增程式電動拖拉機及其旋耕機組仿真平臺開發(fā)

劉孟楠　徐立友　周志立　劉衛(wèi)國

1.西安理工大學(xué)，西安，710048　　2.河南科技大學(xué)，洛陽，4710033.國機重工建筑機械有限公司研究所，洛陽，471009

增程式電動拖拉機及其旋耕機組仿真平臺開發(fā)

劉孟楠1徐立友2周志立2劉衛(wèi)國3

1.西安理工大學(xué)，西安，7100482.河南科技大學(xué)，洛陽，4710033.國機重工建筑機械有限公司研究所，洛陽，471009

摘要：針對電動拖拉機研究領(lǐng)域常用仿真方法通用性較差、涉及機組作業(yè)的仿真平臺尚不完善等問題，以東方紅500(YTO-500)拖拉機為研究對象，設(shè)計了電動拖拉機結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)，基于CRUISE建立了增程式電動拖拉機仿真平臺。仿真分析了電動拖拉機與傳統(tǒng)拖拉機的牽引性能，以及低速循環(huán)工況下拖拉機的地面特性和能耗情況，結(jié)果表明，建立的電動拖拉機仿真模型能夠較好地模擬拖拉機行駛狀況。通過分析拖拉機動力系、行走系與動力輸出軸之間的轉(zhuǎn)矩耦合關(guān)系，提出了一種旋耕機組等效模型，建立了電動拖拉機旋耕機組仿真平臺，仿真結(jié)果表明，機組作業(yè)速度處于3.65 km/h附近，旋耕機主軸轉(zhuǎn)速保持在200 r/min，符合東方紅500拖拉機旋耕機組試驗結(jié)果，車速提高了14%，燃油消耗下降了34.4%。

關(guān)鍵詞：電動拖拉機；旋耕機組；性能分析；仿真平臺

0引言

電動拖拉機是農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的研究熱點之一，其意義充分契合中國國家能源戰(zhàn)略相關(guān)科學(xué)、高效、綠色、低碳的特點，滿足《全國農(nóng)業(yè)機械化科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》關(guān)于加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，發(fā)展增產(chǎn)增效型、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)機化技術(shù)的要求[1-3]。AVL CRUISE、Advisor、CarSim、PSAT等整車性能仿真軟件廣泛應(yīng)用于乘用車、商務(wù)車等道路車輛的開發(fā)和性能分析中[4-9]。非道路車輛廣泛存在入土元件，相關(guān)仿真平臺多基于MATLAB/Simulink開發(fā)，仿真平臺具有較好的適用性和靈活性，仿真效果良好[10-15]，但存在建模過程繁瑣、后處理復(fù)雜及通用性較差等缺點。高輝松等[16-17]通過對Advisor頂層模塊進行二次開發(fā)，搭建了電動拖拉機的仿真平臺；孫強等[18]基于CRUISE/Simulink提出了履帶式推土機推土工況的仿真方法，均獲得了較好的仿真結(jié)果。

CRUISE主要針對道路車輛行駛工況進行前向性仿真[19]，CRUISE用于拖拉機的相關(guān)研究時需要結(jié)合整車及機組的結(jié)構(gòu)特點和相關(guān)參數(shù)搭建整車模型和農(nóng)機具模型，并在框架內(nèi)實現(xiàn)動力耦合關(guān)系，仿真時需要確保機組動力系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和耕作系統(tǒng)間的輸出特性關(guān)系符合相關(guān)實際要求[20-21]，有效體現(xiàn)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率、蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)、動力輸出軸(power take off，PTO)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等描述機組工作狀態(tài)的變量跟隨行駛工況及入土部件負載轉(zhuǎn)矩變化的情況。鑒于此，本文基于CRUISE，針對旋耕工況開發(fā)增程式電動拖拉機及其機組的仿真平臺。

1電動拖拉機仿真建模

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)業(yè)拖拉機作業(yè)過程具有較高負荷率及較長周期，設(shè)計電驅(qū)動系統(tǒng)需要保證拖拉機具有充足的續(xù)航能力。本文采用增程式能源系統(tǒng)針對東方紅500(YTO-500)輪式拖拉機設(shè)計電驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組件包括柴油機、發(fā)電機、蓄電池組、電機控制器、牽引電動機、變速箱、中央傳動、動力輸出軸等。其中蓄電池組作為主能源，高速柴油機/發(fā)電機組作為輔助能源。當蓄電池SOC值Ssoc較低時，通過控制系統(tǒng)可實現(xiàn)二者之間的電功率單向供給，這樣可提高電動拖拉機的續(xù)航能力。

1.柴油機　2.發(fā)電機　3.變速器　4.動力輸出軸　5.中央傳動6.驅(qū)動輪　7.牽引電動機　8.電機控制器　9.蓄電池組圖1　增程式電動拖拉機結(jié)構(gòu)

1.2參數(shù)匹配

為保證電動拖拉機動力系統(tǒng)外特性能夠滿足YTO-500的常遇工況要求，設(shè)計牽引電動機應(yīng)保證其額定功率不小于該型號拖拉機配套柴油機YT4A1-T1的額定功率，額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足配套犁耕工況下負載牽引力需求，即

(1)

(2)

式中，Prated、nrated、Trated分別為電動拖拉機牽引電動機額定功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；wp為耕幅；hp為耕深；k為土壤比阻；it0為拖拉機變速器傳動比；itg為拖拉機中央傳動比；ηtm為拖拉機傳動系機械效率。

以比阻值k為0.8～10 N/cm2的北方未耕黏土地作為犁耕工況試驗土地，拖拉機配套農(nóng)機具(耕地機械)參數(shù)如表1所示。

表1　YTO-500拖拉機配套耕地機械主要參數(shù)

蓄電池能量容量應(yīng)能夠在設(shè)定工況范圍內(nèi)滿足牽引電動機的功率需求：

(3)

(4)

Eb≥EmPm(t)≤Prated

式中，Eb為蓄電池的能量容量；nb為蓄電池個數(shù)；Vb為蓄電池組端電壓；Ib為蓄電池組端電流；Em為牽引電動機的能量需求；Pm為牽引電動機的機械功率輸出；ηtm為牽引電動機能量轉(zhuǎn)換效率。

拖拉機底盤輪胎及車架參數(shù)保留YTO-500相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計整車主要參數(shù)如表2所示。

表2　增程式電動拖拉機主要參數(shù)

1.3增程式電動拖拉機仿真平臺

基于CRUISE搭建增程式電動拖拉機及傳統(tǒng)拖拉機仿真平臺，如圖2所示。圖2a中，柴油機和發(fā)電機啟動信號及負載信號通過Energy systems control模塊進行控制。相關(guān)控制策略基于蓄電池組SOC值平衡制定，設(shè)定相應(yīng)閾值為45%～70%。當蓄電池組SOC值低于閾值下限時，柴油機和發(fā)電機的啟動信號為1，柴油機通過基于轉(zhuǎn)速的邏輯門策略控制，發(fā)電機高效運行對蓄電池充電。當蓄電池組SOC值高于閾值上限時，增程系統(tǒng)啟動信號為0，蓄電池停止充電。牽引電動機的啟動情況由駕駛員模塊的啟動信號控制，輸出特性情況由加速踏板信號控制。換擋過程由Gear control模塊控制，在保證牽引電動機高效運行的基礎(chǔ)上制定換擋策略，并由轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)。仿真過程中差速器模塊差速解鎖，附著率和滑轉(zhuǎn)率等車輛-地面參數(shù)根據(jù)YTO-500拖拉機相關(guān)試驗結(jié)果賦值。

(a)增程式電動拖拉機仿真模型

(b)傳統(tǒng)拖拉機仿真模型圖2　拖拉機整車仿真平臺

1.4模型驗證

基于圖2搭建的仿真平臺，在Project Data下通過Task Folder模塊設(shè)定運算步長、準靜態(tài)計算模式的時間間隔、速度間隔等外部參數(shù)；通過Maximum Traction Force模塊根據(jù)牽引試驗臺附近環(huán)境采樣數(shù)據(jù)，設(shè)定環(huán)境溫度為20 ℃、相對濕度為65%、風速為5 km/h、空氣密度為1.19 kg/m3；基于最優(yōu)燃油消耗率設(shè)定換擋策略，進行牽引性能仿真實驗，并與YTO-500拖拉機相關(guān)試驗結(jié)果進行對比，如圖3、圖4所示。

圖3　電動拖拉機外特性仿真結(jié)果

圖3所示為拖拉機外特性仿真結(jié)果，圖中，等功率線上的數(shù)值單位為kW。仿真Ⅰ擋運行狀態(tài)時，當牽引電機轉(zhuǎn)速超過基速后外特性曲線與30 kW等功率曲線基本重合，符合電機驅(qū)動調(diào)速特點；仿真Ⅱ擋運行狀態(tài)時，當車速超過15 km/h時，其外特性曲線被30 kW等功率曲線包絡(luò)，其原因是拖拉機迎風面積大且風阻系數(shù)大。

圖4所示為拖拉機牽引功率仿真結(jié)果，圖中，牽引力曲線上的數(shù)值單位為kN。由圖4可知，車速范圍為5～12 km/h時拖拉機具有較高的牽引效率，其原因是，低速重載工況時驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)嚴重，造成一定的功率損失。

圖4　電動拖拉機牽引功率仿真結(jié)果

采用2擋變速器的電動拖拉機的調(diào)速特性曲線及牽引功率特性曲線完全覆蓋采用8擋變速器的傳統(tǒng)拖拉機的相應(yīng)曲線，動力性較好，牽引效率較高；在一定速度范圍內(nèi)，電動拖拉機可實現(xiàn)無級變速；由于牽引電動機具有接近理想情況的輸出特性場，其變速器機械結(jié)構(gòu)相對YTO-500拖拉機原有6F+2R式變速器機械結(jié)構(gòu)來說簡化了75%；仿真結(jié)果符合前期相關(guān)研究[22]結(jié)論。

基于UDC-CVT(United States drive cycle-continuously variable transmission)工況，設(shè)定仿真工況下車速為原工況的0.5倍，蓄電池初始SOC值為60%，執(zhí)行5次工況循環(huán)。柴油機燃油消耗、蓄電池組SOC值及電能消耗情況如圖5所示。由圖5可見，運行326.2 s后，蓄電池組SOC值低于閾值下限，柴油機啟動，燃油消耗率達到5.33 L/h，充電過程中蓄電池做負功，電能消耗開始下降；運行570.3 s后，經(jīng)過充電的蓄電池組SOC值高于閾值上限，此時累計消耗燃油0.36 L，柴油機/發(fā)電機組關(guān)閉，電能消耗開始增加，蓄電池組SOC值開始下降；此工況下傳統(tǒng)拖拉機平均燃油消耗率為5.31L/h，電動拖拉機平均燃油消耗率為1.85 L/h。

圖5　仿真過程耗能情況

行駛距離、車速及驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)情況如圖6所示。牽引電動機轉(zhuǎn)速超過基速后，其端電壓不變，磁通衰減，具有恒功率機械特性，拖拉機牽引力與車速成近似反比關(guān)系。由圖6可見，驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率隨車速增大而減小，對牽引力變化具有較好的跟隨性。

圖6　仿真過程動力學(xué)情況

根據(jù)以上分析，所建立的增程式電動拖拉機仿真模型能夠較好地模擬拖拉機行駛狀況，可用于搭建機組仿真平臺。

2旋耕機組仿真模型

2.1旋耕機組動力學(xué)模型

電動拖拉機牽引旋耕機組作業(yè)時機組功率平衡關(guān)系為

Pm=Pdrive+Pr

(5)

式中，Pdrive為拖拉機行駛功率；Pr為旋耕機功率消耗；v為機組行進速度；m為拖拉機使用質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；α為坡度角；CD為拖拉機風阻系數(shù)；A為拖拉機迎風面積；δ為拖拉機質(zhì)量換算系數(shù)；Pc為切土功率消耗；Pth為拋土功率消耗；Pa為旋耕機前進功率消耗；Pre為克服土壤水平反力的功率消耗；ηrm為旋耕機機械傳動效率。

切土功率Pc和拋土功率Pth可占旋耕機全部消耗功率的70%以上，正轉(zhuǎn)旋耕機刀片部分的功率可部分或全部取代前進功率Pa。若Pre≥Pa，則由二者共同驅(qū)動旋耕機前進，否則將產(chǎn)生寄生功率，造成機械損失，加重傳動系統(tǒng)的負荷。YTO-500裝配雙作用離合器，可實現(xiàn)PTO動力的獨立控制，旋耕作業(yè)時機組存在如下關(guān)系：

(6)

v=vr

式中，PPTO為動力輸出軸功率消耗；nPTO為動力輸出軸轉(zhuǎn)速；TPTO為動力輸出軸轉(zhuǎn)矩；vr為旋耕機前進速度。

電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)保證牽引電動機輸出轉(zhuǎn)速nm同旋耕機刀軸轉(zhuǎn)速nr與驅(qū)動橋半軸轉(zhuǎn)速ndrive三者之間存在如下關(guān)系：

nm∝nr∝ndrive

(7)

根據(jù)式(5)和式(7)，旋耕機刀片同車輪之間存在轉(zhuǎn)矩耦合的關(guān)系，即

(8)

式中，Tm為牽引電動機輸出轉(zhuǎn)矩；Tdrive為驅(qū)動橋半軸轉(zhuǎn)矩；Tr為旋耕機刀軸轉(zhuǎn)矩；itn為第n擋傳動比；ir為動力輸出軸與牽引電動機之間的傳動比。

2.2旋耕機組耦合關(guān)系分析

圖7　轉(zhuǎn)矩耦合示意圖

基于上述分析，建立機組仿真模型的關(guān)鍵是實現(xiàn)車輪與旋耕機刀片之間的轉(zhuǎn)矩耦合關(guān)系。機械轉(zhuǎn)矩耦合原理如圖7所示，端口1單向輸入，端口2和端口3雙向輸出。三者機械特性之間存在如下關(guān)系：

T1n1=T2n2+T3n3

(9)

(10)

n1=i1-2n2=i1-3n3

(11)

式中，T1、T2、T3分別為端口1、端口2、端口3處轉(zhuǎn)矩；n1、n2、n3分別為端口1、端口2、端口3處轉(zhuǎn)速；i1-2為端口1和端口2之間的速比；i1-3為端口1和端口3之間的速比。

圖8a為拖拉機牽引旋耕機組作業(yè)模型簡圖，其中牽引電動機對應(yīng)圖7端口1，驅(qū)動輪對應(yīng)端口2，旋耕機刀片由PTO驅(qū)動，對應(yīng)端口3。圖8b所示為等效模型，其中牽引電動機對應(yīng)端口1，端口3旋耕機等效為單軸牽引車，與端口2驅(qū)動輪之間通過牽引關(guān)系實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合，三者機械特性之間關(guān)系為

(12)

(13)

(14)

(a)旋耕機組耦合模型

(b)旋耕機組耦合等效模型圖8　機組轉(zhuǎn)矩耦合等效模型簡圖

對比式(9)～式(11)與式(12)～式(14)可知，圖8b所示等效模型可以體現(xiàn)機組牽引電動機、驅(qū)動輪、旋耕機之間的轉(zhuǎn)矩耦合關(guān)系，基于此建立仿真模型可以避免構(gòu)建復(fù)雜的轉(zhuǎn)矩耦合機構(gòu)。

2.3旋耕機組仿真平臺

通過CRUISE中的Trailer模塊、Wheel模塊及Flange模塊，構(gòu)建旋耕機仿真模型。選擇表1中型號為1GQN-180的旋耕機匹配圖2a所示的增程式電動拖拉機仿真模型，搭建增程式電動拖拉機旋耕機組仿真平臺如圖9所示。

圖9　增程式電動拖拉機旋耕機組CRUISE模型

圖9中旋耕機的前進功率損耗通過模擬車輪的行駛阻力功率實現(xiàn)；刀片切土、拋土及其他功率損耗由模型中與車輪剛性機械連接的Flange模塊通過加載轉(zhuǎn)矩特性模塊模擬。通過Map模塊設(shè)定符合正態(tài)分布的土壤阻力采樣參數(shù)來模擬耕作阻力變化情況。

2.4仿真分析

仿真工況：設(shè)置電動拖拉機變速器擋位為Ⅰ擋，蓄電池組初始SOC值為50%。

仿真結(jié)果如圖10～圖12所示。由圖10可知，拖拉機牽引電動機、車輪及旋耕機刀片三者轉(zhuǎn)矩變化趨勢相同；考慮三者之間傳動比的關(guān)系，忽略機械傳動損失，牽引電動機輸出轉(zhuǎn)矩數(shù)值上等于驅(qū)動輪輸入轉(zhuǎn)矩與所有刀片輸入轉(zhuǎn)矩之和，符合轉(zhuǎn)矩耦合特征。仿真模型可有效模擬拖拉機旋耕機組作業(yè)工況。

圖10　機組轉(zhuǎn)矩耦合情況

由圖11可知，旋耕機組行駛速度保持在3.65 km/h附近，刀軸轉(zhuǎn)速保持在200 r/min左右；行駛距離曲線斜率基本保持恒定。根據(jù)YTO-500拖拉機相關(guān)試驗結(jié)果，當其牽引型號為1GQN-180旋耕機作業(yè)時，變速器保持在Ⅰ擋工作，全程車速保持在3.2 km/h左右；PTO轉(zhuǎn)速為540 r/min，刀軸轉(zhuǎn)速為200 r/min。仿真過程中機組主要部件動力學(xué)特性符合YTO-500拖拉機試驗結(jié)果。對比圖10、圖11可知，刀片輸入轉(zhuǎn)矩對負載轉(zhuǎn)矩的跟隨性良好。

圖11　旋耕工況機組運行情況

由圖12可知，運行206 s后蓄電池組SOC值低于閾值下限，柴油機啟動。充電速率大于蓄電池耗電速率，蓄電池組電功率開始下降，累積燃油消耗量開始上升；柴油機啟動時平均燃油消耗率為8.3 L/h，全程共耗油0.93 L。

圖12　旋耕工況機組能耗情況

柴油機工作點分布狀況如圖13所示，圖中，粗體數(shù)字表示柴油機工作點分布情況(工作點數(shù))，點劃線表示等燃油消耗率，其上的數(shù)值單位為L/h。仿真過程中，柴油機工作區(qū)間穩(wěn)定，工作點分布較為集中，34.76%左右的工作點分布于柴油機啟動特性區(qū)，64.67%左右的工作點分布于圖中深色區(qū)域，其比率符合柴油機啟動時間對仿真時間的比值。柴油機啟動后的工作點集中區(qū)域平均油耗為9.817 L/h，仿真全程平均油耗為6.34 L/h；對傳統(tǒng)拖拉機在相似土壤條件試驗田中旋耕作業(yè)試驗測得的油耗為9.67～10.26 L/h，因此增程式電動旋耕機組經(jīng)濟性提升34.4%以上。

圖13　柴油機工作點分布狀況

電動機的電力特性如圖14所示，平臺中能源系統(tǒng)模塊遵循恒壓控制原理，保持電壓在310 V附近，輸出電流隨負載發(fā)生變化。對比圖10可知，電動機電流特性對行走系、旋耕機的機械特性跟隨性良好。仿真過程中，電動機能量使用效率隨負載波動而變化，平均可達80.7%。

圖14　電動機電能使用狀態(tài)

3結(jié)論

(1)建立了基于CRUISE的拖拉機整車仿真模型，該模型能有效模擬拖拉機的行駛工況和增程式電動拖拉機能量管理策略。

(2)提出了旋耕機組等效模型，避免了單向型仿真平臺由于機組連接點處功率循環(huán)現(xiàn)象造成的計算問題，減小了工作量。

(3)建立了基于CRUISE的增程式電動拖拉機旋耕機組仿真平臺，仿真結(jié)果中動力部件動力性符合東方紅500拖拉機相關(guān)試驗結(jié)果，電力輸出特性對負載變化情況的跟隨性良好，能有效模擬旋耕機組作業(yè)工況。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Establishment of Extended Range Electric Tractor and Its Rotary Cultivator’s Simulative Platforms

Liu Mengnan1Xu Liyou2Zhou Zhili2Liu Weiguo3

1.Xi’an University of Technology,Xi’an,710048 2.Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan,471003 3.Research Institution of Construction Machinery,China SINOMACH Heavy Industry Corporation,Luoyang,Henan,471009

Abstract:Aimed at the existing conditions that simulation methods of in the field of electric tractor research were non-universal, and the simulation platforms concerned with working units were without complete functions. YTO-500 tractor was selected as the research object, the structural project and the driving parameters of the electric tractor were designed, the simulative platform of extended range electric tractor was established based on CRUISE. By simulating tractive behaviors of the electric and the traditional tractor, and analyzing the surficial behavior and consumption of diesel as the tractor was on a cyclic slow working conditions, the resulting curves express that this platform can simulate tractor’s running conditions well. By researching the coupling relationship of torques among its power train, driving train and PTO(power take off), an equivalent model was taken out. Simulation platform of extended range electric tractor’s rotary cultivator was established. The simulation expresses that the speed of the working unit approximately maintains 3.65 km/h, the rotate speed of the rotary cultivator’s principal axis maintains 200 r/min, the simulation results correspond to the YTO 500 tractor’s experiments. By comparison, the speed increases by 14%, and the consumption of fuel decreases by 34.4%.

Key words：electric tractor; rotary cultivator; performance analysis;simulation platform

收稿日期：2015-04-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375145)；河南省科技攻關(guān)計劃資助項目(102102210165)

中圖分類號：S219.4

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.024

作者簡介：劉孟楠，男，1990年生。西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為地面車輛電驅(qū)動系統(tǒng)及機組優(yōu)化匹配。徐立友，男，1974年生。河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院副院長、教授。周志立，男，1957年生。河南科技大學(xué)副校長、教授。劉衛(wèi)國，男，1962年生。國機重工建筑機械有限公司研究所工程師。