基于排放约束下煤矿液力机械车辆动力传动系统的匹配∗

任志勇

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西省太原市,030006)

基于排放约束下煤矿液力机械车辆动力传动系统的匹配∗

任志勇

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西省太原市,030006)

基于加权因子法,提出了一种集动力性、经济性与排放性于一体的煤矿液力车辆动力传动系统合理匹配的综合评价指标,同时引入了衡量该类车辆排放特性好坏的颗粒物和排放质量指数,并给出了各加权参数因子确定方法和加权系数确定原则。利用Advisor软件建立了煤矿液力车辆动力传动系统仿真模型,结合Matlab优化工具箱编制了煤矿液力车辆动力传动系统优化程序,并以WCJ10E煤矿井下防爆无轨胶轮车为例进行了分析计算,通过台架试验验证了仿真模型的准确性,在此基础上考虑排放特性约束对某型号煤矿液力传动车辆的动力传动系统进行了优化匹配。

排放约束 液力传动 动力传动系统 匹配 加权因子

近年来,随着国内煤矿无轨胶轮车的推广应用,以防爆柴油机为动力的液力传动系统也越来越多地应用在无轨胶轮车上。据统计,目前使用液力传动系统车辆的矿井有500余处,使用总量在4000台以上。

目前煤矿采用的防爆胶轮车基本上以防爆柴油机为动力,其发出的刺鼻烟尘和刺耳的噪声不但给井下生产工作环境带来了巨大的污染,同时也在一定程度上存在着隐患,严重地制约了无轨胶轮车的推广和使用。尽管煤矿井下针对防爆蓄电池动力与混合动力煤矿车辆的研究已经在国内铺开,但是距离产品化还有一段很长的路。同时,要更新换代传统防爆柴油机煤矿车辆要有很长的一段时期,期间要经历蓄电池车辆、混合动力车辆大量推向市场以及改进的防爆柴油机煤矿车辆与之共存和替代的过程,这就使得在今后相当长的一段时间内传统防爆柴油机煤矿车辆仍将占据市场的主导地位。就目前而言,改善传统防爆柴油机煤矿车辆的性能、降低燃油消耗率以及减少排放与研制开发新一代能源煤矿车辆显得尤为重要。

因此,以煤矿液力传动车辆动力传动系统的优化匹配为研究对象,综合考虑整车的动力性、经济性与排放性的动力传动系统评价指标及整车排放性约束的动力传动系统优化匹配方法具有重要意义。

1 动力传动匹配评价指标

传统液力传动系统车辆的匹配设计主要考虑车辆的动力性和经济性,基本都以满足最佳动力性为目标,同时兼顾经济性,很少考虑到动力传动系统匹配与整车排放的关系。本文提出了一种基于整车排放性的煤矿液力传动车辆动力传动系统匹配的综合评价指标,采用多因子加权法进行评价,即将整车驱动功率利用率、常用工况车速比油耗因子、防爆柴油机十一工况排放因子和排气质量指数进行加权处理,得到一个综合评价计分,利用该计分值来体现动力性、经济性与排放性的煤矿液力传动车辆动力传动系统合理匹配程度,加权计分见式(1):

式中:Aopi——动力传动系统匹配加权计分值;

αi——各因子的权系数;

λP——驱动功率利用率;

λge——常用工况车速比油耗因子;

λCO——CO排放物因子;

λNOx——NOx排放物因子;

λPM——颗粒物排放物因子;

λEQI——排气质量因子。

2 各评价参数因子的确定

2.1 驱动功率利用率λP的计算

驱动功率为驱动力Fj和车速v围成的面积,则第j档的驱动功率为见式(2):

式中:vj——车辆在第j档运行时的最低车速, km/h;

vj＋1——车辆在第j档运行时的最高车速, km/h;

nTj——车辆在第j档运行时,涡轮输出的最低转速,r/min;

nTj＋1——车辆在第j档运行时,涡轮输出的最高转速,r/min;

TT——液力变矩器的输出扭矩,N·m;

ηt——液力变矩器后面机械传动效率;

nT——液力变矩器的输出转速,r/min。

由发动机与液力变矩器共同输出特性可知:nT＝inB,TT＝KTB,考虑到防爆胶轮车液力传动车辆的共同输入特性和输出特性:nB＝imne,TB＝imTe,液力变矩器泵轮扭矩见式(3):

式中:TB——液力变矩器的泵轮扭矩,若变矩器与发动机直接相连,则TB＝Te,N·m;

Mbg——液力变矩器的千转力矩,N·m;

nB——液力变矩器泵轮转速,若变矩器与发动机直接相连,则nB＝ne,r/min;

im——发动机与液力变矩器中间传动比。

型式一定的液力变矩器原始特性可以表示为速比i的函数,即则液力传动防爆胶轮车第j档的驱动功率为见式(4):

同理推导出煤矿液力传动车辆理想驱动力输出的功率见式(5):

由式(4)和式(5)得出驱动功率利用率见式(6):

2.2 常用工况车速比油耗因子λge的计算

煤矿液力传动车辆的常用工况为速度和驱动力所包围的面积,根据液力变矩器输出特性推导出防爆柴油机的常用工况,再按照加权平均的方法计算得出防爆发动机在常用工况下平均燃油消耗率为见式(7):

tij——防爆发动机在(Tei,nej)的工作时间,s;

ge——各工况点下平均燃油消耗率;

Tei——防爆发动机常用工况区的扭矩, N·m;

nej——防爆发动机常用工况区的转速, r/min。

则常用车速比油耗因子见式(8):

2.3 排放因子λEQI的计算

国内当前关于防爆柴油机无轨胶轮车采用的标准为MT990－2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》和MT989－2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》,检验方法采用的是MT220－90《煤矿用防爆柴油机械排气中一氧化碳、氮氧化物检验规范》,要求胶轮车排气净化后的有害气体成分的体积浓度不应超过下列许可值:一氧化碳(CO)为0.1%;氮氧化物(NOx)为0.08%。建议增加排放颗粒物PM,同时采用GB20891－2007《非道路移动机械用柴油机及排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅰ、Ⅱ阶段)》作为基准标准,用实车多工况循环试验的排放值与标准值对比即可得到排放物因子,见式(9)、式(10)和式(11):

式中:ECO(N)、ENOx(N)、EPM(N)——分别为相应的中国N号排放标准值;

ECO、ENOx、EPM——分别对应多工况循环试验下的实际排放量。

同时为了更好的评定胶轮车尾气对煤矿井下空气质量的影响,依据CAN/CSA－M424.1－88《地下矿用防爆柴油机—煤矿安全》,引入排气质量指数,见式(12):

式中:EQI——排气质量指数;

CO——一氧化碳浓度,ppm;

NO——一氧化氮浓度,ppm;

NO2——二氧化氮浓度,ppm;

SO2——二氧化硫浓度,ppm;

RCD——可燃粉尘浓度,mg/m3。

得出排气质量因子见式(13):

3 权系数的确定原则

在车辆类型、动力型式、传动方式以及使用条件等因数不同的情况下,权系数的选择也不相同,确定时主要考虑以下原则:

(1)考虑到车辆的具体使用工况,驱动功率权系数α1应大于经济性与排放性这2个评价指标,这可以直接决定车辆的动力性指标、车辆的最高车速、加速时间、最大爬坡度、高挡的利用率及整个传动系匹配的好坏,在一定程度上影响着车辆燃油的经济性和排放性。

(2)液力传动车辆整体传动系统效率要低于机械传动系统,所以常用车速比油耗因子权系数α2应略高于机械传动,该指标直接影响着整车燃油的经济性及传动系匹配的好坏。

(3)井下使用无轨胶轮车基本以防爆柴油机为动力源,主要排放物成分为CO、NOx和固体颗粒物,应根据相关排放法规和车辆的实际运行情况来确定相应的权系数α3。

(4)当前井下使用的防爆柴油机基本采用涡轮增压技术和DOC尾气后处理技术,对排放物中的CO成分有了明显的改善,排放量较小;而主要排放物的成分为NOx和固体颗粒物,因此CO对应的α4取值应小于NOx和固体颗粒物对应的权系数α5和α6。

(5)排气质量指数α7能够较完善的体现整个煤矿液力传动车辆对整个巷道及工作人员的污染情况,可根据整体使用量和功率来确定。

4 动力传动系统优化匹配

4.1 仿真与优化模型的建立和验证

基于典型的煤矿液力传动车辆,利用高级车辆仿真软件Advisor 2000本身自带的发动机、液力变矩器、变速器、主减速器、车轮和车轴等部件模块构建了整车动力传动系统的仿真模型,建立时着重考虑了防爆柴油机防爆后扭矩、功率和油耗等发生的变化以及与普通地面柴油机的区别。为了保证仿真过程的正确性,直接采用防爆柴油机防爆处理后的实验室数据进行模型参数设置,并对车辆传动件及整车参数进行数据输入/输出。最后,通过该模型得出整车各档最高车速、爬坡度和加速时间等动力性指标以及各工况条件下的车辆的燃油消耗量和各废气成分(CO、NOx、PM等)的排放量。

基于上述模型,利用Matlab优化工具箱及Simulink仿真工具编制了煤矿液力传动车辆液力传动系统优化匹配程序,与原模型共同完成煤矿液力传动车辆动力传动系统传动系速比的优化匹配计算,为后续车辆的改进提高及设计提供理论依据。

最后,为了验证该模型的正确性,利用中国煤炭科工集团太原研究院防爆胶轮车性能检测装置、矿用防爆柴油机性能试验装置和AVL排放测试系统对WCJ10E防爆柴油机无轨胶轮车进行了动力性、经济性和排放性能试验,试验结果与仿真结果对比见表1。

表1 试验结果与仿真结果的对比

由表1可知,该仿真优化模型能够较好地对煤矿液力传动车辆的动力性、经济性与排放性进行模拟计算,具有较好的精度。

同时采用上述联合仿真模型研究车辆平均车速和传动系速比对排放特性的影响,平均车速与CO和NOx的排放关系曲线见图1和图2,传动系速比与CO和NOx的排放关系见图3和图4。

由图1和图2可以看出,CO的排放随着车辆平均车速的增加逐渐减小,达到32.5 km/h后出现最低值,随后又随着平均车速的提高而逐渐增大。NOx排放随着平均车速的增加,NOx急剧增加并且持续的范围较大,随后又随着平均车速的增加而下降至一个最低值,然后再次随着平均车速的提高而升高,总体趋势来看NOx排放是随平均车速的增加而增大。

由图3可以看出,传动系速比的大小对CO的排放影响不是很明显,CO的排放随着主减速比的增大而略有增加。

图1 平均车速与CO排放关系图

图2 平均车速与NOx排放关系图

图3 传动系速比与CO排放物关系图

由图4可以看出,NOx排放受传动系速比的影响较为复杂,先随着主减速比的增大而降低至最低值,随后又随着传动系速比的增大而增加。

图4 传动系速比与NOx排放物关系图

4.2 优化目标和约束条件的确定

优化时以常用工况下最低燃油耗量为目标,以I挡和最高挡动力因数及最高车速为动力性约束条件,以CO、NOx和PM等排放量为排放性约束条件,同时以综合评价计分值作为动力传动系统匹配合理性的约束条件。

在计算综合评价计分值时,各参数因子的权系数分别为:λP的权系数取0.5;λge的权系数取0.2;λCO的权系数取0.3;λNOx的权系数取0.5;λPM的权系数取0.2;λEQI的权系数取0.1,则加权计分表达式见式(14):

4.3 优化结果及分析

根据上述优化目标函数和约束条件,利用所建立的仿真模型和优化程序按煤矿液力传动车辆十一工况循环对WCJ10E的动力传动系进行优化匹配,传动系统优化前分别为:Ⅰ挡56.807;Ⅱ挡29.471;Ⅲ挡16.942;Ⅳ挡9.539;优化后分别为:Ⅰ挡55.004;Ⅱ挡28.966;Ⅲ挡16.462;Ⅳ挡9.039(传动系速比为液力变矩器偏置比、动力换挡变速箱和驱动桥速比之积)。

传动系优化前、后车辆各项性能指标对比如表2所示。

表2 动力传动系优化前后性能的比较

由表2可以看出,在煤矿液力传动车辆动力传动系统优化匹配时加入排放特性约束后,在保证汽车良好的经济性与动力性的同时,进一步改善了车辆排放特性,提高其综合评价性能。

5 结论

(1)提出了煤矿液力传动车辆在进行动力传动系统匹配时兼顾车辆排放特性的观点,在此基础上提出了包括排放特性在内的动力传动系统综合评价指标。

(2)提出了传动系统综合评价指标中各评价指标及参数因子的确定方法,同时引入了衡量该类车辆排放特性好坏的颗粒物PM和排气质量指数概念。

(3)通过对试验车辆的动力传动系统进行了优化匹配表明,在煤矿液力传动车辆动力传动系统优化匹配时考虑排放特性的约束,对改善该类车辆的废气排放特性具有重要意义。

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[9] MT/T 990－2006.矿用防爆柴油机通用技术条件[S]

[10] MT/T 989－2006.矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件[S]

The power transmission system matching of hydraulic vehicle in coal mine based on emission constraint

Ren Zhiyong
(Taiyuan Research Institute,China Coal Technology And Engineering Group,Taiyuan,Shanxi 030006,China)

Based on weighted factor method,a comprehensive evaluation index with power performance,economy and emissions has been proposed in hydraulic vehicle power transmission system in coal mine.The particulate of measuring the characteristics and quality index have been introduced.The method of weighted factor parameter and weighting coefficient have been determined.The simulation model has been established for the hydraulic transmission vehicle by using Advisor sofeware.The optimization program of hydraulic transmission vehicle has been compiled with the Matlab optimization toolbox.The explosion-proof rubber-tired vehicle in WCJ10E coal mine as an example,the accuracy of the simulation model has been verified by test.The results showed the emission constraint in the power transmission system of vehicle has been optimized matching.

emission constraint,hydraulic transmission,power transmission,matching, weighting factor

TD525

A

任志勇(1983－),男,山西浑源人,助理研究员,硕士,主要从事煤矿井下无轨辅助运输车辆方面的科研工作。

(责任编辑 王雅琴)

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金青年基金项目(2014QN025),中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目(2011MS013)