面向高速履带车辆液电复合一体式缓速器的研究

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重载履带车辆向着高速、高机动方向发展,制动能量巨大,大幅降低了摩擦类制动系统的使用寿命,急需为其匹配高效能、快速响应的缓速制动系统,以分担主制动器的制动载荷。而目前民用电涡流缓速器(简称:电缓)和液力缓速器(简称:液缓)制动功率密度较小,难以满足制动需求;军用高效能液缓又对辅助系统要求高,需额外匹配大流量油路和储能器等设备,增加了系统复杂程度,降低了整体可靠性。基于电缓与液缓制动互补的特点,论文创新性地将两者在结构上融合设计,利用电缓低速制动扭矩大、响应快、控制简单和液缓高速制动扭矩大的优点,获得全速段大扭矩、响应快的电液复合缓速器。在车辆紧急制动时,以其快速响应为摩擦制动系统分担制动载荷;在车辆长下坡时,复合缓速器单独工作,持续消耗车辆机械能。论文采用理论分析、有限元计算与试验验证相结合的技术路线,对复合缓速器的工作原理、设计方法、制动外特性、热分析、车辆制动动力学等方面进行了深入研究。具体研究内容如下:首先,汇总复合缓速器制动涉及到的电磁场、流体动力学、传热学基础理论,为建立有限元制动扭矩计算模型奠定基础。此外,还利用等效磁路法、麦克斯韦方程和一维束流理论,建立了半解析模型,深入分析电涡流制动和液力制动原理。在结构上,设计了三款复合型缓速器,分别为以液缓为主的径向构造液电复合缓速器、以电缓为主的内嵌式构造电液复合缓速器和高度融合型电液复合缓速器。另外,还设计了一款内冷式电缓,用来单独研究电缓部分的持续制动特性。分别建立了电磁场和流场有限元模型,数值计算复合缓速器的制动外特性。其中,与台架试验结果进行对比,考虑了网格数、计算时间步和温度因素的电缓电磁场有限元模型计算误差被降低至5.3%-6.6%。对电缓部分的持续制动特性进行了重点研究。通过电磁场有限元模型,分析了电缓制动扭矩热衰退的主要原因为定子材料电导率、磁导率和励磁线圈电流下降。建立双向数据传输的稳态和瞬态电磁-流热耦合模型,数值模拟电缓持续制动特性,以及散热边界条件、导热系数和比热容对电缓制动特性的影响;建立电磁-热-结构耦合模型,研究热变形对气隙优化设计的重要性;建立三组电磁-热耦合模型对比案例,分析采用集总参数映射法传输生热率、温度、对流散热系数三种数据的计算精度。并利用建立的稳态电磁-热耦合模型,证明了电缓内冷散热比水套散热效果更优。建立车辆动力学模型,模拟在台架、履带车辆和轮式车辆三种环境中使用复合缓速器、纯电缓和纯液缓三种缓速器进行缓速制动的过程。在下坡路面,复合缓速器能够使质量更大的车辆以更低车速巡航,且使用复合缓速器进行制动,车速从80 km/h下降到35 km/h以下时,所需的制动时间最短。最后,对两款复合缓速器和两款电缓进行台架制动试验。试验数据表明,径向构造液电复合缓速器的制动扭矩仅在高速下略小于纯液缓;而内嵌式构造电液复合缓速器则在全速段均展现出制动优势。此外,通过提高励磁电压至48 V,电缓达到80%额定制动扭矩的响应时间为0.28秒,短于摩擦制动器起效时间。
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