孔凡靜

摘 要 為給農(nóng)用運輸車用液力緩速器的研究提供參考，以福伊特VR120液力緩速器為研究對象，通過三維掃描還原建立液力緩速器幾何模型，采用將流道模型全部選取出來的全流道仿真計算方法，在ANSYS14.5平臺上，采用SIMPLEC算法和RNG 模型對液力緩速器進行全流道數(shù)值計算。結(jié)果顯示在500r/min～1200r/min轉(zhuǎn)速下的制動轉(zhuǎn)矩與相同轉(zhuǎn)速下在工況試驗臺試驗得到制動轉(zhuǎn)矩變化趨勢一致，誤差在10%以內(nèi)，驗證了全流道仿真計算方法可作為農(nóng)用運輸車用液力緩速器有效的研究方法。

關鍵詞 農(nóng)用運輸車 液力緩速器 全流道 制動轉(zhuǎn)矩 ANSYS

中圖分類號：U463.53 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.013

Whole-flow-passage Numerical Simulation and Experimental

Validation of Farm Transporter's Hydraulic Retarder

KONG Fanjing

（Zhuhai Polytechnic Vocational and Technical School， Zhuhai， Guangdong 519090）

Abstract In order to provide reference for the study of farm transporter's hydraulic retarder， take the VOITH VR120 hydraulic retarder as the research object， restore the geometry of VR120 by 3D scanner， use ANSYS14.5 to simulate the whole-flow-passage of hydraulic retarder based on the full flow path model，， mature RNG model and SIMPLEC algorithm. The results show that the braking-torque under the velocity from 500r/min to 1200r/min has the same trend between whole-flow-passage simulation and bench test， the error less than 10%. It verified that the simulation analysis of hydraulic retarder is feasible and effective for the study of farm transporter's hydraulic retarder.

Keywords farm transporter； hydraulic retarder； whole-flow-passage； braking-torque； ANSYS

農(nóng)用運輸車是目前農(nóng)村主要的貨物運輸工具之一，由于我國農(nóng)村道路一般為縣級以下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別的道路，路面坡度較大且彎多路小，農(nóng)用運輸車常在超載超速下運行，長時間制動時主制動器熱衰退嚴重，影響行車安全。裝備輔助制動系統(tǒng)是解決農(nóng)用運輸車制動安全問題較為現(xiàn)實的方法。液力緩速器因其具有制動力大、性能穩(wěn)定、熱衰退效應小等優(yōu)點，是輔助制動裝備較為理想的選擇。但目前尚未有針對農(nóng)用運輸車的液力緩速器，相關研究文獻僅有華南農(nóng)業(yè)大學的吳偉斌和賴建生[1]的論文。

為此，本文以福伊特VR120液力緩速器研究對象，借助3D掃描還原設備，采用將流道模型全部選取出來的全流道仿真計算方法，在ANSYS14.5平臺上，以RNG 模型作為湍流計算模型[2]和SIMPLEC算法作為數(shù)值計算算法對液力緩速器進行全流道數(shù)值計算；然后利用在搭建好的試驗臺架上，按照數(shù)值計算時的工況條件進行液力緩速器制動特性臺架試驗，將試驗測量的制動轉(zhuǎn)矩值與數(shù)值計算進行比對分析，驗證全流道數(shù)值計算方法的可行性，從而為農(nóng)用運輸車用液力緩速器的研究提供借鑒。

1 模型構建

本文以裝配60kW發(fā)動機，設計車速小于70km/h的某款農(nóng)用運輸車為應用研究對象（其參數(shù)如表1所示），根據(jù)相關計算，在500r/min轉(zhuǎn)速下持續(xù)穩(wěn)定制動需要1400 N m的制動力矩。[3]據(jù)此，比較國內(nèi)外的產(chǎn)品后選擇在1000r/min工況下制動轉(zhuǎn)矩可達2000N m的德國福伊特VR120液力緩速器作為參考對象進行研究。

為了準確獲得VR120液力緩速器的幾何結(jié)構模型，采用OKIO-V-1000三維掃描還原儀為主的掃描還原系統(tǒng)對定、轉(zhuǎn)子葉輪、殼體零件、換熱芯子等的三維數(shù)據(jù)進行掃描還原，還原后的定、轉(zhuǎn)子葉輪結(jié)構圖如圖1所示。通過分析數(shù)據(jù)得出VR120液力緩速器的定、轉(zhuǎn)子葉輪有效直徑、循環(huán)圓直徑分別為300mm、62mm，葉片均為傾角45暗鬧幣鍍？

從圖1可以看出VR120液力緩速器定子葉輪上設計有作為工作腔介質(zhì)入口的槽式葉片，不規(guī)則對稱的進、出油孔。槽式葉片的寬度比無槽葉片的寬度大1到1.5倍，定子葉輪和轉(zhuǎn)子葉輪葉片數(shù)目也不同，這決定了流場是非對稱的復雜流場，所以數(shù)值計算時須采用有別于傳統(tǒng)單流道模型的全流道模型才能更加準確反映液力緩速器實際的工作狀態(tài)，計算結(jié)果才更貼近實際。[4]

在Pro/E中重構VR120三維模型并封閉進出口后抽取了全流道模型，如圖2所示。在WORKBENCH平臺上對抽取的全流道模型進行適當?shù)奶幚砗筮M行網(wǎng)格劃分。

液力緩速器流道是非周期對稱的，故用自適應的多面體網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分，并用SKEW進行網(wǎng)格質(zhì)量評價。結(jié)果表明網(wǎng)格優(yōu)良率達到85%以上，滿足數(shù)值計算的要求。[5]

2 數(shù)值模擬計算

對劃分好網(wǎng)格的模型輸入到CFX進行數(shù)值計算?？紤]到計算機軟硬件的實際，選用較為成熟的RNG 模型和SIMPLEC算法，并在設定好邊界條件后（見表2）對VR120網(wǎng)格化的模型進行全流道仿真計算。計算時為了準確判斷收斂采用了殘差與轉(zhuǎn)子葉輪轉(zhuǎn)矩雙重指標進行監(jiān)測。[6]

仿真計算的殘差監(jiān)測結(jié)果表明運算是收斂的。為使研究更具有意義，選取有代表性的3個工況轉(zhuǎn)速點（500r/min、700r/min和1200r/min）的定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面進行分析，接觸面的壓力云圖與壓值區(qū)分圖如圖3所示。

從圖3的上半部分可以看出，三種不同轉(zhuǎn)速工況下的定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面壓力均呈現(xiàn)中間小兩邊大的分布態(tài)勢，壓力從中心位置開始向兩側(cè)邊緣逐漸增大，接觸面中間位置壓力都小于進口的初始壓力0.5MPa，從而形成了真空。其中接觸面右上側(cè)的中間部分壓力最小，從500r/min工況時的120284Pa下降到700r/min工況時的-1.996e+005Pa再下降到1200r/min工況時的-1.729e+006Pa，顯然真空度是隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大的。接觸面右下側(cè)的邊緣是壓力的極大值區(qū)域，從500r/min工況時的1.180e+006Pa上升到700r/min工況時的1.792e+006Pa再升到1200r/min工況時的3.754e+006Pa，即隨著轉(zhuǎn)速的升高而接觸面邊緣壓力急劇增大。這意味著布置在定子葉輪中間的進油孔因為有真空度的存在使得工作介質(zhì)能迅速通過進油孔充入工作腔，確保了液力緩速器的正常工作及其響應速度；與此同時定子葉輪中間的出油孔在液力緩速器接到停止工作指令使比例閥泄壓后能在邊緣高壓的驅(qū)動下迅速將工作介質(zhì)排出工作腔，實現(xiàn)了液力緩速器工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換。這是液力緩速器能持續(xù)、穩(wěn)定和有效工作的關鍵因素。

為了更清楚展示液力緩速器定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面負壓區(qū)的情況，運用ANSYS Workbench的 ISO-Clip對接觸面進行云圖區(qū)域切分，結(jié)果如圖3下半部分所示。從圖中可以清楚地看出三種轉(zhuǎn)速工況下的接觸面中間部分均存在明顯的負壓區(qū)（圖中灰色區(qū)域），這和壓力云圖的分析結(jié)果是一致的。

為了更直觀顯示液力緩速器的制動效果，運用ANSYS Workbench下的CFD-Post的轉(zhuǎn)矩計算功能（Function Calculator-Torque）計算出各轉(zhuǎn)速工況下的制動轉(zhuǎn)矩，并利用Excel的X-Y散點圖將制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速擬合成如圖4所示的制動轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。

從圖4可以看出隨著轉(zhuǎn)速的升高制動轉(zhuǎn)矩也隨之增大，近似于線性的關系。液力緩速器當轉(zhuǎn)速小于900r/min時的制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高增大的幅度較轉(zhuǎn)速大于900r/min時制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高增大的幅度小。為了更直觀反映制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關系，利用Excel自帶的曲線擬合功能擬合制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關系圖后得到制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈二次方正相關關系的關系式，具體見式（1），擬合式的相關系數(shù)R2 =0.9902即P<0.01，表明擬合關系式是可靠和可信的。

（1）

3 制動特性的臺架驗證

為確定CFD計算結(jié)果的準確性，利用搭建的電機工況試驗臺架以相同的轉(zhuǎn)速工況對VR120液力緩速器進行制動特性試驗。整個臺架試驗系統(tǒng)包含研華工控機、湘儀控制柜、50kW的三相異步電動機、湘儀轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀和冷卻塔等裝置，具體設備及參數(shù)如表3所示。

將臺架試驗測定的制動轉(zhuǎn)矩值與相同轉(zhuǎn)速工況下數(shù)值計算的制動轉(zhuǎn)矩值和對應的轉(zhuǎn)速值匯集在Excel表中，同樣利用Excel的X-Y散點圖功能將臺架試驗測試的制動轉(zhuǎn)矩特性曲線和數(shù)值計算的制動特性曲線整合在一起，如圖5所示。

圖5顯示相同轉(zhuǎn)速工況下VR120制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值計算結(jié)果與臺架試驗結(jié)果雖然有誤差，但最大絕對誤差只有9.35%，且兩者隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢是基本一致的。與傳統(tǒng)的單流道的數(shù)值計算方法相對精度提高了10.7%。[7]這說明全流道數(shù)值計算的結(jié)果能滿足開展液力緩速器研究的要求，可以借鑒這種方法開展農(nóng)用運輸車用液力緩速器的研究工作。在后續(xù)的研究中可以對邊界條件、數(shù)值計算的模型、算法進行更多的探討，結(jié)合農(nóng)用運輸車經(jīng)濟性敏感的特點，借助已有的成熟的液力緩速器進行研究、消化、改進，設計出價格合適、性能穩(wěn)定的農(nóng)用運輸車用的液力緩速器是可行的。

4 結(jié)論

（1）借助現(xiàn)有成熟的液力緩速器產(chǎn)品開展農(nóng)用運輸車用液力緩速器的應用研究工作是可行的，具有較大的社會價值和經(jīng)濟前景。

（2）液力緩速器的結(jié)構是非對稱的復雜結(jié)構，采用全流道式數(shù)值計算的方法比單流道的數(shù)值計算方法更加貼近實際，結(jié)果準確度可提高10%左右。因此可以采用全流道式的數(shù)值計算方法開展農(nóng)用運輸車用液力緩速器的研究工作。

（3）液力緩速器定、轉(zhuǎn)子葉輪流域接觸面存在的負壓區(qū)對液力緩速器的設計具有重要的指導意義，后續(xù)農(nóng)用運輸車液力緩速器的設計中也要考慮如何利用負壓區(qū)進行進出油口的設計布局工作。

（4）液力緩速器的數(shù)值計算對計算機軟硬件要求較高，受幾何模型、流道形式、湍流計算模型、算法等因素的影響，且計算時間較長，因此對這些因素的分析研究要細致認真。

參考文獻

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