基于Simulink的純電動拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)仿真研究

張鑫 趙光龍 葛紅恩

摘要：針對燃油拖拉機(jī)目前存在高污染、高油耗等問題，電動拖拉機(jī)的研發(fā)應(yīng)用成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一個重要發(fā)展方向。在理論計算的基礎(chǔ)上對牽引電動機(jī)、變速器和動力電池組等進(jìn)行了選型設(shè)計，并對設(shè)計研發(fā)中的純電動拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。研究表明，所建模型能夠真實地反映電動拖拉機(jī)的運行狀態(tài)，實際速度與目標(biāo)速度吻合良好，兩者誤差絕對值的平均值為0.298，電動拖拉機(jī)在運輸工況下持續(xù)工作時間可達(dá)4.5 h，在犁耕工況下工作時長為4.2 h。

關(guān)鍵詞：純電動拖拉機(jī);傳動系統(tǒng);仿真研究;動力性能;農(nóng)業(yè)機(jī)械

中圖分類號：S219.032.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0229-04

拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的動力機(jī)械，其保有量呈逐年增加態(tài)勢。“十二五”期間，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化主動適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新要求，各方面工作穩(wěn)步推進(jìn)，“十二五”規(guī)劃目標(biāo)任務(wù)全部完成，大中型拖拉機(jī)保有量達(dá)到607.3萬臺，是“十一五”末的1.5倍[1]。但在現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的仍然是傳統(tǒng)類型的燃油拖拉機(jī)，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻。“十三五”規(guī)劃提出農(nóng)機(jī)生產(chǎn)要圍繞發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型機(jī)械化的目標(biāo)，改善農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)狀態(tài)，提高能源利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排[2-3]。因此，發(fā)展對環(huán)境更友好的純電動拖拉機(jī)對改善以上問題具有重大意義。

我國目前對電動拖拉機(jī)的研究較少，主要集中在高校團(tuán)隊，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松團(tuán)隊研究了電動拖拉機(jī)各部件的匹配方法，西北農(nóng)林科技大學(xué)的盧毅等研究設(shè)計了一種可遙控的小型履帶電動拖拉機(jī)[4]。本研究在理論計算、設(shè)計選型的基礎(chǔ)上，主要對純電動拖拉機(jī)的傳動系統(tǒng)進(jìn)行仿真并對其性能進(jìn)行分析。

1 電動拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 牽引平衡方程式

圖1為電動拖拉機(jī)的受力結(jié)構(gòu)。

3 仿真結(jié)果與分析

電動拖拉機(jī)在完成基本的運輸作業(yè)之外，還要完成耕種、播種、收獲等田間任務(wù)。針對電動拖拉機(jī)作業(yè)情況的復(fù)雜性，在結(jié)合實際生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，建立了2種測試工況：運輸作業(yè)測試工況和犁耕作業(yè)測試工況。如圖5所示，選取低速市郊行駛工況（extra urban driving cycle，簡稱EUDC）測試工況為運輸作業(yè)測試工況。該工況運行時間共400 s，平均速度為12-51 km/h，最高速度為17.83 km/h，運行距離共1.39 km，怠速時間共42 s[10]。

犁耕作業(yè)時，電動拖拉機(jī)勻速行駛，結(jié)合實際生產(chǎn)作業(yè)情況，選取作業(yè)速度為5 km/h，故選擇等速測試工況作為犁耕作業(yè)測試工況。

對所建立的仿真模型進(jìn)行工況輸入，以EUDC測試工況作為輸入，采取PID[比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential）]模糊控制原理，運行后得到實際速度與目標(biāo)速度的對比曲線，為更直觀表現(xiàn)兩者之間的誤差，作出兩者之間的差值曲線（圖6）。

由圖6的仿真結(jié)果可以看出，在仿真過程中，電動拖拉機(jī)的實際速度曲線和設(shè)定的目標(biāo)循環(huán)工況運行速度吻合情況良好，兩者之間差值的絕對值的最大值為2.02，最大值出現(xiàn)在時間為375 s處，此時拖拉機(jī)處在由最大速度減速至停車的階段，由此產(chǎn)生一個較大的誤差，并且較大的誤差值多出現(xiàn)在速度突變處。差值的絕對值的平均值為0.298，速度誤差相較于運行速度較小。由此可以說明，所建立的電動拖拉機(jī)仿真模型能夠在貼近實際的情況下真實地模擬拖拉機(jī)在道路上的行駛情況。

在驗證了所建模型能夠真實反映拖拉機(jī)行駛特性的基礎(chǔ)上，對電動拖拉機(jī)模型進(jìn)行仿真，測試研發(fā)中的電動拖拉機(jī)的性能，其中電動拖拉機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，得到電動拖拉機(jī)的仿真結(jié)果如下所示。

3.1 爬坡性分析

由圖7可知，在低速時電動拖拉機(jī)具有較好的爬坡性能，超過一定速度后，隨著速度的增加，電動拖拉機(jī)的爬坡性能降低。

3.2 加速時間分析

由圖8可知，在路況良好的路面上行駛時，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為0～10 km/h時，加速時間為1 s;當(dāng)行駛速度為0～25 km/h 時，加速時間為3.8 s。

3.3 剩余電量分析

以低速EUDC測試工況為運輸作業(yè)工況輸入，等速測試工況為犁耕工況輸入，設(shè)定SOC初始值為85%，在完成5個EUDC測試工況循環(huán)后，記錄電動拖拉機(jī)SOC值的變化情況（圖9、圖10）。

由圖9可知，在完成5個測試工況循環(huán)后，電動拖拉機(jī)動力電池組的剩余電量從85%減少到74.6%，消耗量為10.4%。

隨著時間的延長，電池的SOC呈平緩下降趨勢，在怠速期間，電池電量保持短時間基本不變。根據(jù)能量守恒定律，通過換算可以得出，電量消耗到0的時間約為16 346 s，即約為 4.5 h，符合設(shè)計初始要求。

由圖10可知，當(dāng)電動拖拉機(jī)在勻速狀態(tài)下持續(xù)工作時，電池的SOC呈直線下降趨勢，在經(jīng)過2 000 s的持續(xù)作業(yè)后，電池SOC由85%下降到73.8%。通過能量守恒計算，得到電池電量消耗到0的時間約為15 178 s，即約為4.2 h，滿足犁耕作業(yè)環(huán)境下對電動拖拉機(jī)持續(xù)作業(yè)時間的要求。

4 結(jié)論

根據(jù)目前電動拖拉機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，本研究結(jié)合電動車輛在農(nóng)用機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用前景，基于拖拉機(jī)的作業(yè)特點，對電動拖拉機(jī)的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并且在Simulink仿真環(huán)境下對設(shè)計研發(fā)中的電動拖拉機(jī)進(jìn)行仿真測試。測試結(jié)果表明，電動拖拉機(jī)的仿真速度能夠很好地跟隨目標(biāo)速度，實際速度與目標(biāo)速度差值絕對值的平均值為0.298;電動拖拉機(jī)在低速狀態(tài)下爬坡性能較好，隨著速度增加，其爬坡性明顯減弱;電動拖拉機(jī)的加速性能能夠滿足設(shè)計要求。對電動拖拉機(jī)分別進(jìn)行運輸作業(yè)工況和犁耕作業(yè)工況測試，電動拖拉機(jī)在運輸工況下持續(xù)作業(yè)時間約為4.5 h，在犁耕工況下持續(xù)作業(yè)時間可達(dá)4.2 h。

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