基于随机载荷功率谱的电动拖拉机复合能量系统研究

拖拉机重载作业模式下负载峰值功率和高频功率存在较大随机性,单一电源方案无法有效匹配电动拖拉机负载特性。通过分析拖拉机工况负载势变量功率谱密度和电源放电特性,基于电动拖拉机通过主、辅电源对低、高频功率分流的观点,设计了采用DC-DC转换器并联超级电容器的18.5 k W电动拖拉机复合电源方案,计算了系统参数。以平衡峰值功率和高频载荷控制超级电容器功率流方向为目标,设计了基于逻辑门的双DC-DC模式控制策略。根据负载时频分析需求,构建了基于Haar小波的双通道滤波器组,设计了功率分配控制器。以标准正态分布白噪声为基波,构造拖拉机犁耕、旋耕载荷波动间的互谱函数,建立了负载模拟模块。采用CRUISE/Simulink API动态联合仿真得出:基于功率分配控制的能量管理策略能够将动力电池电功率抑制在载荷波动基频附近,犁耕作业和旋耕作业下其电功率的截止频率分别为2、7 Hz,幅值符合正偏态分布;超级电容器平衡高频载荷,其电功率符合标准正态分布。     

基于随机载荷功率谱的电动拖拉机复合能量系统研究

拖拉机重载作业模式下负载峰值功率和高频功率存在较大随机性,单一电源方案无法有效匹配电动拖拉机负载特性。通过分析拖拉机工况负载势变量功率谱密度和电源放电特性,基于电动拖拉机通过主、辅电源对低、高频功率分流的观点,设计了采用DC-DC转换器并联超级电容器的18.5kW电动拖拉机复合电源方案,计算了系统参数。以平衡峰值功率和高频载荷,控制超级电容器功率流方向为目标,设计了基于逻辑门的双DC-DC模式控制策略。根据负载时频分析需求,构建了基于Haar小波的双通道滤波器组,设计了功率分配控制器。以标准正态分布白噪声为基波,构造拖拉机犁耕、旋耕载荷波动间的互谱函数,建立了负载模拟模块。采用CRUISE/Simulink API动态联合仿真得出:基于功率分配控制的能量管理策略能够将动力电池电功率抑制在载荷波动基频附近,犁耕作业和旋耕作业下其电功率的截止频率分别为2Hz和7Hz,幅值符合正偏态分布;超级电容器平衡高频载荷,其电功率符合标准正态分布。     

拖拉机作业载荷数据平台设计与旋耕作业质量预测

针对拖拉机田间试验数据不足、机组作业质量无法实时评估与准确预测的问题,设计了涵盖多参数、多工况的车载测试终端,构建了全国范围的田间作业试验拖拉机作业载荷数据平台系统,以获取拖拉机各关键零部件的田间作业载荷数据。在此基础上,研究了准确预测、评价拖拉机田间旋耕作业质量的智能算法,为产品研发、性能预测以及作业评估提供全面的基础数据与可靠的预测结果。基于农业大数据,融合BP神经网络与遗传算法对数据平台基础作业载荷进行分类挖掘,预测评价了拖拉机田间旋耕作业质量,结果表明,基于遗传算法的神经网络预测精度高达96.77%,均方根误差(RMSE)小于0.01,说明拖拉机作业载荷数据平台的基于遗传算法的神经网络预测模型可准确预测评价拖拉机田间旋耕工况的作业质量。     

增程式电动拖拉机旋耕机组能量管理模型研究

以双电机独立电驱动增程式电动拖拉机旋耕机组为对象,提出一种适用于旋耕作业的双输入变量后向建模方法,即在模型中将行驶速度和动力输出轴旋耕转矩作为输入量,设计了双电机独立驱动增程式电动拖拉机动力系统能量管理模型。针对旋耕作业特性,提出一种基于实测数据与经验公式相结合的设计方法,建立了旋耕工况周期模型。基于动态规划算法,分别对其进行旋耕作业仿真试验和台架试验,结果表明：仿真试验结果与台架试验结果吻合度较高,能量管理模型能够很好地描述增程式电动拖拉机在给定旋耕工况下各电机功率、发电机组功率和动力电池组荷电状态的变化情况,且仿真试验和台架试验中燃油消耗量分别为4 065.5 g和3 994.7 g,其相对误差为1.77%,验证了建立的增程式电动拖拉机旋耕机组能量管理模型的合理性和准确性。     

基于经济性的温室电动拖拉机驱动设计

文中提出了双电机四轮驱动构型,前牵引电机和后牵引电机采用双电机平均转矩分配策略,从耕犁作业和运输作业两个方面分析了电动机消耗功率和拖拉机传动效率,用ADVISOR搭建电动拖拉机模拟作业的仿真模型,进行了单电机双轮驱动和双电机四轮驱动的耕犁作业和运输作业两组对比仿真,经仿真结果验证,设计的双电机四轮驱动构型节约能耗23%,传动效率在耕犁作业时提高了11%,在运输时提高了10%。     

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

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，设计了一种并联式P2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。     

双电机功率分汇流纯电动拖拉机能量管理策略

针对双电机耦合驱动的电动拖拉机工作模式的切换及不同工作模式的动力分配问题,在MatLab/Simulink中搭建能量管理系统的仿真模型,研究基于瞬时优化的模式识别策略和基于模糊控制的动力分配策略,从而建立双电机功率分汇流电动拖拉机能量管理策略。仿真结果表明:在转场工况下,能及时跟随车速需求;在转场、犁耕、旋耕工况下,拖拉机等速巡航时节能率分别为14.81%、9.72%、6.15%,且提高了电池能量的利用率。     

混联式拖拉机功率分流负载特性的研究

本文针对新型农业机械混合动力拖拉机,对常见的三种混合动力源布置方式进行了说明,并引出了目前应用最广泛的混联式混合动力在拖拉机上的应用。为分析混联式拖拉机的功率分流负载特性,本文阐述了三种功率分流方式,并对动力耦合机构进行了设计构型。依据杠杆法则,对动力耦合系统进行动力学分析,最后得出动力分配星系和太阳轮系的功率分流负载特性。计算分析转矩、转速、功率三者的关系后,得出能量损耗和传动效率的变化,绘制了分流特性曲线图,并由此得知,当混联系统出现两个机械点,MG1电机的转速与MG2的转矩均趋近于零点,随着系统传动比增加,MG1电机的转矩和转速改变方向（负变正）,并开始增大,反之,MG2电机的转速逐渐减小并改变方向（正变负）,转矩则迅速增大。     

电动拖拉机双电机耦合驱动系统传动特性研究

针对单电机驱动型式的电动拖拉机难以满足农田作业多工况的问题,提出了一种基于行星齿轮耦合的双电机驱动系统。根据电动拖拉机动力传动系统的结构方案,按多种作业类型对双电机耦合驱动系统的驱动模式进行分析。采用试验数据模型和理论模型相结合的方法,建立电动拖拉机驱动系统关键部件效率模型和整机纵向动力学模型,在此基础上搭建了电动拖拉机控制仿真试验模型。针对不同驱动模式设计了驱动系统综合控制策略,通过仿真试验得到两电机的功率分配规则。在搭建的传动性能试验平台上对双电机耦合驱动系统进行恒定负载试验和牵引性能试验。试验结果表明,两种试验条件下,主、副电机的功率分配比变化范围为1. 07～2. 73,恒定负载试验中,功率分配比为1. 88时系统效率最高,牵引性能试验时,功率分配比为1. 86时系统效率最高。双电机驱动系统能够跟随负载变化按照功率分配规则实现两电机的功率分配,满足作业负载的同时降低了功率损耗。     

深松与旋耕组合作业机具的开发

根据拖拉机农具机组匹配理论研制出与中等功率轮式拖拉机配套,能进行深松、旋耕组合作业的机具。以单位耕作面积所消耗的功率等参数进行机具总体参数的计算,对机具作了动力学分析,并进行了单独深松、单独旋耕以及组合工况的试验。试验表明,机具深松扰动影响宽度和旋耕宽度相匹配,旋耕作业时波动范围较小,偏牵引力矩对拖拉机行驶稳定性基本没有影响,所设计的组合作业机具能对农田实施保护性耕作。     

双轮驱动电动拖拉机传动性能研究

提出了双轮驱动电动拖拉机的总体结构方案,从作业受力和牵引效率2个方面分析了电动拖拉机的牵引性能,并进行了传动部件的匹配分析。在此基础上搭建了电动拖拉机传动试验平台,分别进行了牵引性能、带载启动及运输工况等试验。试验结果表明,所设计的电动拖拉机牵引转矩达到1 800 N·m,可满足更大耕深作业。带载启动时,驱动转矩从700 N·m增至1 600 N·m,车速由0增至7 km/h,所用时间约为1.1 s。运输试验运输货物为1 710 kg时,速度达到6.5 km/h。     

拖拉机液压机械无级变速箱控制与交互系统

为了满足拖拉机各种作业工况下的行驶速度及动力需求,对拖拉机液压机械无级变速箱的控制与交互系统进行了研究。首先,针对自主研发的某新型液压机械无级变速箱,简要阐述了其液压功率分流机构与无级调速原理,明确了被控对象与控制量。而后,对变速箱的无级调速与负载自适应控制进行了研究,一方面,提出了变速箱速比的点位控制方法,将变速箱速比在全程范围内划分为96帧,作出每一帧与变量泵励磁电压、变量泵流量方向电磁阀、离合器电磁阀的动作关联查询表,通过程序指针的顺序移动实现无级调速与段位切换;另一方面,基于发动机功率控制的要求,提出了一种负载自适应速比调整策略,给出了相应的模糊控制表,并分析了该算法在不同段位区间内的性能;而后,阐述了无级调速拖拉机的交互挡杆与变速箱电子控制单元设计;最后,基于所开发的控制系统进行了拖拉机加速和负载自适应调整试验。研究结果表明,点位控制时拖拉机的速比调节过程较为稳定,属于开环控制;负载自适应控制时的变速箱速比完全取决于负载变化,属于反馈控制。研究结果表明,所设计的控制系统可以很好地对拖拉机液压机械无级变速箱实施控制。     

拖拉机发动机减速器动力学分析及故障诊断研究——基于小波神经网络

以拖拉机发动机减速器为研究对象,从分析发动机减速器故障机理出发,深入研究了减速器行星齿轮系统的建模方法和动力学模型,并采用小波神经网络算法研究了一套拖拉机发动机减速器故障诊断系统,能够对发动机减速器机械故障进行实时诊断。试验结果表明:小波神经网络算法能够准确判断发动机减速器的工作状态,识别率高达96%以上,充分证明了系统的准确性和可行性。     

拖拉机串联式液力机械复合传动系统设计与试验

针对现有拖拉机变速器存在机械结构复杂、挡位数较多、模式切换繁琐等问题,提出了一种串联式液力机械复合传动方案(Series hydraulic and mechanical hybrid transmission,HMD)及其配套拖拉机总体设计方法,包括功能需求、传动路线设计、组件特性分析、性能参数计算、仿真模型搭建、作...     

基于FDR阈值自动选取的拖拉机PTO转矩载荷谱外推

针对时域外推过程中常用的阈值选取计算复杂、精度低等问题,基于错误发现率(False discovery rate,FDR)提出了一种阈值自动选取方法,并基于该方法进行了拖拉机动力输出轴(Power take-off,PTO)转矩载荷谱外推研究。首先,利用开发的拖拉机PTO转矩无线监测系统采集拖拉机作业工况下的载荷数据,并进行数据预处理;将顺序拟合检验与多重检验相结合,采用FDR自动阈值选取法选取了最优阈值,确定了时域外推数据的上限阈值为342 N·m,下限阈值为100 N·m;基于极大似然估计对超阈值数据进行了广义帕累托分布(Generalized Pareto distribution,GPD)尺度参数和形状参数的拟合,建立了PTO转矩载荷的超阈值模型,并与传统图像法的拟合结果进行了比较,结果表明,两种方法的拟合结果与载荷样本的决定系数均大于0.995;从拟合优度来看,对于上限阈值,自动阈值选取法的拟合优度比图像法的拟合优度降低8.7%,而对于下限阈值,自动阈值选取法比图像法降低31.21%。利用时域外推方法对PTO转矩载荷数据进行外推,对外推1倍后的载荷时间历程与原载荷时间历程进行对比分析;当时域外推因子为131、PTO转矩累积频次达到106次时,得到了PTO转矩载荷谱;基于统计学特征与雨流计数分析对外推载荷谱进行了验证,结果表明,外推后的载荷谱与样本载荷谱分布规律一致,能够在保留载荷特征的前提下实现均值、幅值的双向外推。     

考虑随机载荷自适应补偿的PST换挡策略与硬件在环试验

大功率动力换挡拖拉机作业环境复杂多变,密集布置的挡位和田间载荷波动极易导致频繁随机换挡,破坏拖拉机工况稳定性,影响其性能和作业质量。为解决拖拉机作业过程中随机载荷波动引发的频繁换挡问题,本文提出一种考虑随机载荷自适应修正的换挡控制策略。首先,以油门开度、滑转率和车速为换挡参数,制定变速箱理论换挡规律;然后,引入随机载荷变异系数、油门开度变化量及稳态载荷变化量等3个修正参数,通过模糊规则计算随机载荷波动下的换挡修正量。同时,结合收敛型换挡延迟策略,轻负荷或运输工况采用理论降挡,重负荷作业采用自适应升挡延迟,载荷波动越大,升挡延迟量越大;基于AMESim和Simulink建立了拖拉机传动系统模型,并搭建了大功率拖拉机变速箱控制系统硬件在环仿真平台,开展了不同作业工况下的换挡控制仿真验证。结果表明,所提换挡策略在道路运输工况和犁耕工况下的换挡次数较传统换挡策略分别低63.16%、45%,且燃油消耗量分别为0.76、0.47kg,较传统换挡策略分别低0.51%、1.03%。在保证作业牵引力的同时,该控制策略可有效抑制随机载荷波动引发的频繁随机换挡,同时兼顾了整车动力性和燃油经济性。     

增程式电动拖拉机研究进展

传统电动拖拉机存在续航里程低、难以满足大功率段作业需求等问题，增程式电动拖拉机是在传统电动拖拉机基础上增加一套附加动力驱动装置，较好地兼顾经济性与动力性需求，是未来电动拖拉机的主要发展方向之一。在综述增程式电动汽车动力系统研究、能量管理控制策略等主要技术基础上，重点阐述增程式电动拖拉机在动力系统设计、与传动系统的参数匹配与优化算法、转矩分配以及能量管理的研究等方面的研究进展，指出：精准化、智能化以及如何在电耗以及油耗间寻求一个更好的平衡点，提升电能利用率、降低油耗，是未来增程式电动拖拉机得以推广的关键以及主要发展方向；针对增程式电动拖拉机的建模应充分考虑到拖拉机的诸如运输、犁土、翻土、整地等不同的作业需要，未来可以在基于一定数据分析基础上，全面考虑实际作业需求，实施个性化、精准化建模与参数设计，提高准确性；在充分分析增程式电动拖拉机作业特性与能量需求的基础上，可开展适应增程电动拖拉机的电池及相关技术研发，提升续航里程。     

不同旋耕作业载荷下拖拉机动力输出传动系振动特性分析

为研究拖拉机旋耕作业载荷对动力输出传动系振动特性的影响,采用系统动力学建模、台架试验验证、田间试验与仿真分析相结合的方法加以分析。首先,在分析动力输出传动系结构的基础上,建立了描述其载荷传递机理的扭振耦合空间动力学模型,此模型详细考虑了横向和垂向的齿轮啮合传递效应。其次,利用拖拉机PTO加载试验台对模型的仿真结果进行试验验证,验证结果表明：横向和垂向的啮合频率误差最大分别为4.24%和5.12%,满足建模要求。然后,搭建了由无线扭矩传感器、北斗定位系统等组成的作业数据采集系统,分别采集了拖拉机在L1（2.07km/h）、L2（3.10km/h）、L3（5.29km/h）常用挡位下的田间旋耕作业数据,田间试验结果表明：旋耕作业的载荷水平和波动范围均随着作业挡位、行驶速度的升高而增大。最后,利用所建立的动力学模型仿真分析了不同作业挡位PTO负荷对齿轮传递特性的影响,结果表明：拖拉机旋耕作业挡位越高,由PTO载荷波动所引起的传动系振动位移越大,而且主要体现在横向振动。