液力變矩器應(yīng)用下農(nóng)業(yè)機(jī)械論文

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1流場(chǎng)分析研究

1．1流場(chǎng)損失

液力變矩器內(nèi)工作液具有粘性，在流動(dòng)中由于摩擦而產(chǎn)生能量損失，這些損失的能量使工作液發(fā)熱、泄漏增加，系統(tǒng)效率降低、性能變壞。關(guān)于這些能量損失主要有兩種認(rèn)為。一種認(rèn)為液力變矩器內(nèi)部能量損失主要包括：機(jī)械損失、液力損失和容積損失；另一種認(rèn)為液力變矩器內(nèi)部能量損失主要包括：粘性損失、泄漏損失、和工作元件相互作用引起的損失。事實(shí)上，在求解完全N—S方程的計(jì)算模型中，入口沖擊損失和粘性損失均可以較完整且準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值模擬，而上游和下游元件出口處的泄漏損失則可以通過(guò)合理的幾何模型較準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬。

1．2優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

液力變矩器葉片和循環(huán)圓的優(yōu)化設(shè)計(jì)均有各自的方法，且種類較多。工作輪葉片設(shè)計(jì)方法主要有：實(shí)物反求法、等傾角射影法、兩類相對(duì)流面的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)法和環(huán)量分配法；。循環(huán)圓設(shè)計(jì)方法主要有：統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法、相似設(shè)計(jì)法、理論設(shè)計(jì)法、反求設(shè)計(jì)發(fā)和三圓弧設(shè)計(jì)法。目前，投影于多圓柱面的等傾角射影法用得較多；重新設(shè)計(jì)時(shí)主要用導(dǎo)數(shù)修正法和三圓弧設(shè)計(jì)法等；如果有性能優(yōu)良的樣機(jī)，可根據(jù)相似設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。循環(huán)圓的圓弧設(shè)計(jì)法最大缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)收縮、擴(kuò)散或局部變化劇烈的現(xiàn)象，難達(dá)到沿軸面流線保持過(guò)流面積不變，盡管各圓弧間是相切的，但其不連續(xù)的曲率變化，作為流線是不光滑的。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展與成熟，非圓弧曲線的加工局限已經(jīng)被突破，因此變矩器循環(huán)圓的設(shè)計(jì)方法就有了從開始就可保證沿軸面中間流線過(guò)流面積保持不變，再根據(jù)各截面寬度來(lái)確定內(nèi)、外環(huán)的輪廓形狀的新設(shè)計(jì)方法。

2流場(chǎng)研究存在的問(wèn)題

1）液力變矩器工作時(shí)，既有工作液在葉輪流道間循環(huán)流動(dòng)，也需要外部另外供油對(duì)工作液進(jìn)行提供補(bǔ)償壓力和強(qiáng)制冷卻以防止氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，這給整個(gè)研究對(duì)象加大了復(fù)雜程度。

2）目前，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)或?qū)W者進(jìn)行的液力變矩器流場(chǎng)分析多為部分計(jì)算域和基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)的分析，而其實(shí)際流場(chǎng)本質(zhì)是非穩(wěn)態(tài)的，迫切需要對(duì)液力變矩器流場(chǎng)進(jìn)行全流道瞬態(tài)研究，但是瞬態(tài)特性模擬對(duì)計(jì)算機(jī)的要求非常高，這是造成瞬態(tài)研究難于開展的主要原因。

3）另外，該內(nèi)部流場(chǎng)通常存在二次流、脫流及漩渦等不良流動(dòng)特征，如何將這些現(xiàn)象帶來(lái)的流動(dòng)損失減少到最低將成為未來(lái)該領(lǐng)域的精準(zhǔn)化研究難題。

4）液力變矩器流場(chǎng)采用的接觸式測(cè)量帶來(lái)的技術(shù)難度大，投資成本高，工作周期長(zhǎng)等問(wèn)題阻礙了流場(chǎng)數(shù)值模擬分析工作。

5）液力變矩器具有多重優(yōu)良性能，但由于其高成本致其應(yīng)用領(lǐng)域狹窄，如何做到降低制造成本拓寬應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊蔀橐毫ψ兙仄靼l(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題。

3液力變矩器研究結(jié)論與展望

從20世紀(jì)30年代的一元束流理論開始到今天的三維流動(dòng)理論研究，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)液力變矩器的研究經(jīng)歷的起步期、活躍期，現(xiàn)階段基本進(jìn)入停滯期，這主要由于以上問(wèn)題的存在導(dǎo)致在計(jì)算技術(shù)和原有數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上難于進(jìn)一步提高計(jì)算精度。盡管受到不少制約，但是其中取得的成果是一定的，由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論過(guò)渡到現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析理論；由穩(wěn)態(tài)研究開始轉(zhuǎn)向三維瞬態(tài)研究；由起初的忽略流場(chǎng)損失到損失分析及降低損失方法的提出；由過(guò)去的高成本試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量到數(shù)值模擬仿真技術(shù)的深入研究，一步一步都是研究的進(jìn)步所在。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)液力變矩器的研究現(xiàn)狀和已獲得成就，可以預(yù)測(cè)該變矩器研究在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1）液力變矩器三維瞬態(tài)流場(chǎng)分析技術(shù)的成熟化、精準(zhǔn)化和簡(jiǎn)潔化。

2）流場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)由接觸式向非接觸式、由定性向定量、由單一方式向多種流動(dòng)顯示綜合測(cè)量的轉(zhuǎn)變。

3）真正CAD／CFD／CAM集成數(shù)值模擬、分析、設(shè)計(jì)以及數(shù)控加工于一體的綜合平臺(tái)的建立將有可能成為未來(lái)流場(chǎng)分析研究的主流方向。

4）液力變矩器扁平化、輕量化也在逐漸成為各研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者們探索的重要內(nèi)容。

5）應(yīng)用領(lǐng)域的低成本擴(kuò)大，如由工程機(jī)械領(lǐng)域擴(kuò)展到礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域。

4液力變矩器在大型農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用及展望

農(nóng)業(yè)機(jī)械的類型很多，比較常見主要有：拖拉機(jī)、耕作機(jī)械、植保機(jī)械、排灌機(jī)械、收獲機(jī)械、畜牧機(jī)械、農(nóng)業(yè)運(yùn)輸和裝載機(jī)械等。其作業(yè)對(duì)象為生物及其生長(zhǎng)的環(huán)境，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)受地形、地表的制約，工況及其復(fù)雜，這就決定了此類機(jī)械需要具有良好的操作性和靈敏性。液力變矩器的合理使用可以有效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)操作性和靈敏性等綜合性能的要求。單級(jí)向心渦輪液力變矩器是的使用在目前國(guó)內(nèi)情況來(lái)說(shuō)是最普遍的，主要因?yàn)槠錂C(jī)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單，透穿性選擇范圍較大，泵輪容量系數(shù)大，且傳動(dòng)效率較高。國(guó)內(nèi)TY160E型推土機(jī)、美國(guó)966D型農(nóng)用裝載機(jī)等大型農(nóng)機(jī)上采用的液力變矩器即為三元件單級(jí)單相向心渦輪液力變矩器，通常與檔位數(shù)較多的變速箱配合使用。國(guó)產(chǎn)自行式鏟運(yùn)機(jī)則采用四元件單級(jí)三相液力變矩器，它裝有兩個(gè)導(dǎo)輪，是根據(jù)實(shí)際工況實(shí)現(xiàn)三種工作狀態(tài)：兩個(gè)導(dǎo)輪為定輪；一個(gè)導(dǎo)輪為定輪，另一個(gè)空轉(zhuǎn)；兩個(gè)導(dǎo)輪同時(shí)空轉(zhuǎn)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)其特性曲線也呈現(xiàn)三段式狀態(tài)，即傳動(dòng)比較低時(shí)的特性曲線，傳動(dòng)比增加到某范圍時(shí)的特性曲線狀態(tài)以及傳動(dòng)比繼續(xù)增加的特性曲線狀態(tài)。國(guó)內(nèi)ZL50型農(nóng)用裝載機(jī)以及日本CM200型裝載機(jī)采用的是雙渦輪式液力變矩器，由于它的兩個(gè)渦輪分別連接變速箱中的兩個(gè)齒輪，從而擴(kuò)大了其變速范圍。另外，美國(guó)D系列履帶式推土機(jī)則采用雙流差速式液力變矩器，其具有最大效率高、高校區(qū)域大、結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)可以一定程度的吸收動(dòng)載荷等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展正趨向于自動(dòng)化、綜合化、一體化，動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)裝置性能的優(yōu)劣影響著這些大型農(nóng)機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。而如今農(nóng)機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置一般是簡(jiǎn)單的變速箱，尚不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、變矩，操作性和靈敏性不好，由此可以展望將液力變矩器應(yīng)用于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械上的發(fā)展前景。在聯(lián)合收割機(jī)上的應(yīng)用。收割臺(tái)的升降、撥禾輪位置和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、機(jī)器的操向及行走的速度和轉(zhuǎn)向等都可以運(yùn)用到液力變矩器，原理上這樣完全可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)撥禾輪的轉(zhuǎn)速和機(jī)器行走速度，整機(jī)的作業(yè)靈敏性和駕駛員對(duì)機(jī)器的操作性也會(huì)得到大幅提升。在大型水平摘錠式采棉機(jī)上的應(yīng)用。此類采棉機(jī)功率主要消耗在行走、采棉和輸送三大部分。而行走部分和采摘器則可以采用裝有液力變矩器的變速箱，理論上可以實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向。在蔬果收獲機(jī)械上的應(yīng)用?，F(xiàn)蔬果收獲機(jī)械正朝著收割、采摘、裝運(yùn)、清理、分級(jí)和包裝等功能集為一體的方向發(fā)展，作業(yè)情況較為復(fù)雜，要求作業(yè)機(jī)械動(dòng)作多變且輕緩，如果能將液力變矩器應(yīng)用于其中，那么收獲果品的質(zhì)量會(huì)有大的提高。此外，液力變矩器還可以應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)作物收獲機(jī)械、自動(dòng)插秧機(jī)以及大型施肥機(jī)械等農(nóng)機(jī)上，當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這個(gè)發(fā)展前景的前提是降低液力變矩器的制造成本。所以如何制造出成本低廉且適合農(nóng)機(jī)具體作業(yè)情況的液力變矩器將可能成為液力變矩器發(fā)展的又一個(gè)新的未來(lái)。

作者：蔣宏婉 李長(zhǎng)虹 何林 張文博 李曉斌 單位：貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院