路面液壓發(fā)電裝置蓄能器吸收沖擊性能

史彬鋒， 方桂花， 胡 娟

(1.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛系， 內(nèi)蒙古包頭 014060； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古包頭 014010； 3.包頭師范學(xué)院， 內(nèi)蒙古包頭 014030)

引言

隨著汽車保有量的絕對(duì)增加，如何收集利用汽車行駛過(guò)程中的能量，引發(fā)了人們的思考?；趯?duì)汽車重力勢(shì)能的利用，路面發(fā)電裝置應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)轉(zhuǎn)換介質(zhì)不同，路面發(fā)電裝置可分為3類，一是通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)換能量，這類發(fā)電裝置汽車駛過(guò)時(shí)平緩舒適，缺陷是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易發(fā)生故障；二是通過(guò)壓電晶體材料轉(zhuǎn)換能量，在路面鋪設(shè)這種特殊材料進(jìn)行發(fā)電，壓電材料可重復(fù)利用，發(fā)電效率高，但需對(duì)路面重新鋪設(shè)，對(duì)路面影響大；三是通過(guò)液體轉(zhuǎn)換能量，這類發(fā)電裝置發(fā)電效率高，對(duì)路面破壞小，但剛性結(jié)構(gòu)及氣囊結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-2]。本研究的路面液壓發(fā)電裝置屬于第三類通過(guò)液體轉(zhuǎn)換能量。

汽車重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換與收集是路面液壓發(fā)電裝置研究的重點(diǎn)，因此其核心部件是換能器和蓄能器，譚心等[3]已完成了路面液壓發(fā)電裝置中換能器研究，并得出了換能器在不同工況下的輸出流量及壓力等參數(shù)。本研究通過(guò)建立更加完善的蓄能器數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件分析路面液壓發(fā)電裝置中蓄能器吸收沖擊性能。

1 路面液壓發(fā)電裝置

路面液壓發(fā)電裝置原理圖如圖1所示。路面液壓發(fā)電裝置安裝在車輛需減速行駛的區(qū)域，車輛駛過(guò)的結(jié)構(gòu)為換能器，其外形同減速帶，當(dāng)車輛壓下?lián)Q能器時(shí)，換能器內(nèi)的油液被壓出，流入蓄能器5中儲(chǔ)存起來(lái)，最終經(jīng)蓄能器釋放油液驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能[3]。由于車型不同車長(zhǎng)不等，不同時(shí)段車流量密集度不同，車輛駛過(guò)減速帶(即換能器處于壓下?tīng)顟B(tài))時(shí)斷時(shí)續(xù)，不是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，因此，路面液壓發(fā)電系統(tǒng)的工作狀況是間歇式工況。而在這一間歇式發(fā)電系統(tǒng)中，如何及時(shí)高效的儲(chǔ)存、釋放能量尤為重要，因此蓄能器是路面液壓發(fā)電裝置中的重要部件，蓄能器的使用對(duì)于保障系統(tǒng)的正常工作、吸收系統(tǒng)中的沖擊壓力和壓力脈動(dòng)，以及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、降低傳動(dòng)噪聲起著重要作用[4]。

1.換能器 2.出油管 3.主出油管 4.換能器連接件 5.蓄能器 6.液壓馬達(dá) 7.變速器 8.發(fā)電機(jī)組 9.油液緩沖室 10.液壓油充油箱 11.主回油管 12.回油管圖1 路面液壓發(fā)電裝置原理圖

2 蓄能器模型建立

對(duì)比各類蓄能器的性能及優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于皮囊式蓄能器反應(yīng)靈敏，容量及壓力值適用于本系統(tǒng)，確定路面液壓發(fā)電裝置應(yīng)用皮囊式蓄能器[5]。

分析已有皮囊式蓄能器數(shù)學(xué)模型，可知蓄能器模型正在不斷完善，權(quán)凌霄[6]對(duì)蓄能器的管路效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，宋孝臣[7]對(duì)蓄能器的入口特性進(jìn)行研究。蓄能器模型最初僅考慮氣體和液體建模，后續(xù)考慮了連接管路材質(zhì)對(duì)蓄能器性能的影響。本研究在分析蓄能器過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)蓄能器進(jìn)油口結(jié)構(gòu)影響蓄能器性能，而以往的研究都忽略進(jìn)油口的影響或?qū)⑦M(jìn)油口簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)阻力的入口分析，但在實(shí)際使用中，蓄能器進(jìn)油口通常較小，且進(jìn)油口安裝有菌型閥，因此油液由管路流入蓄能器菌型閥進(jìn)油口時(shí)，油液流量是發(fā)生變化的，不考慮進(jìn)油口結(jié)構(gòu)建立的蓄能器數(shù)學(xué)模型，不能真實(shí)的反映蓄能器的實(shí)際工作狀態(tài)。為了讓仿真數(shù)據(jù)更具有參考意義、更加接近實(shí)際值，本研究所建立的蓄能器數(shù)學(xué)模型，在蓄能器油液、氣體模型基礎(chǔ)上，參考已有的研究成果加入對(duì)管路部分的分析[8]，同時(shí)將蓄能器的進(jìn)油口菌型閥進(jìn)行分析建立模型，并將這三部分形成一個(gè)整體，建立了更接近真實(shí)蓄能器的數(shù)學(xué)模型。蓄能器模型如圖2所示。

圖2 蓄能器模型圖

考慮菌型閥影響的蓄能器油液體積變化量與連接管道進(jìn)油口處壓力關(guān)系為：

(1)

式中, ΔV—— 油腔油液容積變化量

p1—— 連接管道進(jìn)油端壓力

Aa—— 油腔橫截面積

ma—— 蓄能器油腔油液的當(dāng)量質(zhì)量

Bb—— 等效油液阻尼系數(shù)

Ca—— 氣體阻尼系數(shù)

ka—— 氣體彈性剛度

pa0—— 蓄能器氣腔預(yù)充氣壓力

A1—— 菌型閥面積

k—— 絕熱指數(shù)

Va0—— 氣囊預(yù)充氣壓力

將式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)式：

(2)

式中，ωn—— 無(wú)阻尼固有頻率

ζ—— 阻尼比

由式(2)可知，當(dāng)蓄能器容積和橫截面積確定時(shí)，決定蓄能器吸收油液體積量的參數(shù)有蓄能器預(yù)充氣壓力、菌型閥面積、油液當(dāng)量質(zhì)量和當(dāng)量阻尼。

3 蓄能器參數(shù)分析

建立蓄能器模型并確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)是分析路面液壓發(fā)電裝置性能的前提和關(guān)鍵。分析可知，影響蓄能器吸收沖擊壓力的參數(shù)有蓄能器油液質(zhì)量、油液阻尼系數(shù)、氣體阻尼、預(yù)充氣壓力、蓄能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及容積[9]。由式(2)可知，蓄能器沖入的油液壓力與蓄能器容積變化量之間符合二階震蕩函數(shù)關(guān)系，而二階震蕩函數(shù)關(guān)系中最重要的參數(shù)就是無(wú)阻尼固有頻率、阻尼比，因此上述的蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)均是通過(guò)蓄能器的固有頻率和阻尼比來(lái)體現(xiàn)的[10]。

根據(jù)已取得的仿真結(jié)果[3]得出車輛一個(gè)輪胎駛過(guò)減速帶的最短時(shí)間為0.133 s，經(jīng)實(shí)際考察四輪驅(qū)動(dòng)車，車輛整體駛過(guò)減速帶的平均時(shí)間為1 s。路面液壓發(fā)電裝置吸收沖擊壓力仿真分析中使用的時(shí)間均為平均時(shí)間。換能器活塞的受力范圍為68068～70868 N，換能器缸筒內(nèi)徑為150 mm，在減速帶寬度方向并列排布2個(gè)換能器，以四輪驅(qū)動(dòng)汽車為例，每2個(gè)輪胎駛過(guò)減速帶同時(shí)壓下4個(gè)換能器，單個(gè)換能器輸出的油液壓力為3.85～4.01 MPa，油液容積為0.5 L ，四輪汽車駛過(guò)一次減速帶輸出油液壓力為16 MPa，油液容積為2 L[3]。

4 路面液壓發(fā)電裝置吸收沖擊性能分析

4.1 仿真原理、模型、參數(shù)分析

由于路面液壓發(fā)電系統(tǒng)是間歇式工況，可近似用階躍信號(hào)模擬其壓力輸入。由式(2)可知，系統(tǒng)屬于二階震蕩系統(tǒng)，因此利用MATLAB/Simulink軟件包建立傳遞函數(shù)方框圖(見(jiàn)圖3)，并在MATLAB中根據(jù)方框圖編寫相應(yīng)的程序進(jìn)行運(yùn)算。

仿真模型中的Step為階躍信號(hào)，幅值為16， 代表

圖3 蓄能器吸收沖擊Simulink仿真模型

表1 系統(tǒng)工況參數(shù)表

表2 蓄能器參數(shù)表

表3 連接管道參數(shù)表 m

4.2 仿真方案

用MATLAB編程仿真考慮菌型閥蓄能器在改變預(yù)充氣壓力、連接管道長(zhǎng)度、管道管徑時(shí)，路面液壓發(fā)電裝置吸收沖擊性能。因仿真模型為二階震蕩系統(tǒng)，以達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)值為研究目標(biāo)，分析各參數(shù)選取與上述性能的關(guān)系。仿真過(guò)程中前一步的結(jié)果將作為下一步的仿真參數(shù)，綜合分析參數(shù)變化對(duì)路面液壓發(fā)電裝置蓄能器吸收沖擊壓力的影響[11-13]。

4.3 仿真結(jié)果分析

穩(wěn)態(tài)值越高代表蓄能器可吸收的液體越多，即蓄能器吸收沖擊的性能越好。響應(yīng)時(shí)間為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間越短，代表蓄能器響應(yīng)速度越快。超調(diào)量表示偏離穩(wěn)態(tài)值的最大程度，因此超調(diào)量越小越好。將工作壓力16 MPa輸入MATLAB程序，依次分析預(yù)充氣壓力、管長(zhǎng)、管徑對(duì)路面液壓發(fā)電裝置吸收沖擊性能的影響。

1) 預(yù)充氣壓力

輸入不同的預(yù)充氣壓力，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同預(yù)充氣壓力時(shí)蓄能器吸收壓力沖擊性能

根據(jù)以上判斷依據(jù)和仿真圖形可知，預(yù)充氣壓力為4 MPa時(shí)，穩(wěn)態(tài)值較低，穩(wěn)態(tài)值相近；預(yù)充氣壓力為7 MPa時(shí)，存在0.3×10-3m3的超調(diào)量，且響應(yīng)時(shí)間也較10 MPa和13 MPa時(shí)長(zhǎng)。因此最優(yōu)預(yù)充氣壓力應(yīng)在10～13 MPa之間選擇。從響應(yīng)時(shí)間上來(lái)看10 MPa和13 MPa響應(yīng)時(shí)間相同，但在10 MPa時(shí)依然存在一個(gè)微小的超調(diào)量，且穩(wěn)態(tài)值略低于13 MPa時(shí)，因此13 MPa 為最優(yōu)預(yù)充氣壓力值。

2) 連接管道長(zhǎng)度

根據(jù)仿真結(jié)果(1)確定的預(yù)充氣壓力值13 MPa，設(shè)定管徑為0.016 m，分析管長(zhǎng)分別為0.5， 1， 3 m時(shí)，蓄能器吸收沖擊性能如圖5所示。

從穩(wěn)態(tài)值來(lái)分析，不同管路長(zhǎng)度最終達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值幾乎相等，即蓄能器連接管路的長(zhǎng)度對(duì)其吸收沖擊量的大小是沒(méi)有影響的。但對(duì)蓄能器響應(yīng)時(shí)間影響較大；管長(zhǎng)為3 m時(shí)響應(yīng)時(shí)間為16 s，響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);管長(zhǎng)為0時(shí)，存在一個(gè)較高的超調(diào)量。因此管長(zhǎng)應(yīng)在0.5～1 m間選擇，根據(jù)實(shí)際情況確定，建議不超過(guò)1 m。

圖5 不同連接管道長(zhǎng)度時(shí)蓄能器吸收沖擊響應(yīng)

3) 連接管路通徑

根據(jù)仿真結(jié)果、式(1)、式(2)，確定預(yù)充氣壓力為13 MPa、管路長(zhǎng)度為0.5 m，分析管徑分別為0.01， 0.016， 0.03 m時(shí)，蓄能器吸收沖擊壓力的性能。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同連接管道通徑時(shí)蓄能器吸收沖擊響應(yīng)

由圖6可知，管路直徑的變化對(duì)蓄能器吸收沖擊可達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值幾乎沒(méi)有影響，但管徑小則響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，管徑為0.01 m的響應(yīng)時(shí)間明顯長(zhǎng)于0.016 m，管徑為0.03 m時(shí)存在超調(diào)量，因此，在綜合考慮穩(wěn)態(tài)值、響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量的因素下，管徑為0.016 m時(shí)，蓄能器吸收沖擊壓力的性能最優(yōu)。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)減速帶實(shí)現(xiàn)了汽車重力勢(shì)能的回收再利用，建立了較為完善的考慮菌型閥影響的蓄能器數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際使用狀況，確定了工作參數(shù)，最終用MATLAB仿真分析，得出如下結(jié)果：

(1) 蓄能器可吸收沖擊壓力的大小與蓄能器預(yù)充氣壓力值成正比變化，預(yù)充氣壓力對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間及超調(diào)量影響不大，因此建議蓄能器預(yù)充氣壓力選擇最大值；

(2) 蓄能器連接管路長(zhǎng)度、直徑對(duì)蓄能器吸收沖擊壓力的響應(yīng)時(shí)間影響較大，但對(duì)其吸收沖擊量大小幾乎無(wú)影響。在考慮超調(diào)量的影響下，建議管長(zhǎng)在0.5～1 m范圍內(nèi)選擇，管徑在0.016 m左右變化，此時(shí)路面液壓發(fā)電裝置吸收沖擊性能最佳。