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

1.西安理工大学，西安，710048　　2.河南科技大学，洛阳，4710033.国机重工建筑机械有限公司研究所，洛阳，471009

增程式电动拖拉机及其旋耕机组仿真平台开发

刘孟楠1徐立友2周志立2刘卫国3

1.西安理工大学，西安，7100482.河南科技大学，洛阳，4710033.国机重工建筑机械有限公司研究所，洛阳，471009

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，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%。

关键词：电动拖拉机；旋耕机组；性能分析；仿真平台

0引言

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电动拖拉机仿真建模

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.柴油机　2.发电机　3.变速器　4.动力输出轴　5.中央传动6.驱动轮　7.牵引电动机　8.电机控制器　9.蓄电池组图1　增程式电动拖拉机结构

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-500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

(1)

(2)

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；it0为拖拉机变速器传动比；itg为拖拉机中央传动比；ηtm为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。

表1　YTO-500拖拉机配套耕地机械主要参数

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：

(3)

(4)

Eb≥EmPm(t)≤Prated

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；ηtm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。

表2　增程式电动拖拉机主要参数

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。

(a)增程式电动拖拉机仿真模型

(b)传统拖拉机仿真模型图2　拖拉机整车仿真平台

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 ℃、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　电动拖拉机外特性仿真结果

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Ⅱ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。

图4　电动拖拉机牵引功率仿真结果

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0.36 L，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。

图5　仿真过程耗能情况

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。

图6　仿真过程动力学情况

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，可用于搭建机组仿真平台。

2旋耕机组仿真模型

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

Pm=Pdrive+Pr

(5)

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；α为坡度角；CD为拖拉机风阻系数；A为拖拉机迎风面积；δ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；ηrm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Pre≥Pa，则由二者共同驱动旋耕机前进，否则将产生寄生功率，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：

(6)

v=vr

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：

nm∝nr∝ndrive

(7)

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

(8)

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。

2.2旋耕机组耦合关系分析

图7　转矩耦合示意图

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：

T1n1=T2n2+T3n3

(9)

(10)

n1=i1-2n2=i1-3n3

(11)

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

(12)

(13)

(14)

(a)旋耕机组耦合模型

(b)旋耕机组耦合等效模型图8　机组转矩耦合等效模型简图

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　增程式电动拖拉机旋耕机组CRUISE模型

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。

图10　机组转矩耦合情况

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、图11可知，刀片输入转矩对负载转矩的跟随性良好。

图11　旋耕工况机组运行情况

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。

图12　旋耕工况机组能耗情况

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。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。

图13　柴油机工作点分布状况

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%。

图14　电动机电能使用状态

3结论

(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。

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(编辑苏卫国)

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375145)；河南省科技攻关计划资助项目(102102210165)

中图分类号：S219.4

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

作者简介：刘孟楠，男，1990年生。西安理工大学机械与精密仪器工程学院博士研究生。主要研究方向为地面车辆电驱动系统及机组优化匹配。徐立友，男，1974年生。河南科技大学车辆与交通工程学院副院长、教授。周志立，男，1957年生。河南科技大学副校长、教授。刘卫国，男，1962年生。国机重工建筑机械有限公司研究所工程师。