步和加速等較大負(fù)荷工況的能力：

式中：1為傳動比=0時液力變矩器負(fù)荷拋物線與發(fā)動機凈轉(zhuǎn)矩曲線的交點轉(zhuǎn)矩；max為發(fā)動機最大凈輸出轉(zhuǎn)矩。

2) 最大功率輸出系數(shù)2，表示液力變矩器實際最高效率工況與理想工況的接近程度：

式中：eH為發(fā)動機最大凈輸出功率；max為液力變矩器的最高效率；1為液力變矩器最高輸出功率。

3) 高效工作區(qū)寬度系數(shù)3，表示發(fā)動機與液力變矩器共同工作的速度范圍：

式中：w1和w2為液力變矩器效率=0.75時對應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速；max為渦輪軸輸出的最大轉(zhuǎn)速。

4) 功率輸出系數(shù)4，表示高效工作區(qū)范圍內(nèi)發(fā)動機功率的平均利用程度：

5) 燃油消耗率系數(shù)5，表示液力變矩器與發(fā)動機共同工作區(qū)范圍內(nèi)的經(jīng)濟性：

根據(jù)式(1)~(5)的定義可知：1，2，3，4和5越大，對應(yīng)的發(fā)動機與液力變矩器的匹配性能越好。

1.2 評價指標(biāo)權(quán)重

上述每個評價指標(biāo)都反映了匹配性能的不同側(cè)面，不同類型車輛的要求不同，需根據(jù)車輛實際工作情況要求，對評價指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理。為了克服主、客觀賦權(quán)法單獨使用的不足，本文采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合對各指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，各評價指標(biāo)權(quán)重確定的主要步驟如下[8?10]：

1) 成立專家組，利用九標(biāo)度法判斷指標(biāo)之間的相對重要性，建立決策判斷矩陣。

2) 計算判斷矩陣的最大特征值及對應(yīng)的特征向量，特征向量歸一化后作為層次分析法的權(quán)向量。

3) 計算一致性指標(biāo)I和一致性比率R，進(jìn)行一致性檢驗：

其中：I為平均隨機一致性指標(biāo)。當(dāng)R＜0.1時，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性，評價指標(biāo)可以接受，否則判斷矩陣重新賦值修正。

4) 由個匹配方案構(gòu)建熵權(quán)法的評價矩陣。

5) 對矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并計算各評價指標(biāo)的熵為

6) 計算熵權(quán)法中各指標(biāo)的權(quán)重為

7) 組合權(quán)重的計算公式為

(9)

2 基于灰色關(guān)聯(lián)度法評價函數(shù)的構(gòu)建

灰色關(guān)聯(lián)分析是建立在充分利用客觀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到各個方案與最優(yōu)理想方案的接近度，從而進(jìn)行決策?；疑P(guān)聯(lián)分析法能夠處理信息不完全明確的灰色系統(tǒng)，對于小樣本無規(guī)律指標(biāo)的評價問題決策準(zhǔn)確性較高[11?12]。本文有個匹配方案，每個方案有5項指標(biāo)，令0為理想方案，則0與x關(guān)于第個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

第個匹配方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度為

3 試驗與數(shù)據(jù)處理

裝載機主要的作業(yè)工況有鏟裝和牽引等，在鏟裝過程中，裝載機承受的載荷大且變化頻繁，是影響裝載機使用性能的主要工況，針對裝載機常用的V型鏟裝作業(yè)方式進(jìn)行試驗。

1) 試驗要求。選擇整機工作性能良好的某ZL50裝載機采用V型鏟裝作業(yè)方式進(jìn)行試驗，使測試樣本達(dá)到100個工作循環(huán)以上，以保證測試結(jié)果的可信度。

2) 測試內(nèi)容與方法。測試液力變矩器輸出轉(zhuǎn)速、裝載機擋位信號和各工作泵工作壓力等，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器，每秒采集100數(shù)據(jù)點，可以實現(xiàn)實時同步測量，并由測量計算機系統(tǒng)記錄、分析。

液壓泵工作壓力與其消耗的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系式為

式中：為消耗的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；為工作泵壓力；為工作泵排量。

按照文獻(xiàn)[13?15]提出的分段合并、濾波、去除異常值及式(12)等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖1和圖2所示。

(a) 液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機轉(zhuǎn)矩部分采樣數(shù)據(jù)；(b) 1個工作循環(huán)液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動機轉(zhuǎn)矩

圖2 各工作泵和輔助裝置消耗的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速和擋位信號將V型鏟裝工況的1個循環(huán)分成：空載前進(jìn)、鏟裝、后退、前進(jìn)舉升、卸料空載后退5個時間段，各時間段液力變矩器與發(fā)動機匹配狀態(tài)如表1所示。

由試驗數(shù)據(jù)及表1計算得：1個V型鏟裝作業(yè)循環(huán)全功率匹配消耗的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為121.28 N·m，部分功率匹配消耗的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為263.97 N·m。

表1 各時間段液力變矩器的狀態(tài)

4 液力變矩器與發(fā)動機匹配優(yōu)化

將關(guān)聯(lián)度函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑作為設(shè)計變量，進(jìn)行發(fā)動機與液力變矩器匹配性能的優(yōu)化[16?17]。

1) 根據(jù)發(fā)動機和液力變矩器的原始數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)，計算發(fā)動機與液力變矩器共同工作特性，如圖3所示。其中：e為發(fā)動機外特性曲線；1和2分別為全功率匹配和部分功率匹配發(fā)動機凈輸出轉(zhuǎn)矩曲線；P1和P2分別為全功率匹配和部分功率匹配液力變矩器輸出功率曲線；T1和T2分別為全功率匹配和部分功率匹配液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

(a) 發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸入特性；(b) 發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸出特性

2) 根據(jù)發(fā)動機與液力變矩器的共同工作特性，利用式(1)~(5)計算出全功率匹配和部分功率匹配的各評價指標(biāo)。

3) 重復(fù)以上步驟，分別計算出不同直徑時的各評價指標(biāo)值。

4) 確定評價指標(biāo)的綜合權(quán)重。

根據(jù)專家判斷，建立如下決策矩陣：

計算得矩陣的最大特征值max及對應(yīng)的權(quán)向量AHP為

(14)

驗證一致性比率R=0.001＜0.1滿足一致性準(zhǔn)則。

由不同循環(huán)圓直徑得到的匹配方案構(gòu)建熵權(quán)法評價矩陣：

其中：u=a1+a2，a1和a2分別為相應(yīng)時的全功率匹配評價指標(biāo)和部分功率匹配評價指標(biāo)，和由作業(yè)時間比例進(jìn)行確定，根據(jù)表1得：=0.7，=0.3。

計算得熵權(quán)法的權(quán)向量為

各匹配性能評價指標(biāo)的綜合權(quán)重：

(17)

5) 根據(jù)式(11)計算不同循環(huán)圓直徑對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，并繪制相應(yīng)關(guān)系，如圖4所示，當(dāng)?shù)扔?.350 m時，液力變矩器與發(fā)動機的匹配性能最優(yōu)。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

原ZL50裝載機液力變矩器的有效循環(huán)圓直徑0為0.340 m，優(yōu)化后直徑′等于0.350 m。優(yōu)化前后評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)的變化如表2所示。

圖4 直徑D和目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的關(guān)系

表2 優(yōu)化前后評價指標(biāo)計算結(jié)果

從表2可以看出：優(yōu)化后，除ζ(2)有所降低外，其他匹配性能都有不同程度的提高，該優(yōu)化結(jié)果與評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)和權(quán)重分配有關(guān)，因此，選擇合理的賦權(quán)方法對多目標(biāo)優(yōu)化非常重要。

隨著匹配性能的優(yōu)化，關(guān)聯(lián)度逐漸增大，而且與理想值差距較小，用下式計算優(yōu)化前后匹配性能提高的程度：

式中：′為優(yōu)化后的關(guān)聯(lián)度；max為關(guān)聯(lián)度的理想值，即1。

利用式(18)計算得優(yōu)化后整體匹配性能提高3.8%，通過優(yōu)化，改善了液力變矩器與發(fā)動機的匹配性能，同時提高了整車的動力性和經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)液力變矩器與發(fā)動機的理想匹配原則，制定了5項量綱一的匹配評價指標(biāo)，運用層次分析法和熵權(quán)法綜合賦權(quán)，避免了平均分配的不合理性，采用灰色關(guān)聯(lián)度法對液力變矩器與發(fā)動機匹配性能進(jìn)行評價。

2) 針對V型鏟裝工況進(jìn)行液力變矩器與發(fā)動機匹配性能的優(yōu)化，避免了運行工況匹配方式單一的缺點，優(yōu)化后整體匹配性能提高3.8%。結(jié)果表明采用灰色關(guān)聯(lián)度法對液力變矩器與發(fā)動機匹配性能進(jìn)行評價與優(yōu)化是有效可行的，能夠為匹配方案的設(shè)計、選取提供參考。

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(編輯 陳愛華)

Optimization of matching on torque converter with engine based on typical operating condition

WANG Zhenbao, QIN Sicheng

(College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)

In order to avoid the deficiencies of matching between engine and torque converter, and reasonable matching between engine and hydraulic torque converter, some actual tests were performed under typical operating condition. After segmentation, mergence, filtration, elimination of abnormal value, the engine torque actually consumed by working pumps and auxiliary device was obtained on V shovel loading conditions. The evaluation method of the hydraulic torque converter and engine matching was established based on grey relational analysis method. With a hydraulic torque converter of ZL50 loader as an example, the effective diameter of circular circle on hydraulic torque converter was optimized in view of the shovel loading cycle condition. After optimization, the matching performance of engine and torque converter increases by 3.8%. The results show that the optimal matching scheme can be improved based on typical operating condition, which can provide reference for the proper matching between engine and hydraulic torque converter.

torque converter; matching; optimization; wheel loader

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.009

TH137

A

1672?7207(2017)02?0331?06

2016?03?06；

2016?05?19

國家科技支撐計劃項目(2013BAF07B04)(Project(2013BAF07B04) supported by the National Science & Technology Pillar Program)

秦四成，教授，博士生導(dǎo)師，從事工程車輛節(jié)能技術(shù)研究；E-mail：qsc925@hotmail.com