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)還應具有良好的經(jīng)濟性、結(jié)構緊湊性、可靠性、可操作性和可維修性等[1]。

1裝甲車輛動力系統(tǒng)總體設計過程研究

裝甲車輛動力系統(tǒng)設計技術經(jīng)歷了從經(jīng)驗設計到預測設計,從按各系統(tǒng)分離設計到系統(tǒng)集成設計的發(fā)展歷程。

裝甲車輛動力系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計方法是將發(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,導致了片面追求某一局部先進指標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)整車設計要求和指標需求對發(fā)動機的標定功率進行選定,一般認為發(fā)動機標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)動機的標定功率,并由發(fā)動機設計者依據(jù)設計經(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,應明確發(fā)動機的主要結(jié)構形式(如氣缸排列形式等)和結(jié)構參數(shù)(如缸徑、沖程等)。

P=(1)

式中,P為發(fā)動機標定功率(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計指標的要求[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)設計(主要討論對動力系統(tǒng)總體布置和設計有較大影響的冷卻系統(tǒng)設計)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)是影響冷卻風量的重要參數(shù)之一,冷卻風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確計算的參數(shù),因此很難保證輔助系統(tǒng)的設計能夠滿足各種環(huán)境和工況下的需求。

1裝甲車輛結(jié)構布局的歷史發(fā)展

在結(jié)構布局上,20世紀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),均采用這種設計方式,如蘇聯(lián)20世紀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60年代開始,各國的坦克開始采用"適應給定空間"的動力艙布置方法,即根據(jù)車輛總體設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計和布置,以期獲得布置緊湊的動力艙。

20世紀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,并在此基礎上評價動力系統(tǒng)設計方案。20世紀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。"先進集成設計"的核心思想在于"以動力艙總體體積最優(yōu)為目標,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)"先進集成設計"思想的動力系統(tǒng)技術方案:一種是由通用電氣公司以燃氣輪機為動力設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)集成設計過程研究

動力系統(tǒng)集成設計技術是將發(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計,以系統(tǒng)的設計方法、先進的設計手段和規(guī)范的設計流程為基礎,采用集成化的設計平臺和技術體系,重點關注系統(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)設計方法相比,在系統(tǒng)設計思想指導下的動力系統(tǒng)集成設計具有以下顯著特點:

(1)無論是結(jié)構集成還是性能匹配,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)設計目標為導向的、不追求單項指標的"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計或創(chuàng)新設計,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計,轉(zhuǎn)向依據(jù)動態(tài)性能的評價和部件設計。

(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)集成設計技術將動力系統(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,集成設計技術體系構建有別于傳統(tǒng)設計方法的系統(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、動力學和結(jié)構集成設計之間的相互耦合關系,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。動力系統(tǒng)集成設計不片面強調(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)和關鍵部件的性能以及彼此參數(shù)匹配關系和技術方案對整個動力系統(tǒng)的影響,從而設計出理想的動力系統(tǒng)設計方案。

車輛動力系統(tǒng)的能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程是一個涉及多學科、多領域的復雜過程。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)集成設計還要探討基于能量的多學科匹配和參數(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)各學科間的相互影響,突出能夠體現(xiàn)各學科之間關鍵耦合點的參數(shù)關系分析和耦合模型構建,研究耦合關系對動力系統(tǒng)性能指標的影響,從動力系統(tǒng)能量傳遞和耦合的系統(tǒng)學角度使各子系統(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)量功率的設計指標。

4結(jié)論與展望

隨著計算機技術的不斷發(fā)展,各種專業(yè)仿真工具不斷涌現(xiàn),軟件接口技術和數(shù)據(jù)交互技術的發(fā)展使集成設計成為可能。上述設計工具的發(fā)展,為研究動力系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配和系統(tǒng)設計及實現(xiàn)動力系統(tǒng)的集成設計提供了必要的技術支持。

這些系統(tǒng)性、多學科、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)設計的關鍵技術。