单缸机械液压约束活塞发动机外特性仿真

２００７年７月农业机械学报第３８卷第７期单缸机械液压约束活塞发动机外特性仿真张铁柱张洪信张继忠戴作强【摘要】阐述了单缸轴向ＭＨＣＰＥ的结构原理，建立了考虑系统液、固、气耦合的工作过程数学模型，给出了求解的初始条件，定义了ＭＨＣＰＥ的液压能比率及“外特性”概念，并对研制的单缸轴向ＭＨＣＰＥ的工作外特性进行了仿真。仿真结果显示：输出压力随着液压能比率增加明显升高，受转速变化影响较小；输出流量随转速增加先升高后降低，受液压能比率变化影响较小；转矩随着液压能比率降低明显升高，受转速变化影响不明显；燃油消耗率在转速和液压能比率较高时明显增加。总的有效功率随着液压能比率的升高，有轻微降低，转速较高时该趋势尤其明显。关键词：发动机机械液压外特性仿真中图分类号：ＴＫ４２２文献标识码：Ａ﹦┍┉┇┃━﹤┇┉┇┈┉│┊━┉┄┃┄┃━﹤┎━┃┇┃━┐┎┇┊━﹤┄┃┃┈┉┄┃﹦┃┃ＺｈａｎｇＴｉｅｚｈｕＺｈａｎｇＨｏｎｇｘｉｎＺｈａｎｇＪｉｚｈｏｎｇＤａｉＺｕｏｑｉａｎｇ（爯牏牕牋牆牃牗爺牕牏牤牉牜牞牏牠牪）﹢┈┉┇┉Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒａｘｉａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｆｉｎｅｄｐｉｓｔｏｎｅｎｇｉｎｅ（ＭＨＣＰＥ）ｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｆｌｕｉｄ，ｓｏｌｉｄａｎｄｇａｓｃｏｕｐｌｉｎｇｗａｓｃｒｅａｔｅｄ，ａｎｄｉｎｉｔｉａｌｓｏｌｖｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗａｓｇｉｖｅｎａｌｓｏ．Ｂｙｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆ“ｅｘｔｅｒｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＭＨＣＰＥ”，ｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｉｍｉｎｇａｔｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒａｘｉａｌＭＨＣＰＥｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，ｏｕｔｐｕｔｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｄｉｒｅｃｔｌｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ，ｂｕｔｓｌｉｇｈｔｌｙｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ；ｏｕｔｐｕｔｆｌｏｗｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔｌｙ，ｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｎａｓｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｂｕｔｓｌｉｇｈｔｌｙｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ；ｏｕｔｐｕｔｔｏｒｑｕｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｎｖｅｒｓｅｌｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ，ｂｕｔｓｌｉｇｈｔｌｙｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ；ｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｓｖｅｒｙｂａｄｗｈｅｎｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏｉｓｇｒｅａｔ；ｔｏｔａｌｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗｏｒｋｔｕｒｎｓｌｅｓｓｓｌｉｇｈｔｌｙｖｅｒｓｕｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ，ａｎｄｔｈｅｔｒｅｎｄｉｓｖｅｒｙｏｂｖｉｏｕｓａｔｈｉｇｈｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ．┎┌┄┇┈Ｅｎｇｉｎｅ，Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ，Ｅｘｔｅｒｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ收稿日期：２００６０３０９国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０５７５１０７）张铁柱青岛大学车辆电子技术研究所教授，２６６０７１青岛市张洪信青岛大学机电工程学院副教授张继忠青岛大学机电工程学院副教授戴作强青岛大学机电工程学院副教授引言机械液压约束活塞发动机（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｆｉｎｅｄｐｉｓｔｏｎｅｎｇｉｎｅ，简称ＭＨＣＰＥ）能够同时输出机械、液压２种能量，二者的输出比值根据工况无级调节。这种动力装置可广泛地应用于装载机、挖掘机、推土机等工程机械及城市用车辆，不仅满足负载对象对多元、多路动力的需求，同时使装用车辆可以方便地实现惯性能回收、发动机负荷调节及无级调速。ＭＨＣＰＥ按工作柱塞与动力活塞的连接及运动方式分为Ｖ型、轴向型和径向型３种；按动力缸的数目分为单缸、多缸等多种类型。本文重点论述单缸轴向型ＭＨＣＰＥ的工作原理、数学模型及外特性［１～５］。单缸轴向﹪﹤﹦工作原理单缸轴向ＭＨＣＰＥ样机及其结构原理如图１所示。第１工作室即燃烧室，与活塞式内燃机燃烧室类图１单缸轴向ＭＨＣＰＥ结构原理图Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒａｘｉａｌＭＨＣＰＥ１．连杆２．导向滑块３．联接杆４．流质入口５．液压柱塞６．联接板７．动力活塞８．第１工作室９．分流点１０．第２工作室１１．流质出口１２．第３工作室１３．曲轴图２单缸轴向ＭＨＣＰＥ动力分析简图Ｆｉｇ．２ＤｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒａｘｉａｌＭＨＣＰＥ（ａ）主体部分（ｂ）入口单向阀（ｃ）出口单向阀似，通过一个工作循环即进气、压缩、作功、排气４个过程，活塞运动２个或４个冲程，实现一次热能向机械能的转换。第２工作室即液压工作室，与传统柱塞泵类似，通过一个工作循环即吸入流质、压出流质过程，柱塞组件往复运动２个行程，与配流机构配合工作，实现一次机械能向液压能的转换与输出。第３工作室即机械动力工作室，通过曲柄连杆机构约束活塞运动，限定其行程和上下止点位置，保证其动作的连续性，实现系统工作定时、协调、启动及辅助系统驱动，同时为机械负载对象提供机械动力。辅助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动（点火）、稳压及控制等系统，其结构组成及工作原理与活塞式内燃机类似。ＭＨＣＰＥ的能量转换工作在含有动力活塞、联接板、液压柱塞、联接杆、导向滑块、连杆、曲轴的直线型装置中完成。这种系统液压柱塞与动力活塞运动方向一致，动力活塞通过联接板直接与液压柱塞联接，通过联接杆、导向滑块及连杆与曲轴连接。机械能的分流点是联接杆与联接板的连接中心。该系统在分流点处将直线机械能分为两路，一路直接带动液压柱塞运动实现本路分流能量向液压能量的转换工作；一路通过联接杆、导向滑块及连杆实现本路分流的往复直线机械能量与曲轴旋转机械能量的相互转换，并通过曲轴对外提供旋转机械能量以驱动辅助系统及机械负载对象。仿真模型ＭＨＣＰＥ输出液压功率与输出总功率的比例关系定义为液压能比率牏牎。液压能比率可以用来表征机械液压双元输出功率之间的关系，并作为这种动力装置的一个基本调节参数。当ＭＨＣＰＥ油量调节机构处于最大位置时，液压输出功率、压力、流量、机械输出功率、扭矩、燃油消耗率等主要性能指标随转速牕与液压能比率牏牎的变化规律称为ＭＨＣＰＥ外特性。外特性反映了ＭＨＣＰＥ所能达到的性能指标界限，可以用来确定额定工况、最大功率、最大转矩、最大压力、最大流量以及对应的工况。单缸轴向ＭＨＣＰＥ及配流阀运动学及动力学分析示于图２。图中，牘牃为工质压力，由燃烧过程热力学模拟得到，随燃烧状态、发动机边界条件变化［６～８］；牃为活塞加速度；牤为活塞速度；爡牥为液压作用力，计算中考虑吸程、扬程及配流阀的力学特性；爡犨１为活塞环与缸套之间的摩擦力；爡犨２为活塞柱塞组件与导套之间的摩擦力；爡牅为活塞柱塞组件对导套的侧向力；爴牔为机械损失扭矩，包括曲轴与轴瓦摩擦损失扭矩与附件驱动损失扭矩；爴牉为输出力矩；牜为曲柄半径；牓为连杆长度；爴为连杆作用力对曲轴的扭矩；犽为曲轴角速度；犺为曲轴转角，起５４１第７期张铁柱等：单缸机械液压约束活塞发动机外特性仿真始位置为作功冲程的上止点；犝为连杆摆角；牜１为入口半径；牜２为入口阀盘半径；牜３为出口半径；牜４为出口阀盘半径；牔牞为入口阀盘质量；牔牅为出口阀盘质量；牑牞为入口阀弹簧刚度；牑牅为出口阀弹簧刚度；牘牞为进流质管内流质压力；牘牅为出流质管内流质压力；牘１为柱塞腔内的压力。取系统状态变量牨１、牨２、牨３、牨４、牨５、牨６、牨７、牨８、牨９进行研究，其中牨１为活塞位移，零点为作功冲程的上止点，向下为正，牨１＝牜＋牓－牜ｃｏｓ牨３－牓ｃｏｓ犝，犝＝ａｒｃｓｉｎ（犧ｓｉｎ牨３），犧为曲柄半径连杆长度比，犧＝牜燉牓；牨２为活塞速度；牨３为曲轴转角，牨３＝犺；牨４为飞轮角速度；牨５为柱塞缸内压力；牨６为入口阀阀片位移；牨７为入口阀阀片速度；牨８为出口阀阀片位移；牨９为出口阀阀片速度。系统工作的微分方程为牨·１＝牨２（１）牨·２＝爡牐牔牐（２）牨·３＝牨４（３）牨·４＝爴－爴牔－爴牉爤０（４）牨·５槏＝犨牞犡牞π牆牞牨６犱牨牞２燏牘牞－牨５燏犱槡牨牞＋犱牊牞牨７－爡牘犱牨槕２·１［爡牘（牨０牞＋牨１）－牊牞牨６］ｄ犱ｄ牨５（入口阀打开时槏）犨牅犡牅π牆牅牨８犱牨牅２燏牘牅－牨５燏犱槡牨牅－犱牊牅牨９－爡牘犱牨槕２·１［爡牘（牨０牅＋牨１）－牊牅牨８］ｄ犱ｄ牨５（出口阀打开时烅烄烆）（５）牨·６＝牨７（６）牨·７＝１牔牞［（牘牞－牨５）牊牞＋牔牞牋－牅牨７－（爲０牞＋牑牞牨６）］（７）牨·８＝牨９（８）牨·９＝１牔牅［（牨９－牘牅）牊牅－牅牨９－（爲０牅＋牑牅牨８）］（９）初值条件为牨１燏牠＝０＝０牨２燏牠＝０＝０牨３燏牠＝０＝０牨４燏牠＝０＝π牕燉３０牨５燏牠＝牠０牞＝牘０牞牨６燏牠＝牠０牞＝０牨７燏牠＝牠０牞＝０牨５燏牠＝牠０牅＝牘０牅牨８燏牠＝牠０牅＝０牨９燏牠＝牠０牅＝０其中爴＝爡牠牜牊牞＝π牜２２牊牅＝π牜２４式中爡牠——连杆对曲柄销产生的切向力牨０牞、牨０牅——柱塞在下止点时，入口、出口阀盘与柱塞下端面之间容积折合的余隙长度，牨０牅＝牨０牞爲０牞、爲０牅——入口、出口阀弹簧预应力牊牞——入口阀盘端面积牊牅——出口阀盘端面积牔牐——ＭＨＣＰＥ往复移动质量牅——流质的粘性系数爡牐——活塞柱塞组件往复运动惯性力爤０——曲轴飞轮组的转动惯量犨牞、犨牅——入口、出口阀流量系数犱牞、犱牅——入口、出口处流质密度犱——泵腔内流质密度犱牨牞、犱牨牅——入口、出口阀盘与阀座间流质密度犡牞——系数，当牘牞－牨５≥０时，犡牞＝１，犱牨牞＝犱牞；否则，犡牞＝－１，犱牨牞＝犱犡牅——系数，当牘－牘牅≥０时，犡牅＝－１，犱牨牅＝犱；否则，犡牅＝１，犱牨牅＝犱牅爡牘——柱塞总截面积牕——曲轴转速牠０牞、牠０牅——入口阀、出口阀打开时刻式（１）～（９）构成单缸轴向ＭＨＣＰＥ工作过程的仿真模型，主要参数来源于单缸轴向ＭＨＣＰＥ样机及有关技术手册，主要参数：爤０＝０１５ｋｇ燈ｍ２；牜＝００３１ｍ；牔牐＝２３３ｋｇ；牓＝０１０２ｍ；活塞直径爟＝００７８ｍ；压缩比犡＝１９；液压柱塞直径牆１＝００１６ｍ，柱塞数牕１＝４；主轴径牆２＝００３５ｍ；连杆轴径牆３＝００３６ｍ；牜１＝０００８ｍ，牜２＝００１ｍ，牜３＝０００７５ｍ，牜４＝００１ｍ；牔牅＝牔牞＝０００４２ｋｇ；牑牞＝牑牅＝１０００Ｎ燉ｍ；爲０牅＝爲０牞＝１Ｎ；阀片的最大升程为０００５ｍｍ；牨０牞＝牨０牅＝００５５９ｍ。牘牃用发动机燃烧模拟软件ＡＶＬＢｏｏｓｔ计算。摩擦因数通过试验校准。以初值条件用自适应龙格库塔法迭代分析，解出所有状态变量和有关性能指标［９～１２］。外特性仿真结果单缸ＭＨＣＰＥ外特性仿真限于牏牎为０～１００％、牕为１０００～３４００ｒ燉ｍｉｎ的稳定工况。ＭＨＣＰＥ出流质管内压力牘牅外特性示于图３ａ。由图可知，转速不变时，压力随着液压能比率增加明显升高；液压能比率不变时，压力随转速升高变化较小。牏牎＝１００％、牕＝２４００ｒ燉ｍｉｎ时，牘牅＝１４８ＭＰａ，为稳定工况内最高点。ＭＨＣＰＥ输出流量爯在２６８～５８４ｍ３燉ｈ的外特性示于图３ｂ。转速不变时，流量随液压能比率增加变化不明显；液压能比率不变时，流量随转速先升６４１农业机械学报２０