混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)裝載機(jī)能量回收系統(tǒng)分析

羅艷蕾，周山旭，杜 黎，羅 坤

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

引言

目前農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，大型農(nóng)業(yè)裝載機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格及燃油價(jià)格的上漲，農(nóng)業(yè)裝載機(jī)能量利用率低的問(wèn)題逐漸引起了廠商和用戶的注意。以農(nóng)業(yè)裝載機(jī)動(dòng)臂液壓缸為例，由于工作裝置質(zhì)量巨大，且動(dòng)作頻繁，下放過(guò)程中釋放了大量能量，且該能量大部分轉(zhuǎn)化為了熱能，造成了液壓油發(fā)熱與能量的浪費(fèi)，嚴(yán)重的影響了農(nóng)業(yè)裝載機(jī)的使用壽命。因此研究農(nóng)業(yè)裝載機(jī)動(dòng)臂液壓缸能量回收對(duì)于提高能量利用率、增加農(nóng)業(yè)裝載機(jī)壽命具有重要意義。

關(guān)于工程機(jī)械中能量利用率低這一問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。目前能量回收系統(tǒng)按照能量形式可劃分為機(jī)械式、電氣式和液壓式[1-2]。電氣式主要以液壓泵/馬達(dá)、發(fā)電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，將液壓缸下降的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，最后以化學(xué)能或電能的形式存儲(chǔ)在電池或超級(jí)電容中[3-7]；機(jī)械式主要使用液壓泵/馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)化裝置，將液壓缸下降的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)在飛輪中[8-13]。液壓式可以直接將液壓系統(tǒng)中的壓力能存儲(chǔ)到蓄能器中，沒(méi)有中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，但是當(dāng)工況壓力與蓄能器壓力相等時(shí)，蓄能器便不再收集能量，也可使用液壓泵/馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，將液壓缸下降的勢(shì)能先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)換為壓力能儲(chǔ)存到蓄能器中[14-16]。

本研究結(jié)合液壓式與電氣式對(duì)農(nóng)業(yè)裝載機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能進(jìn)行回收，設(shè)計(jì)一種以蓄能器與超級(jí)電容作為能量回收裝置的液壓系統(tǒng)，提高液壓系統(tǒng)的能量利用效率。

1 液壓系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 液壓系統(tǒng)原理圖

本研究采用蓄能器與超級(jí)電容作為農(nóng)業(yè)裝載機(jī)動(dòng)臂液壓缸勢(shì)能回收的儲(chǔ)能元件，如圖1所示。

1.油箱 2.單向閥 3.溢流閥 4.液壓泵 5、7、8、10.換向閥6.液壓馬達(dá) 9、14.蓄能器 11.動(dòng)臂液壓缸12.控制器 13.先導(dǎo)閥圖1 農(nóng)業(yè)裝載機(jī)動(dòng)臂液壓缸能量回收液壓系統(tǒng)

1.2 能量回收原理

當(dāng)裝載機(jī)下降時(shí)，換向閥5左位工作，換向閥10左位工作，換向閥8左位工作，動(dòng)臂液壓缸11在自重和負(fù)載的作用下向下移動(dòng)，動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔液壓油經(jīng)換向閥10，8進(jìn)入蓄能器，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到蓄能器最高工作壓力或蓄能器壓力與液壓缸11無(wú)桿腔壓力相等時(shí)，換向閥7左位工作，此時(shí)動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔液壓油經(jīng)過(guò)換向閥10，7驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)6旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，完成能量勢(shì)能的回收。

2 儲(chǔ)能元件數(shù)學(xué)模型

2.1 蓄能器模型

工程中，通常用能量密度與功率密度對(duì)儲(chǔ)能元件的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)判。蓄能器能量密度低于超級(jí)電容，但是功率密度卻遠(yuǎn)高于超級(jí)電容，并且蓄能器在液壓系統(tǒng)中可以直接儲(chǔ)存液壓能，沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，減少了中間過(guò)程的能量浪費(fèi)。蓄能器根據(jù)加載方式不同可分為重力加載式、彈簧加載式與氣體加載式。根據(jù)3種加載式的使用條件情況，本研究選取了氣體加載式蓄能器。

蓄能器中氣體一般為惰性氣體，其與理想氣體相近，因此可用理想氣體體積方程來(lái)描述其狀態(tài)變化情況：

(1)

式中，p1—— 初始?jí)毫?/p>

V1—— 初始體積

p2—— 最高工作壓力

V2—— 最高工作壓力對(duì)應(yīng)體積

p3—— 最低工作壓力

V3—— 最低工作壓力對(duì)應(yīng)體積

m—— 氣體多變指數(shù)，因?yàn)閯?dòng)臂下降時(shí)間短，可認(rèn)為氣體與外界無(wú)熱交換，因此可按照絕熱過(guò)程計(jì)算，m取1.4

由式(1)可得:

(2)

(3)

則蓄能器有效工作容積為：

(4)

根據(jù)式(4)可得，蓄能器初始體積為:

(5)

為減輕囊式蓄能器重量，p1不能選擇過(guò)小，同時(shí)為了保護(hù)氣囊，使系統(tǒng)在最低工作壓力時(shí)氣囊不與蓄能器提升閥接觸，并且蓄能器中還有剩余油液，因此p1不能選擇過(guò)大，蓄能器初始?jí)毫νㄟ^(guò)式(6)選擇：

0.25p2

(6)

假設(shè)蓄能器從壓力為pa1、體積為Va1狀態(tài)時(shí)開(kāi)始工作，能量回收結(jié)束后氣體壓力為pa2、體積為Va2,則蓄能器儲(chǔ)存能量E1為:

(7)

2.2 超級(jí)電容模型

當(dāng)蓄能器不能繼續(xù)回收動(dòng)臂液壓缸活塞桿下降產(chǎn)生的能量時(shí)，需增加1個(gè)超級(jí)電容來(lái)儲(chǔ)存動(dòng)臂液壓缸活塞桿產(chǎn)生的多余能量。超級(jí)電容充放電性能可通過(guò)其兩端電壓變化來(lái)描述，超級(jí)電容等效電路模型如圖2所示。

圖2 超級(jí)電容等效電路

在充電過(guò)程中，超級(jí)電容兩端電壓可表示為:

U=Uc+IRs

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，U—— 超級(jí)電容端電壓

Uc—— 超級(jí)電容點(diǎn)位

I—— 超級(jí)電容充放電電流

Rs—— 超級(jí)電容電阻

IL—— 支路電流

C—— 超級(jí)電容額定容量

Uc0—— 超級(jí)電容起始電壓

超級(jí)電容能量?jī)?chǔ)存E2表示為：

(13)

3 能量回收系統(tǒng)仿真

3.1 農(nóng)業(yè)裝載機(jī)仿真模型

根據(jù)圖1農(nóng)業(yè)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖，利用AMESim軟件對(duì)動(dòng)臂液壓缸下降勢(shì)能回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。仿真模型部分參數(shù)如表1所示。

圖3 農(nóng)業(yè)裝載機(jī)能量回收系統(tǒng)仿真模型

表1 仿真系統(tǒng)主要元件參數(shù)

3.2 AMESim仿真設(shè)置

設(shè)置AMESim仿真時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)為0.01 s，初始時(shí)刻活塞桿處于完全伸出狀態(tài)。使用壓力傳感器檢測(cè)蓄能器壓力變化，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到蓄能器最高工作壓力或與液壓缸11無(wú)桿腔壓力相等時(shí)，換向閥7打開(kāi)。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 結(jié)果分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)能量回收效率、仿真負(fù)載變化對(duì)能量回收的影響。設(shè)定負(fù)載分別為0, 5, 8 t，在不同負(fù)載作用下動(dòng)臂液壓缸活塞桿下降產(chǎn)生的能量如圖4所示，位移曲線如圖5所示，蓄能器體積與壓力變化如圖6、圖7所示。通過(guò)仿真分析，當(dāng)蓄能器壓力未達(dá)到蓄能器最高工作壓力并且低于液壓缸11無(wú)桿腔壓力時(shí)，蓄能器處于儲(chǔ)能狀態(tài)。蓄能器氣體體積隨負(fù)載的增加逐漸減小，氣體壓力隨負(fù)載增加逐漸增大。

圖4 動(dòng)臂液壓缸活塞桿下降產(chǎn)生的能量

圖5 動(dòng)臂液壓缸活塞桿位移曲線

圖6 蓄能器氣體體積變化曲線

圖7 蓄能器氣體壓力變化曲線

在動(dòng)臂液壓缸活塞桿下降時(shí)，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到蓄能器最高工作壓力或與液壓缸11無(wú)桿腔壓力相等時(shí)，換向閥7打開(kāi)，此時(shí)由超級(jí)電容進(jìn)行能量回收。該過(guò)程中，超級(jí)電容的端電壓與SOC變化如圖8與圖9所示，超級(jí)電容端電壓與SOC隨負(fù)載的增加而減小，發(fā)電機(jī)功率損失如圖10所示。

圖8 超級(jí)電容端電壓變化曲線

圖9 超級(jí)電容SOC變化曲線

圖10 電機(jī)功率損失

4.2 能量回收系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算

以空載為例，由仿真結(jié)果可知，動(dòng)臂液壓缸生成的總能量為143940.5 J，蓄能器初始體積為18 L ，初始?jí)毫? MPa，能量回收后體積為10.72 L，壓力為12.48 MPa,根據(jù)式(7)可計(jì)算出蓄能器回收的能量為62735.91 J；超級(jí)電容初始端電壓為375 V，能量回收后端電壓為375.15 V，根據(jù)式(13)計(jì)算出超級(jí)電容回收的能量為2176.92 J，則總的回收能量為64912.8 J，能量回收率可達(dá)45.10%。在不同負(fù)載下蓄能器與超級(jí)電容回收能量如表2所示。

表2 不同負(fù)載下動(dòng)臂液壓缸活塞桿下降能量回收表

4.3 負(fù)載變化對(duì)能量回收的影響

為具體了解該系統(tǒng)能量回收效率隨負(fù)載的變化情況，在AMESim中對(duì)負(fù)載進(jìn)行批處理，仿真結(jié)果如圖11所示，從圖可知，該系統(tǒng)能量回收效率隨負(fù)載的增加先增加后減小，在負(fù)載為5 t時(shí)能量回收效率達(dá)到最高，為57.47%。

圖11 負(fù)載變化對(duì)能量回收效率的影響

5 結(jié)論

為減少能量的使用，本研究使用蓄能器與超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件，以農(nóng)業(yè)裝載機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)。使用AMESim建立能量回收系統(tǒng)模型，研究不同負(fù)載對(duì)能量回收效率的影響，通過(guò)仿真結(jié)果表明，隨著負(fù)載的增加，動(dòng)臂液壓缸活塞桿下降產(chǎn)生的能量逐漸增加，需要液壓泵提供的能量越小，能量回收效率隨負(fù)載增大先增加后減小，在負(fù)載為5 t時(shí)能量回收效率達(dá)到最高，為57.47%。