高儲(chǔ)能密度液壓飛輪蓄能器

何冠霖 于超 王鵬 孫明宇

摘 要：針對(duì)當(dāng)前液壓蓄能器的能量存儲(chǔ)密度明顯低于其他能量域中的能量存儲(chǔ)裝置的缺點(diǎn)，將傳統(tǒng)液壓蓄能器與飛輪蓄能原理相結(jié)合，通過對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種新型液壓飛輪蓄能器，并對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單受力分析，仿真。

關(guān)鍵詞：蓄能器；新型結(jié)構(gòu)；受力分析仿真

近年來隨著液壓技術(shù)的不斷創(chuàng)新應(yīng)用，混合動(dòng)力技術(shù)也來越來越受到人們的重視，蓄能器作為液壓蓄能器的一個(gè)關(guān)鍵元件，如何設(shè)計(jì)蓄能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的制動(dòng)特性和較高的能量回收率對(duì)提高液壓混合動(dòng)力車整體性能具有重要的意義。

當(dāng)前蓄能器可分為氣囊式蓄能器以及活塞式蓄能器，對(duì)于氣囊式蓄能器，如果預(yù)充氣壓力過低，沒有預(yù)先充氣，則會(huì)迅速地導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。氣囊被壓入擠入充氣閥閥桿而被刺破這種情況稱為“拔出”。一般，只要一次工作循環(huán)就足以破壞氣囊。如果氣囊破裂，則氣囊式蓄能器將立即失效。

對(duì)于以上的情況，活塞式蓄能器為基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)上將活塞式蓄能器與飛輪結(jié)合，在腔體內(nèi)壁安裝矩形葉片，在葉片和活塞間安裝限位塊。提高了儲(chǔ)能密度，強(qiáng)度高，可承受壓力大，容積大；通常使用壽命比較長；相對(duì)于氣囊式的更換氣囊，活塞式更換密封件成本更低，操作更簡便；具備多道密封，即使失效也是逐漸、緩慢地失效。繼續(xù)研究分析，最終將矩形葉片改進(jìn)成變截面面積葉片，解決液體旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力分布不均的問題。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1.1腔內(nèi)液體流動(dòng)數(shù)學(xué)描述

對(duì)于腔內(nèi)任意微小液體元，根據(jù)牛頓第二定律：

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，當(dāng)蓄能器旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)壁處液體速度最大，貼近軸處液體速度最小。

1.1.2穩(wěn)態(tài)下液體壓強(qiáng)隨半徑變化分布情況

對(duì)腔內(nèi)液體元的數(shù)學(xué)描述：由牛頓第二定律∑FX=ma，液體微元所受的力源于各個(gè)面上所受的壓力。其中m是液體微元的質(zhì)量，a是加速度?？紤]到微元實(shí)際情況，可得出液體受力表達(dá)式：

其中P是液體壓力，dP是沿半徑方向上微元壓力的變化量，dθ是微元角度大小，Ai、AO分別是微元近軸端、遠(yuǎn)軸端面積。

接下來使用極坐標(biāo)表示方法，整理得到：

即液體壓力沿半徑呈拋物線形式變化。

1.1.3建立活塞受力平衡表達(dá)式

預(yù)充氣體壓力與液體量變化規(guī)律：

設(shè)蓄能器總長度l，預(yù)充氣體壓力為P預(yù)，當(dāng)蓄能器吸收一部分液壓油時(shí)，設(shè)進(jìn)入腔內(nèi)液壓油體積為V充，蓄能器內(nèi)腔直徑為D。

1.2 簡化葉片受力分析

當(dāng)蓄能器狀態(tài)從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向非穩(wěn)態(tài)時(shí)，葉片將僅有一面受到液體的壓力，此時(shí)對(duì)葉片的強(qiáng)度進(jìn)行考慮。

1.2.1葉片在初啟動(dòng)狀態(tài)的受力仿真

1.2.2變式葉片設(shè)計(jì)

考慮到液體進(jìn)入腔體的速度，同時(shí)由之前的計(jì)算，考慮到腔體內(nèi)邊緣處液體壓強(qiáng)較輸入時(shí)增加，為確保葉片使用壽命，考慮選擇進(jìn)行變式葉片設(shè)計(jì)：

形狀上改變：變截面面積葉片。

曲面葉片（進(jìn)行了瞬態(tài)仿真）。

1.3 不同材料的選用

葉片材料：鑄鐵，青銅，不銹鋼，非金屬材料（pps塑料等）。

主要考慮：耐磨性，防腐性提高表面質(zhì)量，對(duì)磨損嚴(yán)重的部位進(jìn)行噴涂，噴焊耐磨層或是加一層襯板。

防腐耐磨材料：橡膠涂料，時(shí)應(yīng)加水玻璃，陶瓷防腐耐磨材料耐蝕性強(qiáng)。

轉(zhuǎn)速高的葉片材料多用：馬氏體沉淀不銹鋼。

2 結(jié)語

液壓挖掘機(jī)在工作過程中，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的上下擺動(dòng)以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比較頻繁，又由于各運(yùn)動(dòng)部件慣性都比較大，在有些場合，機(jī)械臂自身的重量超過了負(fù)載的重量，在機(jī)械臂下放或制動(dòng)時(shí)會(huì)釋放出大量的能量。負(fù)值負(fù)載的存在使系統(tǒng)易產(chǎn)生超速情況，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生不利影響。

用能量回收方法解決負(fù)值負(fù)載問題不但能節(jié)約能源，還可以減少系統(tǒng)的發(fā)熱和磨損，提高設(shè)備的使用壽命，并對(duì)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能產(chǎn)生顯著的效果。能量回收方式一般分為三種：重力式能量回收、飛輪式能量回收、液壓式能量回收。但重力式能量回收當(dāng)蓄能總量需求較高時(shí)，設(shè)備會(huì)比較龐大，不適合在移動(dòng)式工程機(jī)械上應(yīng)用；飛輪式能量回收方法，飛輪的儲(chǔ)能能力較差，常規(guī)轉(zhuǎn)速下能量密度較低，重量和體積大，且飛輪的能量儲(chǔ)存效率與飛輪中間怠速時(shí)間的大小成正比；液壓式能量回收，液壓蓄能器的比能量較低，較大體積的蓄能器不適于空間有限的工程機(jī)械上和除了大客車以外的其它汽車。而本項(xiàng)目研究的高儲(chǔ)能密度液壓飛輪蓄能器可以很大程度的填補(bǔ)以上缺陷，具有很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃宗益，李興華，陳明.液壓挖掘機(jī)節(jié)能措施[J].建筑機(jī)械化，2004，（8）：51-54.

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