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(吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130022)

引言

作為能源消耗的大戶，裝載機(jī)、推土機(jī)等鏟土運(yùn)輸機(jī)械如何提高整機(jī)性能并實(shí)現(xiàn)節(jié)能受到越來越廣泛的關(guān)注[1]。對(duì)于工程車輛而言，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中零部件自身性能及各部件之間匹配性能的改善將有助于整機(jī)性能的提高，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器間的匹配問題[2-4]。由于作業(yè)工況的復(fù)雜化，傳統(tǒng)液力變矩器固定不變的能容特性無(wú)法同時(shí)滿足工程機(jī)械各階段作業(yè)的需求，因此通過設(shè)計(jì)能容可變的新型液力變矩器，實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的動(dòng)態(tài)匹配是目前解決這一問題的有效手段之一[5]。

常見的導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器為長(zhǎng)方形循環(huán)圓徑流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器[6]，然而對(duì)于鏟土運(yùn)輸機(jī)械而言，由于空間結(jié)構(gòu)尺寸、液力變矩器透穿性能等因素的影響，想要保證液力變矩器透穿性能不變的同時(shí)，將長(zhǎng)方形循環(huán)圓徑流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器應(yīng)用于鏟土運(yùn)輸機(jī)械比較困難?；诖?，軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器的研究不僅具有重要的工程實(shí)際意義，而且其對(duì)于工程機(jī)械面向節(jié)能化產(chǎn)品的發(fā)展具有重要的作用。

1　循環(huán)圓、葉片與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器與普通的向心渦輪液力變矩器尺寸相當(dāng)，因此選取裝載機(jī)、推土機(jī)等鏟土運(yùn)輸機(jī)械常用的系列化尺寸370 mm作為循環(huán)圓的有效直徑。在設(shè)計(jì)循環(huán)圓的過程中，考慮到導(dǎo)輪葉片為可調(diào)葉片，因此為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用“兩圓弧+直線”的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)新型變矩器的循環(huán)圓[7]，如圖1所示。由圖可知，新型變矩器與普通變矩器的循環(huán)圓在導(dǎo)輪處的形狀明顯有所不同。

葉片理論設(shè)計(jì)方法主要包括環(huán)量分配法和等傾角射影法[5]。本研究通過等傾角射影法對(duì)新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)變矩器葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[8，9]。得到的新型變矩器的泵輪葉片和渦輪葉片如圖2所示。

圖1　新型變矩器循環(huán)圓

圖2　泵輪和渦輪葉片

與普通變矩器相比，新型變矩器導(dǎo)輪的安裝位置雖然相同，但其導(dǎo)輪的葉片需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因此為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)輪葉片在導(dǎo)輪內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)輪的葉片將不再是扭曲的三維葉片，而設(shè)計(jì)為圓柱形葉片。同時(shí)為了充分利用有限的空間結(jié)構(gòu)，提高新型變矩器的性能，葉片內(nèi)環(huán)的長(zhǎng)度大于外環(huán)，如圖3所示。

圖4為新型變矩器的總體結(jié)構(gòu)。從總體結(jié)構(gòu)可知，與普通向心渦輪液力變矩器相比，新型變矩器的不同之處主要在于導(dǎo)輪葉片、導(dǎo)輪座和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。當(dāng)工作介質(zhì)流經(jīng)導(dǎo)輪時(shí)，通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)輪葉片，可以改變液力變矩器的能容性能?？梢?，新型變矩器設(shè)計(jì)的成功與否不僅取決于葉片設(shè)計(jì)， 導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)同樣也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

圖3　導(dǎo)輪葉形和葉片

1.渦輪　2.驅(qū)動(dòng)輪　3.渦輪轂　4.輸入軸　5.壓蓋　6.撥動(dòng)軸7.導(dǎo)輪　8.隔套　9.導(dǎo)輪座　10.輸出軸　11.調(diào)節(jié)軸12.泵輪座　13.泵輪圖4　新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器總體結(jié)構(gòu)

2　導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于新型變矩器通過轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)輪葉片來實(shí)現(xiàn)變矩器能容的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，因此如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)不僅至關(guān)重要，而且是設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。圖5為新型變矩器導(dǎo)輪座組件。如圖所示，與普通變矩器的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)輪葉片上不僅裝有葉片繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸7，而且在葉片外環(huán)上還裝有撥動(dòng)軸5。除此之外，導(dǎo)輪座和導(dǎo)輪外環(huán)之間裝有調(diào)節(jié)軸4， 導(dǎo)輪葉片正是通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)軸進(jìn)而帶動(dòng)撥動(dòng)軸撥動(dòng)葉片繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉開度的變化，調(diào)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過手動(dòng)或電動(dòng)(自動(dòng))實(shí)現(xiàn)。

1.導(dǎo)輪座　2.滑動(dòng)軸承　3.隔套　4.調(diào)節(jié)軸　5.撥動(dòng)軸　6.內(nèi)環(huán)7.轉(zhuǎn)動(dòng)軸　8.軸套　9.導(dǎo)輪葉片　10.外環(huán)　11.骨架油封圖5　軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器導(dǎo)輪座組件

圖6和圖7為導(dǎo)輪的內(nèi)環(huán)和外環(huán)結(jié)構(gòu)。通過導(dǎo)輪的內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)，則可以更清楚地了解導(dǎo)輪葉片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。從圖6的內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)可知，與導(dǎo)輪葉片內(nèi)環(huán)相接觸的表面為多邊形結(jié)構(gòu)，以便于導(dǎo)輪葉片的旋轉(zhuǎn)。從圖7的外環(huán)結(jié)構(gòu)可知，與導(dǎo)輪葉片外環(huán)相接觸的表面不僅同樣為多邊形結(jié)構(gòu)，而且在其表面上還開有圓弧狀的凹槽，主要用于撥動(dòng)軸的移動(dòng)。

圖6　內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)

圖7　外環(huán)結(jié)構(gòu)

為了更加清楚的表達(dá)導(dǎo)輪葉片角度的變化，對(duì)導(dǎo)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)位置(開度)進(jìn)行定義，如圖8a所示，將導(dǎo)輪葉片由最大開度位置轉(zhuǎn)至最小開度位置的角度定義為θ，將θ進(jìn)行等分后的角度為θx(x=0、1、2……)，定義導(dǎo)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)開度為k，則：

(1)

圖8b為k=0、k=0.5、k=1時(shí)導(dǎo)輪葉片開度變化的三維圖。雖然導(dǎo)輪葉片只能轉(zhuǎn)動(dòng)20°，但其能容特性的連續(xù)變化范圍已然能夠滿足動(dòng)態(tài)匹配的要求。

3　軸流導(dǎo)葉可調(diào)變矩器性能預(yù)測(cè)

3.1　軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器CFD計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和CFD (計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)的日益成熟，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)工程問題的三維、非定常、不可壓縮粘性流體的流動(dòng)分析已經(jīng)可以采用CFD軟件加以解決[10]。運(yùn)用CFD對(duì)液力變矩器進(jìn)行仿真計(jì)算已經(jīng)成為一種常規(guī)的技術(shù)手段。許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都已表明，向心渦輪液力變矩器的CFD特性計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果非常接近，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行理論分析時(shí)，可以采用CFD計(jì)算的結(jié)果作為依據(jù)[11-14]?；诖?，本研究采用CFD計(jì)算方法對(duì)新型變矩器進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算流程如圖9所示。

圖8　導(dǎo)輪葉片開度

圖9　CFD數(shù)值模擬計(jì)算流程

將前述設(shè)計(jì)的循環(huán)圓和葉片導(dǎo)入三維軟件UG中進(jìn)行流道抽取，圖10分別為泵輪、渦輪以及導(dǎo)輪(k=0.5)下流道模型，將各葉輪流道模型構(gòu)成一個(gè)整體作為計(jì)算域模型。

圖10　三維流道模型

將所得到的流道模型導(dǎo)入ANSYS/ICEAM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格質(zhì)量的高低對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有很大的影響，因此選用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜處進(jìn)行網(wǎng)格加密，得到泵輪、渦輪以及導(dǎo)輪(k=0.5)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11　網(wǎng)格模型

將網(wǎng)格模型生成CASE文件導(dǎo)入FLUENT中，湍流模型選擇大渦模擬(LES)，壓力速度耦合算法選擇SIMPLE，離散格式選取二階迎風(fēng)格式。泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000 r/min，各葉輪進(jìn)出口設(shè)置為滑移網(wǎng)格，其余邊界條件設(shè)置為壁面條件(wall)。工作介質(zhì)采用液力傳動(dòng)油，密度為833.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.009865 Pa·s。為了提高計(jì)算精度，按變矩器的實(shí)際工作液體平均溫度范圍，設(shè)定油溫為84 ℃。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理即可得到新型變矩器的相關(guān)特性。

3.2　軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器特性分析

通過CFD計(jì)算可以得到各葉輪的轉(zhuǎn)矩值，即軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器的外特性和原始特性。軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器的原始特性不僅與轉(zhuǎn)速比i有關(guān)，同時(shí)隨著導(dǎo)葉開度k的變化而變化。原始特性的各項(xiàng)性能指標(biāo)均可以看成是轉(zhuǎn)速比i和導(dǎo)葉開度k的函數(shù)。為了更好的體現(xiàn)軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器的特性，在進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí)，導(dǎo)葉開度k在0～1每隔0.1取值，轉(zhuǎn)速比i在0～1每隔0.1取值。由計(jì)算得到的各葉輪轉(zhuǎn)矩值可以得到軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器的原始特性，并用以轉(zhuǎn)速比i和導(dǎo)葉開度k為橫坐標(biāo)的曲面來表達(dá)，如圖12所示。

通過圖12可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速比i和導(dǎo)葉開度k的改變，變矩比K、效率η和泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB(能容)的數(shù)值都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。每一個(gè)導(dǎo)葉開度下，都會(huì)有相應(yīng)的原始特性與之對(duì)應(yīng)，可以認(rèn)為新型變矩器的特性是由不同開度下的多組液力變矩器的特性共同組成。

圖12　新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器原始特性

為了更直觀的表述不同開度下新型變矩器的特性，現(xiàn)分別用導(dǎo)葉開度k=0、k=0.3、k=0.5、k=0.7、k=1的各平面與圖12所示的曲面相交，分別獲得導(dǎo)葉開度k=0、k=0.3、k=0.5、k=0.7、k=1下的新型變矩器的原始特性曲線，如圖13所示。由圖13a可以看出，隨著導(dǎo)葉開度的變化，失速變矩比K0(i=0)在2.39～2.62之間變化；在i=0以外其他工況，隨著導(dǎo)葉開度的增大，變矩比的變化趨勢(shì)為略有下降。由圖13b可以知道，在高效范圍內(nèi)效率值會(huì)隨著導(dǎo)葉開度k的增大略有降低，設(shè)計(jì)工況(i=0.7)下的最高效率值的變化范圍介于80.63%～85.05%之間。由圖13c可知，泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB(能容)的變化較為明顯，隨著導(dǎo)葉開度k的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。導(dǎo)葉開度k增大的同時(shí)泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB(能容)逐漸增加。由此可見，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度可以實(shí)現(xiàn)新型變矩器能容的連續(xù)變化。正是基于此種特性，當(dāng)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配時(shí)，泵輪的轉(zhuǎn)矩特性會(huì)隨著導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)的匹配，根據(jù)作業(yè)工況的需求匹配到動(dòng)力性或經(jīng)濟(jì)性的最佳點(diǎn)，進(jìn)而提高整機(jī)的性能。

圖13　不同導(dǎo)葉開度下新型變矩器原始特性

4　結(jié)論

(1) 采用“兩圓弧+直線”的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了有效直徑370 mm的新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器循環(huán)圓。運(yùn)用等傾角射影法設(shè)計(jì)了新型變矩器的各葉輪葉片的葉型，并給出了其總體結(jié)構(gòu)；

(2) 設(shè)計(jì)了導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了新型變矩器導(dǎo)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)。并根據(jù)導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)的位置定義了導(dǎo)葉開度的變化范圍；

(3) 運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)不同開度和不同轉(zhuǎn)速比下的新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了新型變矩器的原始特性。通過對(duì)其原始特性進(jìn)行分析可知，新型變矩器能容特性隨著導(dǎo)葉開度k和轉(zhuǎn)速比i的變化而變化，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度可以實(shí)現(xiàn)新型變矩器能容的連續(xù)可控性，其應(yīng)用于工程機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)匹配，提高整機(jī)性能。

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