飛輪式液壓蓄能器的儲(chǔ)能特性研究

馬浩欽，鮑東杰，秦 澤

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024)

引言

工程機(jī)械是我國的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，廣泛用于建筑、水利、電力、道路、礦山、港口和國防等工程領(lǐng)域[1]。雖然我國機(jī)械工業(yè)規(guī)模已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，但大而不強(qiáng)的問題依然突出。圍繞工程機(jī)械低碳、綠色、節(jié)能等方面，全面開展各項(xiàng)技術(shù)深入研究，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義，也是我國工程機(jī)械由大變強(qiáng)的必由之路。因?yàn)楣こ虣C(jī)械作業(yè)工況具有高頻、重載、間歇的特點(diǎn)，進(jìn)行高效的能量回收是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和前沿課題，單機(jī)能源效率成為體現(xiàn)工程機(jī)械市場競爭力的重要指標(biāo)。

液壓挖掘機(jī)是各類土石方施工工程中應(yīng)用最為廣泛的工程機(jī)械[2]。研究表明，傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的總效率為20%左右[3]，大部分能量在動(dòng)臂下降、回轉(zhuǎn)制動(dòng)過程中以熱能的形式消耗在節(jié)流閥口。液壓挖掘機(jī)各執(zhí)行元件可回收能量占液壓系統(tǒng)總輸入能量的21.1%，動(dòng)臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可回收能量分別占總輸出的72%和23.8%[3]。對液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行能量回收利用是降低挖掘機(jī)能量消耗、提高單機(jī)效率的重要措施。目前的改進(jìn)措施主要集中在以下3個(gè)方面：改善系統(tǒng)控制策略和功率匹配；研究新型液壓系統(tǒng)；提高系統(tǒng)元件工作性能或研制新型元件。

TRIET H H O等[4]提出了一種新型液壓閉環(huán)傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)，在能量回收測試中，系統(tǒng)效率從32%到66%不等。KYUJEONG C等[5]將獨(dú)立計(jì)量閥配置在液壓系統(tǒng)中，結(jié)果表明，動(dòng)臂下降過程和減速動(dòng)作過程中，泵功率分別節(jié)能44%和21%。WANG Tao等[6]采用液壓馬達(dá)和超級電容對動(dòng)臂進(jìn)行能量回收，趙鵬宇等[7]提出基于復(fù)合液壓缸和蓄能器的混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)，通過能量管理策略可將發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率減少44%。劉昌盛等[8]在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用電-液能量回收方式，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收效率可達(dá)40%以上。任好玲等[9]提出一種基于液壓蓄能器和平衡油缸的動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)，勢能回收和利用效率約為29%。

液壓蓄能器常用作工程機(jī)械的儲(chǔ)能元件，具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、功率密度高的特點(diǎn)[2]，但其儲(chǔ)能密度較低。目前常規(guī)液壓蓄能器的儲(chǔ)能密度約為6 kJ/kg[10]，比鋰電池低2個(gè)數(shù)量級[11]。由于液壓蓄能器儲(chǔ)能密度低，只能通過增大體積的方式提高蓄能器儲(chǔ)能量，但工程機(jī)械的安裝空間有限，所以難以實(shí)現(xiàn)。

研究人員已采取多種方法來改善液壓蓄能器。一種常見方法是在氣腔中填充彈性泡沫或金屬填料[12]，通過降低熱損失來提高儲(chǔ)放能效率，但儲(chǔ)能密度提升幅度很小。另一種方法是將其他儲(chǔ)能技術(shù)與液壓蓄能器進(jìn)行技術(shù)耦合，如開放式蓄能器[13]、飛輪式液壓蓄能器[14-15]、參數(shù)可變液壓蓄能器[16]。本研究重點(diǎn)研究飛輪式液壓蓄能器，并將該蓄能器和四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)[17-18]應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)回路中，做節(jié)能特性分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

挖掘機(jī)工作循環(huán)包括4個(gè)基本動(dòng)作：挖掘-滿斗舉升回轉(zhuǎn)-卸載-空載返回。如圖1所示為返回階段初始位置和終止位置圖，為使研究具有針對性而忽略多余的工作步驟，重點(diǎn)研究挖掘機(jī)動(dòng)臂返回階段能量回收特性，即挖掘機(jī)動(dòng)臂從返回階段最高位置下降到返回階段最低位置的過程。構(gòu)建基于四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)和飛輪式液壓蓄能器組成的泵控挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)。該液壓系統(tǒng)中，動(dòng)力元件為電機(jī)帶動(dòng)的四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)，執(zhí)行元件為帶負(fù)載的液壓缸，儲(chǔ)能元件為飛輪式液壓蓄能器，其他元器件還包括電磁離合器、四位三通電磁換向閥、速度傳感器、壓力傳感器、比較器、控制器，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖1 挖掘機(jī)返回階段初始和終止位置圖

圖2 泵控挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)原理圖

四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)為二次元件[19]，其工作原理與普通軸向柱塞馬達(dá)相同。兩者的區(qū)別在于，通過重新設(shè)計(jì)，四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)的配流盤變?yōu)?個(gè)配流窗口，如圖3所示。分別為A，B，C，D配流窗口，A，B配流窗口組成一對外圈配流窗口，與之相通的柱塞腔稱為主控腔；C，D配流窗口組成一對內(nèi)圈配流窗口，與之相通的柱塞腔稱為副控腔。主控腔和副控腔分別等效為1個(gè)軸向柱塞泵/馬達(dá)，既可協(xié)同工作，亦可獨(dú)立工作。

圖3 配流盤和缸體配流面結(jié)構(gòu)

飛輪式液壓蓄能器通過電磁離合器與四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)耦合，其主要由左右端蓋、內(nèi)空心圓柱筒、外空心圓柱筒(以下簡稱“內(nèi)筒”和“外筒”)和環(huán)形活塞組成。其缸體內(nèi)部被環(huán)形活塞分隔為內(nèi)、外2個(gè)腔室。內(nèi)腔室充有預(yù)定壓力的氮?dú)猓Q為氣腔。外腔室工作介質(zhì)為液壓油，稱為液腔。飛輪式液壓蓄能器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 飛輪式液壓蓄能器結(jié)構(gòu)

在動(dòng)臂下降過程中，動(dòng)臂液壓缸無桿腔中的壓力油進(jìn)入A，C配流窗口，電磁離合器處于閉合狀態(tài)，此時(shí)四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)工作在馬達(dá)/泵工況。B口通入油箱，配流盤外圈A，B口工作在馬達(dá)工況，通過電磁離合器帶動(dòng)飛輪式液壓蓄能器旋轉(zhuǎn)，將系統(tǒng)的壓力能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存；D口通入飛輪式液壓蓄能器液腔，配流盤內(nèi)圈C，D口工作在泵工況，輸出壓力油到飛輪式液壓蓄能器液腔，壓力油推動(dòng)環(huán)形活塞壓縮氮?dú)猓到y(tǒng)壓力能轉(zhuǎn)換為氣體內(nèi)能。同時(shí)，液壓油的充入也增加了飛輪的質(zhì)量，亦增加了飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高了飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存量。

系統(tǒng)中的速度傳感器將檢測到的負(fù)載速度信號(hào)輸出給比較器，與比較器中預(yù)設(shè)的負(fù)載速度進(jìn)行比較，進(jìn)而通過控制器來控制四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)的斜盤控制機(jī)構(gòu)，通過改變斜盤擺角來改變液壓缸運(yùn)行狀態(tài)。壓力傳感器將檢測到的系統(tǒng)壓力信號(hào)，反饋給比較器，對四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)的排量進(jìn)行持續(xù)的修正，使負(fù)載最終按預(yù)設(shè)的速度平穩(wěn)運(yùn)行。

當(dāng)動(dòng)臂上升時(shí)，電磁離合器處于閉合狀態(tài)，飛輪式液壓蓄能器儲(chǔ)存的動(dòng)能充當(dāng)了原動(dòng)機(jī)的作用，配流盤外圈A，B口工作在泵工況；飛輪式液壓蓄能器儲(chǔ)存的氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為液壓能，供給四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)，配流盤內(nèi)圈C，D口工作在馬達(dá)工況。其他部件的作用與動(dòng)臂下降階段類似，最終使負(fù)載平穩(wěn)上升。

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

設(shè)飛輪的初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J0，由空心圓柱和圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式可得：

(1)

式中，ρ鋁—— 飛輪材料(鋁)的密度

Do—— 外筒外徑

Di—— 外筒內(nèi)徑

L—— 空心圓柱筒長

do—— 內(nèi)筒外徑

di—— 內(nèi)筒內(nèi)徑

B—— 環(huán)形活塞寬度

D—— 端蓋直徑

h—— 端蓋寬度

當(dāng)液壓油輸入飛輪式液壓蓄能器的液腔后，飛輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J還需考慮油液的變慣量部分：

(2)

(3)

式中，ρ油—— 液壓油的密度

x—— 環(huán)形活塞的位移

qF—— 輸入液腔的油液流量

飛輪式液壓蓄能器氣腔內(nèi)氣體對外做功視為理想氣體絕熱變化過程，理想氣體狀態(tài)方程為：

pVκ=nRT(常數(shù))

(4)

式中，p—— 理想氣體的壓強(qiáng)

V—— 理想氣體的體積

κ—— 氣體多變指數(shù)，絕熱條件下κ=1.4

n—— 氣體摩爾數(shù)

R —— 普適氣體常量，R=8.31 J(mol·K)-1

T—— 熱力學(xué)溫度

當(dāng)氣腔中的氣體質(zhì)量一定時(shí)，式(4)等號(hào)右邊為一個(gè)常數(shù)。

當(dāng)不考慮系統(tǒng)泄漏時(shí)，四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)各口流量有如下關(guān)系：

qA=qB=qC=qD

(5)

qt=qA+qC=Vmn

(6)

式中，qA—— 配流窗口A的流量

qB—— 配流窗口B的流量

qC—— 配流窗口C的流量

qD—— 配流窗口D的流量

qt—— 系統(tǒng)理論流量

Vm—— 四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)的排量

n—— 飛輪的轉(zhuǎn)速

飛輪式液壓蓄能器回收的能量E包括動(dòng)能EK和勢能EP，計(jì)算公式為：

E=EK+EP

(7)

(8)

式中，ω—— 飛輪的角速度，ω=2πn

p0—— 氣腔內(nèi)，氣體初始狀態(tài)時(shí)的壓力

V0—— 氣腔內(nèi)，氣體初始狀態(tài)時(shí)的體積

儲(chǔ)能密度ρE的量綱為J/kg，計(jì)算公式如下：

(9)

式中，M飛輪為飛輪式液壓蓄能器的總質(zhì)量。

2.2 仿真模型

現(xiàn)以常用噸位的三一重工SY195C中型液壓挖掘機(jī)為研究對象，分析動(dòng)臂作業(yè)過程中的能耗特性。在AMESim中搭建仿真模型，其主要參數(shù)如表1所示，仿真模型如圖5所示。

表1 SY195C型液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)表

由圖5可知，SY195C中型液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂液壓系統(tǒng)為閥控液壓系統(tǒng)。在工作過程中，為了實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度和方向的控制，系統(tǒng)中存在大量的節(jié)流損失。為了提高系統(tǒng)效率，將圖2所示泵控挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)應(yīng)用于該型號(hào)挖掘機(jī)，并在AMESim中搭建仿真模型，如圖6所示。因?yàn)楸狙芯恐饕芯客诰驒C(jī)動(dòng)臂下降過程，所以將挖掘機(jī)鏟斗、斗桿以及動(dòng)臂的重量折算為圖6所示泵控液壓系統(tǒng)中負(fù)載的等效質(zhì)量。為了保證模型的準(zhǔn)確性，依據(jù)SY195C中型液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)和圖5所示閥控模型的仿真結(jié)果對圖6所示泵控系統(tǒng)進(jìn)行仿真參數(shù)匹配，飛輪式液壓蓄能器主要仿真參數(shù)如表2所示。

表2 飛輪式液壓蓄能器主要仿真參數(shù)

圖5 挖掘機(jī)仿真模型

圖6 泵控挖掘機(jī)動(dòng)臂仿真模型

3 仿真分析

3.1 閥控系統(tǒng)仿真分析

針對圖5所示挖掘機(jī)閥控液壓系統(tǒng)，對其一個(gè)工作循環(huán)中各液壓執(zhí)行元件的能量利用狀況進(jìn)行定量計(jì)算，仿真結(jié)果如圖7、圖8和表3所示。結(jié)果顯示，執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%。動(dòng)臂機(jī)構(gòu)可回收的能量約占主泵輸出能量的17.7%，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可回收能量約占主泵輸出能量的9.2%。圖7中還可看出挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)約為40 s，返回階段大約為仿真的27～35 s，動(dòng)臂從最高位置下降至最低位置大約為8 s。工作循環(huán)中產(chǎn)生的勢能大部分都以熱能的形式消耗在多路閥口，而且使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)熱，縮短元件的使用壽命。返回階段中，動(dòng)臂下降產(chǎn)生的可回收能量約占系統(tǒng)可回收能量的70%[20]，非?？捎^。

表3 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能量利用情況 kJ

圖7 挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中動(dòng)臂液壓缸的位移和速度

根據(jù)圖8所示，通過仿真計(jì)算得出執(zhí)行元件可利用大約736 kJ(返回階段前的能量值)，而主泵輸出938 kJ，剩余202 kJ是可回收的能量值，乘以70%，得出141.4 kJ，這部分能量是動(dòng)臂在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)可以回收的能量。

圖8 挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中動(dòng)臂的能量變化

3.2 泵控系統(tǒng)仿真分析

對圖6所示的泵控挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真工作優(yōu)選了負(fù)載下降過程中的能量回收過程。

為保證仿真結(jié)果可靠性，泵控系統(tǒng)仿真時(shí)間按照挖掘機(jī)閥控液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果選擇8 s，即動(dòng)臂一個(gè)工作循環(huán)中返回階段的工作時(shí)間。仿真負(fù)載為挖掘機(jī)動(dòng)臂等效后的質(zhì)量6000 kg?？紤]到挖掘機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，對負(fù)載的下降過程提出平穩(wěn)性要求。以圖7所示閥控系統(tǒng)返回階段的液壓缸速度曲線為泵控系統(tǒng)負(fù)載下降速度的目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過參數(shù)匹配和折算后，定義為泵控系統(tǒng)中比較器的預(yù)設(shè)負(fù)載速度曲線。

圖9所示為負(fù)載速度與負(fù)載位移(也即液壓缸活塞位移)的曲線圖。負(fù)載速度在仿真的第1 s內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)，即挖掘機(jī)卸載后，返回階段剛開始有輕微速度波動(dòng)，分析其原因?yàn)樨?fù)載突然變化引起四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)的排量發(fā)生波動(dòng)，由此導(dǎo)致負(fù)載速度產(chǎn)生波動(dòng)。在檢測到速度波動(dòng)后，為了保證負(fù)載平穩(wěn)下降，控制器調(diào)整四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)的斜盤擺角，改變其輸出的流量，使負(fù)載保持下降均速約為0.4 m/s；仿真6～8 s的2 s內(nèi)，負(fù)載速度逐漸平穩(wěn)減至0，負(fù)載下降結(jié)束。經(jīng)過對比，該速度曲線與圖7所示返回階段速度曲線趨勢基本吻合，證明此模型搭建正確，其仿真數(shù)據(jù)具有一定參考價(jià)值。負(fù)載位移從0開始，基本呈線性增加，反映了負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性良好，最終負(fù)載位移約為2.8 m。

圖9 負(fù)載位移和速度圖

圖10所示為環(huán)形活塞位移和壓力圖，位移和壓力基本呈線性變化。位移從0增至170 mm，壓力從2.2 MPa增至3.1 MPa，說明飛輪式液壓蓄能器性能穩(wěn)定。

圖10 環(huán)形活塞位移和壓力圖

圖11所示為飛輪式液壓蓄能器能量回收情況。其中勢能Ep= 40.2 kJ，動(dòng)能Ek= 75.3 kJ，總能量E=115.5 kJ，占動(dòng)臂單個(gè)工作循環(huán)內(nèi)可回收能量的81.7%；該工況下的折算儲(chǔ)能密度為4.64 W·h/kg,比普通液壓蓄能器的儲(chǔ)能密度1.7 W·h/kg[11](或6120 J/kg, 1 W·h=3600 J)提高了約2.73倍。

圖11 3種形式的能量回收情況

4 結(jié)論

(1) 將飛輪式液壓蓄能器應(yīng)用于泵控挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，在動(dòng)臂下降過程中飛輪式液壓蓄能器回收能量115.5 kJ，回收效率達(dá)到81.7%；

(2) 建立了具有一定參考價(jià)值的飛輪式液壓蓄能器模型，測試其工作性能，結(jié)果表明，其儲(chǔ)能密度為4.64 W·h/kg，比普通液壓蓄能器的儲(chǔ)能密度1.7 W·h/kg 提高了約2.73倍；

(3) 飛輪式液壓蓄能器回收的能量中動(dòng)能和壓力能的最優(yōu)分配比例還有待研究，儲(chǔ)能密度有進(jìn)一步提高的潛力；

(4) 本研究只進(jìn)行了飛輪式液壓蓄能器的模型仿真分析，在未來的工作中將進(jìn)行樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)分析。