文章信息
- 张小珍, 周成军, 沈嵘枫, 周新年, 江倩, 林曙
- ZHANG Xiaozhen, ZHOU Chengjun, SHEN Rongfeng, ZHOU Xinnian, JIANG Qian, LIN Shu
- 混合动力林木联合采伐机底盘动力系统设计
- Design of chassis dynamic system for hybrid tree harvester
- 森林与环境学报,2017, 37(1): 107-113.
- Journal of Forest and Environment,2017, 37(1): 107-113.
- http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2017.01.017
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文章历史
- 收稿日期: 2016-06-21
- 修回日期: 2016-11-25
我国人工林面积多,如广西的桉树林,至2015年,桉树速丰林总面积增加到了200万 hm2,年生产桉树木材达3 400万 m3,人工林面积增长和较大年生产量对林业采伐工作提出更高要求[1]。 由于我国山地丘陵地形崎岖,人工林的采伐工作较为艰巨,林业采伐机械化是提高生产效率的必要途径。 广西斯道拉恩索林业有限公司已使用联合采伐机采伐桉树人工林,福建三明在2015年也启用了首台林木联合采伐机进行杉木人工林采伐,表明采伐机在我国林业应用上正在推广[2]。 但原装进口的采伐机对国内的地形地貌等环境因子不太兼容,尤其是南方丘陵地区等,直接引进的整机动力性能上需有所改进。 林间行驶的采伐机在恶劣的环境下工作,需要有足够的动力来克服环境变化。 而动力系统是混合动力采伐机研究工作的核心,动力系统主要部件的布置、 选型与参数等设计对混合动力采伐机性能有着重要的影响,通过对其动力系统元件参数进行设计,从而保证整个混合动力采伐机的动力性和经济性。 提出CFJ 20H混合动力林木联合采伐机底盘动力系统布置方案与系统参数优化匹配,对混合动力系统的关键部件的参数进行设计与验证,对比新设计的动力系统和传统动力系统的动力性能,实现CFJ 20H混合动力采伐机传动系统参数的合理设计。
1 混合动力采伐机动力系统布局及设计参数采伐机通常工作范围在林地内,能达到2~8 km·h-1的行走速度,具有35°爬坡能力[3]。 我国研制的采伐机作业对象主要是人工林,采伐机工作需要有足够动力[4-6]。 混合动力林木联合采伐机以庞塞FOX的采伐机为设计蓝本,确立新型混合动力采伐机的布局如图 1和设计参数如表 1。
参数名称 Parameter name | 数值 Value |
整备质量 Curb weight/kg | 17 700 |
最大质量 Maximum mass/kg | 18 200 |
轴距 Wheelbase/mm | 4 000 |
迎风面积 Frontal area/m2 | 5 |
空气阻力系数 Air resistance coefficient | 1.1 |
林地滚动阻力系数 Rolling resistance coefficient of woodland | 0.15 |
陆地滚动阻力系数 Rolling resistance coefficient of land | 0.015 |
车轮个数 Number of wheels | 8 |
轮胎直径 Tire diameter/mm | 1 333 |
采伐机是属于重型车辆,故选用串联型混合动力系统较适宜,为保证采伐机稳定运行和良好节能效果,需对传动系统的关键部件分析。 目前,混合动力采伐机动力系统参数设计一般采用车辆的动力学方程计算,先给定整车参数和性能指标,其次进行动力学公式计算,得到动力系统参数[7]。
2.1 电机的参数匹配串联式混合动力采伐机中,电机驱动额定功率取决于该机加速性能要求、 电动机特性和传动装置特性[8]。 对于采伐机而言,主要考虑两种工况,分别是公路和林地,根据表 1所示混合动力采伐机的技术参数,以混合动力采伐机电机所需的最大功率动力性能指标作为电机选型的依据[9]。
电机额定功率值:
${{P}_{\text{f}}}=\frac{\delta M}{2t}\left( V_{f}^{2}+V_{\text{i}}^{2} \right)+\frac{2}{3}Mg{{f}_{\text{r}}}+\frac{1}{5}{{\rho }_{\alpha }}{{C}_{\text{x}}}AV_{\text{f}}^{3}$ | (1) |
电机平均功率:
${{P}_{\text{e}}}=\frac{2}{3}Mg{{f}_{\text{r}}}{{V}_{\text{f}}}+\frac{1}{5}{{\rho }_{\alpha }}{{C}_{\text{x}}}AV_{\text{f}}^{3}$ | (2) |
式中: δ为转动惯量系数(约为1) ,因系统中传输元件重量较小,忽略其计算; M为采伐机质量; Vi为基速,取0 km·h-1; t为加速时间; Cx为风阻系数,取1.1; g为重力加速度,取9.81 m·s-2; fr为滚动阻力; Vf为末速度; ρα为空气密度,取1.23 kg·m-3; A为迎风面积,取5 m2。
从而求得陆地和林地的行驶峰值功率和行驶平均功率,如表 2,电机最大速度Vmax≥50 km·h-1,最小功率Pmin≥54 kW。 故选用力佳盘式永磁电机,型号为LJEV,此电机的结构简单,主要是具有低速大转矩性能,比较适合混合动力采伐机的工作性能,其具体的参数见表 3。
操作环境 Operating environment | 最大速度 Maximum speed/(km·h-1) | 电机额定功率 Motor rated power/kW | 电机平均功率 Motor average power/kW |
陆地Land | 50 | 83 | 28 |
林地Woodland | 10 | 70 | 54 |
电机型号 Motor model | 额定电压 Rated voltage/V | 额定功率 Rated power/kW | 峰值功率 Peak power/kW | 额定转矩 Rated torque/(N·m) | 峰值转矩 Peak torque/(N·m) | 最高转速 Maximum speed/(r·min-1) | 效率 Efficiency |
LJEV | 320 | 60 | 100 | 200 | 350 | 3 000 | >95% |
传动装置的传动比设计,应使电动机在最高转速时采伐机达到其最高车速,即
$i=\frac{\pi {{n}_{\max }}r}{30{{V}_{\max }}}$ | (3) |
式中: i为传动装置的传动比; nmax为电机的最高转速(r·min-1); r为车轮半径,为0.666 5 m; Vmax为最高车速(m·s-1)。
计算得到公路的最大传动比为15,林地最大传动比为70。 陆地上行驶时混合动力采伐机所需传动比比林地的传动比要低,选择传动装置的最大传动比为70。 初步选择主减速器的传动比为5,变速器有4个挡位,所以变速器的一挡传动比要满足林地爬坡性能,其最大传动比为70/5=14,又要满足混合动力采伐机在公路上行驶的最大速度,所以变速器的四挡的最大传动比为15/5=3,再根据变速器两挡传动比比值最好不超过1.7~1.8,可确定出变速箱各挡的传动比分别为14,9,5,3。
2.3 电池组的参数匹配电池是混合动力采伐机正常行驶能量来源之一,其性能好坏直接影响着采伐机整车性能。 电池工作时需不断的放电—充电—放电,因此对电池的要求比较高[10]。 为了充分利用牵引电机的功率容量,电池组的总功率应大于等于电机的最大额定功率。 根据电机参数匹配所选取的电压值为320 V,电机额定功率为75 kW,所以动力电池的额定电压为320 V。
根据动力电池组额定电压,计算出混合动力采伐机串联的单格电池的数量:
${{n}_{\text{c}}}=\frac{{{U}_{\text{B}}}}{u}=\frac{320}{12}=26.7\left( \text{个} \right)\left( \text{取27个} \right)$ | (4) |
式中: nc为单格电池串联数量; u为单格电池额定电压(选取锂电池单格电压为12 V)。
根据电机功率,求出电池的功率为:
${{p}_{\text{b}}}\ge \frac{{{p}_{\text{f}}}}{\eta }=\frac{100}{0.95}=105\left( \text{KW} \right)$ | (5) |
式中: pb为电池功率; pf为电机峰值功率; η为电机效率。
电池的最大电流为:
${{I}_{\max }}=\frac{{{p}_{\text{b}}}}{{{U}_{\text{B}}}}=\frac{105\times 1\text{ }000}{320}=328(\text{A})$ | (6) |
则电池并联数为:
${{n}_{\text{b}}}=\frac{{{I}_{\max }}}{C}=\frac{328}{70}=4.7\left( \text{个} \right)\left( \text{取5个} \right)$ | (7) |
式中: nb为电池的并联数量; C为电池容量。
综合考虑计算所得的电池参数,最终选择东莞市池能电子科技有限公司生产的CN/12100150型号的锂电池,其单格电池参数如表 4。
电池型号 Battery model | 电池容量 Battery capacity/AH | 额定电压 Rated voltage/V | 个数 Number | 单格电池重量 Cell weight/kg | 循环寿命 Cycle life/times |
CN/12 100 150 | 70 | 12 | 27×5 | 8.2 | 2 000 |
柴油发电机组在混合动力采伐机动力系统中扮演着辅助动力源的角色,它将机械能转换为电能,其不仅可以给电池提供能量,还可以代替电池直接驱动电机工作。 发电机组的输出功率选择可根据电机的输入功率直接取值。 为了提供足够的能量给电机工作,发电机功率肯定不低于所选电机的功率,所以发电机组的输出功率需大于100 kW。 最终选择玉柴柴油发动机发电机组,其主要参数如表 5所示。
指标Index | 数值Value |
型号Model | 100GF |
净质量Net quality/kg | 1 530 |
额定电压Rated voltage/V | 380 |
输出频率Output frequency/Hz | 50 |
发动机功率Engine power/kW | 112 |
燃油消耗Fuel consumption /(g·kW-1·h-1) | 207 |
排量Displacement/L | 6.8 |
发动机类型Engine type | 6缸、 4冲程、 直列、 增压中冷 6-cylinder、 4-stroke、 in-line、 supercharged and intercooled |
冷却方式Cooling-down method | 闭式循环水箱加风扇冷却 Closed loop water tank plus fan cooling |
发动机额定转速 Engine rated speed/(r·min-1) | 1 500 |
发电机功率Generator power/kW | 100 |
机组外形尺寸Unit size/(mm·mm·mm) | 2 570×800×1 400 |
根据采伐机的不同的驱动模型,制定控制策略。 混合动力采伐机行驶过程中的工况比较多,可以分为6个,分别为空转、 负载下暂停、 负载下行驶、 森林上满载下行驶、 卸载和道路上满载行驶。 每个工况下占总时间百分比和驱动模式不同,如表 6所示。
驱动模式 Drive mode | 占总时间比例 Percentage of total time/% | 部件 Component |
空转Idling | 11 | E+G+B |
负载下暂停Suspended under load | 38 | E+P |
负载下行驶Running under load | 3+10 | E+G+B+M |
森林满载下行驶Full of driving of the forest | 15 | E+G+B+M |
卸载 Unload | 12 | E+P |
道路上满载行驶Full of driving of the road | 9.3+0.7+1 | E+G+M+RB |
1) E为发动机,B为电池,G为发电机,M为电机,P为液压泵,RB为再生。 Note: E means engine,B means battery,G means generator,M means motor,P means hydraulic pump,RB means regeneration. |
AVL Cruise软件界面直观和内置大量的计算任务,是采伐机整车系统建模与仿真的不错选择。 根据上面计算整机基本参数,完成整机动力系统模型如图 1。 AVL复杂程序任务是在机械领域解决方案产业,该复合物能够分别计算部件所有节点和单元[11]。 通过AVL Cruise软件对采伐机的动力系统进行仿真分析,对比混合动力系统和传统动力系统仿真性能结果,直接反映所设计的混合动力采伐机的性能好坏,是否满足设计的要求。
3.1 爬坡性能如图 2是采伐机满载时的爬坡度的曲线图,混合动力采伐机的爬坡度为61.5%,传统动力系统的爬坡度为59.14%,两者符合设计要求。 而且混合动力系统的各挡爬坡能力跟传统动力系统的爬坡能力相当。 据爬坡度α、 车重G、 牵引力Ft、 克服滚动阻力Ff和克服空气阻力FW的关系,即 α=sin-1$\frac{{{F_t} - \left( {{F_f} + {F_w}} \right)}}{G}$可知,混合动力采伐机的爬坡性能、 自重和阻力成反比,与牵引力成正比的关系,所以混合动力采伐机爬坡时处于空载有助于提高爬坡性能。
3.2 最高车速由表 7可知,混合动力系统的各挡的最高车速大于传统动力系统,另外,采伐机最高车速随着变速箱挡位的增加而增加,因为挡位高传动比较小,根据汽车理论求得最高车速v=0.377$\frac{{rn}}{{{i_g}{i_0}}}$可知,主减速器的动比ig和车轮半径r不变,最高车速与变速箱的传动比i0成反比,与转速n成正比,所以当挡位增大时变速箱传动比较小,同时转速增大,导致最高车速增大。
挡位 Gear | 最高车速 Maximum speed/(km·h-1) | |
传统动力系统 Traditional system | 混合动力系统 Hybrid system | |
1 | 7 | 11 |
2 | 10 | 17 |
3 | 15 | 31 |
4 | 29 | 51 |
从图 3可知,采伐机加速度与车速关系,从整体上可知,加速度随着速度增大而减小; 相邻两挡的加速度曲线有相交点,为获得最短加速时间,应在交点对应车速由低挡换到高挡行驶。 混合动力系统的最大加速度为3.85 m·s-2,传统动力系统的最大加速度为4.96 m·s-2 。
如图 4,混合动力系统0~30 km·h-1加速时间为5.2 s,传统动力系统0~30 km·h-1加速时间为13.48 s,混合动力系统加速时间小于传动动力系统加速时间,说明混合动力采伐机的加速性能较好,操纵较灵敏,安全性较高。 在Cruise软件设置驾驶员的换挡方式为最大加速度换挡,从加速度-时间曲线可以看出加速度的变化,其总体是下降趋势,是因为混合动力采伐机在原地起步连续换挡加速时,随着挡位的加大,加速度会逐渐减小,但曲线中也存在波动的情况,那是因为换挡过程中动力会出现瞬时的中断,此时需要耗费换挡时间,为了提高加速性能,减小加速时间可以采取降低换挡所消耗时间来提高混合动力采伐机的动力性[12]。
3.4 对比分析通过对串联式混合动力和传动动力系统的采伐机进行仿真分析,得采伐机的爬坡性能、 最高车速、加速性能,结果如表 8。 仿真结果表明,两者的最大爬坡度相当,但混合动力系统的0~30 km·h-1加速时间和最高车速要比传统动力系统的性能要好。 可知,采用混合动力系统能够提升采伐机的行驶性能,在采伐机的动力系统上有着很大的改善作用。
动力系统 Dynamic system | 最高车速 Maximum speed/(km·h-1) | 0~30 km·h-1加速时间 0~30 km·h-1 acceleration time/s | 最大爬坡度 Maximum climb/% |
混合Hybrid | 51 | 5.2 | 61.5 |
传统Traditional | 29 | 13.5 | 59.1 |
阐述了动力系统结构方案、 整车动力性指标、 动力系统的参数匹配和混合动力采伐机传统系统的仿真分析。 在确定混合动力采伐机动力系统结构方案的基础上,对动力总成提出动力性指标,对动力系统的主要部件电机、 电池组、 发电机和发动机进行参数设计与选型,通过AVL Cruise软件对所设计的动力系统和传统的动力系统进行对比分析,结果表明混合动力采伐机的动力性上优于传统动力系统,即所设计的混合采伐机的传动系统是合理的。
本研究基于理想状态下,以串联式混合动力采伐机为研究对象,传统采伐机动力系统用于对比分析,运用动力学理论对动力系统进行计算分析,借助AVL Cruise软件进行仿真分析,计算结果与实际测量结果会存在一定误差,需制造出样机进行实地测试,测试结果与计算理论相结合进一步完善。
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