引言
裝甲車輛動力系統(tǒng)是驅(qū)動整車行駛所需能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳遞、消耗與管理的各部件及子系統(tǒng)的有機綜合體,其功能主要是完成從燃料燃燒釋放的化學(xué)能向機械能的高效轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)理想的驅(qū)動特性,滿足裝甲車輛對最高車速、最大爬坡度和最短加速時間等的驅(qū)動要求。同時,動力系統(tǒng)還應(yīng)具有良好的經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)緊湊性、可靠性、可操作性和可維修性等[1]。
1裝甲車輛動力系統(tǒng)總體設(shè)計過程研究
裝甲車輛動力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)經(jīng)歷了從經(jīng)驗設(shè)計到預(yù)測設(shè)計,從按各系統(tǒng)分離設(shè)計到系統(tǒng)集成設(shè)計的發(fā)展歷程。
裝甲車輛動力系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計方法是將發(fā)動機、傳動裝置、輔助系統(tǒng)和車輛總體等分別作為獨立部分,各自進行研究。研究人員往往致力于提高各部分的性能,而對整車性能和各系統(tǒng)之間的相互影響考慮不周,甚至出現(xiàn)將各部分之間的連接簡單地作為"機械部件匯總"的情況。這種"分散、堆積、拼湊"的研究方法,導(dǎo)致了片面追求某一局部先進指標(biāo)而忽略總體性能問題,或在系統(tǒng)組合時出現(xiàn)性能匹配問題等。
這種局部的"高水平提升"既無法實現(xiàn)"系統(tǒng)大于各部件之和"的量的優(yōu)化,也無法實現(xiàn)"結(jié)構(gòu)集成與功能集成有機統(tǒng)一"的質(zhì)的轉(zhuǎn)化,原因在于任何一個先進部件或技術(shù)的采用能否提高整車總體的機動性還存在一個合理匹配問題。
首先,根據(jù)整車設(shè)計要求和指標(biāo)需求對發(fā)動機的標(biāo)定功率進行選定,一般認為發(fā)動機標(biāo)定功率主要取決于裝甲車輛的戰(zhàn)斗全重和最大速度,因此,既可根據(jù)式(1)計算出發(fā)動機的標(biāo)定功率,并由發(fā)動機設(shè)計者依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗計算發(fā)動機外特性,也可以通過已有發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況的外特性曲線進行對比分析得到。同時,應(yīng)明確發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)形式(如氣缸排列形式等)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(如缸徑、沖程等)。
P=
(1)
式中,P為發(fā)動機標(biāo)定功率(kw):f為裝甲車輛在規(guī)定路面上行駛時的地面阻力系數(shù):G為裝甲車輛戰(zhàn)斗全重(t):g為重力加速度(m/S2):w為裝甲車輛最大速度(km/h):7為裝甲車輛總效率。
傳動裝置設(shè)計者根據(jù)發(fā)動機所提供的動力性能(發(fā)動機外特性曲線)和車輛行駛對牽引力和速度變化的要求,進行傳動裝置的總體方案設(shè)計以及傳動比的確定和分析,包括發(fā)動機布置形式和傳動類型選擇、排擋劃分、傳動比確定、牽引特性計算和總傳動比分配等。
發(fā)動機和傳動裝置的主要參數(shù)確定后,進行車輛的直線行駛和轉(zhuǎn)向牽引特性計算和分析,驗算發(fā)動機與傳動裝置的
匹配是否滿足整車機動性設(shè)計指標(biāo)的要求[2]。這種計算很難全面考慮不同的外界環(huán)境溫度與壓力、運行工況、行駛阻力和駕駛操作模式等因素對動力系統(tǒng)整體性能匹配的綜合影響。
在發(fā)動機和傳動裝置等主要部件的類型、總體結(jié)構(gòu)方案初步確定后,根據(jù)裝甲車輛的實際用途、乘員人數(shù)等進行動力系統(tǒng)的總體布置,其目的就是要在動力艙的空間尺寸和位置等方面對動力系統(tǒng)和部件進行約束。
在進行輔助系統(tǒng)設(shè)計(主要討論對動力系統(tǒng)總體布置和設(shè)計有較大影響的冷卻系統(tǒng)設(shè)計)時,一般采用統(tǒng)計資料得出的經(jīng)驗公式或參照同系列發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)對比等方法估算發(fā)動機的散熱量,根據(jù)不同傳動類型的效率估算傳動裝置的散熱量,進而匹配冷卻系統(tǒng)主要部件的設(shè)計參數(shù),并根據(jù)整車動力艙的尺寸約束完成輔助系統(tǒng)總體設(shè)計方案。
由于裝甲車輛工作環(huán)境的特殊性和動力艙容積的局限性等因素,通過經(jīng)驗公式或類比計算得出的散熱量與實際情況差別較大。裝甲車輛動力艙冷卻風(fēng)道的阻力計算由于缺乏精確的計算方法,很難保證參數(shù)選取的精度,而此參數(shù)是影響冷卻風(fēng)量的重要參數(shù)之一,冷卻風(fēng)量又是影響冷卻系統(tǒng)性能最重要的參數(shù)之一,同時也是最難控制與準(zhǔn)確計算的參數(shù),因此很難保證輔助系統(tǒng)的設(shè)計能夠滿足各種環(huán)境和工況下的需求。
1裝甲車輛結(jié)構(gòu)布局的歷史發(fā)展
在結(jié)構(gòu)布局上,20世紀(jì)50年代以前,裝甲車輛動力系統(tǒng)多采用"順其自然"的布置形式,即根據(jù)部件的外形尺寸,按照動力的傳遞路線和沿氣體、液體的自然流向來布置各部件,部件之間的布置比較松散,動力艙空間較大。根據(jù)動力系統(tǒng)選型進行匹配,能夠?qū)崿F(xiàn)有限的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化綜合性能。對于特種車輛,尤其是坦克裝甲車輛動力系統(tǒng),均采用這種設(shè)計方式,如蘇聯(lián)20世紀(jì)40年代的T-34坦克,發(fā)動機為縱向布置(發(fā)動機曲軸中心線與車體中心線平行)。
從20世紀(jì)60年代開始,各國的坦克開始采用"適應(yīng)給定空間"的動力艙布置方法,即根據(jù)車輛總體設(shè)計的性能和布置要求,在限定的動力艙尺寸下對各部件進行精心設(shè)計和布置,以期獲得布置緊湊的動力艙。
20世紀(jì)70年代初期,由于對車輛性能要求的日益提高,國外逐步開始綜合考慮發(fā)動機和變速箱之間的相互影響,并在此基礎(chǔ)上評價動力系統(tǒng)設(shè)計方案。20世紀(jì)80年代初期,國外在發(fā)展三代軍用車輛時開始采用"先進集成設(shè)計"的動力艙布置方法,淡化發(fā)動機和傳動裝置的邊界,形成"推進系統(tǒng)"的新概念,有效地提高了整個動力系統(tǒng)的功率,減小了動力系統(tǒng)的體積和質(zhì)量,從而大大提高了整車性能。"先進集成設(shè)計"的核心思想在于"以動力艙總體體積最優(yōu)為目標(biāo),實現(xiàn)發(fā)動機、傳動裝置和輔助系統(tǒng)等的高度集成和精細匹配"。
1982年美國開始實施的先進整體式推進系統(tǒng)(AIPS)計劃產(chǎn)生了兩種充分體現(xiàn)"先進集成設(shè)計"思想的動力系統(tǒng)技術(shù)方案:一種是由通用電氣公司以燃氣輪機為動力設(shè)計的整體式推進系統(tǒng)LV100,另一種是由康明斯公司以xAV-28柴油機為動力設(shè)計的xAP-1000整體式推進系統(tǒng)。
3裝甲車輛動力系統(tǒng)集成設(shè)計過程研究
動力系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)是將發(fā)動機、傳動裝置與輔助系統(tǒng)作為一個整體,研究它們之間的最優(yōu)匹配問題和總體集成設(shè)計,以系統(tǒng)的設(shè)計方法、先進的設(shè)計手段和規(guī)范的設(shè)計流程為基礎(chǔ),采用集成化的設(shè)計平臺和技術(shù)體系,重點關(guān)注系統(tǒng)功率流、熱流和物質(zhì)流協(xié)調(diào)一致的參數(shù)匹配,進而實現(xiàn)最優(yōu)的綜合性能。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,在系統(tǒng)設(shè)計思想指導(dǎo)下的動力系統(tǒng)集成設(shè)計具有以下顯著特點:
(1)無論是結(jié)構(gòu)集成還是性能匹配,都把動力系統(tǒng)看作一個有機的整體,全系統(tǒng)或子系統(tǒng)的配置與布局總是以系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)為導(dǎo)向的、不追求單項指標(biāo)的"高水平提升",更加重視動力系統(tǒng)整體的參數(shù)匹配。這就需要從傳統(tǒng)的基于部件的性能評價和參數(shù)匹配,轉(zhuǎn)向基于整車的性能評價和參數(shù)匹配。
(2)無論是對單個子系統(tǒng)還是對部件的改進設(shè)計或創(chuàng)新設(shè)計,都非常重視這些子系統(tǒng)或部件與其他子系統(tǒng)或部件之間的匹配,避免因匹配不合理造成的先進子系統(tǒng)或部件的效率低下,整體性能不升反降。這就需要從傳統(tǒng)的依據(jù)靜態(tài)性能的評價和部件設(shè)計,轉(zhuǎn)向依據(jù)動態(tài)性能的評價和部件設(shè)計。
(3)將動力系統(tǒng)納入整車的使用環(huán)境中進行綜合匹配和優(yōu)化,考慮環(huán)境因素對動力系統(tǒng)的影響,增強動力系統(tǒng)對各種環(huán)境和工況的適應(yīng)性,以提高整個系統(tǒng)的效率。這就需要從傳統(tǒng)的基于點工況的性能匹配和優(yōu)化,轉(zhuǎn)向基于線工況和面工況的性能匹配和優(yōu)化。
(4)動力系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)將動力系統(tǒng)、傳動裝置、輔助裝置和控制裝置等作為一個整體進行設(shè)計,優(yōu)化其空間布置和性能匹配,縮小系統(tǒng)的整體體積,改善其整體工作性能,避免因分散設(shè)計而帶來的不必要的空間浪費,并在滿足防護要求的前提下,減小平臺質(zhì)量,縮減平臺的外形尺寸。
因此,集成設(shè)計技術(shù)體系構(gòu)建有別于傳統(tǒng)設(shè)計方法的系統(tǒng)組成分類,通常將車輛動力系統(tǒng)劃分為發(fā)動機、傳動裝置、液流系統(tǒng)、冷卻空氣系統(tǒng)、燃燒空氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)6個子系統(tǒng)。
動力系統(tǒng)集成設(shè)計是將6個子系統(tǒng)作為一個整體進行系統(tǒng)化的仿真、分析和優(yōu)化,通過分析動力系統(tǒng)系統(tǒng)層面的參數(shù)和部件特性對動力系統(tǒng)性能的影響規(guī)律以及動力系統(tǒng)功率流、熱流、動力學(xué)和結(jié)構(gòu)集成設(shè)計之間的相互耦合關(guān)系,對比不同系統(tǒng)方案并針對特定系統(tǒng)方案進行參數(shù)綜合匹配優(yōu)化,實現(xiàn)動力系統(tǒng)良好的動力性、經(jīng)濟性等綜合指標(biāo)。動力系統(tǒng)集成設(shè)計不片面強調(diào)某個子系統(tǒng)和部件性能最優(yōu)化,而更加關(guān)注在系統(tǒng)層面各子系統(tǒng)性能是否能夠充分發(fā)揮出來,研究子系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的性能以及彼此參數(shù)匹配關(guān)系和技術(shù)方案對整個動力系統(tǒng)的影響,從而設(shè)計出理想的動力系統(tǒng)設(shè)計方案。
車輛動力系統(tǒng)的能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程是一個涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的復(fù)雜過程。在這一過程中,各種影響能量傳遞、轉(zhuǎn)換的因素之間相互耦合、相互影響。因此,動力系統(tǒng)集成設(shè)計還要探討基于能量的多學(xué)科匹配和參數(shù)耦合分析等全新的系統(tǒng)分析方法。動力系統(tǒng)能量匹配參數(shù)耦合分析方法的思想重點在于強調(diào)各學(xué)科間的相互影響,突出能夠體現(xiàn)各學(xué)科之間關(guān)鍵耦合點的參數(shù)關(guān)系分析和耦合模型構(gòu)建,研究耦合關(guān)系對動力系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響,從動力系統(tǒng)能量傳遞和耦合的系統(tǒng)學(xué)角度使各子系統(tǒng)參數(shù)得到綜合匹配,實現(xiàn)動力系統(tǒng)基于能量的多學(xué)科參數(shù)綜合匹配和優(yōu)化,實現(xiàn)動力系統(tǒng)高體積功率和低質(zhì)量功率的設(shè)計指標(biāo)。
4結(jié)論與展望
隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,各種專業(yè)仿真工具不斷涌現(xiàn),軟件接口技術(shù)和數(shù)據(jù)交互技術(shù)的發(fā)展使集成設(shè)計成為可能。上述設(shè)計工具的發(fā)展,為研究動力系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配和系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)動力系統(tǒng)的集成設(shè)計提供了必要的技術(shù)支持。
這些系統(tǒng)性、多學(xué)科、多物理現(xiàn)象的集成匹配仿真平臺,以及各種零部件和子系統(tǒng)分析手段的應(yīng)用,極大地縮短了動力系統(tǒng)開發(fā)的時間,是車輛動力系統(tǒng)方案對比、系統(tǒng)匹配、系統(tǒng)優(yōu)化和部件參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。
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