增程式电动拖拉机及其旋耕机组仿真平台开发

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1、增程式电动拖拉机及其旋耕机组仿真平台开发刘孟楠;徐立友;周志立;刘卫国【摘 要】针对电动拖拉机研究领域常用仿真方法通用性较差、涉及机组作业的仿 真平台尚不完善等问题，以东方红500(YTO-500)拖拉机为研究对象,设计了电动拖 拉机结构方案和驱动系统参数，基于CRUISE建立了增程式电动拖拉机仿真平台。仿真分析了电动拖拉机与传统拖拉机的牵引性能,以及低速循环工况下拖拉机的地 面特性和能耗情况,结果表明,建立的电动拖拉机仿真模型能够较好地模拟拖拉机行 驶状况。通过分析拖拉机动力系、行走系与动力输出轴之间的转矩耦合关系,提出 了一种旋耕机组等效模型,建立了电动拖拉机旋耕机组仿真平台,仿真结果表明

2、,机组 作业速度处于3.65 km/h附近，旋耕机主轴转速保持在200 r/min,符合东方红500 拖拉机旋耕机组试验结果，车速提高了 14%,燃油消耗下降了 34.4%。Aimed at the existing conditions that simulation methods of in the field of electric trac-tor research were non-universal,and the simulation platforms concerned with working units were without complete functions.Y

3、TO-500 tractor was selected as the research object,the structural pro-ject and the driving parameters of the electric tractor were designed,the simulative platform of ex-tended range electric tractor was established based on CRUISE.By simulating tractive behaviors of the electric and the traditional

4、 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 tractors running conditions well.By researching the coupling relationship of torques among its power train,drivi

5、ng train and PTO(power take off),an equivalent model was taken out. Simulation platform of extended range electric tractors rotary cultivator was established.The simula-tion expresses that the speed of the working unit approximately maintains 3.65 km/h,the rotate speed of the rotary cultivators prin

6、cipal axis maintains 200 r/min,the simulation results correspond to the YTO 500 tractors experiments.By comparison,the speed increases by 14%,and the consumption of fuel decreases by 34.4%.【期刊名称】中国机械工程年(卷),期】2016(000)003【总页数】7页(P413-419) 【关键词】 电动拖拉机;旋耕机组;性能分析;仿真平台【作 者】 刘孟楠;徐立友;周志立;刘卫国【作者单位】 西安理工大学，西

7、安，710048;河南科技大学，洛阳，471003;河南 科技大学，洛阳，471003;国机重工建筑机械有限公司研究所，洛阳，471009【正文语种】 中文【中图分类】 S219.4电动拖拉机是农业工程领域的研究热点之一，其意义充分契合中国国家能源战略相 关科学、高效、绿色、低碳的特点，满足全国农业机械化科技发展“十二五”规 划关于加快转变农业发展方式，发展增产增效型、资源节约型、环境友好型农机 化技术的要求1-3。AVL CRUISE、Advisor、CarSim、PSAT等整车性能仿真软 件广泛应用于乘用车、商务车等道路车辆的开发和性能分析中4-9。非道路车辆 广泛存在入土元件，相关仿真平

8、台多基于MATLAB/Simulink开发，仿真平台具 有较好的适用性和灵活性，仿真效果良好10-15，但存在建模过程繁琐、后处理 复杂及通用性较差等缺点。高辉松等16-17通过对Advisor顶层模块进行二次开 发，搭建了电动拖拉机的仿真平台；孙强等18 基于CRUISE/Simulink提出了履 带式推土机推土工况的仿真方法，均获得了较好的仿真结果。CRUISE主要针对道路车辆行驶工况进行前向性仿真19，CRUISE用于拖拉机的 相关研究时需要结合整车及机组的结构特点和相关参数搭建整车模型和农机具模型， 并在框架内实现动力耦合关系，仿真时需要确保机组动力系统、行驶系统和耕作系 统间的输出特

9、性关系符合相关实际要求20-21，有效体现驱动轮滑转率、蓄电池 荷电状态(SOC)、动力输出轴(power take off，PTO)转速、转矩等描述机组工作 状态的变量跟随行驶工况及入土部件负载转矩变化的情况。鉴于此，本文基于 CRUISE，针对旋耕工况开发增程式电动拖拉机及其机组的仿真平台。1.1 结构设计农业拖拉机作业过程具有较高负荷率及较长周期，设计电驱动系统需要保证拖拉机 具有充足的续航能力。本文采用增程式能源系统针对东方红500(YTO-500)轮式拖 拉机设计电驱动系统，其结构如图1所示，主要组件包括柴油机、发电机、蓄电 池组、电机控制器、牵引电动机、变速箱、中央传动、动力输出轴

10、等。其中蓄电池 组作为主能源，高速柴油机/发电机组作为辅助能源。当蓄电池SOC值Ssoc较低 时，通过控制系统可实现二者之间的电功率单向供给，这样可提高电动拖拉机的续 航能力。1.2 参数匹配为保证电动拖拉机动力系统外特性能够满足YTO-5OO的常遇工况要求，设计牵引 电动机应保证其额定功率不小于该型号拖拉机配套柴油机 YT4A1-T1 的额定功率， 额定转矩应满足配套犁耕工况下负载牵引力需求，即式中,Prated, nrated、Trated分别为电动拖拉机牵引电动机额定功率、转速、 转矩；wp为耕幅；hp为耕深；k为土壤比阻；itO为拖拉机变速器传动比；itg为 拖拉机中央传动比；ntm为

11、拖拉机传动系机械效率。以比阻值k为0.8 10 N/cm2的北方未耕黏土地作为犁耕工况试验土地，拖拉机 配套农机具（耕地机械）参数如表1所示。蓄电池能量容量应能够在设定工况范围内满足牵引电动机的功率需求：式中，Eb为蓄电池的能量容量；nb为蓄电池个数；Vb为蓄电池组端电压；Ib为 蓄电池组端电流；Em为牵引电动机的能量需求；Pm为牵引电动机的机械功率输 出；ntm为牵引电动机能量转换效率。拖拉机底盘轮胎及车架参数保留YTO-500相关结构参数，设计整车主要参数如表 2所示。1.3 增程式电动拖拉机仿真平台基于CRUISE搭建增程式电动拖拉机及传统拖拉机仿真平台，如图2所示。图2a 中，柴油机和

12、发电机启动信号及负载信号通过Energy systems control模块进行 控制。相关控制策略基于蓄电池组SOC值平衡制定，设定相应阈值为45% 70%。 当蓄电池组SOC值低于阈值下限时，柴油机和发电机的启动信号为1,柴油机通 过基于转速的逻辑门策略控制，发电机高效运行对蓄电池充电。当蓄电池组SOC 值高于阈值上限时，增程系统启动信号为0 ，蓄电池停止充电。牵引电动机的启动 情况由驾驶员模块的启动信号控制，输出特性情况由加速踏板信号控制。换挡过程 由Gear control模块控制，在保证牵引电动机高效运行的基础上制定换挡策略， 并由转速控制实现。仿真过程中差速器模块差速解锁，附着率和

13、滑转率等车辆-地 面参数根据YTO-500拖拉机相关试验结果赋值。1.4 模型验证基于图2搭建的仿真平台，在Project Data下通过Task Folder模块设定运算步 长、准静态计算模式的时间间隔、速度间隔等外部参数；通过Maximum Traction Force模块根据牵引试验台附近环境采样数据，设定环境温度为20 C、 相对湿度为65%、风速为5 km/h、空气密度为1.19 kg/m3 ;基于最优燃油消耗 率设定换挡策略，进行牵引性能仿真实验，并与YTO-500拖拉机相关试验结果进 行对比，如图3、图4所示。图3所示为拖拉机外特性仿真结果，图中，等功率线上的数值单位为kW。仿真

14、I 挡运行状态时，当牵引电机转速超过基速后外特性曲线与30 kW等功率曲线基本 重合，符合电机驱动调速特点；仿真口挡运行状态时，当车速超过15 km/h时， 其外特性曲线被30 kW等功率曲线包络，其原因是拖拉机迎风面积大且风阻系数 大。图4所示为拖拉机牵引功率仿真结果，图中，牵引力曲线上的数值单位为kN。由 图4可知，车速范围为5 12 km/h时拖拉机具有较高的牵引效率，其原因是， 低速重载工况时驱动轮滑转严重，造成一定的功率损失。采用2挡变速器的电动拖拉机的调速特性曲线及牵引功率特性曲线完全覆盖采用8 挡变速器的传统拖拉机的相应曲线，动力性较好，牵引效率较高；在一定速度范围 内，电动拖拉

15、机可实现无级变速；由于牵引电动机具有接近理想情况的输出特性场， 其变速器机械结构相对YTO-500拖拉机原有6F+2R式变速器机械结构来说简化 了75% ；仿真结果符合前期相关研究22结论。基于 UDC-CVT(United States drive cycle-continuously variable transmission) 工况，设定仿真工况下车速为原工况的0.5倍，蓄电池初始SOC值为60%，执行 5次工况循环。柴油机燃油消耗、蓄电池组SOC值及电能消耗情况如图5所示。 由图5可见，运行326.2 s后，蓄电池组SOC值低于阈值下限，柴油机启动，燃 油消耗率达到5.33 L/h，充

16、电过程中蓄电池做负功，电能消耗开始下降；运行 570.3 s后，经过充电的蓄电池组SOC值高于阈值上限，此时累计消耗燃油0.36L，柴油机/发电机组关闭，电能消耗开始增加，蓄电池组SOC值开始下降；此工 况下传统拖拉机平均燃油消耗率为5.31L/h，电动拖拉机平均燃油消耗率为1.85 L/h。行驶距离、车速及驱动轮滑转情况如图 6 所示。牵引电动机转速超过基速后，其 端电压不变，磁通衰减，具有恒功率机械特性，拖拉机牵引力与车速成近似反比关 系。由图6 可见，驱动轮滑转率随车速增大而减小，对牵引力变化具有较好的跟 随性。根据以上分析，所建立的增程式电动拖拉机仿真模型能够较好地模拟拖拉机行驶状 况

17、，可用于搭建机组仿真平台。2.1 旋耕机组动力学模型电动拖拉机牵引旋耕机组作业时机组功率平衡关系为式中，Pdrive为拖拉机行驶功率；Pr为旋耕机功率消耗；v为机组行进速度；m 为拖拉机使用质量；f为滚动阻力系数；a为坡度角；CD为拖拉机风阻系数；A 为拖拉机迎风面积；6为拖拉机质量换算系数；Pc为切土功率消耗；Pth为抛土 功率消耗；Pa为旋耕机前进功率消耗；Pre为克服土壤水平反力的功率消耗； nrm为旋耕机机械传动效率。切土功率Pc和抛土功率Pth可占旋耕机全部消耗功率的70%以上，正转旋耕机 刀片部分的功率可部分或全部取代前进功率Pa。若PrenPa,则由二者共同驱动 旋耕机前进，否则

18、将产生寄生功率，造成机械损失，加重传动系统的负荷。YTO- 500装配双作用离合器，可实现PTO动力的独立控制，旋耕作业时机组存在如下 关系：式中，PPTO为动力输出轴功率消耗；nPTO为动力输出轴转速；TPTO为动力输 出轴转矩；vr为旋耕机前进速度。电动拖拉机驱动系统应保证牵引电动机输出转速nm同旋耕机刀轴转速nr与驱动 桥半轴转速 ndrive 三者之间存在如下关系： 根据式(5)和式(7)，旋耕机刀片同车轮之间存在转矩耦合的关系，即 式中，Tm为牵引电动机输出转矩；Tdrive为驱动桥半轴转矩；Tr为旋耕机刀轴 转矩；itn为第n挡传动比；ir为动力输出轴与牵引电动机之间的传动比。2.

19、2 旋耕机组耦合关系分析 基于上述分析，建立机组仿真模型的关键是实现车轮与旋耕机刀片之间的转矩耦合 关系。机械转矩耦合原理如图 7 所示，端口1 单向输入，端口2 和端口 3 双向输 出。三者机械特性之间存在如下关系：式中，T1、T2、T3分别为端口 1、端口 2、端口 3处转矩；n1、n2、n3分别为 端口 1、端口 2、端口 3处转速；i1-2为端口 1和端口 2之间的速比；i1-3为端 口 1 和端口 3 之间的速比。图8a为拖拉机牵引旋耕机组作业模型简图，其中牵引电动机对应图7端口 1,驱 动轮对应端口 2，旋耕机刀片由PTO驱动，对应端口 3。图8b所示为等效模型， 其中牵引电动机对

20、应端口1 ，端口3旋耕机等效为单轴牵引车，与端口2驱动轮 之间通过牵引关系实现转矩耦合，三者机械特性之间关系为式中，Rdrive为驱动轮半径；Rr为旋耕机刀片动力学半径；为等效模型中旋耕机 刀片转速；为等效模型中旋耕机刀片输入转矩；为等效模型中驱动轮转速；为等效 模型中驱动轮输入转矩；为等效模型中牵引电动机输出轴端转速；为等效模型中牵 引电动机输出轴端转矩。对比式(9)式(11)与式(12)式(14)可知，图8b所示等效模型可以体现机组牵引 电动机、驱动轮、旋耕机之间的转矩耦合关系，基于此建立仿真模型可以避免构建 复杂的转矩耦合机构。2.3 旋耕机组仿真平台通过CRUISE中的Trailer模

21、块、Wheel模块及Flange模块，构建旋耕机仿真模 型。选择表1中型号为1GQN-180的旋耕机匹配图2a所示的增程式电动拖拉机 仿真模型，搭建增程式电动拖拉机旋耕机组仿真平台如图9所示。图9中旋耕机的前进功率损耗通过模拟车轮的行驶阻力功率实现；刀片切土、抛土及其他功率损耗由模型中与车轮刚性机械连接的Flange模块通过加载转矩特性 模块模拟。通过Map模块设定符合正态分布的土壤阻力采样参数来模拟耕作阻力 变化情况。2.4 仿真分析仿真工况：设置电动拖拉机变速器挡位为I挡，蓄电池组初始SOC值为50%。 仿真结果如图10图12所示。由图10可知，拖拉机牵引电动机、车轮及旋耕机 刀片三者转矩

22、变化趋势相同；考虑三者之间传动比的关系，忽略机械传动损失，牵 引电动机输出转矩数值上等于驱动轮输入转矩与所有刀片输入转矩之和，符合转矩 耦合特征。仿真模型可有效模拟拖拉机旋耕机组作业工况。由图11可知，旋耕机组行驶速度保持在3.65 km/h附近，刀轴转速保持在200 r/min左右；行驶距离曲线斜率基本保持恒定。根据YTO-500拖拉机相关试验结 果，当其牵引型号为1GQN-180旋耕机作业时，变速器保持在I挡工作，全程车 速保持在3.2 km/h左右；PTO转速为540 r/min，刀轴转速为200 r/min。仿真 过程中机组主要部件动力学特性符合YTO-500拖拉机试验结果。对比图10

23、、图 11可知，刀片输入转矩对负载转矩的跟随性良好。由图12可知，运行206 s后蓄电池组SOC值低于阈值下限，柴油机启动。充电 速率大于蓄电池耗电速率，蓄电池组电功率开始下降，累积燃油消耗量开始上升； 柴油机启动时平均燃油消耗率为8.3 L/h ，全程共耗油0.93 L。柴油机工作点分布状况如图13所示，图中，粗体数字表示柴油机工作点分布情况 （工作点数），点划线表示等燃油消耗率，其上的数值单位为L/h。仿真过程中，柴 油机工作区间稳定，工作点分布较为集中，34.76%左右的工作点分布于柴油机启 动特性区，64.67%左右的工作点分布于图中深色区域，其比率符合柴油机启动时间对仿真时间的比值。

24、柴油机启动后的工作点集中区域平均油耗为9.817 L/h，仿 真全程平均油耗为6.34 L/h ；对传统拖拉机在相似土壤条件试验田中旋耕作业试 验测得的油耗为9.67 10.26 L/h，因此增程式电动旋耕机组经济性提升34.4%以 上。电动机的电力特性如图14所示，平台中能源系统模块遵循恒压控制原理，保持电 压在310 V附近，输出电流随负载发生变化。对比图10可知，电动机电流特性对 行走系、旋耕机的机械特性跟随性良好。仿真过程中，电动机能量使用效率随负载 波动而变化，平均可达80.7%。(1) 建立了基于CRUISE的拖拉机整车仿真模型，该模型能有效模拟拖拉机的行驶 工况和增程式电动拖拉机

25、能量管理策略。(2) 提出了旋耕机组等效模型，避免了单向型仿真平台由于机组连接点处功率循环 现象造成的计算问题，减小了工作量。(3) 建立了基于CRUISE的增程式电动拖拉机旋耕机组仿真平台，仿真结果中动力 部件动力性符合东方红500拖拉机相关试验结果，电力输出特性对负载变化情况 的跟随性良好，能有效模拟旋耕机组作业工况。【相关文献】1 农业部全国农业机械化发展第十二个五年规划(2011-2015年)N.农机化导报，2011-9-12(01).2 张铁民，闫国琦，温利利，等.我国电动力农业机械发展现状与趋势几农机化研究，2012(4): 236-240.Zhang Tiemin, Yan Gu

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