純電動(dòng)拖拉機(jī)與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)性能對比分析

方樹平，王寧寧，徐立友，易克傳

(1.安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；3.中國一拖集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471004)

純電動(dòng)拖拉機(jī)與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)性能對比分析

方樹平1，王寧寧1，徐立友2,3，易克傳1

(1.安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；3.中國一拖集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471004)

針對傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)排放差、變速箱擋位多及底盤布置柔性化差等問題，基于某型傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)提出了一種純電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案。分別在CI=700的麥茬地、CI=900的麥茬地、柏油路和土路4種典型作業(yè)路面，充分考慮滑轉(zhuǎn)率、牽引效率的影響，借助MatLab軟件預(yù)測了兩種拖拉機(jī)作業(yè)性能。結(jié)果表明：新設(shè)計(jì)的純電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)速度曲線、牽引功率曲線基本能夠覆蓋傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)，作業(yè)性能更優(yōu)。這說明，所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)拖拉機(jī)傳遞方案可行，且結(jié)構(gòu)簡單、擋位少、底盤布置柔性化，具備傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)的作業(yè)能力。

純電動(dòng)拖拉機(jī)；動(dòng)力系統(tǒng)；作業(yè)性能

0 引言

目前我國的拖拉機(jī)技術(shù)發(fā)展水平不高，處于國外20世紀(jì)70-80年代的水平[1]，電子控制技術(shù)剛剛得到應(yīng)用[2]。拖拉機(jī)排放性不佳[3]，隨著拖拉機(jī)專業(yè)化增強(qiáng)、智能化程度增高，變速器將采用增加擋位、動(dòng)力換擋技術(shù)及無極變速技術(shù)來適應(yīng)各種復(fù)雜工況[4-5]，因此拖拉機(jī)的成本將大幅提高，可靠性也帶來挑戰(zhàn)?！笆濉币?guī)劃中，我國明確提出了“牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，走環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路”[6-8]。

隨著環(huán)境污染問題和石油短缺問題的嚴(yán)峻化，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以其環(huán)保、傳輸功率損失小、調(diào)速范圍寬、易實(shí)現(xiàn)智能化的優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外不少企業(yè)、高校和科研院所研究。

文獻(xiàn)[9-10]對分別對功率為5kW和8kW的純電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行了研究，并分析了牽引性能，但均是在原車基礎(chǔ)上改型，底盤布置上并未重新布置設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[11-12]研究了串聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其能量管理策略；文獻(xiàn)[13-17]對并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)進(jìn)行了研究，由于混合動(dòng)力拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、底盤布置不方便、控制系統(tǒng)復(fù)雜且控制難度大，使得對混合動(dòng)力拖拉機(jī)的研究還停留在理論層面。本文對15kW純電動(dòng)拖拉機(jī)展開研究，根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)外特性重新進(jìn)行底盤布置設(shè)計(jì)，并分析其牽引性能，擬通過與原同馬力拖拉機(jī)進(jìn)行性能對比分析，來評價(jià)兩種拖拉機(jī)的性能優(yōu)劣，為純電動(dòng)拖拉機(jī)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 純電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

純電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

1.蓄電池組 2.電機(jī)控制器 3.牽引電動(dòng)機(jī) 4.聯(lián)軸器 5.拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪 6.差速器 7.變速器輸入軸 8.變速器中間軸 9.變速器 10.拖拉機(jī)前輪 11.軸承 12.動(dòng)力輸出軸圖1 純電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

工作時(shí)，由蓄電池組通過電機(jī)控制器給牽引電動(dòng)機(jī)提供電能，通過兩擋變速器和差速器將動(dòng)力傳遞給拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪；該變速器同時(shí)提供動(dòng)力輸出軸，用于旋耕等作業(yè)工況。該拖拉機(jī)有以下特點(diǎn)：傳遞方案簡單，蓄電池組、電機(jī)控制器和牽引電動(dòng)機(jī)之間柔性連接，因此在底盤上布置更加方便，利于載荷分配系數(shù)的調(diào)整；采用兩檔變速器，擋位少，倒擋通過電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，簡化操作；增加了動(dòng)力輸出軸，使更多作業(yè)工況成為可能。

2 兩種拖拉機(jī)主要參數(shù)對比

純電動(dòng)拖拉機(jī)的選型依據(jù)文獻(xiàn)[5-11]，這里簡單講述純電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)比的選擇。該純電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)比的選擇依據(jù)最常用的作業(yè)工況。由于拖拉機(jī)經(jīng)常在麥茬地上進(jìn)行犁耕、耙地及旋耕等作業(yè)，也經(jīng)常從事運(yùn)輸作業(yè)，故設(shè)置1個(gè)犁耕擋和1個(gè)運(yùn)輸擋。犁耕作業(yè)時(shí)推薦速度為4～6km/h，運(yùn)輸作業(yè)時(shí)推薦速度為30km/h。根據(jù)公式(1)設(shè)置傳動(dòng)比，即

(1)

式中u—拖拉機(jī)作業(yè)速度(km/h)；

rq—驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)；

ne—牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)；

ig—變速器傳動(dòng)比；

i0—主減速器傳動(dòng)比；

ηδ—滑轉(zhuǎn)效率。

得到的純電動(dòng)拖拉機(jī)和原有傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)性能參數(shù)表1所示。

表1 兩種拖拉機(jī)主要參數(shù)

續(xù)表1

3 性能曲線分析

采用表1中的參數(shù)，用以下主要公式[18-23]對兩款拖拉機(jī)進(jìn)行性能分析，即

(2)

ηT=ηm·ηf·ηδ

(3)

φ=φmax(1-e-δ/δ*)

(4)

Fq=φZq

(5)

Zq=λGg

(6)

u=u0(1-δ)

(7)

式中Fq—驅(qū)動(dòng)力(N)；

TM—牽引電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩(N)；

ηT—牽引效率；

ηm—機(jī)械效率；

ηf—滾動(dòng)效率，ηf=1-Ff/Fq；

φ—附著系數(shù)；

φmax—極限附著系數(shù)；

λ—質(zhì)量分配因數(shù)；

G—拖拉機(jī)的使用質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)；

Zq—驅(qū)動(dòng)輪處載荷(N)；

u0—拖拉機(jī)純滾動(dòng)時(shí)車速(km/h)。

為了使兩種拖拉機(jī)的性能分析具有可比性，在分析拖拉機(jī)性能時(shí)采用同樣的思路和計(jì)算方法：分別從發(fā)動(dòng)機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)的外特性出發(fā)，充分考慮不同作業(yè)工況下的牽引效率與驅(qū)動(dòng)力變化關(guān)系、驅(qū)動(dòng)力與滑轉(zhuǎn)率變化關(guān)系，分別得出兩種拖拉機(jī)牽引特性。其計(jì)算分析程序流程圖如圖2所示。

圖2 牽引性能分析流程圖

根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)外特性和發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用三次多項(xiàng)式擬合，擬合精度達(dá)到98%以上，得到了擬合后的牽引電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線圖，如圖3所示。

由圖3可以看出：牽引電動(dòng)機(jī)外特性與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線區(qū)別較大，牽引電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出“低轉(zhuǎn)速恒扭矩，高速恒功率”的輸出特性，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速nM<2 400r/min，輸出轉(zhuǎn)矩TM=60N·m，nM>2 400r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出功率P=TM·nM≈15kW；而發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增大表現(xiàn)為先增大后減小，并在轉(zhuǎn)速1 544r/min時(shí)扭矩達(dá)到最大值 73.61N·m。根據(jù)拖拉機(jī)行駛平衡方程式，拖拉機(jī)起步時(shí)，車速低；需要較大的扭矩；車速高時(shí)，需要較大的功率。因此，傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)需要增加很多個(gè)擋位來滿足行駛功率需求。比較發(fā)現(xiàn)，牽引電動(dòng)機(jī)外特性更適合拖拉機(jī)作業(yè)功率需求。

在計(jì)算中，選取4種典型路面，分別為犁耕、耙地等作業(yè)下對應(yīng)的不同土壤圓錐指數(shù)為700和900的麥茬地，運(yùn)輸作業(yè)下對應(yīng)柏油路和土路。不同路面下，滾動(dòng)阻力系數(shù)、特征滑轉(zhuǎn)率、附著系數(shù)最大值及作業(yè)速度推薦值的取值情況如表2所示[18]。

表2 4種作業(yè)路面的特征參數(shù)取值

根據(jù)表2中數(shù)值和相關(guān)計(jì)算公式，計(jì)算得到滑轉(zhuǎn)率隨驅(qū)動(dòng)力關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 滑轉(zhuǎn)率隨驅(qū)動(dòng)力變化關(guān)系

由圖4可以看出：在4種不同的路面下，滑轉(zhuǎn)率均隨驅(qū)動(dòng)力的增大而增大；土壤圓錐指數(shù)CI=700的麥茬地(下文中簡稱為麥茬地1)和CI=900的麥茬地(下文中簡稱為麥茬地2)曲線比較接近。在驅(qū)動(dòng)力Fq=6 000N時(shí)，滑轉(zhuǎn)率分別為0.335 6和0.293 1；在Fq>6 000N時(shí)，滑轉(zhuǎn)率急劇增大。柏油路和土路的滑轉(zhuǎn)率比較接近，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力Fq=6 500N時(shí)，土路滑轉(zhuǎn)率分別為0.141 6；當(dāng)Fq>6 000N時(shí)，滑轉(zhuǎn)率急劇增大；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力為Fq=6 000N時(shí)，柏油路滑轉(zhuǎn)率為0.195 3；當(dāng)Fq>6 500N時(shí)，滑轉(zhuǎn)率急劇增大。因此，在利用拖拉機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)當(dāng)控制在一定的變化范圍內(nèi)，避免過大滑轉(zhuǎn)功率損失。

拖拉機(jī)的牽引效率除了與動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)，還與驅(qū)動(dòng)輪輪胎和土壤條件關(guān)系密切[21]。通常在動(dòng)力足夠情況下，拖拉機(jī)牽引效率主要受到驅(qū)動(dòng)輪輪胎和土壤條件的限制，因此在輪胎型號選定的條件下，隨著土壤條件的不同，拖拉機(jī)牽引效率曲線不同。由圖5可知，牽引效率隨著驅(qū)動(dòng)力增大而先增加、后減小。在柏油路和土路，由于滾用阻力系數(shù)較小，因此驅(qū)動(dòng)力在相當(dāng)大的范圍內(nèi)牽引效率均較高，并隨著驅(qū)動(dòng)力增大有減小的趨勢。柏油路牽引效率最大值為0.83，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)力為4 213.69N；土路牽引效率最大值=0.75，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)力為4 351.58N。但在麥茬地1和麥茬地2上，同樣驅(qū)動(dòng)力下，牽引效率要比在柏油路和土路上小得多，主要因?yàn)樵邴湶绲厣蠞L動(dòng)系數(shù)較大，滾動(dòng)損失較大，同時(shí)滑轉(zhuǎn)效率也較低所致。麥茬地1的牽引效率最大值=0.66，麥茬地2的牽引效率最大值=0.67，對應(yīng)牽引力分別為4 038.17N和4 157.24N。

圖5 不同工況下拖拉機(jī)牽引效率的變化關(guān)系

拖拉機(jī)經(jīng)常在柏油路和土路上從事運(yùn)輸作業(yè)，因此分析兩種拖拉機(jī)分別在兩種路面的作業(yè)性能，如圖6所示。在柏油路上，純電動(dòng)拖拉機(jī)在驅(qū)動(dòng)力Fq=681.16N時(shí)達(dá)到最大作業(yè)速度41.7km/h，其最大驅(qū)動(dòng)力可達(dá)到6 747.80N，而傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力為4 789.07N。傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)最大運(yùn)輸速度超過50km/h，但現(xiàn)實(shí)中超過35km/h以后并不實(shí)用。驅(qū)動(dòng)力在[681.16N，6 747.80N]范圍內(nèi)時(shí)，純電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)速度曲線完全覆蓋傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)。在土路上，純電動(dòng)拖拉機(jī)在驅(qū)動(dòng)力Fq=778.65N時(shí)達(dá)到最大運(yùn)輸速度41.49km/h，最大的驅(qū)動(dòng)力可達(dá)到6 048.85N，而傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力為4 345.01N。綜上所述，純電動(dòng)拖拉機(jī)運(yùn)輸時(shí)表現(xiàn)出“更有勁”，運(yùn)輸速度設(shè)置更加合理。

拖拉機(jī)從事犁耕、旋耕、耙地等作業(yè)，通常在麥茬地上進(jìn)行，因此分析了兩種拖拉機(jī)在CI=700和CI=900麥茬地的作業(yè)性能，如圖7所示。無論在麥茬地1還是麥茬地2，純電動(dòng)拖拉機(jī)的作業(yè)速度曲線完全覆蓋了傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)，說明在驅(qū)動(dòng)力相同的情況下純電動(dòng)拖拉機(jī)可以比傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)有更高的作業(yè)速度。

圖6 柏油路和土路上純電動(dòng)拖拉機(jī)和傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)作業(yè)速度隨驅(qū)動(dòng)力變化關(guān)系

圖7 兩種麥茬地上純電動(dòng)拖拉機(jī)和傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)作業(yè)速度隨驅(qū)動(dòng)力變化關(guān)系

圖8為兩種拖拉機(jī)牽引功率隨驅(qū)動(dòng)力的變化關(guān)系。由圖8可以看出：在不同的作業(yè)工況下，純電動(dòng)拖拉機(jī)牽引功率曲線基本覆蓋了傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)，也就是說同樣驅(qū)動(dòng)力下純電動(dòng)拖拉機(jī)能夠輸出更高的功率。這需要傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)設(shè)置更多的擋位才能實(shí)現(xiàn)，也是隨著拖拉機(jī)功率增大，拖拉機(jī)擋位設(shè)置越多的原因。近年來，傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)變速箱向著多檔化、無級變速發(fā)展，也加大了成本和操作控制難度[4-5]，而純電動(dòng)拖拉機(jī)則不必設(shè)置過多擋位就可以實(shí)現(xiàn)眾多作業(yè)功能。

1.純電動(dòng)拖拉機(jī)-柏油路 2.傳統(tǒng)拖拉機(jī)-柏油路 3.傳統(tǒng)拖拉機(jī)-土路 4.純電動(dòng)拖拉機(jī)-土路 5.純電動(dòng)拖拉機(jī)-麥茬地2 6.純電動(dòng)拖拉機(jī)-麥茬地1 7.傳統(tǒng)拖拉機(jī)-麥茬地2 8.傳統(tǒng)拖拉機(jī)-麥茬地1圖8 牽引功率隨驅(qū)動(dòng)力變化關(guān)系

由于續(xù)航能力一直是純電動(dòng)車輛的弱點(diǎn)，因此研究了所設(shè)計(jì)純電動(dòng)拖拉機(jī)在3種典型工況下的作業(yè)時(shí)間，如圖9所示。

圖9 純電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)間隨作業(yè)速度變化關(guān)系

犁耕工況為在麥茬地1中進(jìn)行犁耕作業(yè)；空載工況為柏油路上空載行駛；極限工況為在麥茬地1中拖拉機(jī)在驅(qū)動(dòng)力最大值時(shí)工作的情況。由圖9可知，純電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)間均隨作業(yè)速度增大而降低。犁耕作業(yè)采用6km/h時(shí)的作業(yè)時(shí)間為5.7h，若采用4km/h犁耕時(shí)的作業(yè)時(shí)間為7.2h，滿足設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)由于加油方便、時(shí)間短，可認(rèn)為傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)續(xù)航里程無窮大，而純電動(dòng)拖拉機(jī)充電需要很長時(shí)間，所以在續(xù)航里程上與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)存在較大差距。續(xù)航里程、充電時(shí)間是限制純電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要因素。

4 結(jié)論

1)所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)拖拉機(jī)采用兩個(gè)前進(jìn)檔，擋位少，但在4種典型路況下作業(yè)性能曲線都能夠基本覆蓋傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)，而且表現(xiàn)出傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)裝載無級變速器才能實(shí)現(xiàn)的性能特性?？梢钥闯?，純電動(dòng)拖拉機(jī)不必設(shè)置更多擋位即可完成多種作業(yè)。

2)純電動(dòng)拖拉機(jī)使用電動(dòng)力傳遞，在底盤布置上更靈活，質(zhì)量分配更方便。

3)受到動(dòng)力電池比功率低的限制，純電動(dòng)拖拉機(jī)續(xù)航里程與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)依然有較大差距。

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[17] 王春光.并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)能量管理策略研究[D].洛陽：河南科技大學(xué),2014.

[18] 周志立,方在華.拖拉機(jī)機(jī)組牽引動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

[19] 方在華,周志立,張文春.兩輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)在犁耕作業(yè)時(shí)的換算附著系數(shù)[J].洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào),1994(4):1-5.

[20] 周志立,方在華,趙銓. 拖拉機(jī)-農(nóng)具機(jī)組牽引性能的計(jì)算機(jī)輔助分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1991(4):7-14.

[21] 方在華,張文春,曹乃珍. 驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率曲線的一種統(tǒng)計(jì)方程[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1992(1):80-84.

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Performance Comparison Between Pure Electric Tractor and Conventional Fuel Tractor

Fang Shuping1, Wang Ningning1, Xu Liyou2,3, Yi Kechuan1

(1.University of Science and Technology of Anhui, Fengyang 233100, China; 2.Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;3.YTO Group Corporation, Luoyang 471004, China)

Aiming at the problems such as poor traction of conventional tractor, bad gearbox and poor flexibility of chassis arrangement, a pure electric tractor power system driving scheme was proposed based on a traditional tractor. The performance of the two tractors was predicted by MatLab software under the influence of slip ratio and traction efficiency under the condition ofCI=700 wheat stubble,CI=900 wheat stubble, asphalt road and soil road. The calculation results show that the traction power curve and traction power curve of the newly designed pure electric tractor can cover the traditional tractor, and the working performance is better. The result shows that the designed pure electric tractor transmission scheme is feasible and the structure is simple, the gear position is small, the chassis layout is flexible, and the traditional tractor has the capability of operation.

pure electric tractor； power system； work performance

2017-02-17

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B04)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015M582212)；2016年安徽省校級引進(jìn)人才項(xiàng)目(830138)；安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1501031095)

方樹平(1989-)，男，河南信陽人，助教,(E-mail)fangsp2015@qq.com。

徐立友(1974-)，男，河南息縣人，教授，(E-mail)xlyou2002@sina.com。

S219

A

1003-188X(2018)02-0241-06