可變阻尼高速列車垂向液電式減振發(fā)電器

張瀚文+顧夢沁+陳潯俊

摘 要：高速列車行駛過程中產(chǎn)生的振動，是通過列車轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)上的一系、二系等垂向液壓減振器作用得到緩沖的。減振器在工作過程中通過液壓油往返流經(jīng)閥體和間隙產(chǎn)生阻尼，吸收汽車在不平路面上行駛產(chǎn)生的振動能量，從而衰減車輛的振動?，F(xiàn)有的減振器是將機械能轉(zhuǎn)化為阻尼器內(nèi)液壓油的熱能并散發(fā)出去，起到減振作用。該作品通過設(shè)計一種創(chuàng)新形式的可變阻尼器，采用機一電一液混合系統(tǒng)，通過單向閥組成的液壓回路將由路面不平引起的車身與道路間的往復振動轉(zhuǎn)化為單向的油液流動，由液壓油驅(qū)動可變量液壓馬達進而帶動發(fā)電機發(fā)電，并通過整流電路輸出直流電，從而將振動機械能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電電路將電能儲存在蓄電池中。本作品通過調(diào)節(jié)變量液壓馬達排量調(diào)節(jié)阻尼器阻尼大小，實現(xiàn)可控阻尼減振，在發(fā)電節(jié)能的同時可有針對性地根據(jù)不同路段軌面的不平順情況，調(diào)節(jié)阻尼，增加乘客乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：可變阻尼；減震發(fā)電；振動發(fā)電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.257

0 引言

中國是世界上高速鐵路發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強、運營里程最長、運營速度最高、在建規(guī)模最大的國家。目前高鐵的運行速度最高設(shè)計時速可達350公里，已于2011年6月30日正式開通運營的京滬高速鐵路客運專線最高時速達到300公里；高速列車是綠色交通工具，非常適應(yīng)節(jié)能減排的要求。

在經(jīng)濟高速發(fā)展、能源日益匱乏的今天，可再生能源已逐漸成為社會關(guān)注的焦點。振動是高鐵行駛過程中中存在的一種極為普遍的可再生能源，然而，這種能源卻被減振設(shè)備吸收以無法利用的熱能形式浪費。一般減振器把機械振動運動的能量轉(zhuǎn)化為無法回收利用的熱能。若不把振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，而是轉(zhuǎn)化為電能，則可達到再生能源之目的，大大提高能源的使用率。為了有效利用這種能源，我們從高速列車減振器振動能量回收方面出發(fā)，立意研究此可變阻尼高速列車垂向液壓減振發(fā)電器。研制與開發(fā)用于高速列車振動能量回收的裝置，對改善高速列車行業(yè)節(jié)能情況，提高環(huán)境質(zhì)量具有現(xiàn)實意義。

本文聚焦于列車減振器的能量回收，在列車正常行駛時，由于路面不平度對車輪的激勵作用，使得車輛在行駛時其簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量不斷地垂向振動，這種振動不僅有害于列車的穩(wěn)定性，還會降低列車的乘坐舒適性。減振器的作用是衰減振動，而路面激勵輸入的實質(zhì)是能量的輸入。所以傳統(tǒng)減振器的設(shè)計本質(zhì)是將激勵能盡可能快速的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌酱髿庵校虼藗鹘y(tǒng)減振器也是一種主動將動能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置。在節(jié)能環(huán)保為當今社會的主題的情況下，傳統(tǒng)減振器的設(shè)計本質(zhì)顯然有悖于當今社會的發(fā)展。此可變阻尼減振發(fā)電器將代表減振器的發(fā)展方向，它不僅能實現(xiàn)減振，并以電能的形式回收部分原本被傳統(tǒng)減振器以熱能的方式耗散掉的能量，還能根據(jù)路面情況進行相應(yīng)的阻尼調(diào)節(jié)，具有較高的節(jié)能減排價值同時提高了乘客的乘坐舒適性。

1 設(shè)計方案

本作品設(shè)計的可變阻尼減振發(fā)電器系統(tǒng)既可以將原本應(yīng)被傳統(tǒng)阻尼器減振器所耗散掉的部分能量轉(zhuǎn)化為可利用的能量進行儲存或提供給負載，達到節(jié)能的效果，又起到衰減振動的目的。

基于該設(shè)計思想，我們設(shè)計的可變阻尼液電式高鐵減振發(fā)電器是一套機—電—液的耦合系統(tǒng)，由液壓缸、變量液壓馬達、單向閥、發(fā)電機、管路、油箱等組成。其工作原理是液壓缸內(nèi)活塞在外部激勵下作往復運動時，液壓缸內(nèi)部的油液流出，首先通過液壓整流橋和單向閥，單向閥的作用是使減振器無論處于壓縮行程還是伸張行程，均使油液由單一方向流到變量液壓馬達。

液壓整流橋是控制流入變量液壓馬達的流量，保證較穩(wěn)定的發(fā)電量。油液流出液壓整流橋后經(jīng)過液壓蓄能器進行穩(wěn)壓，然后較穩(wěn)定的油液始終沿單一方向驅(qū)動變量液壓馬達，馬達帶動發(fā)電機發(fā)電。從液壓馬達流出的油液再次經(jīng)過蓄能器穩(wěn)壓后流回液壓整流橋，最終回到液壓缸中，從而完成油液的循環(huán)。同吋，這樣一個過程同樣也是能量轉(zhuǎn)換的過程，活塞推動油液在整個油液系統(tǒng)中流動，能量又有機械能轉(zhuǎn)化為液體的動能，油液動馬達，馬達帶動發(fā)電機，最終能量轉(zhuǎn)化為了電能，電能又可以儲存在車載蓄電池內(nèi)供車內(nèi)電子設(shè)備使用。

可變阻尼減振器液壓發(fā)電裝置原理圖原理如圖1所示。

當車輪滾進凸起或滾出凹坑時，車輪移近車架，車輪相對車身移近，減振器因彈性元件的存在而壓縮，活塞向上推動時，雙作用液壓缸上腔油液在活塞的擠壓下排出，沿紅色箭頭所示方向流經(jīng)單向閥進入可變量液壓馬達。由于油缸大小腔流量變化不等，因此在小腔進油口安裝有流量放大/縮小閥，回油油液經(jīng)過流量放大/縮小閥作用回到液壓油缸小腔，保證系統(tǒng)流量總量穩(wěn)定。

當車輪滾離凸起或滾進凹坑時，車輪遠離車架，車輪相對車身移開，減振器因彈性元件的存在而拉伸，活塞向下壓縮，雙作用液壓缸小腔油液在活塞的擠壓下排出，沿紅色箭頭所示方向流經(jīng)放大閥、單向閥進入可變量液壓馬達，最終流回油缸大腔，保證系統(tǒng)流量總量穩(wěn)定。

此外還安置有先導式溢流閥和調(diào)壓閥等液壓元件進行調(diào)控（未繪制出），保證流系統(tǒng)壓力正常、流量穩(wěn)定。

本作品設(shè)計的液電式減振器發(fā)電系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的液電饋能式減振器的基礎(chǔ)上采用了可變量液壓馬達。通過液壓馬達中的斜盤傾角大小的調(diào)節(jié)，改變減振器的阻尼也就是減振器的軟硬程度，在增強減振器對不同路面的適應(yīng)程度的同時也提高了乘客乘坐的舒適性。

2 機械特點

（1）使用柱塞式單活塞缸，通過改變馬達中斜盤傾角，一方面會改變液壓系統(tǒng)中的液體流速，進而改變馬達對外輸出轉(zhuǎn)矩，這樣發(fā)動機的發(fā)電量就可以調(diào)節(jié)。另一方面，整個減振器在液壓馬達處的阻尼也會變化，也就改變了減振器的阻尼系數(shù)，從而影響乘客的舒適度。當遇到較顛簸的路面時，可以適當增大傾角，整個液壓系統(tǒng)流速加快，馬達轉(zhuǎn)速加快，振動將更加充分的轉(zhuǎn)化為電能，同時減振器阻尼系數(shù)變大，乘客的振感降低，乘客舒適性提高。如果只采用定量液壓馬達，那舒適性與發(fā)電量不能同時兼顧，柱塞式變量馬達則可以達到此種目的。

（2）列車一節(jié)車廂中有兩個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架一般有4個一系垂向減振器，2個二系垂向減振器，本系統(tǒng)集合4個一系垂向減振器為一組，共用一個柱塞液壓馬達和發(fā)電機（二系垂向暫且先不考慮），一方面，由于液壓馬達和發(fā)電機價格昂貴，這樣設(shè)計可以大大降低成本。另一方面，單個系統(tǒng)振動產(chǎn)生的液壓能較小，由多個系統(tǒng)的液壓能疊加可以有效的解決這一問題。

（3）油路中通過4個單向閥組成了液壓整流橋，以保證油液始終沿單一方向驅(qū)動變量液壓馬達，這就保證液壓馬達的對外輸出一個方向不變的轉(zhuǎn)矩，避免發(fā)電機反轉(zhuǎn)。

（4）油路中加入節(jié)流閥，直動式溢流閥著兩種液壓元件，其目的是保證油液系統(tǒng)中一旦運行，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的流量，并排除輸出端對油液流量的影響。

（5）由于雙作用單活塞缸中活塞的緣故，缸中活塞兩側(cè)的倆腔中有效面積不等，若設(shè)計成閉式油路，勢必導致油液內(nèi)循環(huán)無法形成。因此在油缸小腔進油處安裝有流量放大/縮小閥，使系統(tǒng)總流量保持一定。

3 電氣部分

為了提高充電效率，我們采用恒壓充電的方法：對每只單體電池以某一恒定的電壓進行充電，充電的初期電流很大，隨著充電進行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過，所以在充電過程中不必調(diào)整電流，析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達80%，如電壓選擇得當，可在8小時內(nèi)完成充電。

4 創(chuàng)新點及應(yīng)用

隨著全國高速列車及高速鐵路的不斷建設(shè)，高鐵方面的設(shè)施都有待在節(jié)能措施實施改進。此種可變阻尼減振發(fā)電器操作簡單、安裝方便，并且其可變阻尼特性，使得列車在節(jié)能發(fā)電的同時提高了乘客的乘坐舒適性。并且此種可變阻尼減振發(fā)電器經(jīng)一定改造后還可用于轎車、客車等交通設(shè)施，因此應(yīng)用前景十分廣泛。

其主要創(chuàng)新特點和優(yōu)點有：

（1）阻尼力由發(fā)電機提供，液體只作為驅(qū)動發(fā)電機的傳動介質(zhì)使用，相對于傳統(tǒng)減振器會極大減少由于摩擦產(chǎn)生的熱損失，在減少能量損失的同時也增強了減振器適應(yīng)嚴苛環(huán)境的能力。

（2）通過單向閥的使用，將來自于地面的振動能量整流為持續(xù)有序的液流推動液壓馬達，帶動發(fā)電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，避免了象齒輪齒條式或滾珠絲桿式方案中電機反轉(zhuǎn)、停滯等現(xiàn)象，從而達到延長發(fā)電機使用壽命，提高能量回收效率及降低發(fā)電機技術(shù)要求和成本的目的。

（3）采用了可變量軸向柱塞式液壓馬達，液壓馬達中的斜盤傾角大小可以調(diào)節(jié)。馬達轉(zhuǎn)速的變化，可調(diào)節(jié)發(fā)電量的大小，同時減振器中的阻尼也會發(fā)生相應(yīng)變化，在提高列車適應(yīng)不同路況能力的同時增強了乘客的乘坐舒適性。

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