基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

第卷

网络预印版

2011年网络预印版农业工程学报

TransactionsoftheCSAE

Vol.

2011

基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化*

常绿

(淮阴工学院交通工程学院，淮安

223003)

摘要：为了解决装载机发动机与液力变矩器匹配性能评定指标较多，多项评价指标权重难以确定问题，该文提出基于性能评价网状图的发动机与液力变矩器匹配优化方法。装载机发动机与液力变矩器匹配性能评定指标有额定工况接近度、起动能度、经济区宽容度、功率输出系数、燃油消耗率系数等5项，分别定义和计算5项匹配性能指标，根据计算值的大小构建发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图，以网状评价图面积最小为优化目标，构建目标函数，优化液力变矩器有效直径。原液力变矩器有效直径D等于0.360m；优化后的装载机液力变矩器有效直径D等于0.350m。优化后发动机与液力变矩器匹配性能提高了5.7%。

关键词：装载机，发动机，液力变矩器，性能评价，网状图，优化doi：

中图分类号：U463.2文献标识码：A文章编号：常绿.基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化[J].农业工程学报，2011，ChangLü.Optimizationofpowermatchingontorque-converterwithdieselengineforwheelloaderbasedonperformanceevaluationmeshfigure.TransactionsoftheCSAE,2011,(inChinesewithEnglishabstract)

0引

言

1发动机与液力变矩器匹配的评价指标

发动机与液力变矩器匹配方法很多，概括起来，一般都是以提高发动机平均输出功率和降低发动机有效燃油消耗率为目标，优化液力变矩器循环圆有效直径[1-3]。匹配的主要方法有：全功率匹配、部分功率匹配和折衷匹配[4]。文献[4]在此基础上，提出以装载机的动力性为目标，建立发动机与液力变矩器功率匹配数学模型，优化两者的功率匹配。文献[5]建立装载机发动机与液力变矩器功率匹配多目标优化模型，构建了基于满意度原理的满意度函数，在此基础上优化功率匹配。这些匹配方法都不同程度地提高了装载机的牵引特性和燃油经济性，但也还存在一些不足，主要表现在：衡量装载机发动机与液力变矩器匹配性能的指标有很多，考虑到计算的简便性，上述匹配方法一般都忽略一些评判指标，或者综合考虑这些评判指标，但往往平均分配这些指标的权重。发动机与液力变矩器匹配性能评价指标实际上是从不同的侧面反应用户需求，这些指标的重要性也不完全相同，所以上述优化匹配的方法及其结果难以真实反应用户的需求。为此，本文构建基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配性能评价指标，在此基础上优化液力变矩器循环圆有效直径。

装载机发动机与液力变矩器组合在一起，构成一种复合动力装置。用户从牵引特性和燃油经济性方面考虑，希望发动机与液力变矩器共同工作输出特性具有这些特点：液力变矩器的高效工作范围处在发动机最大功率点附近；高效区工作范围宽，且工作范围处于发动机有效燃油消耗率低的区域；车辆在起步时能获得最大扭矩，即液力变矩器低转速工况的负荷抛物线最好能通过发动机最大扭矩点附近。为了达到这些匹配要求，设置以下匹配性能评价指标。

根据文献[6]给出的某ZL50装载机发动机和液力变矩器原始特性数据，图1示出发动机与液力变矩器共同工作输入特性。图中ne为发动机转速、Te为发动机外特性转矩曲线，Tb为i等于0时液力变矩器负荷抛物线，i

为液力变矩器传动比。

收稿日期：2011-4-04；修改日期：

基金项目：江苏省自然科学基金资助项目：BK2009168；江苏省“六大人才高峰”资助项目：2010-JXQC-023；江苏省“青蓝工程”资助项目：苏教师[2010]27号；江苏省科技发展计划资助项目（BC2010432）作者简介：常绿（1971—），男，副教授，工学博士。主要研究方向：工程车辆动力性能优化。淮安淮阴工学院交通工程学院，223003。Email：changlv7114@

图1发动机与液力变矩器共同工作输入特性Fig.1Inputcharacteristicsofengineandtorqueconverter

workingtogether

基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

农业工程学报2011年

1）起动能度[7]。用下式表示起动能度

ane2

ne3

1 n（1）

eH

式中，ne-i=0时液力变矩器负荷抛物线与发动机外特性转矩曲线交点转速，r/min；ne3为发动机外特性转矩中最大转矩对应的转速，r/min；neH为额定功率对应的转速，r/min。

（ne2-ne3）的值越小，起动工况转矩值越接近发动机最大转矩。a1越小，装载机在起步时获得的起步转矩越大，起步性能越好。

由图1可知，ne2等于1900r/min；ne3等于1400r/min；neH等于2200r/min。根据（1）式计算得a1等于0.16。

根据发动机与液力变矩器共同工作输入特性，计算其共同工作输出特性。图2示出发动机与液力变矩器共同工作输出特性。图中P2为液力变矩器涡轮轴输出功率，T2为涡轮轴输出扭矩，nw为涡轮轴转速，ge为有效燃油

消耗率。

图2发动机与液力变矩器共同工作输出特性

Fig.2Outputcharacteristicsofengineandtorqueconverter

workingtogether

2）最高功率工况与额定工况接近度[7]。用下式表示最高功率工况与额定工况接近度

an ne1

2 eHn（2）

eH式中，ne1为液力变矩器涡轮轴最高输出功率对应的发动机转速，r/min。

a2越小，涡轮轴最高输出功率工况与发动机额定工况越接近。

由图2可知，ne1等于1784r/min。根据（2）式计算得a2等于0.19。

3）经济区的宽容度[7]。用下式表示经济区的宽容度

anw1 nw3 2nw2

3 n（3）

w3 nw1式中，nw1、nw3为η等于0.75时对应的涡轮转速，r/min；nw2为涡轮轴输出功率最大时对应的涡轮转速，r/min。

（nw3-nw1）的值越大，说明工作效率最效区范围越宽，（nw1+nw3-2nw2）越小，说明最大输出功率工况与最高工作效率工况越接近。所以，a3越小，发动机与液力变矩器匹配效果越好。

由图2可知，nw1等于1108r/min；nw2等于1600r/min；nw3等于2310r/min。根据（3）式计算得：a3等于0.18。

4）功率输出系数[7]。用下式表示功率输出系数

aP24

P（4）

eH

式中，PeH为发动机额定功率，kW；P2为液力变矩器涡轮轴最效区平均输出功率，kW。

P2越大，涡轮轴平均输出功率越大，则a4越小，装

载机动力性越好。

某ZL50装载机使用CAT3306-C6121ZG09F型柴油机，PeH等于162kW[6]。

由图2可知，P2等于71.37。根据（4）式计算得a4

等于0.44。

5）燃油消耗率系数[7]。用下式表示燃油消耗率系数

ag

5 eH

g（5）e式中，ge为平均有效燃油消耗率，g/(kW·h)；geH为标定工况燃油消耗率，g/(kW·h)。

CAT3306-C6121ZG09F型柴油机的geH等于240g/(kW·h)[6]。

由图2可知，ge等于296.4g/(kW·h)。根据（5）式计算得a5等于0.81。

2

基于性能评价网状图的目标函数的构建

2.1

性能评价网状图的构建

为了能够将发动机与液力变矩器匹配性能清晰直观地呈现出来，构建如图3所示匹配性能网状评价图[8-10]

。

注：OA=a1OB=a2OC=a3OD=a4OE=a5

图3发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图

Fig.3theperformanceevaluationmeshfigureofenginewith

torque-convertermatching

图中，OA、OB、OC、OD、OE即为根据式（1）～式（5）计算得到的a1、a2、a3、a4、a5的大小，即

OA a1 0.16

OB a2 0.19OC a3 0.18OD a4 0.44OE a5 0.81

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网络预印版常绿：基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

圆O的半径为a1、a2、a3、a4、a5最大值向上取整，按下式计算圆O的半径

r max(a1,a2,a3,a4,a5)

（6）a1、a2、a3、a4、a5之间的夹角β1、β2、β3、β4、β5按下式计算

ai a(i 1)

i5 180（i=1,2,3,4,5）（7）

aj

j 1

计算

a1 a2

1

a 180 35.39

1 a2 a3 a4 a5

同理可算β2等于37.41°；β3等于62.70°；β4等于125.60°；β5等于98.90°。2.2设计变量

发动机与液力变矩器的匹配优化的设计变量为液力变矩器的有效循环圆直径D，即

X [D] [x]（8）2.3

目标函数

每一个D值，按上述方法可计算出一组a1、a2、a3、

a4、a5值，进而求出圆O的面积。设圆O的面积为SO，即

f2

1(X) SO r（9）

5个三角形的面积之和为五边形ABCDE的面积，即为f2(X)，所以

f2(X) SABCDE=S OAB S OBC S OCD S ODE S OEA（10）即

SABCDE=0.5a1a2sin 1 0.5a2a3sin 2 0.5a3a4sin 3 0.5a4a5sin 4 0.5a5a1sin 5

根据式（1）～（5）的定义，a1、a2、a3、a4、a5值越小，对应的发动机与液力变矩器的匹配性能越好。根据发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图的构建方法，图3中OA、OB、OC、OD、OE越小，5个三角形的面积就越小，则五边形ABCDE的面积也越小，这表示发动机与液力变矩器的匹配性能越好。五边形ABCDE的面积实际上反映了用户对发动机与液力变矩器匹配性能的满意程度，构建目标函数为

f(X) f1(X)f SABCDE

min（11）

2(X)SO式（11）即为目标函数。

3优化算例

以某ZL50装载机为例，液力变矩器有效直径D等于0.360。按下列步骤计算目标函数值[11-14]

1）根据发动机原始特性和液力变矩器原始特性，计算发动机与液力变矩器共同工作输入特性，如图1所示；

2）根据共同工作输入特性，计算发动机与液力变矩器共同工作输出特性，如图2所示；

3）根据根据共同工作输入特性和共同工作输出特性，以及式（1）～（5）计算a1、a2、a3、a4、a5的大小；

4）根据式（9）计算f1(X)，根据式（10）计算f2(X)；当D等于0.360时，f1(X)等于πr2等于3.14。f2(X) SABCDE=0.5a1a2sin 1 0.5a2a3sin 2

0.5a3a4sin 3 0.5a4a5sin 4 0.5a5a1sin 5 0.5 0.16 0.19 sin35.39 0.5 0.19 0.18 sin37.41 0.5 0.18 0.44 sin62.7 0.5 0.44 0.81 sin125.60 0.5 0.81 0.16 sin98.90 0.26345）根据式（11），计算目标函数f(X)值。当D等于0.360时，计算

f(X) f1(X)

f(X)

0.0838

2分别取D等于0.330，D等于0.335，D等于0.340，D等于0.345，D等于0.350，D等于0.355，D等于0.360，D等于0.365，D等于0.370。重复以上步骤，分别计算目标函数值如表1所示。

表1有效直径与目标函数对应值

Tab.1

Effectivediameterandobjectivefunctioncorresponding

values

直径D/cmf1(X)f2(X)f(X)值0.3300.32973.140.10500.3350.32033.140.10200.3400.2863.140.09110.3450.2763.140.08790.3500.2483.140.07900.3550.2763.140.08790.3600.2633.140.08380.3650.2683.140.08540.370

0.272

3.14

0.0866

D值不同，目标函数值不同，把液力变矩器有效直

径D及其对应的目标函数值用二次曲线拟合，拟合结果如图4所示。

对拟合的二次曲线求极值，当D等于0.350时，f(X)的极值为0.0798

。

图4D值和目标函数值对应关系图

Fig.4CorrespondingrelationofDValueswiththeobjective

functionvalues

4

优化结果分析

原装载机液力变矩器有效直径D等于0.360m；优化后的装载机液力变矩器有效直径D等于0.350m。优化前后a1、a2、a3、a4、a5的大小对比如表2所示。

从表2可以看出，优化后，最高功率工况与额定工况接近度a2保持不变，起动能度a1、经济区的宽容度a3、功率输出系数a4、燃油消耗率系数a5均有不同程度的改

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农业工程学报2011年

善。

表2优化前后评价指标计算值

Tab.2

Evaluationindicatorscalculationvaluesbeforeandafter

optimization

评价指标值a

优化前优化后a10.160.15a20.190.19a30.180.14a40.440.32a5

0.81

0.70

图5示出优化前后发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图。五边形ABCDE面积大小表示优化前发动机与液力变矩器的匹配完善程度，五边形A1BC1D1E1面积大小表示优化后发动机与液力变矩器的匹配完善程度。五边形的面积越小，说明匹配性能越好[8]。

用下式表示优化前后匹配性能提高的程度

k SABCDE SA BC D E S（12）

ABCDE式中，SABCDE为五边形ABCDE的面积；SA’B’C’D’E’为五边形ABCDE的面积；k为性能提高百分比。

根据图4匹配性能网状评价图，SABCDE等于0.263，SA’B’C’D’E’

等于0.248，可求得k等于5.7%

。图5优化前后发动机与液力变矩器匹配性能网状评价图

Fig.5Performanceevaluationnetworkmapofenginewithtorque-convertermatchingbeforeandafteroptimization

原液力变矩器有效直径D等于0.360m；优化后的装载机液力变矩器有效直径D等于0.350m，优化后发动机与液力变矩器匹配性能提高了5.7%。

文献[15]对ZL50装载机发动机与液力变矩器的匹配提出了3个匹配目标：

1）液力变矩器零速工况的输人特性曲线通过发动机的最大实用转矩点,以使车辆在负荷最大时获得最大输出转矩。

2）液力变矩器最高效率工况的输入特性曲线通过发动机最大实用功率所对应的转矩点，同时,高效范围在发

动机最大实用功率点附近,以提高发动机的功率利用率。

3）液力变矩器与发动机的共同工作范围在发动机燃料消耗量最低工况附近。基于3个目标提出9项匹配性能指标，按各转速工况概率相等，取9项匹配性能指标权重相等，对发动机与液力变矩器进行了优化匹配，优化后液力变矩器有效直径D等于0.356m，文献[15]的研究结果已经在某厂生产的ZL50装载机上得到应用。文献[15]的研究结果与本文的优化结果相差1.1%,这也进一步验证了本文优化结果的合理性。

[参考文献]

[1]

蔡敬.分析发动机与液力变矩器的合理匹配[J].工程机械，2003（4）：28—30.

CaiJing.AnalysisonRationalMatchbetweenEngineandHydraulicTorqueConverter[J].ConstructionMachineryandEquipment,2003(4):28—30(inChinesewithEnglishabstract)

[2]

陈莉.轮式装载机牵引性能匹配研究[D].长春：吉林大学，2005.

ChenLi.ResearchonTractivePerformanceMatchingforWheelLoader[D].Changchun:Jilinuniversity,2005.(inChinesewithEnglishabstract)

[3]

邓斌.液力叉车发动机与液力变矩器的匹配及传动系统参数的优化[J].机械科学与技术，1997，16（3）：419—425.DengBin.OptimizationofBothMatchingandParametersofTransmissionSystemforHydraulicExcavatorForklift[J].MechanicalScienceandTechnology.1997,16(3):419—425.(inChinesewithEnglishabstract)

[4]

常绿，王国强，唐新星，等.装载机发动机与液力变矩器功率匹配优化[J].农业机械学报，2006，37（11）：28—31.ChangLü,WangGuoqiang,TangXinxingetc.OptimizationofPowerMatchingonTorque-converterwithDieselEngineforWheelLoader[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery.2006,37(11)：28-31.(inChinesewithEnglishabstract)

[5]

常绿.装载机发动机与液力变矩器的匹配优化.农业机械学报，2010，41(7)：25-29ChangLu.OptimizationofPowerMatchingonTorque-converterwithDieselEngineforWheelLoaderBased.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery.2010，41(7)：25-29(inChinesewithEnglishabstract)

[6]

杜晓明.ZL50装载机自动变速电控技术的研究[D].北京:北京理工大学,2003

DuXiaoming.TestandResearchofElectricControlSysteminAutomaticTransmissiononModelZL50Loader[D].Beijing:BeijingInstituteofTechnology,2003.(inChinesewithEnglishabstract)

[7]李健成.矿山装载机设计[M].北京:机械工业出版社，1985[8]

王延克.基于响应面法的汽车悬架系统优化设计[D].成都：西南交通大学，2009.

WangYanKe.OptimizationDesignsofVehicleSuspensionSystemBasedontheResponseSurfaceMethodology[D].Chengdu:SouthwestJiaotonguniversity,2009.(inChinesewithEnglishabstract)[9]

常绿，刘永臣.基于挡位利用率的装载机传动比优化方法.农业工程学报，2010，26(7)：123—127ChangLü,LiuYongchen.Optimazitionofloader

基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

网络预印版常绿：基于性能评价网状图的装载机发动机与液力变矩器匹配优化

Torque-converterBasedonADVISORSoftware[J].ActaSimulataSystematicaSinica.2006,18(12):3396—3398.(inChinesewithEnglishabstract)

ZhangHongyan,ZhaoDingxuan,TangXinxing.FourparameterautomatictransmissiontechnologyforconstructionvehiclebasedonElmanrecursiveneuralnetwork[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2008,21(1):20—24.[14]孙跃东,周萍,尹冰声.工程车辆液力变矩器与发动机匹配的

研究.上海理工大学学报,2003,25(3):289—292,296

SunYuedong,ZhouPing,YinBingsheng.Studyonthematchingoftorqueconverterandengineforengineeringvehicles[J].UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,2003,25(3):289—292,296.(inChinesewithEnglishabstract)

[10]

[11]

[12]

[13]

transmissionratiobasedongearefficiency[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(7)：123—127.

OMERK，MEHMETU.Multi-objectivefuzzyoptimizationofspacetrussesbyMs-Excel[J].AdvancesinEngineeringSoftware，2005，36(8)：549—553.

常绿，刘永臣.基于用户使用工况的ZL50装载机传动比设计[J].农业工程学报，2011，27(2)：141－145.ChangLü,LiuYongchen.TransmissionratiodesignofZL50Loaderbasedonworkingcondition[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(2):141－145.(inChinesewithEnglishabstract)

Murin.J.SomePropertiesofaDieselDriveLinewithHydrodynamicTorqueConvertersoftheLatestGeneration[J].MechanismandMachineTheory.2005,(1):99—117

常绿,王国强,张英爽.基于ADVISOR软件的液力变矩器仿真模块的开发[J].系统仿真学报.2006,18(12):3396—3398ChangLv,WANGGuo-qiang,ZHANGYing-shuang.DevelopmentofSimulationModuleforPerformanceof

OptimizationofPowerMatchingonTorque-converterwithDieselEnginefor

WheelLoaderBasedonPerformanceEvaluationMeshFigure*

ChangLü

（HuaiyinInstituteofTechnology,FacultyofTransportationEngineering,Huaian223003，China)

Abstract:Inordertosolvetheproblemthattherearesomanyperformanceevaluationindexesmatchingtorque-converterwithDieselEngineforWheelLoader,andtheseindexesweightsaredifficulttodetermine,thispaperputsforwardtheoptimizationmethodonmatchingtorque-converterwithdieselengineforwheelloaderbasedonperformanceevaluationmeshfigure.Theperformanceevaluationindexesmatchingtorque-converterwithDieselEngineforWheelLoaderincludetheratedconditionsneardegrees、theactivationenergydegrees、theeconomiczonetolerance、thepowerdeliveryconstant、thefuelconsumptioncoefficientsof5,respectively,defineandcalculatethefivematchingperformanceindicators.Accordingtothesizeofthecalculatedvalue,constructtheperformanceevaluationmeshfigureaboutmatchingtorque-converterwithdieselengineforwheelloader.Thisfigureaimsatoptimizingtheminimumareaoftheperformanceevaluationmeshfigure,constructtheobjectivefunction，optimizehydraulictorqueconvertereffectivediameter.Theoriginalsizeofhydraulictorqueconvertereffectivediameteris0.360m，theeffectivediameteroftheoptimizedhydraulictorqueconverteronwheelloadersis0.350m，theoptimizedengineandtorque-converterworktogethertoimprovethematchingperformanceof5.7%.

Keywords:wheelloader,dieselengine,torque-converter,performanceevaluation;meshfigure,optimization

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zdz4.html