１流場分析研究

１．１流場損失

液力變矩器內工作液具有粘性，在流動中由于摩擦而產生能量損失，這些損失的能量使工作液發熱、泄漏增加，系統效率降低、性能變壞。關于這些能量損失主要有兩種認為。一種認為液力變矩器內部能量損失主要包括：機械損失、液力損失和容積損失；另一種認為液力變矩器內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。事實上，在求解完全Ｎ—Ｓ方程的計算模型中，入口沖擊損失和粘性損失均可以較完整且準確地進行數值模擬，而上游和下游元件出口處的泄漏損失則可以通過合理的幾何模型較準確地進行模擬。

１．２優化設計方法

液力變矩器葉片和循環圓的優化設計均有各自的方法，且種類較多。工作輪葉片設計方法主要有：實物反求法、等傾角射影法、兩類相對流面的準三維設計法和環量分配法；。循環圓設計方法主要有：統計經驗法、相似設計法、理論設計法、反求設計發和三圓弧設計法。目前，投影于多圓柱面的等傾角射影法用得較多；重新設計時主要用導數修正法和三圓弧設計法等；如果有性能優良的樣機，可根據相似設計法進行設計。循環圓的圓弧設計法最大缺點是容易出現收縮、擴散或局部變化劇烈的現象，難達到沿軸面流線保持過流面積不變，盡管各圓弧間是相切的，但其不連續的曲率變化，作為流線是不光滑的。隨著數控加工技術的發展與成熟，非圓弧曲線的加工局限已經被突破，因此變矩器循環圓的設計方法就有了從開始就可保證沿軸面中間流線過流面積保持不變，再根據各截面寬度來確定內、外環的輪廓形狀的新設計方法。

２流場研究存在的問題

１）液力變矩器工作時，既有工作液在葉輪流道間循環流動，也需要外部另外供油對工作液進行提供補償壓力和強制冷卻以防止氣蝕現象的產生，這給整個研究對象加大了復雜程度。

２）目前，國內各研究機構或學者進行的液力變矩器流場分析多為部分計算域和基于穩態假設的分析，而其實際流場本質是非穩態的，迫切需要對液力變矩器流場進行全流道瞬態研究，但是瞬態特性模擬對計算機的要求非常高，這是造成瞬態研究難于開展的主要原因。

３）另外，該內部流場通常存在二次流、脫流及漩渦等不良流動特征，如何將這些現象帶來的流動損失減少到最低將成為未來該領域的精準化研究難題。

４）液力變矩器流場采用的接觸式測量帶來的技術難度大，投資成本高，工作周期長等問題阻礙了流場數值模擬分析工作。

５）液力變矩器具有多重優良性能，但由于其高成本致其應用領域狹窄，如何做到降低制造成本拓寬應用領域將成為液力變矩器發展迫切需要解決的問題。

３液力變矩器研究結論與展望

從２０世紀３０年代的一元束流理論開始到今天的三維流動理論研究，國內研究機構和學者對液力變矩器的研究經歷的起步期、活躍期，現階段基本進入停滯期，這主要由于以上問題的存在導致在計算技術和原有數學模型基礎上難于進一步提高計算精度。盡管受到不少制約，但是其中取得的成果是一定的，由傳統設計理論過渡到現代設計分析理論；由穩態研究開始轉向三維瞬態研究；由起初的忽略流場損失到損失分析及降低損失方法的提出；由過去的高成本試驗設備測量到數值模擬仿真技術的深入研究，一步一步都是研究的進步所在。結合國內外對液力變矩器的研究現狀和已獲得成就，可以預測該變矩器研究在未來的發展趨勢。

１）液力變矩器三維瞬態流場分析技術的成熟化、精準化和簡潔化。

２）流場試驗技術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顯示綜合測量的轉變。

３）真正ＣＡＤ／ＣＦＤ／ＣＡＭ集成數值模擬、分析、設計以及數控加工于一體的綜合平臺的建立將有可能成為未來流場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構和學者們探索的重要內容。

５）應用領域的低成本擴大，如由工程機械領域擴展到礦山機械、農業機械等領域。

４液力變矩器在大型農業機械上的應用及展望

農業機械的類型很多，比較常見主要有：拖拉機、耕作機械、植保機械、排灌機械、收獲機械、畜牧機械、農業運輸和裝載機械等。其作業對象為生物及其生長的環境，農業機械作業受地形、地表的制約，工況及其復雜，這就決定了此類機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現農業機械對操作性和靈敏性等綜合性能的要求。單級向心渦輪液力變矩器是的使用在目前國內情況來說是最普遍的，主要因為其機構和工藝簡單，透穿性選擇范圍較大，泵輪容量系數大，且傳動效率較高。國內ＴＹ１６０Ｅ型推土機、美國９６６Ｄ型農用裝載機等大型農機上采用的液力變矩器即為三元件單級單相向心渦輪液力變矩器，通常與檔位數較多的變速箱配合使用。國產自行式鏟運機則采用四元件單級三相液力變矩器，它裝有兩個導輪，是根據實際工況實現三種工作狀態：兩個導輪為定輪；一個導輪為定輪，另一個空轉；兩個導輪同時空轉，因為其結構特點其特性曲線也呈現三段式狀態，即傳動比較低時的特性曲線，傳動比增加到某范圍時的特性曲線狀態以及傳動比繼續增加的特性曲線狀態。國內ＺＬ５０型農用裝載機以及日本ＣＭ２００型裝載機采用的是雙渦輪式液力變矩器，由于它的兩個渦輪分別連接變速箱中的兩個齒輪，從而擴大了其變速范圍。另外，美國Ｄ系列履帶式推土機則采用雙流差速式液力變矩器，其具有最大效率高、高校區域大、結構緊湊，同時可以一定程度的吸收動載荷等優點。現在國內大型農業機械的發展正趨向于自動化、綜合化、一體化，動力轉動裝置性能的優劣影響著這些大型農機的作業質量。而如今農機的動力傳動裝置一般是簡單的變速箱，尚不能實現無級變速、變矩，操作性和靈敏性不好，由此可以展望將液力變矩器應用于大型農業機械上的發展前景。在聯合收割機上的應用。收割臺的升降、撥禾輪位置和轉速的調節、機器的操向及行走的速度和轉向等都可以運用到液力變矩器，原理上這樣完全可以無級調節撥禾輪的轉速和機器行走速度，整機的作業靈敏性和駕駛員對機器的操作性也會得到大幅提升。在大型水平摘錠式采棉機上的應用。此類采棉機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，理論上可以實現同步傳動和轉向。在蔬果收獲機械上的應用。現蔬果收獲機械正朝著收割、采摘、裝運、清理、分級和包裝等功能集為一體的方向發展，作業情況較為復雜，要求作業機械動作多變且輕緩，如果能將液力變矩器應用于其中，那么收獲果品的質量會有大的提高。此外，液力變矩器還可以應用于經濟作物收獲機械、自動插秧機以及大型施肥機械等農機上，當然，實現這個發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機具體作業情況的液力變矩器將可能成為液力變矩器發展的又一個新的未來。

作者：蔣宏婉 李長虹 何林 張文博 李曉斌 單位：貴州大學機械工程學院 哈爾濱工業大學機電工程學院