兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 1-10.doi: 10.12382/bgxb.2022.0926
所属专题: 特种车辆理论与技术
宁克焱1, 李德胜2, 田金山1, 盖江涛1, 欧阳巍1, 兰海1, 庞惠仁1,*()
收稿日期:
2022-10-06
上线日期:
2023-02-10
通讯作者:
基金资助:
NING Keyan1, LI Desheng2, TIAN Jinshan1, GAI Jiangtao1, OUYANG Wei1, LAN Hai1, PANG Huiren1,*()
Received:
2022-10-06
Online:
2023-02-10
摘要:
高机动平台的发展表明,高速行驶等机动性能提升导致持续制动功率不断增加、采用单一机械制动其摩擦部件温升过高,亟需加强制动系统缓速匹配的研究。通过分析高机动平台典型制动工况,明确了缓速匹配的设计输入;对多类型缓速技术的发展现状和特性进行分析,提出一种适合高机动制动匹配的新型电缓方案,分析研究了新型电缓的主要关键技术;以40t级高机动平台为背景进行新型缓速性能研究,为高机动平台缓速制动研发提供一种新的技术途径。
中图分类号:
宁克焱, 李德胜, 田金山, 盖江涛, 欧阳巍, 兰海, 庞惠仁. 高机动平台电缓速匹配技术综述[J]. 兵工学报, 2023, 44(1): 1-10.
NING Keyan, LI Desheng, TIAN Jinshan, GAI Jiangtao, OUYANG Wei, LAN Hai, PANG Huiren. A Review of Matching Technology of Eddy Current Retarder for High Maneuvering Platform[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(1): 1-10.
减速度/ (m·s-2) | 速度当量/(km·h) | |
---|---|---|
42 | 56 | |
2 | 887次 | 543次 |
4 | 60次 | 32次 |
表1 全寿命行驶综合制动载荷谱
Table 1 Comprehensive braking load spectrum for full life driving
减速度/ (m·s-2) | 速度当量/(km·h) | |
---|---|---|
42 | 56 | |
2 | 887次 | 543次 |
4 | 60次 | 32次 |
编号 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
1 | 累积制动能量分担比例/% | ≥60 |
2 | 坡降制动能量分担比例/% | ≥100 |
3 | 峰值缓速功率/MW | ≥1.2 |
4 | 响应时间/s | ≤0.3 |
5 | 本体匹配功率密度/(MW·m-3) | ≥21 |
6 | 匹配扭矩比例控制范围/% | ≤85 |
7 | 匹配转速范围占比/% | ≥85 |
8 | 自主可控性/% | 100 |
表2 缓速匹配指标体系
Table 2 Retarding matching index system
编号 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
1 | 累积制动能量分担比例/% | ≥60 |
2 | 坡降制动能量分担比例/% | ≥100 |
3 | 峰值缓速功率/MW | ≥1.2 |
4 | 响应时间/s | ≤0.3 |
5 | 本体匹配功率密度/(MW·m-3) | ≥21 |
6 | 匹配扭矩比例控制范围/% | ≤85 |
7 | 匹配转速范围占比/% | ≥85 |
8 | 自主可控性/% | 100 |
参数 | 传统 液缓 | 基于液缓的 高机动缓 速匹配要求 | 电缓 研制 目标 |
---|---|---|---|
匹配功率密度/(MW·m-3) | 名义68.1 | 20.1 | 22.8 |
峰值缓速功率/kW | 6032 | 1470 | 1433 |
扭矩/(N·m) | 16000 | 4000 | 3800 |
最高转速/(r·min-1) | 3600 | 3600 | 3600 |
截止转速/(r·min-1) | 1500 | 900 | 600 |
非匹配转速占比% | 42% | 25% | 17% |
缓速起效时间/s | 0.8 | 0.4 | 0.3 |
表3 缓速研发指标对比
Table 3 Comparison of R&D indexes of retarder
参数 | 传统 液缓 | 基于液缓的 高机动缓 速匹配要求 | 电缓 研制 目标 |
---|---|---|---|
匹配功率密度/(MW·m-3) | 名义68.1 | 20.1 | 22.8 |
峰值缓速功率/kW | 6032 | 1470 | 1433 |
扭矩/(N·m) | 16000 | 4000 | 3800 |
最高转速/(r·min-1) | 3600 | 3600 | 3600 |
截止转速/(r·min-1) | 1500 | 900 | 600 |
非匹配转速占比% | 42% | 25% | 17% |
缓速起效时间/s | 0.8 | 0.4 | 0.3 |
参数 | 电缓速研制 目标 | 常规液力缓速现状和 高机动缓速匹配预期 |
---|---|---|
匹配功率密度/(MW·m-3) | 22.8 | 20.1 |
响应时/s | ≤0.3 | 0.5~0.8→0.4 |
空损/kW-(3600r/min) | <10 | 12~23→12 |
匹配扭矩受控范围 | 10%~100% | 40%~100% (难度大) |
匹配用转速占比% | 75%→85% | 60%~50%→75% |
能耗比(缓速功率/相关消耗) | >220 | 含压力油箱维持所需能耗,随使用漏损增加而增加 |
所需液压源 | 常规润滑冷却系统 | 用压力油箱和相关专用管道满足大流量充油 |
控制系统(含状态监测)复杂程度 | 相对简单(电流及冷却流量开关控制) | 复杂(大流量充放及背压控制) |
比例可控性 | 容易(控制电流,电流与扭矩线性比例特性) | 难(控制大口径锥阀,其压力与扭矩的非线性特性) |
产品制造难度(自主化) | 小 | 大 |
表4 缓速研发近况综合对比分析
Table 4 Comprehensive comparison of R&D of retarder
参数 | 电缓速研制 目标 | 常规液力缓速现状和 高机动缓速匹配预期 |
---|---|---|
匹配功率密度/(MW·m-3) | 22.8 | 20.1 |
响应时/s | ≤0.3 | 0.5~0.8→0.4 |
空损/kW-(3600r/min) | <10 | 12~23→12 |
匹配扭矩受控范围 | 10%~100% | 40%~100% (难度大) |
匹配用转速占比% | 75%→85% | 60%~50%→75% |
能耗比(缓速功率/相关消耗) | >220 | 含压力油箱维持所需能耗,随使用漏损增加而增加 |
所需液压源 | 常规润滑冷却系统 | 用压力油箱和相关专用管道满足大流量充油 |
控制系统(含状态监测)复杂程度 | 相对简单(电流及冷却流量开关控制) | 复杂(大流量充放及背压控制) |
比例可控性 | 容易(控制电流,电流与扭矩线性比例特性) | 难(控制大口径锥阀,其压力与扭矩的非线性特性) |
产品制造难度(自主化) | 小 | 大 |
参数 | 传统风冷 电缓 | 内嵌式 液冷电缓 | 湿式双凸 极电缓 |
---|---|---|---|
电磁结构 | 多线圈励 磁毂式 结构 | 单线圈励 磁内嵌 结构 | 单线圈励 磁双凸极 结构 |
散热方式 | 风冷散热 | 水套散热 | 发热表面 直接喷淋 冷却 |
(24V)额定功率/kW | 425 | 540 | 623 |
额定控制能耗比 | 201 | 214.3 | 218 |
(26V)极限功率/kW | 452 | 620 | 726 |
极限控制能耗比 | 183 | 209 | 215 |
极限功率密度/(MW·m-3) | 15.7 | 21.5 | 25.2 |
热衰退 | ≥50% | ≈20% | ≈15% |
表5 三种电缓制动特性对比
Table 5 Breaking characteristics of three kinds of eddy current retarder
参数 | 传统风冷 电缓 | 内嵌式 液冷电缓 | 湿式双凸 极电缓 |
---|---|---|---|
电磁结构 | 多线圈励 磁毂式 结构 | 单线圈励 磁内嵌 结构 | 单线圈励 磁双凸极 结构 |
散热方式 | 风冷散热 | 水套散热 | 发热表面 直接喷淋 冷却 |
(24V)额定功率/kW | 425 | 540 | 623 |
额定控制能耗比 | 201 | 214.3 | 218 |
(26V)极限功率/kW | 452 | 620 | 726 |
极限控制能耗比 | 183 | 209 | 215 |
极限功率密度/(MW·m-3) | 15.7 | 21.5 | 25.2 |
热衰退 | ≥50% | ≈20% | ≈15% |
参数 | 数值 | 备注 |
---|---|---|
机械制动响应时间/s | 0.3 | 计算参数 |
缓速分担计算阻力对应 减速度/(m· ) | 0.5 | 计算参数 |
主动轮半径/m | 0.3 | 参考参数 |
侧减速比 | 4 | 参考参数 |
缓速到机械制动增扭比 | 1.3 | 参考参数 |
最高车速/(km·h-1) | 80 | 计算参数 |
整车质量/t | 40 | 计算参数 |
表6 车辆参数
Table 6 Vehicle parameters
参数 | 数值 | 备注 |
---|---|---|
机械制动响应时间/s | 0.3 | 计算参数 |
缓速分担计算阻力对应 减速度/(m· ) | 0.5 | 计算参数 |
主动轮半径/m | 0.3 | 参考参数 |
侧减速比 | 4 | 参考参数 |
缓速到机械制动增扭比 | 1.3 | 参考参数 |
最高车速/(km·h-1) | 80 | 计算参数 |
整车质量/t | 40 | 计算参数 |
工况 | 整车减 速度/ (m·s-2) | 制动初 速度/ (m·s-1) | 制动系统 分担减速度/ (m·s-2) | 全寿命 周期该 工况次数 | 全寿命 周期制动 总能量/MJ | 全寿命 周期缓速分 担总能量/MJ | 每次制动 联合制动系统 分担能量/MJ | 每次制动缓速 系统分担 能量/MJ | 缓速 分担/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 11.67 | 1.5 | 887 | 2037 | 761 | 2.30 | 0.86 | 37 |
2 | 2 | 15.56 | 1.5 | 543 | 2217 | 953 | 4.08 | 1.75 | 43 |
3 | 4 | 11.67 | 3.5 | 60 | 161 | 26 | 2.68 | 0.43 | 16 |
4 | 4 | 15.56 | 3.5 | 32 | 152 | 28 | 4.76 | 0.88 | 18 |
合计 | 1522 | 4568 | 1767 | 39 |
表7 0.8MW电缓匹配分担能量(全寿命制动载荷谱)
Table 7 Matching energy of 0.8MW eddy current retarder (full life braking load spectrum)
工况 | 整车减 速度/ (m·s-2) | 制动初 速度/ (m·s-1) | 制动系统 分担减速度/ (m·s-2) | 全寿命 周期该 工况次数 | 全寿命 周期制动 总能量/MJ | 全寿命 周期缓速分 担总能量/MJ | 每次制动 联合制动系统 分担能量/MJ | 每次制动缓速 系统分担 能量/MJ | 缓速 分担/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 11.67 | 1.5 | 887 | 2037 | 761 | 2.30 | 0.86 | 37 |
2 | 2 | 15.56 | 1.5 | 543 | 2217 | 953 | 4.08 | 1.75 | 43 |
3 | 4 | 11.67 | 3.5 | 60 | 161 | 26 | 2.68 | 0.43 | 16 |
4 | 4 | 15.56 | 3.5 | 32 | 152 | 28 | 4.76 | 0.88 | 18 |
合计 | 1522 | 4568 | 1767 | 39 |
工况 | 整车 减速度/ (m·s-2) | 制动 初速度/ (m·s-1) | 制动系统 分担减速度/ (m·s-2) | 全寿命周期 该工况 次数 | 全寿命周期 制动总 能量/MJ | 全寿命周期 缓速分担 总能量/MJ | 每次制动联合 制动系统分担 能量/MJ | 每次制动缓速 系统分担 能量/MJ | 缓速 分担/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
紧急制动1 | 4 | 23.61 | 3.5 | 3 | 33 | 12 | 10.98 | 4.15 | 38 |
紧急制动2 | 5 | 23.61 | 4.5 | 1 | 11 | 3 | 11.29 | 3.32 | 29 |
表8 1.5MW电缓匹配分担能量(紧急制动)
Table 8 Matching energy of 1.5MW eddy current retarder (emergency braking)
工况 | 整车 减速度/ (m·s-2) | 制动 初速度/ (m·s-1) | 制动系统 分担减速度/ (m·s-2) | 全寿命周期 该工况 次数 | 全寿命周期 制动总 能量/MJ | 全寿命周期 缓速分担 总能量/MJ | 每次制动联合 制动系统分担 能量/MJ | 每次制动缓速 系统分担 能量/MJ | 缓速 分担/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
紧急制动1 | 4 | 23.61 | 3.5 | 3 | 33 | 12 | 10.98 | 4.15 | 38 |
紧急制动2 | 5 | 23.61 | 4.5 | 1 | 11 | 3 | 11.29 | 3.32 | 29 |
工况 | 全时 | 短时 | 车辆电源控制用电 | 传动系统 | 车辆辅助散热系统 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平均 功率/kW | 持续 时间/s | 峰值 功率/MW | 持续 时间/s | 功率(48V)/ kW | 持续 时间/s | 冷却流量/ (L·min-1) | 润滑油过 缓速温升/℃ | 冷却 功率/kW | 持续 时间/s | |
高机动频繁制动 (分担40%) | 12 | 6000 | 0.7 | 1 | 0.055 | 6000 | 50 | 7.15 | 114 | 6000 |
12kW坡降(机械制动 分担60kW) | 60 | 500 | 0.067 | 500 | 135 | 13.24 | 84 | 500 | ||
最高车速最大减速度制动 | 250 | 4 | 1.0 | 1 | 1.250 | 4 | 135 | 55.15 | ||
以上工况的短时情况综合 | 1.0 | 1 | 4.545 | 1 |
表9 电缓速对控制用电、冷却流量、冷却功率的评估
Table 9 Evaluation of control power, cooling flow and cooling power of eddy current retarder
工况 | 全时 | 短时 | 车辆电源控制用电 | 传动系统 | 车辆辅助散热系统 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平均 功率/kW | 持续 时间/s | 峰值 功率/MW | 持续 时间/s | 功率(48V)/ kW | 持续 时间/s | 冷却流量/ (L·min-1) | 润滑油过 缓速温升/℃ | 冷却 功率/kW | 持续 时间/s | |
高机动频繁制动 (分担40%) | 12 | 6000 | 0.7 | 1 | 0.055 | 6000 | 50 | 7.15 | 114 | 6000 |
12kW坡降(机械制动 分担60kW) | 60 | 500 | 0.067 | 500 | 135 | 13.24 | 84 | 500 | ||
最高车速最大减速度制动 | 250 | 4 | 1.0 | 1 | 1.250 | 4 | 135 | 55.15 | ||
以上工况的短时情况综合 | 1.0 | 1 | 4.545 | 1 |
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