王春華

（中鋼集團衡陽機械有限公司，湖南衡陽 421001）

地下鏟運機是地下無軌采礦的核心設備，其動力性和燃油經(jīng)濟性取決于傳動系統(tǒng)的合理匹配，而發(fā)動機與液力變矩器的匹配是傳動系統(tǒng)合理匹配的最關鍵環(huán)節(jié)。當發(fā)動機和液力變矩器共同工作后，可視為一種全新的動力設備，具有新的性能特性，其輸出特性的好壞對下鏟運機的動力性和經(jīng)濟性有顯著影響[6]。本文作者就地下鏟運機動力匹配計算可視化程序進行系統(tǒng)化研究，有助于為地下鏟運機快速提供動力選型方案。

1 發(fā)動機與變矩器的匹配

1.1 發(fā)動機的凈扭矩特性曲線及擬合

柴油發(fā)動機性能特性常用速度特性、負荷特性、調(diào)速特性及萬有特性來描述。柴油機的性能特性是發(fā)動機固有的性能，通過柴油機性能特性曲線可了解和分析柴油機的動力性、經(jīng)濟性、排放和熱負荷狀況等。柴油機噴油泵油量調(diào)節(jié)機構固定在最大位置時的速度特性即發(fā)動機的外特性[1]。外特性表明柴油機在不同轉速下克服外界阻力的能力。調(diào)速特性使得發(fā)動機在負荷變化時能夠維持發(fā)動機的轉速穩(wěn)定，用調(diào)速率來表明發(fā)動機標定工況運轉與最高空轉時的轉速波動范圍，該值一般為0.07～0.1。柴油機的扭矩特性曲線由柴油機的外特性扭矩曲線和調(diào)速特性扭矩曲線組成。如圖1所示。柴油機的外特性扭矩曲線近似拋物線，調(diào)速特性扭矩曲線近似直線。在MATLAB軟件中，常采用最小二乘法對扭矩曲線進行擬合，效果較好。

圖1 帶調(diào)速器的發(fā)動機扭矩特性曲線

發(fā)動機的凈扭矩特性是指發(fā)動機實際輸出至變矩器泵輪軸的扭矩。不僅要扣除柴油機輔助裝置的（風扇、水泵、發(fā)電機、空氣濾清器、消音器等）消耗的扭矩，還要扣除各類油泵（工作裝置用油泵、變速泵、轉向泵、制動泵）消耗的扭矩。柴油機輔助裝置消耗的扭矩一般按發(fā)動機額定扭矩的10%～15%扣除。油泵消耗扭矩根據(jù)不同工況進行扣除，一是直行工況，該工況下，變速油泵滿載，而工作油泵，轉向制動泵處于空載；二是聯(lián)合工況，該工況下，變速油泵、工作油泵滿載，而轉向制動泵處于空載。本文作者選擇直行工況進行匹配計算。

1.2 液力變矩器的原始特性

液力變矩器的原始特性表示的是一系列幾何相似、運動相似、動力相似的液力變矩器共同的基本特性[3]。其常用泵輪力矩系數(shù)λ、變矩系數(shù)k和效率η與變矩器的傳動比i的關系特性來描述[2]。

1.3 共同工作的輸入特性

當發(fā)動機與液力變矩器結合工作時，其穩(wěn)定共同工作的基本條件是：發(fā)動機的凈輸出扭矩和轉速與變矩器泵輪的扭矩和轉速相等[6]。即Te=TB;ne=nB。將發(fā)動機的凈扭矩特性曲線與變矩器負荷拋物線繪制在同一個坐標圖上，求兩者曲線的一系列交點即為共同工作點。

1.4 共同工作的輸出特性

發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸出特性曲線，取決于發(fā)動機與液力變矩器的共同工作輸入特性和變矩器的原始特性。通常按下式求解共同工作的輸出特性：

TT=K·TB

NT=NB·η

nT=i·nB

式中：K、η、i分別為液力變矩器的變矩比、效率和轉速比，TB、NB、nB分別為泵輪的扭矩、功率和轉速。

發(fā)動機與變矩器共同工作的輸出特性是鏟運機牽引計算的基礎。

2 變矩器和發(fā)動機匹配的原則

（1）直行工況下，發(fā)動機凈扭矩特性曲線與失速時的變矩器輸入特性曲線的交點略高于發(fā)動機標定轉速。

（2）液力變矩器高效范圍所對應的共同工作轉速范圍大。

（3）液力變矩器的最高效率輸入特性曲線在發(fā)動機最大功率扭矩標定點附近通過[7]。

（4）共同工作的范圍處于發(fā)動機燃油消耗量最低值附件，具有良好的經(jīng)濟性[2]。

3 柴油鏟運機動力匹配計算軟件

MATLAB具有強大的數(shù)值計算和圖形顯示功能，被廣泛用于工程領域的設計及仿真。其圖形用戶界面（Graphi?cal User Interfaces，GUI）是指由窗口、菜單、圖標、光標、按鍵、對話框和文本等各種圖形對象組成的用戶界面[5]，讓用戶與MATLAB的交互方式變得容易。利用MAT?LAB/GUI編寫柴油鏟運機動力匹配計算軟件，可以直觀地實現(xiàn)對柴油鏟運機的牽引特性計算及動力選型設計。整個GUI程序界面包括油泵參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)、變矩器參數(shù)以及其他參數(shù)4個參數(shù)輸入界面。通過下方的清除、保存、打開控件可以實現(xiàn)上述參數(shù)的刪除、保存及讀取。點擊開始計算控件可以實現(xiàn)鏟運機的動力匹配計算，并繪制柴油機與變矩器共同工作的輸入及輸出特性曲線、牽引曲線及爬坡曲線。動力匹配計算軟件界面如圖2所示。

圖2 地下柴油鏟運機動力匹配計算軟件

4 應用實例

如對某3立方地下柴油鏟運機進行動力匹配計算。發(fā)動機選用康明斯QSB6.7-C220，變矩器、變速箱、驅(qū)動橋分別選用DANA公司C273.1、R32421、16D。運行地下鏟運機動力匹配計算軟件后，在方框內(nèi)輸入對應的參數(shù)，點擊開始計算。依次得到發(fā)動機與變矩器的共同工作輸入特性曲線、共同工作輸出特性曲線、牽引力—阻力特性曲線、爬坡特性曲線。具體結果如圖3—6所示。從圖中可看出，發(fā)動機與變矩器滿足匹配原則有關規(guī)定，且匹配計算最大牽引力大于鏟運機重載最大牽引力，爬坡能力強，因此動力匹配結果和傳動方案都比較合理。

圖3 發(fā)動機與變矩器共同工作輸入特性曲線

圖4 發(fā)動機與變矩器共同工作輸出特性曲線

圖5 牽引力—阻力特性曲線

圖6 爬坡特性曲線

5 結語

基于MATLAB/GUI研發(fā)地下鏟運機動力匹配計算軟件，著重論述發(fā)動機與變矩器的匹配計算過程及其原則。該平臺具有良好的人機交互性，能夠快速地完成地下鏟運機動力選型及匹配計算。為地下鏟運機的總體方案設計提供了理論支持。