P2构架混合动力拖拉机动力系统设计及参数匹配计算研究.pdf
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1、 构架混合动力拖拉机动力系统设计及参数匹配计算研究魏明亮,席德翔,董东升,王蕊,隆武强,田华(智能农业动力装备全国重点实验室,河南 洛阳 ;大连理工大学能源与动力学院,辽宁 大连 ;洛阳拖拉机研究所有限公司,河南 洛阳 )摘要:拖拉机是从事农业生产活动必不可少的工具,而传统拖拉机存在油耗与排放较高等问题,研究表明开展农用混合动力拖拉机动力系统研究可以有效改善拖拉机的燃油经济性和排放。拖拉机具有作业模式多样、作业时发动机负荷高、作业地面环境复杂引起负荷变化范围大等特点。因此,基于拖拉机作业模式特点和功率范围特征开展混合动力拖拉机系统设计十分必要。本研究针对一款中型拖拉机,分析其作业特点和功率需求
2、,设计了一种并联式 构架的拖拉机混合动力系统,并对混合动力系统的发动机、电动机、电池等主要参数进行了匹配计算。计算表明在犁耕作业模式下,发动机固定在高效率工作点与作业时功率需求有关;电动机功率与混合度、发动机作业时的功率有关,随混合度的增大而增大;电池容量与纯电续航、混合度有关,随纯电续航时间和混合度的增大而增大。关键词:混合动力;拖拉机;驱动系统;参数匹配中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,:;在农业领域,拖拉机被广泛应用,是农业生产活动中不可或缺的设备。随着技术的发展和排放法规越来越严格,拖拉机的传统动力系统效率较低、排放较高的问题越来越突出,使用的能源和环境成本高。
3、因此,开展混合动力拖拉机、电动拖拉机等新能源拖拉机的技术开发来提升效率、降低排放已经成为行业发展的趋势 。混合动力拖拉机使用柴油发动机和电动机的组收稿日期:基金项目:拖拉机动力系统国家重点实验室开放基金()第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ,合提供动力 。当柴油发动机需要额外的动力时,电动机会为其提供帮助,从而降低油耗和排放 。此外,电动机可以自行运行,尤其是在执行需要低功率的任务时,从而实现更低的排放。混合动力拖拉机的优点很多,包括油耗低、排放水平低和维护要求低。混合动力拖拉机的低排放和更好的效率意味着它们可以在有严格环境法规和限制的地区运行。此外,与传统拖拉机相比,由
4、于其燃油效率和流线型系统设计,降低了运行成本 。运用混合动力技术,将燃油动力与电池技术相结合,提高了拖拉机的燃油经济性和耗能效率,降低了噪音和排放,有助于提高农业生产的可持续性和绿色发展 。除了环境和经济效益外,混合动力拖拉机还提供了优于传统拖拉机的动力和控制。电动机为车轮或机具提供即时精确的扭矩,从而实现更精确的控制、更快的响应和更高效的操作 。全球最大的农业设备制造商 推出了 系列混合动力拖拉机,与传统拖拉机相比,该拖拉机的燃油节约高达 。此外,系列拖拉机配备了 动力换档变速器,可将油耗额外降低 。公司是一家领先的农业机械制造商,旗下品牌包括 、和 ,该公司也对降低排放和电力成本的混合动力
5、技术表现出了浓厚的兴趣。该公司已经在各种条件下对其混合动力拖拉机进行了测试,并报告称排放量和油耗显著减少了 。拖拉机混合动力系统构架主要有串联式、并联式和混联式三种 ,其中并联式和混联式混合动力系统中发动机和电机都可以独立灵活控制提供动力 。且电机的快速响应性的特点可以充分发挥。本研究针对拖拉机工作特点,围绕一款中型拖拉机开展混合动力技术构架研究,选定了并联式混合动力系统构架作为研究对象,拖拉机以发动机和电动机作为动力源,两者可单独或共同为整车提供动力。开展发动机高效工作点选配、电动机和电池的性能参数匹配计算与匹配,为整车系统仿真提供基础参数。拖拉机整车参数和动力性指标要求拖拉机混合动力系统的
6、设计需要了解整车的设计参数,主要包括整车质量、车轮半径等;需要满足整车的性能指标,主要包括最高车速、爬坡度和最大作业功率等。拖拉机整车参数和动力性指标如表 所示。表 整车的基本参数和动力性指标 参数数值迎风面积 最大使用质量 最小使用质量 车轮半径 最高车速()最低车速()爬坡度 额定牵引功率 连续作业时长 拖拉机混合动力系统构架设计拖拉机混合动力系统的设计需要结合作业工况的特点,拖拉机作业功率输出主要包括牵引作业和 输出作业两大类,牵引作业常用工作模式为犁耕作业,输出作业常用工作模式代表为旋耕作业。为了更好地分析作业功率需求,采用拖拉机实地作业的方法获取了犁耕作业的瞬态功率,其中犁耕作业功率
7、和油耗随作业时间的瞬态变化如图 所示。拖拉机作业时功率变化呈现梯形的特点,主要是因为拖拉机作业时存在田间地头掉头作业的特点,即作业 掉头 作业,且存在掉头和作业模式下的功率需求相差巨大。犁耕作业时间段内,功率需求也存在较大变化,功率需求在 之间持续变化,这主要是由于田间地块的平整度不同导致功率需求的不断变化。而功率需求持续变化的特点也导致发动机负荷的变化,这不利于发动机燃油消耗和排放的降低,同时对发动机的瞬态响应提出了更高的要求。而电动机具有瞬态响应快的特点,这就为采用混合动力技术来提高拖拉机性能提供了可能。图 拖拉机犁耕作业瞬态功率和油耗 结合以上分析,设计了一种拖拉机并联式混合动力系统,系
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