路灯车液力变速器系统工作热特性    路灯车租赁, 曲江路灯车租赁, 曲江路灯车出租   液力变速器作为传动系统的一个核心部件，其性能直接影响到车辆的牵引性能、动力性和燃油经济性等。采用液力变速器的车辆能够实现一定范围内的无级变速，可以在不切断动力的情况下进行换挡，使操作简单方便。随着我国工程机械的快速发展，液力传动技术也得到了快速发展，但国产液力变速器存在工作效率低、发热量较大等问题。液压控制系统油温过高，使系统的润滑性能变差，导致其他传动件磨损加速。变速箱温升过高会引起各零部件配合间隙减小，使热应力增大，从而损坏零件；各零件温升不均匀也会导致热应力过大损坏零件。因此对液力变速器进行热平衡研究具有重要意义。目前国内对于液力传动系统的热平衡研究多集中在液力变矩器和变速箱等单独元件上，对于液力变速器的整体研究较少，同时也忽略了液力传动系统在不同工况下的综合发热情况。本文以路灯车的液力变速器为研究对象，详细分析了液力变速器系统各组成元件相应的功率损失，并在此基础上建立了液力变速器系统热平衡模型。对路灯车典型工况下液力变速器的热特性进行了计算求解，并将仿真结果与试验值进行了对比。

      液力变速器的热平衡分析: 路灯车液力变速器有定轴式和行星式两种形式。本文研究的为定轴式液力变速器，其具有设计制造简单、传动效率高和成本低等优点。液力变速器结构简图，ＫＶ、ＫＲ、Ｋ４为方向离合器；Ｋ１、Ｋ２、Ｋ２为挡位离合器；Ｐ为液压泵。本文研究的为前四后三变速箱，相应挡位离合器的组合。 

    液力变速器的发热分析: 液力变速器系统中变矩器与发动机是配合工作的，发动机与液力变矩器的匹配分为全功率匹配和部分功率匹配两种。全功率匹配时液力变矩器的损失功率为： Ｆ为牵引力；ｖ为车辆行驶速度；η为传动系统总效率；η１为液力变矩器的效率。液力变矩器与发动机部分功率匹配时，直接计算传动系统的输入功率较为困难，因此采用间接计算的方法：Ｐ１＝１（－η１）（Ｐｅ－Ｐｂｓ）（２）式中：Ｐｅ为发动机功率；Ｐｂｓ为驱动车辆各工作泵和辅助装置所消耗的功率。液力变矩器的效率η１可以由车辆行驶速度ｖ得出：η１＝α·ｉ２＋β·ｉ（３）式中：α、β为液力变矩器效率拟合曲线的系数。  ｎ１为发动机转速；ｎ２为涡轮转速；ｉ１为传动系统总的传动比；ｒ为轮胎半径；δ为滑转率。变速箱的热源主要包括齿轮啮合功率损失、轴承的功率损失和搅油功率损失等。齿轮和轴承的功率损失为：ＰＴ为变速箱的输入功率；ｗ为变速箱中参与工作的齿轮啮合对数；ｘ为参与工作的推力滚珠轴承数；ｙ为参与工作的圆锥滚子轴承的对数； ｚ为参与工作的滚针轴承数。对于湿式离合器而言，运用公式准确计算出滑摩功较为复杂，但由离合器的工作过程可知：离合器是以油缸为动力进行动作的，而油缸所做的功最终全部转换为热量，离合器结合、分离的摩擦功包含在其中，因此不需要单独进行计算。路灯车变速箱的搅油功率损失：当车辆的行驶速度ｖ小于１０ｋｍ／ｈ时，按变速箱发热量的１０％计算；当ｖ大于１０ｋｍ／ｈ，选用相应的经验公式来计算：Ｐ３＝１．４７ｅ０．３ｖ  

      液压控制系统是液力变速器的重要组成部分，该系统由变速泵、滤油器、变速操纵阀、散热器和管路等组成。液压控制系统在工作过程中保证了变矩器和变速箱的正常工作及冷却，对液力变速器系统之外并不输出功率，因此液压控制系统的功率最终全部以热量的方式消耗掉，即损失功率为：Ｐ４＝ｐＶｐｎ１／η３（８）式中：ｐ为变速泵输出压力；Ｖｐ为变速泵排量；η３为变速泵的效率。

    液力变速器的散热分析:  液力变速器系统的散热主要是通过散热器、液力变速器壳体进行的。散热器散出的热量为：Ｑ１＝Ｃρｎ１Ｖｐ（Ｔ１－Ｔ２）ｔ６０（９）式中：Ｃ为传动油比热；Ｔ１、Ｔ２分别为传动油散热器进、出口温度；ｔ为时间；ρ为传动油密度：ρ＝ρ０（１－ｖ）ΔＴ３（１０）式中：ρ０为常温时对应的传动油密度； ｖ为膨胀系数；ΔＴ３为传动油温度与常温的差值。从箱体外壁散发到周围空气中的热流量为自然对流散热，可由牛顿公式计算：Ｐ５＝０．５９Ｒａ１／４λｍＡΔＴ４Ｌ，１０４＜Ｒａ＜１０９０．１１Ｒａ１／３λｍＡΔＴ４Ｌ，１０９＜Ｒａ＜１０  １２（１１）式中：Ｒａ＝ＡｍＬ３ΔＴ４；Ａ为箱体的散热面积；ΔＴ４为箱体表面与周围空气之间的温差；Ｌ为特征长度；Ａｍ为空气的物性系数；λｍ为导热系数，Ａｍ和λｍ可以通过查空气热物理性质表得到。在工作过程中，液力变速器产生的热量并不能完全散失掉，剩余的热量以内能的方式储存在系统的传动油中，从而导致传动油温度的升高。传动油吸收的热量为：Ｑ２＝ＣρＶ０ΔＴ５（１２）式中：Ｖ０为传动油的总体积；ΔＴ５为传动油的温升。

       热平衡计算路灯车典型的作业工况有：铲装工况、高速跑工况和推土工况。铲装工况载荷大且变化频繁，针对铲装工况中的Ｉ形铲装工况进行热平衡计算。根据实际状况将Ｉ型铲装工况的一个循环分成前进、铲装、后退、前进举升卸料、空载后退５个过程。路灯车在每个过程内速度和工作阻力都是变化的，则产生的热量也是变化的，需要分别进行计算。Ｉ型铲装工况各过程液力变速器系统的状态。 前进、后退和空载后退３个工况的液力变速器的状态相同，称为状态１；铲装和前进举升两个工况的液力变速器的状态相同，称为状态２，并分别进行产热量的计算。根据传动系统的净输入功率，计算出每个过程产生的热量：ｔｊ为各个过程的时间，ｊ＝１，２，…，５。各个过程产热量相加即可得到液力变速器系统产生的总热量：∑５ｊ＝１ΔＱｊ＝Ｑ（１５）根据能量守恒定律，可知液力变速器系统的·８３１１·第４期王振宝，等：路灯车液力变速器系统工作热特性产热量等于散热量，Δｔ为作业工况的循环周期。

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     数学模型由上述热平衡计算可以看出，总的产热量与时间有关，即各过程的时间分配决定了总的产热量，因此有必要对作业周期的时间分配进行优化。针对路灯车Ｉ型铲装循环工况，建立产热量优化模型。目标函数：Ｑ＝ｍｉｎ∑５ｊ＝１ΔＱｊ（１７）约束条件：   ｍａｘ分别为各过程允许的最短时间和最长时间；ｖｊｍａｘ为各过程路灯车相应挡位的最高速度；ｌｊ为各过程的作业距离；ｋ１ｊ为加速度，各过程速度按照匀变速运动进行计算，约束条件的各参数可根据已有试验数据或经验值进行设定。传动油温度是动态变化的，为了能对油温变化趋势进行动态描述，将传动油温升曲线分为３个阶段：初始阶段，热量全部以内能的方式储存在传动油中，该时间段较短；上升阶段，散热器、箱体和传动油自身全部参与热量的消耗，散热器进、出口温度呈线性增长，散热器和箱体的散热量也相应增加，由于每个循环周期内系统的产热量不变，传动油吸收的热量逐渐减少；平衡阶段，散热器进、出口温度基本不变，传动油吸收的热量减小为零，内能不变。以此建立热平衡数学模型：：Ｔ０１、Ｔ０２分别为散热器进、出口油温初始值；ｋ２、ｋ３分别为进、出口油温曲线的增长斜率；Ｑ２·为传动油吸收热量的功率；ｋ４为传动油吸收热量功率的减小斜率。根据建立的产热量优化模型和热平衡模型，以时间为变量，作业工况的循环周期为步长，可求解出传动油的温升曲线。利用Ｍａｔｌａｂ编写求解程序。

   

       根据对液力变速器系统具体热源的分析，确定了传动油散热器进、出口温度，机罩内空气温度和环境温度等测点，采用网络数据采集器，每秒钟采集１００个数据点，并由计算机系统进行记录、分析，针对高速跑工况和Ｉ型铲装循环工况进行试验，部分测点。   １）高速跑工况：发动机保持最大油门状态，变速箱处在最高挡位，液力变矩器处于闭锁状态，路灯车行驶速度维持在３３ｋｍ／ｈ左右，路面为水泥结构。  （２）Ｉ型铲装循环工况：参照优化后的分配时间进行操作，保证路灯车铲装每２８ｓ左右完成一次作业循环，变速箱除铲装过程处于一挡外，其余时间都处于二挡，铲装物料为砂子，每次铲斗满斗率不低于９５％。热平衡试验前需要对路灯车进行预热。

     ４ 按照路灯车高速跑工况和Ｉ型铲装循环工况的试验要求，对液力变速器的油温曲线进行仿真，并将求解结果与试验测量数据进行比较。如图４所示，高速跑工况传动油散热器进、出口油温初始值分别为６３℃和６９℃，试验曲线在开始阶段呈线性增长，由于进、出口油温增长幅度的不同，温差逐渐减小，计算曲线与试验曲线一致性较好；随着温度趋于平衡，试验曲线出现过渡阶段，油温的增长幅度逐渐变缓，计算曲线与试验曲线偏差增大，同时造成两曲线达到平衡所需时间的不同。 系统热平衡后，进、出口油温的计算值与试验值差值较小。为了便于比较，取与Ｉ型铲装工况相同的循环周期２８ｓ，计算一个循环内高速跑工况液力变速器系统的散热量。如图５所示，由于Ｉ型铲装工况作业过程较为复杂，传动油散热器进口油温波动较大。Ｉ型铲装工况的温差趋势与高速跑工况相反，进、出口端油温初始温差较小，随着作业时间的延长，温差逐渐增大，散热功率也随之变大，路灯车在工作８００ｓ左右后，传动油温度趋于平衡。 Ｉ型铲装工况热平衡后，传动油散热器进、出口平均温差为６．９℃，与高速跑工况相比，计算值与试验值的差值变大，主要是由于铲装工况作业过程复杂，计算精度降低，但油温平衡误差为５．８％，小于１０％，满足工程计算要求。在两种作业工况下，传动油平衡温度都在正常工作油温内，说明散热器功率能够满足液力变速器系统的散热需求。由上述试验及计算所得各工况下液力变速器系统的热量关系。  液力变速器系统平衡后，散热主要由散热器来完成，极小部分热量通过液力变速器壳体散走；Ｉ型铲装工况总的产热量为高速跑工况的１．７倍，需要更大的散热功率。

       （１）根据建立的液力变速器系统热平衡模型，对高速跑工况和Ｉ型铲装工况进行了仿真。将仿真数据与试验数据进行了比较，结果表明模型的准确度满足工程设计需要，基本能够解决路灯车对液力变速器系统热平衡的要求，并且对液力变速器系统的设计选型和改进具有指导作用。（２）液力变速器在不同的工况下，产热量、达到热平衡的时间和温度等热特性都有较大差异。散热器在液力传动系统的冷却中具有重要作用，只有通过选择合适的散热器，才能保证传动系统的正常运行。

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