液力变矩器应用下农业机械论文

1流场分析研究

1．1流场损失

液力变矩器内工作液具有粘性，在流动中由于摩擦而产生能量损失，这些损失的能量使工作液发热、泄漏增加，系统效率降低、性能变坏。关于这些能量损失主要有两种认为。一种认为液力变矩器内部能量损失主要包括：机械损失、液力损失和容积损失；另一种认为液力变矩器内部能量损失主要包括：粘性损失、泄漏损失、和工作元件相互作用引起的损失。事实上，在求解完全N—S方程的计算模型中，入口冲击损失和粘性损失均可以较完整且准确地进行数值模拟，而上游和下游元件出口处的泄漏损失则可以通过合理的几何模型较准确地进行模拟。

1．2优化设计方法

液力变矩器叶片和循环圆的优化设计均有各自的方法，且种类较多。工作轮叶片设计方法主要有：实物反求法、等倾角射影法、两类相对流面的准三维设计法和环量分配法；。循环圆设计方法主要有：统计经验法、相似设计法、理论设计法、反求设计发和三圆弧设计法。目前，投影于多圆柱面的等倾角射影法用得较多；重新设计时主要用导数修正法和三圆弧设计法等；如果有性能优良的样机，可根据相似设计法进行设计。循环圆的圆弧设计法最大缺点是容易出现收缩、扩散或局部变化剧烈的现象，难达到沿轴面流线保持过流面积不变，尽管各圆弧间是相切的，但其不连续的曲率变化，作为流线是不光滑的。随着数控加工技术的发展与成熟，非圆弧曲线的加工局限已经被突破，因此变矩器循环圆的设计方法就有了从开始就可保证沿轴面中间流线过流面积保持不变，再根据各截面宽度来确定内、外环的轮廓形状的新设计方法。

2流场研究存在的问题

1）液力变矩器工作时，既有工作液在叶轮流道间循环流动，也需要外部另外供油对工作液进行提供补偿压力和强制冷却以防止气蚀现象的产生，这给整个研究对象加大了复杂程度。

2）目前，国内各研究机构或学者进行的液力变矩器流场分析多为部分计算域和基于稳态假设的分析，而其实际流场本质是非稳态的，迫切需要对液力变矩器流场进行全流道瞬态研究，但是瞬态特性模拟对计算机的要求非常高，这是造成瞬态研究难于开展的主要原因。

3）另外，该内部流场通常存在二次流、脱流及漩涡等不良流动特征，如何将这些现象带来的流动损失减少到最低将成为未来该领域的精准化研究难题。

4）液力变矩器流场采用的接触式测量带来的技术难度大，投资成本高，工作周期长等问题阻碍了流场数值模拟分析工作。

5）液力变矩器具有多重优良性能，但由于其高成本致其应用领域狭窄，如何做到降低制造成本拓宽应用领域将成为液力变矩器发展迫切需要解决的问题。

3液力变矩器研究结论与展望

从20世纪30年代的一元束流理论开始到今天的三维流动理论研究，国内研究机构和学者对液力变矩器的研究经历的起步期、活跃期，现阶段基本进入停滞期，这主要由于以上问题的存在导致在计算技术和原有数学模型基础上难于进一步提高计算精度。尽管受到不少制约，但是其中取得的成果是一定的，由传统设计理论过渡到现代设计分析理论；由稳态研究开始转向三维瞬态研究；由起初的忽略流场损失到损失分析及降低损失方法的提出；由过去的高成本试验设备测量到数值模拟仿真技术的深入研究，一步一步都是研究的进步所在。结合国内外对液力变矩器的研究现状和已获得成就，可以预测该变矩器研究在未来的发展趋势。

1）液力变矩器三维瞬态流场分析技术的成熟化、精准化和简洁化。

2）流场试验技术由接触式向非接触式、由定性向定量、由单一方式向多种流动显示综合测量的转变。

3）真正CAD／CFD／CAM集成数值模拟、分析、设计以及数控加工于一体的综合平台的建立将有可能成为未来流场分析研究的主流方向。

4）液力变矩器扁平化、轻量化也在逐渐成为各研究机构和学者们探索的重要内容。

5）应用领域的低成本扩大，如由工程机械领域扩展到矿山机械、农业机械等领域。

4液力变矩器在大型农业机械上的应用及展望

农业机械的类型很多，比较常见主要有：拖拉机、耕作机械、植保机械、排灌机械、收获机械、畜牧机械、农业运输和装载机械等。其作业对象为生物及其生长的环境，农业机械作业受地形、地表的制约，工况及其复杂，这就决定了此类机械需要具有良好的操作性和灵敏性。液力变矩器的合理使用可以有效地实现农业机械对操作性和灵敏性等综合性能的要求。单级向心涡轮液力变矩器是的使用在目前国内情况来说是最普遍的，主要因为其机构和工艺简单，透穿性选择范围较大，泵轮容量系数大，且传动效率较高。国内TY160E型推土机、美国966D型农用装载机等大型农机上采用的液力变矩器即为三元件单级单相向心涡轮液力变矩器，通常与档位数较多的变速箱配合使用。国产自行式铲运机则采用四元件单级三相液力变矩器，它装有两个导轮，是根据实际工况实现三种工作状态：两个导轮为定轮；一个导轮为定轮，另一个空转；两个导轮同时空转，因为其结构特点其特性曲线也呈现三段式状态，即传动比较低时的特性曲线，传动比增加到某范围时的特性曲线状态以及传动比继续增加的特性曲线状态。国内ZL50型农用装载机以及日本CM200型装载机采用的是双涡轮式液力变矩器，由于它的两个涡轮分别连接变速箱中的两个齿轮，从而扩大了其变速范围。另外，美国D系列履带式推土机则采用双流差速式液力变矩器，其具有最大效率高、高校区域大、结构紧凑，同时可以一定程度的吸收动载荷等优点。现在国内大型农业机械的发展正趋向于自动化、综合化、一体化，动力转动装置性能的优劣影响着这些大型农机的作业质量。而如今农机的动力传动装置一般是简单的变速箱，尚不能实现无级变速、变矩，操作性和灵敏性不好，由此可以展望将液力变矩器应用于大型农业机械上的发展前景。在联合收割机上的应用。收割台的升降、拨禾轮位置和转速的调节、机器的操向及行走的速度和转向等都可以运用到液力变矩器，原理上这样完全可以无级调节拨禾轮的转速和机器行走速度，整机的作业灵敏性和驾驶员对机器的操作性也会得到大幅提升。在大型水平摘锭式采棉机上的应用。此类采棉机功率主要消耗在行走、采棉和输送三大部分。而行走部分和采摘器则可以采用装有液力变矩器的变速箱，理论上可以实现同步传动和转向。在蔬果收获机械上的应用。现蔬果收获机械正朝着收割、采摘、装运、清理、分级和包装等功能集为一体的方向发展，作业情况较为复杂，要求作业机械动作多变且轻缓，如果能将液力变矩器应用于其中，那么收获果品的质量会有大的提高。此外，液力变矩器还可以应用于经济作物收获机械、自动插秧机以及大型施肥机械等农机上，当然，实现这个发展前景的前提是降低液力变矩器的制造成本。所以如何制造出成本低廉且适合农机具体作业情况的液力变矩器将可能成为液力变矩器发展的又一个新的未来。

作者：蒋宏婉 李长虹 何林 张文博 李晓斌 单位：贵州大学机械工程学院 哈尔滨工业大学机电工程学院