大慣量高頻啟停液壓回轉機構節(jié)能驅動技術綜述*

賀 磊,劉志奇,劉宣佐,高有山

(太原科技大學 機械工程學院,山西 太原 030024)

0 引 言

工業(yè)的發(fā)展加大了對能源的需求,而能源的消耗又會引起環(huán)境污染,因此,面對日益突出的能源枯竭和環(huán)境污染問題,開展資源節(jié)約和節(jié)能減排技術的研究就顯得尤為重要。

機械裝備中存在很多高頻啟停,且質量較大的回轉驅動裝置,其頻繁啟停過程不僅會造成資源浪費,還會降低裝置的使用壽命。

基于對蓄能器的分析,惠記莊等人[1]對挖掘機的制動能量回收系統(tǒng)進行了研究,但該研究只是通過蓄能器對回轉制動動能進行回收,沒有考慮發(fā)動機和相關負載對其回轉制動動能回收的影響。針對回轉制動動能的回收問題,黃偉男[2]提出了一種采用雙液壓馬達、主被動復合高能效控制的回轉系統(tǒng);但是在回轉系統(tǒng)的運行過程中,受到機械結構、地面傾斜等因素的影響,會造成系統(tǒng)正、反向運行特性不同的問題,對此該研究并未給予考慮。劉昌盛等人[3]經過相關的研究,提出了一種以液壓馬達+電機為回收方式,超級電容為儲能元件的混合動力挖掘機回轉制動能量回收方案,但該研究并未考慮儲能元件超級電容的性能對其能量回收效率的影響。

在制動的過程中,回轉機構在制動前聚集的大量能量會以不同形式損耗掉。若將制動過程中損耗的能量儲存起來,利用儲存能量驅動電動機轉動或輔助液壓泵產生壓力油等方法,均可提高能量的利用率,節(jié)約資源。

對回轉機構的制動能量進行回收與利用,以實現(xiàn)節(jié)能減排的方法,也受到了國內外相關領域專家的廣泛關注。

筆者將從液壓式儲能、電力式儲能、電液式儲能和機械式儲能4個方面出發(fā),分別介紹國內外相關領域的研究成果,并分析總結其優(yōu)缺點,進而探討回轉機構節(jié)能驅動技術未來的發(fā)展方向。

1 液壓驅動回轉機構

液壓驅動回轉機構系統(tǒng)如圖1所示[4,5]。

圖1 液壓驅動回轉機構系統(tǒng)1—減速器和上車回轉機構;2—制動器;3—回轉馬達;4，5—單向閥;6，7—溢流閥;8，9—防反轉閥;10—主閥

該系統(tǒng)由回轉馬達、制動器、單向閥、溢流閥和防反轉閥等元件組成。

回轉機構啟動時,主閥處于左位,主泵供油驅動負載轉動。由于負載質量大,回轉機構啟動的時候會存在滯后現(xiàn)象,主泵提供壓力油中的一部分通過溢流閥溢流,減緩啟動過程中的液壓沖擊;回轉機構制動時,主閥處于中位,回轉馬達供油路和回油路均斷開,在回轉機構大慣量的作用下,回轉馬達繼續(xù)轉動,使得回油管路壓力升高,當壓力達到溢流閥6或7的設定壓力時,回油管路中的油液通過溢流閥溢流。

該回轉機構在制動時,主要靠溢流閥建立制動轉矩,使負載減速。大量的回轉動能以熱能的形式耗散在溢流閥閥口,造成能量的浪費。

當溢流閥開啟壓力調定時,回轉機構的制動性能也隨之確定,這就使得負載制動時制動加速度難以動態(tài)調整,導致制動效果較差。

2 大慣量高頻啟?；剞D機構節(jié)能驅動技術

根據(jù)儲能元件的不同,可將回轉機構制動能量回收系統(tǒng)分為液壓式儲能、電力式儲能、電液式儲能和機械式儲能[6-8]四大類。

2.1 液壓式儲能

液壓式儲能采用液壓蓄能器作為儲能元件,將制動能轉換為液體的壓力能,存儲在蓄能器[9]中。

根據(jù)系統(tǒng)中所采用液壓蓄能器的用途,可將液壓式儲能方式分為單蓄能器儲能和多蓄能器儲能兩類:(1)單蓄能器儲能采用單個蓄能器及換向閥等元件,實現(xiàn)系統(tǒng)制動能量的回收;(2)多蓄能器則通過在液壓系統(tǒng)中采用高、低壓蓄能器相結合的儲能方式,實現(xiàn)能量的回收,一般應用在閉式回路中。

2.1.1 單蓄能器能量回收與利用系統(tǒng)

根據(jù)儲能方式的不同,單蓄能器儲能可分為直接儲能和間接儲能兩類。對存儲的能量進行利用時,又可以分為增壓利用和直接利用[10]兩類。

單蓄能器回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)儲能方式的區(qū)別和特點,如表1所示。

表1 儲能方式的區(qū)別和特點

單蓄能器回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)能量利用方式的區(qū)別和特點,如表2所示。

表2 能量利用方式的區(qū)別和特點

單蓄能器直接儲能增壓利用回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng),如圖2所示[11]。

圖2 單蓄能器直接儲能增壓利用回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng)1—轉臺;2—回轉馬達;3～9—單向閥;10～12—換向閥;13—蓄能器;14—溢流閥;15—主泵;16—節(jié)流閥;17—發(fā)動機;18—油箱

該系統(tǒng)通過增加換向閥、蓄能器等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況時,換向閥10工作于中位,11工作于右位,12工作于下位,主泵15停止向回轉馬達2供油;

在大慣量的作用下,轉臺帶動回轉馬達2繼續(xù)轉動,A口通過單向閥3從油箱吸油,B口產生的高壓油通過單向閥6,經換向閥11進入到蓄能器中,實現(xiàn)對制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥10工作于左位,11工作于中位,12工作于上位,蓄能器中的壓力油通過換向閥12,經單向閥8作用于主泵的進油口,從而實現(xiàn)能量再利用。

該系統(tǒng)存儲的能量采用增壓利用的方式,將蓄能器的油液作用于主泵的進油口。由于蓄能器中油液的壓力遠大于油箱壓力,其油液極易釋放到主泵的進油口,使得主泵進油口為壓力油。

該能量利用方式有利于增加主泵進油口的壓力,防止大流量時主泵產生氣蝕,可有效提高主泵的轉速[12];還可提高主泵自吸能力,防止吸空;補充主泵泄露油液,提高液壓泵工作效率。

蓄能器輸出的流量由主泵的變量機構決定,在增壓利用方式的流量匹配過程中,變量機構存在一定的滯后性,使蓄能器釋放的壓力油不能全部被回轉馬達利用,其中一部分壓力油通過泵出口的溢流閥溢流[13],導致系統(tǒng)能量利用率降低。

單蓄能器間接儲能直接利用回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng),如圖3所示[14-17]。

圖3 單蓄能器間接儲能直接利用回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng)1—轉臺;2—回轉馬達;3～11—單向閥;12～14—換向閥;15～17—溢流閥;18—蓄能器;19—回收泵;20—回收馬達;21—主泵;22—電動機;23—過濾器;24—油箱

該系統(tǒng)通過增加回收馬達、回收泵、蓄能器、溢流閥等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況時,換向閥12工作于中位,13工作于左位,14工作右位,主泵21停止向回轉馬達2供油;

在大慣量的作用下,轉臺帶動回轉馬達2繼續(xù)轉動,A口通過單向閥5從油箱吸油,B口產生的高壓油通過單向閥8,經換向閥13驅動回收馬達20旋轉,使其帶動回收泵19工作,并將壓力油存儲到蓄能器中,實現(xiàn)制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥12、14工作于左位,13工作于右位,蓄能器中的壓力油通過換向閥14經單向閥10作用于主泵的出油口,和主泵一起驅動負載動作,從而實現(xiàn)能量再利用。

該系統(tǒng)為間接式儲能系統(tǒng),其能量轉換環(huán)節(jié)較多,造成能量回收率較低。能量利用時蓄能器中的油液作用于主泵的出油口,與主泵共同驅動負載動作。但該系統(tǒng)在工作過程中,主泵出口壓力較高,蓄能器中的油液無法完全釋放,導致系統(tǒng)能量利用率較低。能量利用方面,相比于增壓利用方式,該方式中蓄能器釋放油液的多少,取決于回轉馬達的轉速,所以能量的流量損失較少。

單蓄能器直接儲能直接利用回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng),如圖4所示[18-22]。

圖4 單蓄能器直接儲能直接利用回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng)1—回轉馬達;2～5—單向閥;6～10—換向閥;11—蓄能器;12，13—液控單向閥;14～17—溢流閥;18—主泵;19—發(fā)動機;20—油箱

該系統(tǒng)通過在主泵和液壓馬達之間增加換向閥、溢流閥、蓄能器等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況時,換向閥10工作于中位,6工作于右位,7工作于左位,8、9工作于上位,主泵18停止向回轉馬達1供油;

在大慣量的作用下,轉臺帶動回轉馬達1繼續(xù)轉動,A口通過單向閥2從油箱吸油,B口產生的高壓油通過換向閥7,經單向閥5進入到蓄能器中,實現(xiàn)制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥10工作于左位,6、7工作于右位,8工作于下位,9工作于上位,蓄能器中的壓力油通過換向閥8、6作用于回轉馬達,驅動回轉馬達旋轉,從而實現(xiàn)能量的利用。

該系統(tǒng)啟動初期,回轉馬達需要的流量較少,蓄能器中油液的壓力大于溢流閥15和16的設定壓力,溢流閥15和16打開,主泵通過其卸荷。此時回轉馬達由蓄能器單獨供油驅動,蓄能器儲存油液的壓力逐漸降低,當?shù)陀谝缌鏖y15和16的壓力設定值時,溢流閥15和16關閉,蓄能器和液壓泵共同驅動回轉馬達轉動,這樣不僅能降低主泵的輸出能量,還能提高能量的利用率。

2.1.2 多蓄能器能量回收與利用系統(tǒng)

在液壓系統(tǒng)中,多蓄能器通過采用高、低壓蓄能器及二次元件液壓泵/馬達,實現(xiàn)系統(tǒng)能量的回收與再利用。其中,在系統(tǒng)制動過程中高壓蓄能器回收能量,并在系統(tǒng)啟動過程中提供能量;低壓蓄能器在系統(tǒng)制動過程中為液壓泵提供低壓大流量。

閉式高、低壓蓄能器回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng),如圖5所示[23-25]。

圖5 閉式高、低壓蓄能器回轉制動能量的回收與利用系統(tǒng)1—電動機;2—主泵;3～7—單向閥;8，9—液控單向閥;10，11—溢流閥;12—換向閥;13—低壓蓄能器;14—高壓蓄能器;15—節(jié)流閥;16—液壓泵/馬達;17—轉臺

該系統(tǒng)通過增加高壓蓄能器、低壓蓄能器、二次元件液壓泵/馬達、換向閥等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況時,調節(jié)主泵的變量機構,使主泵停止向負載提供壓力油,換向閥12工作于右位;

在大慣量作用下,液壓泵16繼續(xù)轉動,A口通過換向閥12的右位,從低壓蓄能器13獲取大流量液壓油源,低壓蓄能器通過另一管路通到主泵的低壓口,防止主泵動態(tài)過程中出現(xiàn)的吸空現(xiàn)象,液壓泵16的B口產生的高壓油通過單向閥7或者換向閥12進入到高壓蓄能器中,實現(xiàn)制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥12工作于左位,調節(jié)主泵變量機構,使主泵向負載提供壓力油。同時,高壓蓄能器中的壓力油通過換向閥12作用到液壓馬達16的A口驅動液壓馬達旋轉,B口產生的低壓油通過換向閥12,進入到低壓蓄能器中儲存起來,從而實現(xiàn)能量的利用。

相較于單蓄能器,多蓄能器中回轉馬達出口的壓力油沒有直接流回油箱,而是通過低壓蓄能器將該部分能量儲存起來,有效提高了多蓄能器的能量回收與利用率。同時,多蓄能器采用的二次元件液壓泵/馬達,不僅能無節(jié)流損失傳遞能量,還可避免其在回轉過程中存在的節(jié)流、溢流損失。但二次元件液壓泵/馬達動態(tài)響應速率較慢,成本較高,不適合大批量使用。

鑒于上述特性,多蓄能器液壓系統(tǒng)多用于需要頻繁啟動、制動和加速的車輛。車輛高、低壓蓄能器回轉制動能量回收與利用系統(tǒng),如圖6所示[26-29]。

圖6 車輛高、低壓蓄能器回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)1，2—電磁離合器;3—電動機;4—低壓蓄能器;5—高壓蓄能器;6—溢流閥;7，8—換向閥;9—液壓泵/馬達

該液壓系統(tǒng)是雙軸并聯(lián)電液混合動力系統(tǒng)[30-32],通過增加高、低壓蓄能器、二次元件液壓泵/馬達、換向閥、溢流閥等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

以順時針轉動為例,當車輛需要停車或減速制動時,換向閥7、8工作于左位。液壓泵9在大慣量作用下繼續(xù)轉動,A口通過換向閥7,從低壓蓄能器4獲取大流量液壓油源,液壓泵9的B口產生的高壓油通過換向閥7儲存到高壓蓄能器中,實現(xiàn)制動能量的回收;當車輛需要起步或加速時,換向閥7工作于右位,8工作于左位,高壓蓄能器釋放的壓力油通過換向閥8和7作用到液壓馬達9的A口驅動液壓馬達旋轉,從而驅動車輛完成起步或者加速,B口產生的低壓油通過換向閥7進入低壓蓄能器中存儲起來,從而實現(xiàn)能量的利用。

城市道路車輛在行駛過程中,需要頻繁啟動、制動和加速。車輛在啟動時具有低速重載的特性,該工況下需要較大的峰值扭矩,尤其是對于城市公交車[33-35]。電動機在低速重載下啟動會使其啟動電流過大,線圈發(fā)熱嚴重,大幅縮短電動機使用壽命。該方案采用雙軸雙動力驅動,當車輛使用液壓動力系統(tǒng)驅動時,由于蓄能器功率密度大,液壓系統(tǒng)可迅速響應,能夠改善車輛的啟動和加速性能;同時使電動機工作在高效區(qū)域,降低了電動機的裝機功率,提高了系統(tǒng)的能量利用率。但在能量轉換和利用方面的控制策略還有待深入研究[36-40]。

2.2 電力式儲能

液壓蓄能器的儲能時間不長,有學者提出采用蓄電池或超級電容[41]等作為儲能元件,并在轉換器、控制器等元件的配合下,將制動能轉換為電能存儲在其中,從而實現(xiàn)能量的回收。能量利用時將儲能元件連接到電動機[42],并且和混合動力單元通過耦合控制[43,44]共同驅動主泵動作。

電力式儲能系統(tǒng)通過增加換向閥、液壓馬達、發(fā)電機、電機控制器、蓄電池或者超級電容等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。電力式回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)如圖7所示[45]。

圖7 電力式回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)1—轉臺;2—回轉馬達;3～8—單向閥;9，10—換向閥;11，12—溢流閥;13—回收馬達;14—主泵

此處以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況時,換向閥9工作于中位,10工作于右位,轉臺在大慣量的作用下帶動回轉馬達2繼續(xù)轉動,A口通過單向閥3從油箱吸油,B口產生的高壓油通過單向閥6,經換向閥10驅動回收馬達13旋轉,回收馬達帶動發(fā)電機發(fā)電,其電能通過電機控制器2儲存在電量存儲單元中,實現(xiàn)對制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥9工作于左位,10工作于中位,電量存儲單元儲存的電能通過電機控制器1作用于混合動力單元,使其帶動主泵14工作,從而實現(xiàn)能量的利用。

相較于液壓式儲能系統(tǒng),電力式儲能系統(tǒng)中儲能元件蓄電池或超級電容比液壓蓄能器的儲能時間更長,且具有更高的能量密度。其中,超級電容的功率密度高于蓄電池,其充放電時間更短、循環(huán)壽命更長,但其續(xù)航時間短、成本更高[46,47]。

儲能元件蓄電池和超級電容對使用環(huán)境和使用場合有很高的要求,這就限制了整機的使用范圍;而且其負載的工作性能又比較依賴儲能元件的功率密度、能量密度和存儲容量等因素。若整機工作在負載動態(tài)變化大、動作頻繁等環(huán)境下,則對其儲能元件的性能參數(shù)有了更高的要求。

2.3 電液式儲能

電液式儲能系統(tǒng)除使用蓄電池和超級電容等儲能元件外,還加入液壓蓄能器,將制動能轉換為電能和液壓能兩種形式能量進行儲存[48,49],實現(xiàn)制動能量的回收。能量利用時將蓄電池或超級電容連接到電動機,液壓蓄能器連接到液壓泵/馬達,分別驅動相應負載動作。

電液式儲能[50]在原系統(tǒng)的基礎上,增加回收控制閥、二次元件液壓泵/馬達、二次元件電動/發(fā)電機、蓄能器、雙向DC-DC變換器、超級電容等原件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

電液式回轉制動能量回收與利用系統(tǒng),如圖8所示。

圖8 電液式回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)1—回轉馬達;2～4—溢流閥;5,6—單向閥;7—換向閥;8,9—回收控制閥;10—電動/發(fā)電機;11—液壓泵/馬達;12—蓄能器;13—雙向DC-DC變換器;14—超級電容;15—主泵;16—電動機;17—油箱

此處以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況,換向閥7工作于中位,回收控制閥8打開,9關閉,主泵15停止向回轉馬達1供油。轉臺在大慣量的作用下帶動回轉馬達1繼續(xù)轉動,A口通過單向閥5從油箱吸油,B口產生的高壓油通過回收控制閥8驅動液壓馬達11旋轉,液壓馬達帶動發(fā)電機10發(fā)電,其電能通過雙向DC-DC變換器,將電能儲存在超級電容中,液壓馬達出口產生的壓力油存儲到蓄能器中,實現(xiàn)制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥7工作于左位,回收控制閥8關閉,9打開,由超級電容提供電能驅動電動機10轉動,使其驅動液壓泵11工作,液壓泵11從蓄能器吸油作用到回轉馬達1,從而實現(xiàn)能量的利用。

電液式儲能系統(tǒng)的工作過程比電力式儲能系統(tǒng)更為復雜,但其兼具電力式儲能系統(tǒng)的高能量密度和液壓式儲能系統(tǒng)的高功率密度特點;且能量利用時,超級電容和液壓蓄能器共同輔助動力源驅動負載,大大提高了系統(tǒng)的能量利用率。由于回轉機構需要高頻的啟制動,這對電動/發(fā)電機的轉矩動態(tài)響應、使用壽命等性能指標提出了更高的要求。

2.4 機械式儲能

機械式儲能采用飛輪作為其儲能元件,將制動能量轉換為機械能存儲在飛輪中,實現(xiàn)能量的回收;能量利用時,將飛輪連接到液壓泵,驅動其工作。

2.4.1 基于飛輪的能量回收與利用系統(tǒng)

機械式儲能[51-53]通過增加齒輪傳動單元、變速箱、飛輪、液壓泵、溢流閥等元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

基于飛輪的回轉制動能量回收與利用系統(tǒng),如圖9所示。

圖9 基于飛輪的回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)1—發(fā)動機;2—主泵;3～8—單向閥;9～13—溢流閥;14～16—換向閥;17—回轉馬達;18—減速器;19—回轉支承;20—轉臺;21—輔助齒輪;22—變速箱;23，24—離合器;25—飛輪;26—輔助液壓泵;27—油箱

此處以順時針轉動為例,當系統(tǒng)處于制動工況時,換向閥14工作于中位,離合器23結合,24分離,主泵2停止向回轉馬達17供油。回轉機構在大慣量的作用下會繼續(xù)轉動,通過變速箱22經離合器23連接到飛輪,帶動飛輪旋轉,實現(xiàn)制動能量的回收;當系統(tǒng)處于啟動工況時,換向閥14工作于左位,離合器23分離,24結合,飛輪作為動力源驅動輔助液壓泵工作,泵出口產生的高壓油通過單向閥作用到主泵的出油口,和主泵一起驅動負載動作,從而實現(xiàn)能量的利用。

作為儲能元件,飛輪在回轉制動過程中可以儲存較多能量,具有能量密度大的優(yōu)勢。但飛輪作為動力元件時,飛輪在驅動輔助泵工作時具有轉速不穩(wěn)定的缺點,這會導致泵輸出油液流量不穩(wěn)定;且當主泵輸出油液壓力大于輔助液壓泵輸出油液壓力時,單向閥8關閉,輔助液壓泵26出口壓力逐漸升高,當達到溢流閥13的設定壓力時,能量在溢流閥閥口以熱能的形式耗散掉,從而造成了能量的浪費,降低了飛輪存儲能量的利用率。

2.4.2 基于飛輪/蓄能器的能量回收與利用系統(tǒng)

不同儲能裝置的功率密度和能量密度都有差異,其中飛輪的特點是能量密度高、功率密度低。為了彌補飛輪功率密度低的不足,有學者提出將飛輪與功率密度大而能量密度低的蓄能器集成使用,即飛輪/蓄能器[54,55],它能將液壓系統(tǒng)壓力波動最小化,并增加其能量密度。

飛輪/蓄能器有3種工作模式:當飛輪/蓄能器靜止時,右側通壓力油,此時處于普通蓄能器工況,存儲為純液壓能;當飛輪/蓄能器旋轉且右側不通壓力油時,此時處于普通飛輪工況,能量存儲為機械能;當飛輪/蓄能器旋轉且右側通壓力油時,此時處于混合存儲模式。

用飛輪/蓄能器組成的能量回收系統(tǒng)[56-58],通過增加換向閥、二次元件液壓泵/馬達等液壓元件,來實現(xiàn)回轉制動能量的回收與利用。

基于飛輪/蓄能器的回轉制動能量回收與利用系統(tǒng),如圖10所示。

圖10 基于飛輪/蓄能器的回轉制動能量回收與利用系統(tǒng)1,2—液壓泵/馬達;3—換向閥;4—飛輪/蓄能器;5—主泵;6—動力源;7—油箱

此處以順時針轉動為例,當車輛需要停車或者減速制動時,液壓泵/馬達1處于泵工況,液壓泵/馬達2處于馬達工況,A口產生的高壓油一部分通過飛輪/蓄能器的進油口存儲為液體壓力能,另一部分驅動液壓馬達2動作,使飛輪/蓄能器旋轉,將能量存儲為動能,實現(xiàn)制動能量的回收;當車輛需要起步或者加速時,液壓泵/馬達1工作于馬達工況,液壓泵/馬達2工作于泵工況,由飛輪/蓄能器作為動力源,驅動液壓泵2生成高壓油,同飛輪/蓄能器以及主泵的壓力油共同驅動負載動作,從而實現(xiàn)能量的利用。

相比于純液壓蓄能器儲能和飛輪儲能,使用飛輪/蓄能器儲能能夠回收更多的能量,并且在能量利用過程中,有多種存儲模式可供其選擇,在不同工況下,可以動態(tài)調整能量的存儲及利用方式。

但飛輪/蓄能器帶來良好特性的同時也存在一些問題,它在高速狀態(tài)下的動態(tài)特性對車輛行駛過程中的平穩(wěn)性影響較大,在車輛移動狀態(tài)下,車輛的轉彎、側傾、俯仰等動作會使飛輪產生陀螺力矩,這就提高了對車輛操控性能的要求。

若要降低這些不利因素,就需要飛輪/蓄能器在制造過程中嚴格控制公差,制造后進行平衡性調整;或者采用垂直安裝飛輪/蓄能器等方案。

3 結束語

對大慣量高頻啟?；剞D機構的制動能量進行回收與利用,不僅可減少系統(tǒng)的能量損失,而且能改善系統(tǒng)的驅動性能,縮小系統(tǒng)的體積和成本,增加其布置的靈活性。

筆者分別從液壓式儲能、電力式儲能、電液式儲能和機械式儲能4種不同儲能方式,分析各儲能方式的特點及存在的問題,總結了大慣量高頻啟?；剞D機構節(jié)能關鍵技術面臨的主要問題及技術難點,并預測了節(jié)能驅動技術未來的研究發(fā)展趨勢。

研究結論如下:

(1)在液壓系統(tǒng)中,液壓式儲能可將能量直接以液壓能的形式存儲,降低能量轉換過程中能量損失,但蓄能器能量密度較低,不適合長時間儲能;對于本身具有電能儲存和利用元件的系統(tǒng)來說,電力式儲能不需要另外增設這部分元件,且電能利用范圍廣,但電能需要通過元件的多次轉化存儲,降低了能量回收率;電液式儲能結合了液壓式儲能和電力式儲能的優(yōu)點,提高了能量回收與利用率,但該儲能系統(tǒng)需增設多個元件,系統(tǒng)更為復雜且不利于元件的布置;機械式儲能將回收的能量以機械能的形式存儲在飛輪中。飛輪的能量密度高、價格低,但飛輪在移動過程中會產生陀螺力矩,將增加其加工和裝配難度;

(2)目前,在設計大慣量高頻啟停回轉機構的節(jié)能驅動系統(tǒng)時,需要增設多個相關元件來實現(xiàn)節(jié)能特性,這不僅增大系統(tǒng)所需空間及系統(tǒng)復雜度,且增設的能量轉換元件會增加能量回收過程中的能量損耗,降低能量回收率。因此,減少節(jié)能驅動系統(tǒng)中涉及能量轉換的元件的數(shù)量,減少能量轉換過程中的能量損耗,提高能量傳遞效率是節(jié)能的關鍵;

(3)對現(xiàn)有元件的性能進行改進提升,研制新型高效儲能元件,并完善節(jié)能特性所需不同元件之間的匹配關系,深入研究驅動與傳動系統(tǒng)的自適應能量優(yōu)化策略等是節(jié)能驅動技術的主要研究點。隨著智能化技術的發(fā)展,將智能算法與能量回收技術相結合,從而提高能量利用率,減少能源消耗,在實現(xiàn)高效節(jié)能、低碳環(huán)保等方面具有重要意義。

在后續(xù)的工作中,筆者將對回轉機構節(jié)能驅動技術做進一步研究,爭取提出新的液壓系統(tǒng)節(jié)能方案,并對其節(jié)能特性進行優(yōu)化,從而達到進一步提高回轉機構制動能量回收效率的目的。