雙軸驅(qū)動混合動力公鐵牽引車建模與性能仿真

喻　劍，朱詩順，孫　燕

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

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● 車輛工程Vehicle Engineering

雙軸驅(qū)動混合動力公鐵牽引車建模與性能仿真

喻劍1，朱詩順2，孫燕2

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

為模擬研究混合動力公鐵牽引車性能，分析了混合動力公鐵牽引車運行時的受力情況，在Simulink環(huán)境下建立整車動力學(xué)模型和雙軸驅(qū)動速度控制模型、驅(qū)動力控制模型，構(gòu)建了混合動力公鐵牽引車仿真模型。利用該模型進行整車動力性能仿真，結(jié)果表明整車性能參數(shù)接近實測值，驗證了仿真模型的合理性。

混合動力；公鐵牽引車；建模仿真

進行混合動力公鐵牽引車性能仿真是降低整車研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期的重要途徑。汽車仿真軟件Advisor已被廣泛用于電動汽車及混合動力汽車的仿真分析中，但由于最初開發(fā)條件的限制，該軟件不能直接用于混合動力公鐵牽引車動力性能仿真。本文針對混合動力公鐵牽引車運行特點，對Advisor進行二次開發(fā)[1-2]，在Simulink環(huán)境下建立混合動力公鐵牽引車雙軸驅(qū)動仿真模型，用于混合動力公鐵牽引車的動力性與經(jīng)濟性仿真。

1　混合動力公鐵牽引車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合動力公鐵牽引車采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)型式，主要部件包括發(fā)動機、電動機、動力電池組、發(fā)電機及液壓導(dǎo)向系統(tǒng)。發(fā)動機—發(fā)電機組輸出功率可向動力電池組充電，也可以直接用于驅(qū)動車輛。動力電池組可以直接輸出功率至驅(qū)動電機，實現(xiàn)純電動行駛。公路、鐵路轉(zhuǎn)換行駛時，動力電池組向液壓系統(tǒng)提供動力，傳輸至導(dǎo)向機構(gòu)，完成牽引車的上軌或下軌作業(yè)，動力系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　動力系統(tǒng)原理

2　仿真模型的建立

2.1車輛行駛受力分析

設(shè)四輪驅(qū)動混合動力公鐵牽引車在坡度為α的鐵路線上牽引作業(yè)，初速度為V0，末速度為Vt，加速度為a，驅(qū)動力為Ft，牽引車在行駛過程中受到空氣阻力為Fw，滾動阻力為Ff，坡度阻力為Fi，加速阻力為Fj，鐵路貨車對牽引車的牽引阻力為Fq，牽引車鐵路牽引時受力分析圖如圖2所示。

圖2　雙軸驅(qū)動混合動力公鐵牽引車受力分析

根據(jù)汽車行駛平衡方程：

Ft-Fw-Ff-Fi-Fq=δma

(1)

牽引車極限驅(qū)動力：

Fmax=F1+F2=W1×μ+W2×μ=μmgcosα

(2)

式中：W1為牽引車前軸負(fù)荷，N；W2為牽引車后軸負(fù)荷，N；m為牽引車質(zhì)量，kg；μ為黏著系數(shù)；δ為牽引車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，δ取1.1。

其中，加速度為

(3)

平均速度為

(4)

空氣阻力為

(5)

式中：ρ為空氣密度，ρ= 1.225 8 N·s2·m-4；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2。

滾動阻力為

(6)

坡度阻力為

Fi=mgsinα

(7)

加速阻力為

(8)

由于牽引車在鐵路線牽引作業(yè)方式為直線牽引，因此牽引阻力主要考慮運行阻力、坡度附加阻力以及加速阻力[3]。鐵路牽引阻力為

Fq=W0+Wi+Wj=w0Mg+wiMg+γMa

(9)

式中：W0為被牽引貨車行駛阻力，N；Wi為被牽引貨車坡度阻力，N；Wj為被牽引貨車加速阻力，N；γ為被牽引貨車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，取1.08；w0為行駛阻力系數(shù)；wi為坡度阻力系數(shù)；M為被牽引貨車質(zhì)量，kg。

其中，行駛阻力系數(shù)(空貨車)為

w0=(2．23+0．005 3v+0.000 675v2)×10-3

坡度阻力系數(shù)為

wi=0．1×tanα

2.2整車模型的建立

整車模型包括前饋計算路徑及后饋計算路徑。前饋路徑根據(jù)車軸模塊傳遞的實際牽引力和車速，計算出下一步長的初始速度(當(dāng)前步長的末速度)。依據(jù)式(1)，可以得出平均車速的二次多項式方程：

Mg(w0+wi)+mg(sinα+f1cosα)-

(10)

圖3　整車模型

2.3雙軸驅(qū)動整車控制模型的建立

Advisor仿真平臺只提供前軸驅(qū)動(FWD)控制模塊，需要對原整車控制模塊進行修改，使其變?yōu)檫m用于混合動力公鐵牽引車的雙軸驅(qū)動(4WD)型式。該模塊的建模思路是限制計算的驅(qū)動力不超過輪胎與軌道間的最大黏著力，以及限制整車速度不超過其最大驅(qū)動力所能提供的極限速度[4]。

將式(2)—(9)帶入式(1)中求解，得到在車輪黏著極限時，即牽引車所能達(dá)到最大驅(qū)動力情況下能產(chǎn)生的最大速度Vt：

(11)

同理，當(dāng)牽引車制動時，制動力達(dá)到極限黏著力，即Fmax提供制動力，方向相反。因此在牽引車達(dá)到制動黏著極限時所能達(dá)到的最小車速為

Vt′=[-mgμcosα-mg(f1cosα+sinα)-

(12)

通過上述分析，當(dāng)牽引車在鐵路牽引作業(yè)時，雙軸驅(qū)動車速控制模塊將限制牽引車速度不超過其實際運行能力。在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立的四輪驅(qū)動車速控制模塊如圖4所示。

四輪驅(qū)動牽引車無論是在加速還是減速情況下，驅(qū)動輪載荷保持不變，即最大驅(qū)動力不變，整車動力性能不受影響。驅(qū)動力控制模塊是限制牽引車最大驅(qū)動力不超過車輪與鐵軌間的極限黏著力[5]。在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立的整車驅(qū)動力控制模塊如圖5所示。

3　性能仿真

某型混合動力公鐵牽引車動力系統(tǒng)各部件參數(shù)見表1。循環(huán)工況根據(jù)鐵路牽引作業(yè)實測數(shù)據(jù)得到的鐵路牽引一般循環(huán)工況(如圖6所示)。

圖6　鐵路牽引循環(huán)工況

部件參數(shù)名稱　數(shù)值發(fā)動機最大功率/kW45額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3200最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)165電動機額定功率/kW30額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1470額定轉(zhuǎn)矩/(N·m)195最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)390蓄電池電池電壓/V512電池容量/(A·h)120電池能量/(kW·h)45

通過仿真得到鐵路牽引循環(huán)工況下的車速跟隨曲線(如圖7所示)。由圖可見，牽引車可以很好地跟隨循環(huán)工況預(yù)定車速，牽引車滿載牽引最高速度可達(dá)到15 km/h。當(dāng)牽引車加速至最高速度時，實際車速與需求車速有所偏差，偏差速度在0.15 km/h范圍內(nèi)(如圖8所示)。但偏差速度不影響整車的動力性能，滿足設(shè)計要求。

圖7　車速跟隨曲線

圖8　速度偏差曲線

仿真得到動力電池組荷電狀態(tài)(SOC)變化曲線如圖9所示，由圖可見，車輛在跟隨預(yù)定車速行駛過程中，車輛在牽引起步時，SOC下降較快；車輛勻速牽引車，SOC下降較為平緩。由于采用能量回收控制策略，在車輛制動時，SOC值略有上升。因此，動力電池組荷電狀態(tài)仿真結(jié)果符合實際使用情況。

圖9　荷電狀態(tài)變化曲線

為了驗證仿真模型的合理性，進行了同噸位混合動力公鐵牽引車與內(nèi)燃公鐵牽引車動力性比較，其結(jié)果見表2。由表2可知，混合動力公鐵牽引車性能仿真結(jié)果與內(nèi)燃公鐵牽引車實測結(jié)果基本接近。其中爬坡性能相一致，最大爬坡度為12%，滿載加速時間偏差最大，為7.5%。由此可見，動力性仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，驗證了混合動力公鐵牽引車模型的合理性。

表2　同噸位混合動力公鐵牽引車與內(nèi)燃公鐵牽引車動力性比較

4　結(jié)　語

針對混合動力公鐵牽引車設(shè)計需要，對其進行了受力分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下通過建立整車模型、雙軸驅(qū)動速度控制模型、驅(qū)動力控制模型，構(gòu)建了適用于混合動力公鐵牽引車動力性仿真模型。利用該仿真模型，對混合動力公鐵牽引車進行仿真。結(jié)果表明，整車動力性能符合設(shè)計要求，且動力電池組荷電狀態(tài)始終保持在合理范圍，能量回收控制策略效果明顯。通過同噸位混合動力公鐵牽引車與內(nèi)燃公鐵牽引車動力性能比較，驗證了仿真模型的合理性。

[1]朱詩順,任永樂,郭猛超,等.多輪驅(qū)動混合動力車輛的建模與仿真[J].汽車工程,2009(9):829-833.

[2]朱詩順,王星博,駱?biāo)鼐?等.基于ADVISOR的4軸全輪驅(qū)動車輛驅(qū)動系統(tǒng)仿真模塊的開發(fā)[J].汽車工程,2008(12):1075-1078.

[3]TB/T 1407-1998, 列車牽引計算規(guī)程[S].

[4]張寶迪,張欣,席利賀,等.混合動力推土機建模與全工況經(jīng)濟性仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2015(6):294-302.

[5]SAME A, STIPE A. A study on optimization of hybrid drive train using advanced vehicle(ADVISOR)[J].Journal of Power Sources,2010,195(19):6854-6963.

(編輯：張峰)

Modeling and Performance Simulation of Two-axle-drive Hybrid Road-rail Towing Tractor

YU Jian1, ZHU Shishun2, SUN Yan2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To simulate the performance of hybrid road-rail towing tractor, the paper analyzes its force condition at runtime, and establishes whole vehicle dynamics model, two-axle-drive speed control model and driving force control model under Simulink. It also establishes hybrid road-rail towing tractor simulation model, and simulates the dynamics performance of the whole vehicle with this model. The result shows that the performance parameter of whole vehicle is close to the measured value, which can verify the reasonability of the simulation model.

hybrid; road-rail towing tractor; modeling simulation

2016-05-27；

2016-08-29．

2014年企業(yè)合作項目.

喻劍(1991—)，男，碩士研究生；

朱詩順(1960—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.011

U464.173

A

1674-2192(2016)10- 0044- 05