張更云，白創(chuàng)軍，萬 康，王普凱

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)研究

張更云，白創(chuàng)軍，萬 康，王普凱

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

提出了雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)概念、并機(jī)方案與控制策略；對雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)主要部件的布局與管路提出了改進(jìn)措施；雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)對大幅提高未來主戰(zhàn)坦克機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性和可靠性具有優(yōu)勢。

坦克動(dòng)力系統(tǒng)； 雙主機(jī)；可靠性

目前各國主戰(zhàn)坦克都采取單主發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡稱主機(jī))或單主機(jī)加輔助發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的方案[1]，主機(jī)為坦克機(jī)動(dòng)提供動(dòng)力，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)用于坦克停車狀態(tài)、戰(zhàn)斗部值班時(shí)為用電設(shè)備提供電力、并向蓄電池充電，此時(shí)主發(fā)動(dòng)機(jī)不工作。這種方式可以有效滿足車輛停車狀態(tài)時(shí)電臺(tái)、電轉(zhuǎn)炮塔等用電設(shè)備的電力需要，又可以節(jié)省主發(fā)動(dòng)機(jī)的使用摩托小時(shí)，減少主發(fā)動(dòng)機(jī)在低速、低負(fù)荷狀態(tài)的工作時(shí)間。

兩種方式都有相同的不足：① 主發(fā)動(dòng)機(jī)都必須滿足坦克各種工況下的動(dòng)力需求，如最高時(shí)速時(shí)的最大功率工況，爬最大坡度時(shí)的最大扭矩工況，而使用中更多的時(shí)間是坦克中低速度下的發(fā)動(dòng)機(jī)低速、低負(fù)荷工況。而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有效比油耗、排放指標(biāo)都遠(yuǎn)高于最佳油耗點(diǎn)工況。② 主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，坦克往往只能原地待援，這種狀況發(fā)生在射擊、通訊、駕駛訓(xùn)練中尚可用其他車輛救援，假如發(fā)生實(shí)戰(zhàn)中，則車輛將處于危險(xiǎn)的境地。③ 進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率受坦克高度的限制。

解決上述問題，有必要采用雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

1 雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)方案

1.1 雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)概念

雙主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)是指利用同一套輔助系統(tǒng)的兩臺(tái)相同型號的主發(fā)動(dòng)機(jī)，通過并車裝置控制[2-3]輸出扭矩的動(dòng)力系統(tǒng)。 包括兩臺(tái)主機(jī)及輔助系統(tǒng)和并機(jī)控制傳動(dòng)裝置(見圖1)。

兩臺(tái)主機(jī)分別叫1號機(jī)和2號機(jī)，兩臺(tái)主機(jī)可同時(shí)輸出動(dòng)力、也可單獨(dú)輸出動(dòng)力，構(gòu)成3種工作狀態(tài)，分別是1號機(jī)單獨(dú)工作； 2號機(jī)單獨(dú)工作； 1、2號機(jī)同時(shí)工作。動(dòng)力通過并車傳動(dòng)控制裝置輸出，經(jīng)綜合傳動(dòng)裝置、側(cè)減速器傳到坦克主動(dòng)輪。

圖1 雙主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

1.2 并機(jī)控制傳動(dòng)裝置及工作原理

并機(jī)控制傳動(dòng)裝置由4個(gè)離合器和7個(gè)齒輪組成(見圖1)。4個(gè)離合器中， C1的傳動(dòng)扭矩能力是C2、C3、C4的2倍，4個(gè)離合器控制3種工作狀態(tài)以及3種工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

1.2.1 從停機(jī)狀態(tài)起動(dòng)到3種工作狀態(tài)的控制

當(dāng)需要1號機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，1號機(jī)起動(dòng)到怠速，C2與C3離合器結(jié)合，C1與C4離合器分離，1號主機(jī)動(dòng)力輸出路徑順序?yàn)閆5-Z6-Z4-Z1-Z2-Z3，經(jīng)綜合傳動(dòng)裝置、側(cè)減速器傳到坦克主動(dòng)輪；需要2號機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，2號機(jī)起動(dòng)到怠速，C2與C4離合器結(jié)合，C1與C3離合器分離，2號主機(jī)動(dòng)力輸出路徑順序?yàn)閆7-Z6-Z4-Z1-Z2-Z3；需要1、2號機(jī)聯(lián)合工作時(shí)，二機(jī)分別起動(dòng)到怠速，C1與C3、C4離合器結(jié)合，C2離合器分離，1、2號機(jī)動(dòng)力分別經(jīng)Z5、Z7傳到Z6，之后的傳動(dòng)順序?yàn)閆6-Z2-Z3。離合器的狀態(tài)如表1所示。

表1 3種工作狀態(tài)與4個(gè)離合器工作狀態(tài)

1.2.2 工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換控制

從1號機(jī)或2號機(jī)單獨(dú)工作轉(zhuǎn)換到兩機(jī)并機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，將2號機(jī)或1號機(jī)對應(yīng)的離合器C4或C3結(jié)合，C2離合器分離、C1離合器結(jié)合。如從1號機(jī)單獨(dú)工作轉(zhuǎn)換到兩機(jī)并機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，由C2與C3離合器結(jié)合與C1與C4離合器分離變?yōu)镃3、C4 、C1結(jié)合，C2離合器分離。從2號機(jī)單獨(dú)工作轉(zhuǎn)換到兩機(jī)并機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，由C2與C4離合器結(jié)合，C1與C3離合器分離也變?yōu)镃3、C4、C1結(jié)合，C2離合器分離。

從兩機(jī)并機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到1號機(jī)或2號機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，將2號機(jī)或1號機(jī)對應(yīng)的離合器C4或C3分離；為減少旋轉(zhuǎn)部件慣量，C1離合器分離、C2離合器結(jié)合。如從兩機(jī)并機(jī)工作轉(zhuǎn)換到1號機(jī)單獨(dú)工作狀態(tài)時(shí)，由C1與C3、C4結(jié)合，C2離合器分離變?yōu)镃2與C3離合器結(jié)合與C1與C4離合器分離。從兩機(jī)并機(jī)工作轉(zhuǎn)換到2號機(jī)單獨(dú)工作狀態(tài)時(shí)，由C1與C3、C4結(jié)合，C2離合器分離變?yōu)镃2與C4離合器結(jié)合，C1與C3離合器分離。

由1號機(jī)工作轉(zhuǎn)換到2號機(jī)工作時(shí)，離合器C3結(jié)合、C4分離狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C4結(jié)合、C3分離；由2號機(jī)工作轉(zhuǎn)換到1號機(jī)工作時(shí)，離合器C4結(jié)合、C3分離狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C3結(jié)合、C4分離。

傳動(dòng)電控系統(tǒng)控制4個(gè)離合器的結(jié)合與分離。

2 雙主機(jī)動(dòng)力的輔助系統(tǒng)

雙主機(jī)動(dòng)力的輔助系統(tǒng)仍包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。由于雙主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共同利用一套輔助系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)要采用型號相同的柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，以便保證通用性。

為了滿足兩臺(tái)主機(jī)的3種工作狀態(tài)，需要對傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)布局做改進(jìn)。輔助系統(tǒng)方案改進(jìn)的原則是：一是在滿足兩主機(jī)3種工作狀態(tài)的情況下，盡可能共用系統(tǒng)部件，減輕輔助系統(tǒng)質(zhì)量；二是在任何一臺(tái)主機(jī)出現(xiàn)故障或“缺席”時(shí)，能快速處理，不能影響另一臺(tái)主機(jī)的正常工作。三是為快速維護(hù)保養(yǎng)提供方便，動(dòng)力艙采用整體吊裝方式，輔助系統(tǒng)部件按需要布置在發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力艙和底盤其他部位(見表2)，動(dòng)力艙和底盤其他部位間的機(jī)件連接管路安裝快速接頭。

3 雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)的主要性能分析

坦克動(dòng)力系統(tǒng)原則上要滿足功率足、體積小，高度低、比油耗低、起動(dòng)性好、工作可靠、維護(hù)簡便的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、起動(dòng)與使用性能要求。

3.1 動(dòng)力性

坦克噸功率越高，其機(jī)動(dòng)性愈好。目前單臺(tái)功率最大的坦克發(fā)動(dòng)機(jī)為美國M1A3坦克的1 323 kW燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)一步提高坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的功率受到單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)體積與高度的限制，特別是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。目前解決的方法是采取高功率密度柴油機(jī)，升功率達(dá)到92 kW/L[4]，但受到材料力學(xué)強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度、散熱技術(shù)的局限及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的要求，單臺(tái)高功率密度柴油機(jī)的功率仍未突破1 103 kW。

隨著全電坦克、電磁炮等新技術(shù)的開發(fā)，對坦克動(dòng)力系統(tǒng)的最大功率要求有大幅的提高，一般認(rèn)為需要1 500 kW到1 600 kW，采用雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)既能滿足這一需求，又能使發(fā)動(dòng)機(jī)的高度還在允許范圍。每臺(tái)主機(jī)的額定功率為750 kW到800 kW的柴油機(jī)，若按升功率32.5 kW/L的水平設(shè)計(jì)X型無連桿柴油機(jī)，本體長寬高為880 mm×1 000 mm×984 mm，兩臺(tái)的尺寸仍然略小于一臺(tái)豹II式坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸與質(zhì)量。若采用升功率達(dá)到92 kW/L的高功率密度綜合技術(shù)， 功率為550 kW的6缸機(jī)高590 mm，寬700 mm，長760 mm，質(zhì)量僅為520 kg， 兩臺(tái)功率為750 kW到800 kW的高功率密度柴油機(jī)也可以作為雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣，雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)最大功率將在原單機(jī)1 103 kW的基礎(chǔ)上提高36%～45%，而發(fā)動(dòng)機(jī)的高度與體積不增加。

表2 雙主機(jī)坦克動(dòng)力輔助系統(tǒng)主要部件布置

3.2 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性主要指坦克的百公里油耗q100，用坦克行駛阻力Fr和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率be計(jì)算[5]

式中：Fr為行駛阻力(N)； be為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率[g/(kW·h)]； ηt為傳動(dòng)系的效率； ρ為燃油的密度(kg/L)。

如果以相同的車速與檔位行駛同樣的距離，可以認(rèn)為坦克的行駛阻力Fr、傳動(dòng)系的效率ηt相同，百公里油耗只與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率be有關(guān)。對于發(fā)動(dòng)機(jī)的be有最經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速范圍，離開了這個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域工況，be的值均增加，坦克靠變速箱檔位來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速，使其工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域。

訓(xùn)練與作戰(zhàn)中，坦克使用功率變化的范圍很大，坦克對最大功率的需求通常只在高速機(jī)動(dòng)、超車追擊等時(shí)機(jī)，這種時(shí)機(jī)的占比很低，大部分時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)工作在中低負(fù)荷狀態(tài)，在一般的駕駛、通信、射擊訓(xùn)練和綜合演練中，坦克平均越野速度從15.2km/h到19.2km/h不等[6]，特別是原地開機(jī)待命狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率更小。發(fā)動(dòng)機(jī)的工況必然在效率很低的小負(fù)荷工況，甚至怠速工況，很難甚至不能選擇合適的檔位使be調(diào)到經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

如果采用雙機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，上述工況均只開一臺(tái)主機(jī)，通過選擇合適的檔位， be將在最低的區(qū)域工作，從而降低坦克百公里油耗，并相應(yīng)減少廢氣排放。

3.3 工作可靠性

為應(yīng)保證主戰(zhàn)坦克在各種外界條件下可靠工作，避免故障，各國制定主戰(zhàn)坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的保險(xiǎn)期均不超過1 000h，首次大修壽命不超過2 000h。然而坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件惡劣，環(huán)境變化較大，加上戰(zhàn)損等因素，沒有達(dá)到保險(xiǎn)期的發(fā)動(dòng)機(jī)本體停機(jī)故障時(shí)有發(fā)生，如水泵軸斷裂，機(jī)油泵傳動(dòng)軸斷裂，拉缸、抱軸等。這些故障往往很難原地修復(fù)，若發(fā)生在訓(xùn)練中尚可補(bǔ)救，假如發(fā)生實(shí)戰(zhàn)中，坦克將處于危險(xiǎn)的境地。

采用雙主機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)后，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)本體同時(shí)出現(xiàn)故障的概率遠(yuǎn)低于單機(jī)出現(xiàn)故障的概率，理論上不會(huì)出現(xiàn)因發(fā)動(dòng)機(jī)本體故障停車而導(dǎo)致坦克戰(zhàn)斗力喪失，因?yàn)橹灰幸慌_(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，就可保證坦克機(jī)動(dòng)與用電設(shè)備的動(dòng)力需求，保證坦克的戰(zhàn)斗力，從而提高坦克的可靠性。

3.4 低溫起動(dòng)性

評價(jià)起動(dòng)性能的主要參數(shù)包括一定溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間、暖機(jī)時(shí)間、怠速轉(zhuǎn)速、怠速波動(dòng)率、起步時(shí)間及起動(dòng)極限溫度等[7]。坦克發(fā)動(dòng)機(jī)常用起動(dòng)極限溫度即低溫起動(dòng)性來考核，對直噴式燃燒系統(tǒng)的坦克柴油機(jī)，最低溫度值達(dá) -5℃。

雙主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是單獨(dú)起動(dòng)的，由于其一臺(tái)的功率是單主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的一半，所以其起動(dòng)運(yùn)動(dòng)件慣量小，運(yùn)動(dòng)副摩擦面積及壓力小，壓縮行程阻力小，驅(qū)動(dòng)噴油泵、機(jī)油泵、配氣機(jī)構(gòu)等附件的阻力小，在蓄電池或壓縮空氣壓力等其他條件一致的情況下，雙主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間、暖機(jī)時(shí)間、怠速轉(zhuǎn)速、怠速波動(dòng)率、起步時(shí)間等指標(biāo)都好于單主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

4 結(jié)論

研究認(rèn)為雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：能部分克服發(fā)動(dòng)機(jī)高度與體積對單主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的限制，大幅增加坦克總體最大功率，提高機(jī)動(dòng)性能；能有效降低坦克使用百公里油耗，提高使用經(jīng)濟(jì)性能；能大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障停機(jī)概率，提高可靠性能；能降低起動(dòng)阻力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能。雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)工程化過程中還有一些問題需要深入研究，一是雙主機(jī)同轉(zhuǎn)速工作時(shí)可能出現(xiàn)共振問題，二是并機(jī)控制傳動(dòng)裝置與綜合傳動(dòng)裝置一體化及控制問題。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Research for Double Engine Power System of Tank

ZHANG Geng-yun, BAI Chuang-jun, WAN Kang, WANG Pu-kai

(Department of Mechanic Engineering, the Academy of Armored Force Engineering Institute, Beijing 100072, China)

The concept of the double main engine system of the tank power system, the scheme of the parallel running engine and its control scheme and the required modification for the auxiliary system were proposed. The advantage of the improvement in a great extent of the mobility, economic performance, starting ability and reliability of the future main battle tank by the parallel running main engine power system was also analyzed.

power system of tank; double engine; reliability

2016-11-09；

2016-12-15

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

張更云(1966—)， 男，博士，教授，主要從事動(dòng)力機(jī)械及工程研究。

10.11809/scbgxb2017.04.004

張更云，白創(chuàng)軍，萬康，等.雙主機(jī)坦克動(dòng)力系統(tǒng)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):18-21.

format:ZHANG Geng-yun, BAI Chuang-jun, WAN Kang, et al.Research for Double Engine Power System of Tank[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):18-21.

TK401

A

2096-2304(2017)04-0018-04