路面液壓發(fā)電裝置中蓄能器容積計(jì)算方法

方桂花，胡娟，王興春，李曉燕

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.內(nèi)蒙古包頭永芃科技有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014010)

路面液壓發(fā)電裝置中蓄能器容積計(jì)算方法

方桂花1，胡娟1，王興春2，李曉燕1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.內(nèi)蒙古包頭永芃科技有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014010)

通過分析路面液壓發(fā)電系統(tǒng)和蓄能器的工作原理及其工作狀況，得知現(xiàn)有的蓄能器容積計(jì)算公式不適用于路面液壓發(fā)電系統(tǒng)。在充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)際工況后，經(jīng)過分析推導(dǎo)出了符合實(shí)際應(yīng)用的蓄能器容積計(jì)算方法。

路面液壓發(fā)電;蓄能器;容積

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量也在逐年增長，中國已經(jīng)進(jìn)入汽車交通發(fā)達(dá)時(shí)代，人們在享受汽車帶來便捷的同時(shí)也耗費(fèi)了大量的能源，因此全世界都面臨著巨大的能源危機(jī)，這就使得如何開發(fā)和利用綠色能源成為全世界高度關(guān)注以及需要迫切解決的問題。路面液壓發(fā)電裝置正是基于這一理念產(chǎn)生的，它利用汽車的重力進(jìn)行環(huán)保發(fā)電。文中通過分析路面發(fā)電裝置中蓄能器的功能，得到符合路面發(fā)電裝置蓄能器的容積計(jì)算公式，為下一步的路面發(fā)電系統(tǒng)的全面研究及蓄能器的特性分析奠定了基礎(chǔ)。

1 路面發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

路面液壓發(fā)電裝置安裝在車流量密集且需要車輛減速行駛的路段，多個(gè)換能器相互并聯(lián)而組成一個(gè)換能器組。每個(gè)換能器都設(shè)有出油口與回油口，連接到主出油管3和主回油管11上。主出油管通過蓄能器5之后與液壓馬達(dá)6相連，通過變速器7調(diào)整轉(zhuǎn)速后，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組8發(fā)電。流過液壓馬達(dá)的油液經(jīng)過油液緩沖室9后重新回到換能器組中 (在回油路上設(shè)有油液補(bǔ)充裝置)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)回路。

圖1 路面發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖

2 蓄能器類型的選擇

通過分析發(fā)電系統(tǒng)的工作狀況配置所需的馬達(dá)型號，由馬達(dá)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)可知馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)1 min所需的流量為60 L，轉(zhuǎn)動(dòng)30 s所需的流量為30 L，這即是蓄能器的有效容積。通常情況下蓄能器的有效容積尚且達(dá)不到總?cè)莘e的1/3，初步估算蓄能器的總?cè)莘e至少為100 L，以此作為選擇路面液壓發(fā)電系統(tǒng)中蓄能器類型的依據(jù)。在蓄能器的選型上，需要參考各類蓄能器的性能優(yōu)劣，選擇最適用于路面發(fā)電系統(tǒng)的蓄能器類型。各類型蓄能器性能優(yōu)劣對比如表1所示。

表1 蓄能器類型對比

通過表1可以清楚地看出能夠滿足路面液壓發(fā)電裝置中蓄能器容積要求的只有活塞式蓄能器?；钊叫钅芷鞯钠渌阅芤埠芊习l(fā)電系統(tǒng)的需求。首先因?yàn)榛钊叫钅芷魇歉綦x式液壓能蓄儲裝置，可穩(wěn)定壓力，消除油路系統(tǒng)中壓力的脈動(dòng)沖擊;其使用壽命長，更換密封件成本更低，操作更簡便;失效形式是逐漸、緩慢地泄漏失效，這便保證了路面發(fā)電系統(tǒng)的安全性。其次，活塞式蓄能器的工作壓力較高，故可承受很大的壓力波動(dòng)幅度。缺點(diǎn):(1)低壓情況下 (13 MPa以下)，活塞因慣性大而不適于作高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而路面發(fā)電系統(tǒng)的工作壓力需大于31.5 MPa，不屬于低壓情況;(2)對殼體內(nèi)壁加工精度及密封件等要求很高，否則容易滲漏、增大摩擦。綜合考慮各類蓄能器的性能優(yōu)劣，活塞式蓄能器是路面液壓發(fā)電系統(tǒng)中所需的最合適蓄能器。

3 活塞式蓄能器的容積計(jì)算

3.1 活塞式蓄能器工作原理

在路面發(fā)電系統(tǒng)中用到的活塞式蓄能器由活塞將蓄能器分成兩個(gè)部分，蓄能器中所使用的氣體為氮?dú)?。通過分析活塞式蓄能器在路面發(fā)電系統(tǒng)中的工作過程，可將其工作過程分為3個(gè)極限狀態(tài)來研究。

(1)預(yù)充壓狀態(tài)。也可稱為原始狀態(tài)，蓄能器的總?cè)莘eV0指活塞式蓄能器氣腔容積與液腔容積之和，如圖2(a)所示;

(2)最大壓力狀態(tài)。指從最小壓力狀態(tài)開始，液壓油增量ΔV滿足工作需求時(shí)的狀態(tài)，如圖2(b)所示;

(3)最小壓力狀態(tài)。指活塞式蓄能器將最大量油液排出后的最小壓力值，如圖2(c)所示。

蓄能器開始工作時(shí)氣體腔內(nèi)壓力為預(yù)充氣壓力p0或最小壓力p1;當(dāng)有車輛駛過，換能器開始工作后，換能器將源源不斷地向蓄能器的液腔內(nèi)充入液壓油，直至蓄能器內(nèi)液壓油達(dá)到可蓄儲的最大量ΔV，氣腔壓力達(dá)到最大壓力p2時(shí)，蓄能器開始排出油液以驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)蓄能器油腔內(nèi)的液壓油達(dá)到最小值，氣腔壓力也達(dá)到最小值p1時(shí)蓄能器停止排出油液。上述工作過程即是蓄能器一次完整的進(jìn)液排液過程。蓄能器在路面發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行著如上所述的周而復(fù)始的循環(huán)，蓄能器的工作狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 活塞式蓄能器工作的3個(gè)極限狀態(tài)

3.2 活塞式蓄能器容積計(jì)算方法探討

蓄能用的蓄能器的具體功用包括“做輔助動(dòng)力源”、“補(bǔ)償泄漏保持恒壓”、“改善頻率特性”、“作應(yīng)急動(dòng)力源”、“作液壓空氣彈簧”等。根據(jù)蓄能器工作原理的不同有著不同的容積計(jì)算公式，路面發(fā)電系統(tǒng)中的蓄能器充當(dāng)著動(dòng)力源的作用，因此計(jì)算蓄能器的總?cè)莘e時(shí)可參考蓄能器作應(yīng)急動(dòng)力源時(shí)的計(jì)算公式。

(1)傳統(tǒng)應(yīng)急動(dòng)力源蓄能器總?cè)莘eV0的計(jì)算方法

當(dāng)蓄能器作為液體補(bǔ)充裝置時(shí)，其總?cè)莘eV0的計(jì)算方法有以下兩種情況:

絕熱過程時(shí):

式中:V0為蓄能器的總?cè)莘e，L;

ΔV為蓄能器有效工作容積，L;

p0為充氣壓力，MPa;

p1為最低工作壓力，MPa;

p2為最高工作壓力，MPa;

n為指數(shù)，絕熱過程n=1.4，等溫過程n=1。

(2)傳統(tǒng)蓄能器容積計(jì)算公式應(yīng)用在路面發(fā)電裝置時(shí)存在的缺陷

因?yàn)閭鹘y(tǒng)蓄能器總?cè)莘eV0的計(jì)算方法只有兩種情況即絕熱和等溫，分析路面發(fā)電裝置中蓄能器的工作狀況可知:當(dāng)通過換能器的車輛比較密集時(shí)，換能器工作頻繁，可以使蓄能器在1 min內(nèi)完成一次充液排液過程;此時(shí)蓄能器的工作狀況是絕熱過程。但是當(dāng)通過換能器的車輛較少時(shí)，可能在1 min之內(nèi)充入蓄能器油腔的油液達(dá)不到最大壓力值，而此時(shí)蓄能器的充液狀態(tài)則是等溫過程、排液過程是絕熱狀態(tài)。由此可見，蓄能器充液可能是絕熱過程也可能是等溫過程。而蓄能器的排液過程總是絕熱狀態(tài)，這就意味著當(dāng)充液過程為等溫過程時(shí)傳統(tǒng)活塞式蓄能器容積計(jì)算公式不適用于路面液壓發(fā)電裝置。

(3)適用于路面液壓發(fā)電裝置蓄能器的總?cè)莘e計(jì)算公式

當(dāng)充液過程為等溫過程、排液過程為絕熱過程時(shí)，根據(jù)波義爾定律:

當(dāng)充液、排液均為絕熱過程時(shí)，適用于傳統(tǒng)絕熱情況下的容積計(jì)算公式 (1)。

3.3 活塞式蓄能器總?cè)莘e計(jì)算

式中:(pI)max為馬達(dá)的最大工作壓力28 MPa;

(ΣΔp)max為蓄能器到馬達(dá)間的壓力損失之和，MPa。

在路面液壓發(fā)電系統(tǒng)的研究中，暫且忽略管路中的壓力損失，即(ΣΔp)max=0，p1=(pI)max=28 MPa。

因?yàn)楫?dāng)蓄能器做液體補(bǔ)充裝置時(shí)取p0=p1，即p0=p1=28 MPa，取ΔV=60 L(即馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)1 min所需的流量)時(shí)，設(shè)定不同的最高壓力值p2，分別代入公式 (4)、(5)可得表2。

表2 ΔV=60 L時(shí)，總?cè)莘eV0對應(yīng)表

當(dāng)選取ΔV=30 L(馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)30 s所需的流量)時(shí)，由不同的最高壓力值p2可得表3。

表3 ΔV=30 L時(shí)，總?cè)莘eV0對應(yīng)表

通過表2和表3可知:等溫條件下活塞式蓄能器的總?cè)莘e較絕熱條件下的容積要略大些，因此在確定蓄能器總?cè)莘e時(shí)選取等溫情況下的容積值。在滿足使用需求情況下，選擇相對容易加工的壓力及容積參數(shù)，由此選擇ΔV=30 L，p2=35 MPa，V0=220 L作為蓄能器的參數(shù)。

4 結(jié)論

經(jīng)過分析路面液壓發(fā)電裝置和蓄能器的工作原理，得到了符合實(shí)際應(yīng)用的蓄能器總?cè)莘e計(jì)算公式，并得到蓄能器的壓力容積最適參數(shù)，為活塞式蓄能器的仿真研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］馬雅麗，黃志堅(jiān).蓄能器實(shí)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］方桂花，劉進(jìn)峰，王興春.新型路面發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與初步研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(11):14－15.

［3］譚心，劉進(jìn)峰，方桂花，等.基于AMESim的新型路面液壓減速發(fā)電裝置換能器的研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(12):64－66.

［4］張迎春，寧艷平，陸元三.大容量活塞式蓄能器的使用［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(1):86－88.

Volume Calculation Method of Accumulator in the Pavement Hydraulic Power Generation Device

FANG Guihua1，HU Juan1，WANG Xingchun2，LIXiaoyan1
(1.Mechanical Engineering School，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China;2.Yongpeng Technology Co.，Ltd.，Baotou Inner Mongolia 014010，China)

By analyzing the working principle and working conditions of the accumulator and pavementhydraulic power generation system，itwas learned that the existed accumulator volume formula was not suitable for the pavement hydraulic power generation system.Taking full account of the system actual conditions，through analysis and deduced，accumulator volume calculationmethod corresponding practical application was obtained.

Pavement hydraulic power generation;Accumulator;Volume

TH137

B

1001－3881(2014)10－101－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.031

2013－04－26

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目 (NJZY12109);包頭市重大科技發(fā)展項(xiàng)目 (2012Z1006-2)

方桂花 (1962—)，女，碩士，教授，主要從事液壓技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作。E－mail:hujuan.119@163.com。