基于Simscape的靜液壓傳動拖拉機建模與仿真

摘要：針對傳統(tǒng)建模方法搭建復(fù)雜的問題，基于Simscape建立了靜液壓傳動拖拉機的動力學仿真模型。仿真模型包括柴油機、傳動系統(tǒng)、拖拉機車體、負載和控制器5部分，其能為拖拉機速度控制策略的研究提供基礎(chǔ)和驗證平臺。

關(guān)鍵詞：靜液壓傳動；拖拉機；Simscape；仿真

中圖分類號：S219；TH137 " " 文獻標識碼：A " "文章編號：1674-1161（2024）01-0053-03

靜液壓傳動拖拉機的動力傳遞順序為發(fā)動機、液壓泵、液壓馬達、機械傳動裝置，其可實現(xiàn)傳動比的連續(xù)變化和無級變速，且該動力傳遞比功率高、體積小，特別適用于結(jié)構(gòu)緊湊的車輛。在Simscape是Matlab/Simulink的擴展工具模塊，可創(chuàng)建機械傳動、液壓、電氣元件等組合的物理模型仿真。在Simscape的建模庫中，電氣、液壓、機械模塊單元之間可互相連接，并能通過連線來代表研究對象中各元件之間的連接和能量傳遞關(guān)系[1-3]。

1 靜液壓傳動拖拉機的工作原理

靜液壓傳動拖拉機傳動系統(tǒng)的主要部件由發(fā)動機、靜液壓傳動裝置（Hydraulic Stepless Transmission，簡稱HST）、機械變速器、傳動軸、驅(qū)動橋及驅(qū)動輪等組成。發(fā)動機的動力經(jīng)過靜液壓傳動裝置傳遞到機械式變速器，最終經(jīng)過傳動軸和驅(qū)動橋來驅(qū)動拖拉機的驅(qū)動輪行走。靜液壓傳動拖拉機的傳動系統(tǒng)如圖1所示。

2 靜液壓傳動拖拉機的Simscape仿真

靜液壓傳動拖拉機的仿真主要用到Simscape Driveline工具箱和Simscape Fluids工具箱。Simscape Driveline工具箱為機械系統(tǒng)建模和仿真提供組件庫，包括發(fā)動機、輪胎、變速器、離合器、車輪等模塊；Simscape Fluids工具箱為液壓系統(tǒng)建模和仿真提供組件庫，包括液壓泵、液壓閥、液壓油管、液壓馬達等模塊。仿真模型分為柴油機、傳動系統(tǒng)、拖拉機車體、負載和控制器5部分。

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 發(fā)動機仿真模型 簡單發(fā)動機的仿真模型，包括柴油機Engine、油門控制信號Throttle、轉(zhuǎn)速傳感器Monition Sensor、求解器模塊Solver Configuration和轉(zhuǎn)動慣量。發(fā)動機模型輸入油門開度，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。輸入端口1為油門開度命令，輸出端口1為發(fā)動機轉(zhuǎn)速輸出，物理端口1為發(fā)動機轉(zhuǎn)速輸出。發(fā)動機仿真模型如圖2所示。

2.1.2 傳動系統(tǒng)仿真模型 傳動系統(tǒng)包括靜液壓傳動和機械變速器兩部分。靜液壓傳動仿真模型包括雙向變量泵、雙向定量馬達、單向閥、溢流閥、輸油管、補油泵等，可通過比例換向閥控制液壓油缸來改變變量泵的排量。輸入端口1為比例閥控制電流輸入，物理接口1為定量馬達輸出軸，物理接口2為變量泵轉(zhuǎn)速輸入。靜液壓傳動系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。

機械變速器模型主要由信號比較、離合器和不同變速比的齒輪組成，其中信號比較模塊可根據(jù)目標擋位來選擇接合對應(yīng)的離合器，之后將動力傳遞到齒輪。物理接口1為定量馬達輸出軸，物理接口2為齒輪輸出軸，輸入端口1為擋位命令。機械變速器模型如圖4所示。

2.1.3 拖拉機車體仿真模型 拖拉機模型主要由差速器、輸入軸轉(zhuǎn)動慣量、輪胎和車體模型組成，其中差速器為行星錐齒輪系，輪胎模型選用魔術(shù)輪胎模型，車體模型需要設(shè)置重量、軸距等參數(shù)。物理接口1為驅(qū)動軸輸入，輸入端口1和2為風阻和坡度命令，輸出端口1為拖拉機行駛速度，單位為km/h。拖拉機車體仿真模型如圖5所示。

2.1.4 負載仿真模型 負載模型將轉(zhuǎn)動慣量和變化轉(zhuǎn)矩輸入添加到傳動軸上以模擬負載的變化。負載仿真模型如圖6所示。

2.1.5 控制器仿真模型 油門控制模塊模型可根據(jù)負載變化目標來改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速。實際的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為反饋輸入，PID控制模塊的輸出為油門開度。油門控制模塊的仿真模型如圖7所示。

速度控制模塊的仿真模型如圖8所示。該模型中實際車速作為PID控制器1的反饋輸入，PID控制器1的輸出為目標活塞位置，實際活塞位置則作為PID控制器2的反饋輸入，PID控制器2的輸出為比例換向閥的控制電流。

將發(fā)動機模型、傳動系統(tǒng)模型、拖拉機車體模型、負載模型和控制器模型根據(jù)動力學關(guān)系連接起來，在添加相應(yīng)的控制信號輸入和顯示輸出后，可得到靜液壓傳動拖拉機的整體動力學仿真模型，如圖9所示。改變控制信號的輸入，便可進行不同控制策略的仿真分析。

2.2 仿真與分析

設(shè)置求解器為變步長的仿真類型，選擇ode15s算法，最大仿真步長為0.4 s，仿真時間設(shè)置為30 s。發(fā)動機參數(shù)設(shè)置為最大功率48.5 kW，最大功率轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，額定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min；變量泵排量最大值設(shè)置為51 cm3/r，定量馬達排量為43.5 cm3/r，其余參數(shù)默認。

設(shè)置目標車速為3 km/h，在第20 s時增加負載，即可得到如圖10所示的車速仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有的靜液壓傳動拖拉機速度調(diào)節(jié)方式單一、燃油消耗大等問題，基于Simscape建立了靜液壓式傳動拖拉機系統(tǒng)的整體動力學仿真模型，這為拖拉機速度控制策略的研究提供了支撐。

參考文獻

[1] 薛志飛.基于Simscape的液壓機械無級傳動的建模與仿真[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2017，44（2）：12-16.

[2] 張兆杰，張緒帥，李旭.基于Simscape的液壓缸控制裝車溜槽的建模仿真研究[J].煤炭技術(shù)，2020，39（5）：169-170.

[3] 黃智.靜液傳動車輛建模與控制策略仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2009，21（3）：661-664.

Modeling and Simulation of Hydrostatic Drive Tractor Based on Simscape

ZHONG Gang1，2

（1.Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China; 2.Key Laboratory of Remanufacture and Innovation of Agricultural Machinery and Equipment in Liaoning Province， Shenyang 110161， China）

Abstract： "Aiming at the problem of complex to build by traditional modeling methods， the dynamic simulation model of hydrostatic drive tractor was built based on Simscape. The simulation model includes five parts： diesel engine， drive system， tractor body， load and controller， which provides the foundation and verification platform for the research of tractor speed control strategy.

Key words： "hydrostatic drive；tractor；Simscape；simulation