伍賽特
(上海汽車集團(tuán)股份有限公司,上海 200438)
近年來,為適應(yīng)國(guó)防戰(zhàn)略和軍事轉(zhuǎn)型需要,對(duì)裝甲車輛動(dòng)力系統(tǒng)提出了較高的技術(shù)要求,重點(diǎn)發(fā)展能滿足輕量化、高機(jī)動(dòng)、快速部署武器平臺(tái)需求的高緊湊推進(jìn)系統(tǒng)。因而促使了裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)軍事理論和裝甲車輛的未來發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[1]。
動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)是研究發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置及輔助系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)和一體化控制,以減小無效空間、縮小體積、降低能量損失等為目的的相關(guān)技術(shù),是實(shí)現(xiàn)裝甲車輛輕量化、快速化和高能化的核心技術(shù)之一。
動(dòng)力技術(shù)是指將石油等燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的相關(guān)技術(shù)。從燃料能量密度、熱功轉(zhuǎn)換效率和使用安全性等方面綜合考慮,裝甲車輛動(dòng)力系統(tǒng)基本使用輕質(zhì)柴油作為燃料。通常要求動(dòng)力具有功率強(qiáng)勁、結(jié)構(gòu)緊湊、使用可靠等特點(diǎn),高強(qiáng)化柴油機(jī)具有“高緊湊性、高可靠性、高經(jīng)濟(jì)性和低散熱量”的“三高一低”特點(diǎn)[2]。未來裝甲車輛動(dòng)力將以體積和重量大幅度減小為特征,向著高功率、高效率、智能化、多種能量輸出型式方向發(fā)展。
傳動(dòng)技術(shù)是指將動(dòng)力產(chǎn)生的能量傳遞給驅(qū)動(dòng)輪,改變車輛行駛速度、行駛方向和牽引力的相關(guān)技術(shù)。傳動(dòng)裝置將液力元件、液壓元件、變速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等部件功能集成,是實(shí)現(xiàn)陸基平臺(tái)快速機(jī)動(dòng)的核心部件,目前有機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)等主要形式?,F(xiàn)代裝甲車輛傳動(dòng)是集機(jī)、電、液于一體,涵蓋傳動(dòng)總體變速、電液操縱、綜合控制等技術(shù)的復(fù)雜產(chǎn)品[3-4]。
動(dòng)力傳動(dòng)輔助技術(shù)是在有限空間內(nèi),確保動(dòng)力傳動(dòng)裝置在各種氣候和環(huán)境條件下能夠高效工作的相關(guān)技術(shù)[5]。動(dòng)力傳動(dòng)輔助系統(tǒng)主要由動(dòng)力傳動(dòng)裝置安裝、冷卻系、潤(rùn)滑系、空氣供給系、燃油供給系、排氣系、壓縮空氣系、加溫系等多個(gè)子系統(tǒng)組成。其主要關(guān)鍵技術(shù)是散熱技術(shù)、空氣過濾技術(shù)以及風(fēng)機(jī)技術(shù)。
我國(guó)裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)總體技術(shù)發(fā)展歷程與國(guó)外類似,也經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段,第一階段是獨(dú)立部件分立安裝;第二階段是動(dòng)力傳動(dòng)裝置整體吊裝;第三階段是動(dòng)力傳動(dòng)裝置集成化設(shè)計(jì)。
2.1.1 一體化設(shè)計(jì)技術(shù)
以整車總體指標(biāo)和布局為約束,以最大限度提高體積功率密度為目標(biāo),采用自上而下的頂層設(shè)計(jì)思想,在緊湊、高效和最大限度利用組合結(jié)構(gòu)前提下,將動(dòng)力、傳動(dòng)和輔助系統(tǒng)等進(jìn)行綜合集成和系統(tǒng)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成、一體化潤(rùn)滑、一體化熱量管理和整體吊裝,滿足了裝甲車輛對(duì)主動(dòng)輪功率密度的要求、
以降低功率損耗為目標(biāo),建立功率流、熱流、能量流、信息流、機(jī)械能與電能響應(yīng)特性、系統(tǒng)傳遞效率等數(shù)學(xué)模型,通過仿真分析,確定了系統(tǒng)匹配參數(shù),實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)優(yōu)化匹配,滿足了裝甲車輛對(duì)全域機(jī)動(dòng)性的要求。
以改善乘員作戰(zhàn)環(huán)境、提升持續(xù)作戰(zhàn)能力為目標(biāo),在綜合分析動(dòng)力傳動(dòng)總成產(chǎn)生激勵(lì)因素的基礎(chǔ)上,建立了動(dòng)力傳動(dòng)總成系統(tǒng)模型,應(yīng)用多自由振動(dòng)解耦方法,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力傳動(dòng)總成減振降噪,滿足了裝甲車輛對(duì)NVH性能的要求。
2.1.2 一體化控制與能量管理技術(shù)
以推進(jìn)系統(tǒng)總體約束為依據(jù),通過對(duì)多任務(wù)、多對(duì)象、多能源的實(shí)時(shí)協(xié)同控制技術(shù)研究,確定各子系統(tǒng)能量需求和控制指標(biāo),建立了一體化控制系統(tǒng)總體構(gòu)架,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力傳動(dòng)的一體精確控制。
以提升裝甲車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),通過對(duì)各系統(tǒng)工作機(jī)制和功率匹配需求的研究,確定推進(jìn)系統(tǒng)能量流表征模型,建立了基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的各子系統(tǒng)功率需求策略、基于穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分層解耦控制的多能量源管理策略、基于電池充電狀態(tài)和效率特性的制動(dòng)回饋控制策略,實(shí)現(xiàn)了在可用能量源輸出功率范圍內(nèi)的電功率平衡。
以擴(kuò)展性、可調(diào)試性、維護(hù)性和可靠性為目標(biāo),研究確定了軟/硬件系統(tǒng)架構(gòu),建立了系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型,通過控制策略仿真調(diào)試以及系統(tǒng)評(píng)估,實(shí)現(xiàn)了對(duì)一體化控制和能量管理控制策略驗(yàn)證和完善。
以健康管理為目標(biāo),通過故障模式、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等研究,建立了故障診斷控制策略,實(shí)現(xiàn)了整車狀態(tài)管理與故障預(yù)測(cè)通過上述技術(shù)的研究,我國(guó)裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)總體技術(shù)水平有了大幅度的提升,并跨入自主研發(fā)階段,為我國(guó)裝甲車輛的發(fā)展提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支持[6]。
我國(guó)裝甲車輛動(dòng)力基礎(chǔ)是20世紀(jì)50年代引進(jìn)的150柴油機(jī),作為第一代坦克動(dòng)力。走過了50多年獨(dú)立發(fā)展道路,成功開發(fā)了廢氣渦輪增壓技術(shù),發(fā)展了第二代坦克動(dòng)力。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高增壓程度,采用中冷技術(shù),研制出了第三代坦克柴油機(jī)。
132系列柴油機(jī)(含V6和V8兩種機(jī)型),在民用柴油機(jī)基礎(chǔ)上,通過對(duì)各系統(tǒng)全面改造,研發(fā)出了8V132柴油機(jī),實(shí)現(xiàn)了性能的大幅度提升。110缸徑的系列柴油機(jī),針對(duì)高功率密度柴油機(jī)研發(fā)亟待解決的性能和結(jié)構(gòu)問題,重點(diǎn)開展了高緊湊柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)、高壓供油、快速混合燃燒、高壓比增壓器、綜合電控和結(jié)構(gòu)可靠性等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
在新型動(dòng)力研究領(lǐng)域,先后開展了液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞與渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī)、雙對(duì)置車用動(dòng)力單元、直線電機(jī)式自由活塞動(dòng)力等先期探索和應(yīng)用基礎(chǔ)研究,取得了原理上的突破。
2.2.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)
以總體指標(biāo)和布置為約束,以最大限度提高體積功率密度為目標(biāo),采用頂層設(shè)計(jì)理念,通過關(guān)鍵參數(shù)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)影響研究,優(yōu)化了高功率密度柴油機(jī)總體布局,建立了集成化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)高緊湊和輕量化設(shè)計(jì);以提高柴油機(jī)總體性能為目標(biāo),通過對(duì)循環(huán)、增壓、供油、燃燒和傳熱等規(guī)律硏究,建立了高功率密度柴油機(jī)總能系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化模型和循環(huán)控制方法。
2.2.2 高壓共軌系統(tǒng)技術(shù)
以提高噴油壓力、增加噴油量為目標(biāo),依據(jù)高轉(zhuǎn)速、大供油量和緊湊布局要求,采用反射腔與下置式電磁閥相結(jié)合的技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)了噴射壓力、循環(huán)噴油量、噴射持續(xù)期性能指標(biāo)的提升;研發(fā)了具有機(jī)油潤(rùn)滑的徑向3柱塞高壓變量泵,滿足了高壓共軌系統(tǒng)對(duì)高壓變量泵供油壓力、供油量的性能要求。
2.2.3 高密度燃燒系統(tǒng)匹配技術(shù)
以低過量空氣系數(shù),實(shí)現(xiàn)高密度快速燃燒為目標(biāo),通過開展油、氣、室多參數(shù)匹配研究,對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)、噴油器噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、換氣過程關(guān)鍵影響參數(shù)等進(jìn)行了多方案試驗(yàn)硏究,發(fā)展了高密度燃燒理論,提出了燃燒系統(tǒng)優(yōu)化方案。
2.2.4 多模式兩級(jí)可調(diào)增壓技術(shù)
以高壓比、寬流量范圍柔性可調(diào)為目標(biāo),開展了兩級(jí)增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配、不同方案調(diào)節(jié)閥流量特性及對(duì)系統(tǒng)效率影響硏究,探索了高增壓非定常流動(dòng)下壓氣杋跨聲速流動(dòng)?xùn)i制和渦輪強(qiáng)波渦流動(dòng)?xùn)i制,發(fā)展了高増壓非定常流動(dòng)理論,提岀了増壓器擴(kuò)穩(wěn)増效控制方法。
2.2.5 綜合電子管理系統(tǒng)技術(shù)
以滿足高功率密度柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速、高性能控制需求為目標(biāo),通過采用層模設(shè)計(jì)技術(shù),開展了系統(tǒng)資源優(yōu)配和功能模塊優(yōu)化設(shè)計(jì),構(gòu)建了層次化、模塊化的軟件架構(gòu);針對(duì)高壓共軌燃油系統(tǒng),開展了軌壓精細(xì)化控制研究,設(shè)計(jì)了軌壓雙閉環(huán)控制策略,優(yōu)化了油氣協(xié)同控制策略;完成了控制平臺(tái)開發(fā),實(shí)現(xiàn)了電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓≥80 V、電流上升時(shí)間≤0.5 ms的技術(shù)指標(biāo),具備了部分工況下每循環(huán)≥3次的噴射控制能力。
2.2.6 高載荷結(jié)件及高速運(yùn)動(dòng)件技術(shù)
以提高柴油機(jī)高溫、高速、重載結(jié)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)件可靠性為目標(biāo),建立了高功率密度柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)力/熱傳遞模型、高應(yīng)力結(jié)構(gòu)熱—機(jī)疲勞損傷模型,發(fā)展了非穩(wěn)態(tài)薄膜潤(rùn)滑理論,提岀了高功率密度柴油機(jī)高溫高速重載摩擦副磨損控制方法、燃燒室結(jié)構(gòu)件疲勞損傷抑制方法、組合結(jié)構(gòu)匹配及協(xié)調(diào)控制方法。實(shí)現(xiàn)了高載荷結(jié)構(gòu)件及高速運(yùn)動(dòng)件可靠性的提升。
2.3.1 液力機(jī)械綜合傳動(dòng)技術(shù)
液力機(jī)械綜合傳動(dòng)技術(shù)主要由高效機(jī)械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)等形式,集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑與密封、信息采集、電子控制等多種技術(shù)于一體,實(shí)現(xiàn)了裝甲車輛的動(dòng)力換擋無級(jí)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)操縱、風(fēng)扇自動(dòng)調(diào)速等功能。
建立了總體方案多參數(shù)匹配、高功率密度結(jié)構(gòu)集成與優(yōu)化、復(fù)雜工況動(dòng)態(tài)性能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法,開發(fā)了覆蓋車重14~55 t,4個(gè)系列的12種液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置產(chǎn)品。
2.3.2 電傳動(dòng)技術(shù)
軍用電傳動(dòng)車輛一般利用內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力電池組等儲(chǔ)能裝置混合提供能量,由多個(gè)電機(jī)或機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輛行駛,主要有雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)等形式[7-8]。
通過裝甲車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、功率耦合、高功率密度電機(jī)及控制、綜合控制等研究工作,完成了履帶車輛電傳動(dòng)樣機(jī)的試制、臺(tái)架和道路試驗(yàn)。突破了電傳動(dòng)總體設(shè)計(jì)與性能匹配、大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制、多功率流優(yōu)化、綜合控制等關(guān)鍵技術(shù),研制了多種功率等級(jí)的電傳動(dòng)樣機(jī),基本滿足了輕、中、重型裝甲車輛電傳動(dòng)裝備需求[9-10]。
2.3.3 變速技術(shù)
變速技術(shù)包括多自由度變速方案設(shè)計(jì)、高線速度摩擦元件設(shè)計(jì)和高PV值動(dòng)密封設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。已由二自由度線圖綜合法、三自由度構(gòu)件綜合法發(fā)展到四自由度圖論綜合法,形成了具有多個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列化變速方案。
同時(shí)建立了離合器摩擦元件三維摩擦熱彈耦合分析模型,提岀了離合器摩擦副熱損傷控制方法,實(shí)現(xiàn)了高比壓濕式離合器設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn);創(chuàng)建了高速高壓旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封設(shè)計(jì)方法,使高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封環(huán)的PV值提高了80%。開發(fā)了5個(gè)功率等級(jí)10余款定軸和行星變速機(jī)構(gòu)產(chǎn)品,滿足了多型裝甲裝備的需要。
2.3.4 液力元件技術(shù)
液力元件包括液力變矩器、液力減速器和液力偶合器。針對(duì)大功率動(dòng)力換擋、液壓液力復(fù)合無級(jí)轉(zhuǎn)向、高速高能制動(dòng)和風(fēng)扇無級(jí)調(diào)速的需求,建立了高轉(zhuǎn)速、高能容液力元件設(shè)計(jì)理論,形成了葉柵參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化及特性預(yù)測(cè)方法,突破了空間葉片和流道及其模具三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和集成制造技術(shù),自主研制了覆蓋軍用履帶車輛功率范闈的不同循環(huán)圓液力變矩器系列化產(chǎn)品,滿足軍用履帶車輛的使用要求,綜合性能達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。
2.3.5 電液操縱技術(shù)
電液操縱技術(shù)包括自動(dòng)換擋技術(shù)、緩沖控制技術(shù)和電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與信息交互等關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)裝甲車輛在復(fù)雜地域環(huán)境下載荷變化大、車速變化頻繁等需求,提出了根據(jù)道路環(huán)境變化和被控對(duì)象狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的換擋控制策略。
突破了多參數(shù)多模式自動(dòng)變速控制、充放油過程中的動(dòng)力損失控制、離合器雙邊節(jié)流動(dòng)力換擋緩沖控制、多參數(shù)風(fēng)扇冷卻自適應(yīng)控制、電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與信息交互等關(guān)鍵技術(shù),解決了復(fù)雜路面車輛換擋沖擊和循環(huán)換擋技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)換擋操縱自動(dòng)化。
2.3.6 車用電機(jī)技術(shù)
針對(duì)裝甲車輛電機(jī)功率密度高、低速扭矩大、調(diào)速范圍寬、尺寸約束和工作環(huán)境苛刻難題,開展了高性能多目標(biāo)車用永磁電機(jī)(電、磁、熱)多維設(shè)計(jì)理論、電機(jī)高溫工作適應(yīng)性強(qiáng)化設(shè)計(jì)技術(shù)、電機(jī)與控制器全工況高效設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究,完成了適應(yīng)不同噸位等級(jí)裝甲車輛需求的高速永磁同步電機(jī)及其控制器研制。
2.3.7 傳動(dòng)綜合控制技術(shù)
傳動(dòng)綜合控制主要包括實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)多功率流分配、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)車載電能武器和其他用電設(shè)備的供電需求,開展了綜合控制總體、綜合控制策略、能量?jī)?yōu)化管理與信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)妊芯浚黄屏硕喙β柿骶_協(xié)同調(diào)控和工況切換瞬態(tài)過程控制技術(shù),開發(fā)了具有自動(dòng)換擋功能的 AT/AMT綜合控制單元、電傳動(dòng)綜合控制器。滿足了整車對(duì)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性等多方面要求。
2.3.8 履帶車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)
高速履帶車輛通過主動(dòng)調(diào)控兩側(cè)履帶的轉(zhuǎn)速,可實(shí)現(xiàn)再生功率的高效利用和復(fù)雜路面的靈活轉(zhuǎn)向。針對(duì)大功率高速轉(zhuǎn)向需求,通過轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程功率需求與轉(zhuǎn)向半徑匹配規(guī)律、直駛與轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)匹配與功率耦合規(guī)律等研究,建立了履帶車輛大功率零差速雙流無級(jí)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)方法,形成了履帶車輛液壓及液壓復(fù)合無級(jí)轉(zhuǎn)向理論,突破了高壓大功率泵馬達(dá)技術(shù)瓶頸,開發(fā)了履帶裝甲車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),滿足了履帶裝甲車輛對(duì)全地域轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能的要求。
我國(guó)裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)裝置輔助系統(tǒng)經(jīng)歷了仿制、改進(jìn)、自行研制的發(fā)展歷程。隨著技術(shù)水平不斷提高和基礎(chǔ)不斷積累,我們?cè)诟咝嵩夹g(shù)、空氣濾技術(shù)、溫控風(fēng)扇技術(shù)等各方面均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,使組成結(jié)構(gòu)緊湊、布置協(xié)調(diào)的高性能輔助系統(tǒng)成為可能。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從“適應(yīng)給定空間布置”設(shè)計(jì)向“集成設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變。
2.4.1 高效散熱技術(shù)
國(guó)內(nèi)高效散熱技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展,在高效換熱元件、高效加溫器、自適應(yīng)性熱管理系統(tǒng)和高原環(huán)境下的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
(1) 高效換熱元件技術(shù)。
隨著機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)和電傳動(dòng)等新技術(shù)的快速發(fā)展,大功率控制器散熱問題日益突出,針對(duì)電器設(shè)備開發(fā)的冷板與熱管復(fù)合冷卻裝置,在進(jìn)水溫度為75 ℃時(shí),熱流密度達(dá)到24 W/m2,有效降低了電器元件工作溫度,提高了電器設(shè)備的壽命和可靠性。近幾年開發(fā)出了一種新型油水交換器,由板翅式結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)復(fù)合而成,相對(duì)傳統(tǒng)油冷器,油水可實(shí)現(xiàn)純逆流換熱,換熱系數(shù)大幅提高,體積可減小20%左右。
(2) 高效加溫器技術(shù)。
高效加溫器已形成系列化產(chǎn)品,其中液體加溫器的熱效率≥70%,空氣加溫器的熱效率≥90%。
(3) 自適應(yīng)性熱管理系統(tǒng)。
針對(duì)高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)、主動(dòng)懸掛和大功率控制器等散熱需求,開發(fā)岀了全工況、全地域、自適應(yīng)的高效熱管理系統(tǒng),控制精度為±2 ℃,大幅縮小了動(dòng)力艙體積和系統(tǒng)功耗,實(shí)現(xiàn)了與車輛動(dòng)力瞬態(tài)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
(4) 高海拔地區(qū)冷卻系設(shè)計(jì)技術(shù)。
依托現(xiàn)有高原改項(xiàng)目,完成了高原環(huán)境下冷卻系關(guān)鍵部件(冷卻風(fēng)機(jī)、換熱器)與系統(tǒng)性能變化規(guī)律研究,結(jié)合冷卻系控制技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了0~4500 m全地域全工況下冷卻系性能合理匹配。
2.4.2 空氣過濾技術(shù)
(1) 傳統(tǒng)常壓空氣濾清器過濾技術(shù)。
傳統(tǒng)常壓空氣濾清器過濾技術(shù),即發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣前端氣體過濾的相關(guān)技術(shù)。通過建立多級(jí)過濾單元,形成復(fù)合過濾結(jié)構(gòu),從而最大限度防止5 μm以上顆粒物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。我國(guó)裝甲車輛傳統(tǒng)常壓空氣濾清器,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,縮小了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距,串聯(lián)式直通旋流管過濾效率達(dá)到97%~98.5%,研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型濾材,并具有耐油、耐水的特點(diǎn),已經(jīng)在裝甲車輛上得到普遍應(yīng)用。
(2) 高壓空氣濾清器過濾技術(shù)
高壓空氣濾清器過濾是將空氣濾清器與發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器、中冷器集成的技術(shù)。高效一級(jí)濾清器布置在增壓器前端,二級(jí)濾清器布置在中冷器后端,借助中冷器后端氣體體積壓縮的特點(diǎn),最大限度壓縮二級(jí)濾清器的體積。目前高壓空氣濾清器是傳統(tǒng)常壓空氣濾清器體積的1/5~1/3。目前已經(jīng)在全流量范圍高效一級(jí)濾清器技術(shù)和耐高溫高壓濾芯技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。
(3) 自清洗空氣濾清器過濾技術(shù)。
自清洗空氣濾清器過濾技術(shù)是在傳統(tǒng)空氣濾清器內(nèi)部加入反吹、振動(dòng)和集塵裝置,能夠?qū)Χ?jí)濾濾芯進(jìn)行定期自動(dòng)清潔,從而實(shí)現(xiàn)空氣濾清器自動(dòng)保養(yǎng)。采用自清洗空氣濾清器壽命是傳統(tǒng)常壓空氣濾清器的2~3倍。建立了反吹、振動(dòng)、集塵相結(jié)合的自清潔系統(tǒng)。
2.4.3 風(fēng)機(jī)技術(shù)
我國(guó)裝甲車輛混流風(fēng)扇技術(shù)日趨成熟,已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。隨著裝甲車輛推進(jìn)系統(tǒng)功率密度的日漸增大,以及受總體布局、系統(tǒng)散熱量、允許安裝的空間尺寸等因素影響,對(duì)于高壓頭的離心風(fēng)扇技術(shù)需求逐漸增強(qiáng),近幾年開展了高效高負(fù)荷冷卻風(fēng)扇技術(shù)研究,達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平之列。
各軍事強(qiáng)國(guó)在動(dòng)力傳動(dòng)裝置技術(shù)方面多趨向于采用集成設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了整體吊裝技術(shù)。其中美國(guó)和德國(guó)在裝甲裝備動(dòng)力傳動(dòng)裝置技術(shù)方面具有特色,代表了技術(shù)發(fā)展方向。
我國(guó)兵器行業(yè)經(jīng)過幾十年的共同努力,已逐步由仿制、改造走向自主研制階段,無論在動(dòng)力傳動(dòng)總體技術(shù),還是在關(guān)鍵部件技術(shù)方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但受研發(fā)模式、設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)新能力和關(guān)鍵技術(shù)等方面的制約,在集成化程度、功率密度、傳遞效率、性能匹配、一體化控制等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在一定的差距。
在世界軍事強(qiáng)國(guó)中,德國(guó)、美國(guó)和俄羅斯軍用動(dòng)力最具代表性,同時(shí)也代表了整個(gè)世界軍用動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
德國(guó)MTU公司始終堅(jiān)持柴油機(jī)和高功率密度技術(shù)路線,是當(dāng)今世界最有力的動(dòng)力技術(shù)推動(dòng)者和領(lǐng)軍者。
美國(guó)在地面戰(zhàn)斗車輛動(dòng)力選型中,保持了柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)并行發(fā)展技術(shù)路線,其中,主戰(zhàn)坦克以燃?xì)廨啓C(jī)為主,其他地面戰(zhàn)斗車輛以柴油機(jī)為主[11-12]。2002年美軍未來作戰(zhàn)系統(tǒng)(FCS)計(jì)劃,選定了德國(guó)M890系列柴油機(jī),開啟了運(yùn)用高功率密度柴油機(jī)的新時(shí)代。
俄羅斯裝甲車輛以柴油機(jī)為主,主戰(zhàn)坦克采用柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)并行的發(fā)展思路[13]。柴油機(jī)技術(shù)在B2航空柴油機(jī)的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)和提高,依靠其材料與工藝技術(shù)的進(jìn)步,不斷提高柴油機(jī)強(qiáng)化程度和功率發(fā)展過程中始終保持了原有結(jié)構(gòu)的高緊湊和輕量化特色。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是依托其航空工業(yè)基礎(chǔ),針對(duì)坦克使用特點(diǎn)而專門研制的,并對(duì)其功率、燃油經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了多次強(qiáng)化和完善。綜上所述,各軍事強(qiáng)國(guó)在動(dòng)力技術(shù)方面多趨向于采用高功率密度柴油機(jī)技術(shù)。
高功率密度柴油機(jī)技術(shù)的岀現(xiàn),改變了對(duì)柴油機(jī)強(qiáng)化極限的認(rèn)識(shí),驗(yàn)證了大幅提高轉(zhuǎn)速和單位排量功率、快速?gòu)?qiáng)化燃燒可行途徑,實(shí)現(xiàn)了相同功率下體積和重量大幅減小目前我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距主要體現(xiàn)在以下技術(shù)領(lǐng)域:
(1) 高緊湊總體與系統(tǒng)集成技術(shù)
受到材料、部件水平和系統(tǒng)集成技術(shù)差距的影響,動(dòng)力裝置體積和重量偏大,輔助系統(tǒng)功耗較多。
(2) 高壓共軌供油技術(shù)
高壓共軌供油技術(shù)目前被國(guó)際上少數(shù)公司掌握,特別是高速大功率高壓共軌供油技術(shù)是德國(guó)MTU公司所特有。我國(guó)高壓共軌供油系統(tǒng)研究處于預(yù)研階段。
(3) 新型動(dòng)力技術(shù)
我國(guó)新型動(dòng)力技術(shù)的研究尚處于起步階段,近年來僅開展了零星的原理探索研究和部分簡(jiǎn)單樣機(jī)的原理驗(yàn)證。由于缺乏對(duì)機(jī)理、模型、規(guī)律和方法的開放拓展性研究,缺乏對(duì)探索方案性能的全面預(yù)測(cè)能力、對(duì)新型動(dòng)力專業(yè)化實(shí)驗(yàn)手段的研究等因素,我們?cè)谛滦蛣?dòng)力技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距[14]。
3.3.1 液力機(jī)械綜合傳動(dòng)
各國(guó)液力機(jī)械傳動(dòng)裝置發(fā)展情況不盡相同,最具有代表性的是美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)的傳動(dòng)裝置美國(guó)從20世紀(jì)40年代起逐漸淘汰了機(jī)械傳動(dòng)目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距主要體現(xiàn)在多自由度行星變速技術(shù)、大功率轉(zhuǎn)向泵馬達(dá)技術(shù)、電液操縱技術(shù)等方面。
國(guó)外在多自由度行星變速簡(jiǎn)圖方案優(yōu)選和評(píng)估技術(shù)方面研究深入,同時(shí)在行星變速機(jī)構(gòu)性能匹配、行星齒輪傳動(dòng)分析綜合技術(shù)、行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化技術(shù)、四自由度行星變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面相當(dāng)成熟,突破了多項(xiàng)行星傳動(dòng)關(guān)鍵瓶頸技術(shù),形成了一套科學(xué)完善的設(shè)計(jì)方法、開發(fā)流程和評(píng)估體系,而我國(guó)目前在一些關(guān)鍵技術(shù)上尚未突破[15]。
國(guó)外在電液操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,基于預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法,掌握了關(guān)鍵電液元件和控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)驗(yàn)證能力,基于高速開關(guān)閥或電液比例閥,采用模糊或者自適應(yīng)等控制算法,壓力控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自適應(yīng)調(diào)節(jié);國(guó)內(nèi)綜合傳動(dòng)換擋電液操縱目前以開關(guān)電磁閥先導(dǎo)控制液控緩沖閥,壓力控制采用開環(huán)控制方法,控制精度低。
總之,我國(guó)液力機(jī)械綜合傳動(dòng)已基本滿足裝甲裝備的需求,性能水平與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng),但在可靠性、傳動(dòng)效率、功率密度和多自由度行星變速技術(shù)等方面還存在一定的差距。
3.3.2 電傳動(dòng)
電傳動(dòng)是目前國(guó)外發(fā)展最快的一種技術(shù)。目前各國(guó)軍方已投入大量人力和物力開展電傳動(dòng)技術(shù)研究,并成功研制多種型式的試驗(yàn)樣車我國(guó)在裝甲車輛電傳動(dòng)領(lǐng)域的研究與技術(shù)攻關(guān)已開展十幾年,積累了較好的技術(shù)基礎(chǔ)??傊?,國(guó)內(nèi)外電傳動(dòng)產(chǎn)品發(fā)展處于同一水平,均處于樣機(jī)性能試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。
3.3.3 輪式裝甲車輛變速器
早在20世紀(jì)60年代,歐洲的一些汽車公司就開始了AMT技術(shù)的研究工作,并在20世紀(jì)80年代開發(fā)出第一代AMT產(chǎn)品。從目前發(fā)展情況來看,AMT變速器在商用車得到專題報(bào)告的廣泛采用,尤其是歐洲和日本的重型多擋變速箱上,AMT都已是標(biāo)準(zhǔn)配置。我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始了AMT技術(shù)的研究工作,并取得了一系列成果。近年通過對(duì)外技術(shù)合作,在轎車上已經(jīng)有多款成熟的產(chǎn)品。
國(guó)外的AT變速器技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟,其產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)系列化發(fā)展,模塊化設(shè)計(jì),功率等級(jí)基本覆蓋所有軍用輪式車輛需求。國(guó)外主要現(xiàn)裝備的輪式裝甲車輛均采用AT自動(dòng)變速器。借鑒國(guó)外成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn),開展了適合我過加工工藝和配置體系的AT自動(dòng)變速器的研制,目前正處于樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和性能驗(yàn)證階段,尚未形成具備工程應(yīng)用的成熟產(chǎn)品。
國(guó)外裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)輔助技術(shù)與動(dòng)力系統(tǒng)一樣經(jīng)歷了“順其自然布置”,“適應(yīng)性給定空間布置”和“先進(jìn)集成設(shè)計(jì)”三個(gè)發(fā)展階段。
20世紀(jì)80年代以前,主要以發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率最大和穩(wěn)定工作為研究目標(biāo);20世紀(jì)80年代以后,以美國(guó)先進(jìn)整體式動(dòng)力系統(tǒng)(AIPS)為標(biāo)志,各國(guó)開始了以減小動(dòng)力艙體積、提高體積功率密度為目標(biāo)的整體式推進(jìn)系統(tǒng)研究,輔助系統(tǒng)進(jìn)入與動(dòng)力、傳動(dòng)集成化設(shè)計(jì)階段。至此,輔助系統(tǒng)不再僅以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率為最終目標(biāo),而是以整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)裝置總成為研究對(duì)象來提高功率密度。
進(jìn)入21世紀(jì)后,以美國(guó)和歐洲為主的多個(gè)國(guó)家大力發(fā)展混合動(dòng)力和全電車輛,對(duì)輔助系統(tǒng)的功能和性能又有了新的要求,要求動(dòng)力傳動(dòng)輔助裝置與動(dòng)力、傳動(dòng)高度集成,大幅度縮小體積、提高效率。但其核心技術(shù)仍然以高效散熱技術(shù)、空氣過濾技術(shù)及風(fēng)機(jī)技術(shù)為主,而且由于電子設(shè)備和電器設(shè)備大量應(yīng)用,對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)輔助裝置的性能要求進(jìn)一步提高。目前與國(guó)外先進(jìn)水平的差距主要體現(xiàn)在以下技術(shù)領(lǐng)域:
(1) 高效散熱技術(shù)
國(guó)外熱管理技術(shù)在推行系統(tǒng)集成、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真和智能化控制的同時(shí),積極開展新型換熱技術(shù)、全負(fù)荷測(cè)試、一體化控制等相關(guān)技術(shù)研究,解決了多熱源對(duì)象的不同溫度要求、多循環(huán)回路特征、高溫冷卻和全域智能控制等技術(shù)難題。目前我囯在關(guān)鍵部件研究、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和熱流仿真研究方面,已具備較好的基礎(chǔ),但多數(shù)研究均是針對(duì)單一部件或子系統(tǒng)進(jìn)行的,一體化設(shè)計(jì)與控制研究剛剛起步。
(2) 空氣過濾技術(shù)
美國(guó)AAAV兩棲突擊車采用了高壓過濾技術(shù),在保持一級(jí)濾清器效率98.5%的條件下,實(shí)現(xiàn)了空氣過濾體積縮小,解決了水分分離和陸上塵土分離難題,而我國(guó)高壓過濾技術(shù)研究處于起步階段。
(3) 風(fēng)機(jī)技術(shù)
混流風(fēng)扇技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng),離心風(fēng)扇技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平之列,但就高速軸流風(fēng)扇技術(shù)而言,尚與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距。
我國(guó)裝甲車輛動(dòng)力技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):通過提高轉(zhuǎn)速、升功率、體積功率密度和降低比重量,實(shí)現(xiàn)柴油杋高功率密度;不斷探索高效、高緊湊、高可靠、低成本的新型動(dòng)力技術(shù);大力開展基礎(chǔ)理論研究,完善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。目前發(fā)展趨勢(shì)如下:
(1) 加強(qiáng)動(dòng)力裝置集成化研究
從設(shè)計(jì)初始階段入手,開展動(dòng)力、傳動(dòng)和輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能匹配,實(shí)現(xiàn)最佳整體性能和最小系統(tǒng)尺寸,減少功率傳遞損失。
(2) 建立和完善科學(xué)合理的研發(fā)流程
加強(qiáng)設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理等方面的研究,建立和完善研發(fā)技術(shù)平臺(tái)、試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)和技術(shù)保障平臺(tái),提高軍用動(dòng)力裝置研發(fā)的科技創(chuàng)新能力,構(gòu)建有自主創(chuàng)新能力、以“數(shù)字樣機(jī)”為表征的研發(fā)技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)由“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”向“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的根本轉(zhuǎn)變。
(3) 建立緊密的先進(jìn)配套體系
充分利用國(guó)內(nèi)外專業(yè)化協(xié)作環(huán)境條件,建立緊密的合作體系,確保研制、生產(chǎn)、使用和后勤支援,有效降低研發(fā)成本和縮短研制周期。
我國(guó)傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是:液力機(jī)械傳動(dòng)是我國(guó)裝甲車輛未來傳動(dòng)技術(shù)主流,電傳動(dòng)是裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)的未來發(fā)展方向。傳動(dòng)系統(tǒng)正朝著高效、高功率密度、高可靠性等方向發(fā)展。目前發(fā)展趨勢(shì)如下:
(1) 以機(jī)動(dòng)平臺(tái)需求為牽引開發(fā)傳動(dòng)裝置
無論液力機(jī)械綜合傳動(dòng),還是機(jī)電復(fù)合傳動(dòng),必須以滿足機(jī)動(dòng)平臺(tái)系列化承載、多樣化能源、一體化防護(hù),通用化信息的需求為首要發(fā)展目標(biāo)。只有這樣才能滿足動(dòng)力艙前置或后置、多能源的需求,提升高原、嚴(yán)寒地區(qū)等極端條件作戰(zhàn)能力。
(2) 高功率密度液力機(jī)械綜合傳動(dòng)和機(jī)電混合傳動(dòng)協(xié)調(diào)發(fā)展
為適應(yīng)電磁炮、電熱化學(xué)炮等超高速動(dòng)能武器,電磁裝甲等新型防護(hù)系統(tǒng),高功卒激光和微波定向武器等用電的需求,采用機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)研究,能夠很好地滿足對(duì)電能的需求。但是,對(duì)于用電量不大、可靠性高、動(dòng)力艙體積小、傳動(dòng)效率高的裝甲車輛來說,液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置仍然是首選方案。
我國(guó)裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)輔助技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):高效節(jié)能、高集成化、高可靠性、適應(yīng)性溫度和地域范圍寬。我國(guó)發(fā)展對(duì)策如下:
以集成優(yōu)化設(shè)計(jì)和部件強(qiáng)化為技術(shù)主線,重點(diǎn)開展高效散熱技術(shù)、空氣過濾技術(shù)、風(fēng)機(jī)技術(shù)三大技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),建立動(dòng)力傳動(dòng)輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),完成多系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)的建設(shè),構(gòu)建與動(dòng)力傳動(dòng)一體化的仿真條件,完善動(dòng)力傳動(dòng)輔助系統(tǒng)研發(fā)體系框架,形成面向完整系統(tǒng)、綜合學(xué)科的多類型數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法向現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和體系的轉(zhuǎn)變。
建立部件試驗(yàn)、分系統(tǒng)試驗(yàn)、輔助系統(tǒng)整體性能匹配試驗(yàn)的試驗(yàn)體系,結(jié)合仿真平臺(tái)和協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),掌握動(dòng)力傳動(dòng)輔助系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,全面提升裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)輔助系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等綜合能力。目前發(fā)展趨勢(shì)如下:
(1) 熱管理技術(shù)
深入開展熱管理系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究,形成熱管理系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與熱源裝置的合理匹配,建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái),建立完整的系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)估方法。
(2) 空氣過濾技術(shù)
根據(jù)未來我國(guó)裝甲車輛發(fā)展需要,通過引進(jìn)和自主研發(fā),開展系統(tǒng)多目標(biāo)過濾技術(shù)研究;通過過濾機(jī)理研究,建立高壓過濾技術(shù)規(guī)范;通過臺(tái)架和試車試驗(yàn)研究,建立完善的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)體系,從而形成我國(guó)的高壓過濾技術(shù)路線,完成多目標(biāo)、模塊化研究。
針對(duì)現(xiàn)役裝備空氣濾清器效率低、壽命短的難題,通過過濾材料硏究、全效一級(jí)濾清器、自清洗技術(shù)和系統(tǒng)匹配技術(shù)等硏究,建立空氣濾清器壽命拓展技術(shù)硏究準(zhǔn)則,提高現(xiàn)役裝備空氣濾清器的性能和保養(yǎng)周期針對(duì)現(xiàn)行無法指導(dǎo)空氣濾清器研究的現(xiàn)狀,通過試驗(yàn)粉塵研究,建立裝甲車輛標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)粉塵;通過典型車輛空氣濾清器的驗(yàn)證試驗(yàn),建立空氣濾清器技術(shù)條件和評(píng)價(jià)體系,提高行業(yè)的設(shè)計(jì)水平。
(3) 風(fēng)機(jī)技術(shù)
開展與離心風(fēng)扇相匹配的基于環(huán)形散熱器的冷卻系統(tǒng)的研究;針對(duì)小型化、輕量化車輛,開展高速軸流風(fēng)風(fēng)扇技術(shù)的研究;隨著全電戰(zhàn)斗車輛概念的提出,開展大功率高速風(fēng)扇電機(jī)技術(shù)研究。
國(guó)內(nèi)裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)經(jīng)過多年研究,其技術(shù)水平也有了大幅度提升,目前已跨入自主研發(fā)階段,但由于受設(shè)計(jì)技術(shù)、加工制造技術(shù)、研發(fā)條件與能力等因素的制約,仍與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距。隨著相關(guān)技術(shù)及制度的不斷發(fā)展與完善,該差距將逐步縮小。