路面液压发电装置中蓄能器容积计算方法.pdf

2 0 1 4年 5月 第4 2卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE 70OL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 3 1 路面液压发电装置中蓄能器容积计算方法 方桂花 ，胡娟 ，王兴春 ，李晓燕 1 ．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0； 2 ．内蒙古包头永芄科技有限公司，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要通过分析路面液压发电系统和蓄能器的工作原理及其工作状况 ，得知现有的蓄能器容积计算公式不适用于路面 液压发电系统。在充分考虑了系统的实际工况后 ，经过分析推导出了符合实际应用的蓄能器容积计算方法。 关键词 路面液压发 电；蓄能器 ；容积 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 01 0 1 3 Vo l ume Ca l c u l at i o n M e t h o d o f Ac c u mu l a t o r i n t h e Pa v e me nt Hy d r a u l i c Po we r Ge n e r a t i o n De v i c e F ANG Gu i h u a ，HU J u a n ，WAN G Xi n g c h u n ，L I Xi a o y a n 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ，I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ba o t o u I n n e r Mo n g o l i a 01 4 01 0， Ch i n a； 2 ． Y o n g p e n g T e c h n o l o gy C o ． ，L t d ． ，B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d w o r k i n g c o n d i t i o n s o f t h e a c c u mu l a t o r a n d p a v e me n t h y d r a u l i c p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m ，i t wa s l e a r n e d t h a t t h e e x i s t e d a c c u mu l a t o r v o l u me f o r mu l a wa s n o t s u i t a b l e f o r t h e p a v e me n t h y d r a u l i c p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m． T a k i n g f u l l a c c o u n t o f t h e s y s t e m a c t u a l c o n d i t i o n s ， t h r o u g h a n a l y s i s a n d d e d u c e d ， a c c u mu l a t o r v o l u me c a l c u l a t i o n me t h o d c o r r e s p o n d i n g p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n wa s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s P a v e me n t h y d r a u l i c p o we r g e n e r a t i o n；Ac c u mu l a t o r ； Vo l u me 随着我国经济的快速发展，汽车保有量也在逐年 增长 ，中国已经进入汽车交通发达时代，人们在享受 汽车带来便捷的同时也耗费了大量的能源，因此全世 界都面临着巨大的能源危机 ，这就使得如何开发和利 用绿色能源成为全世界高度关注以及需要迫切解决的 问题。路面液压发电装置正是基于这一理念产生的， 它利用汽车的重力进行环保发电。文中通过分析路面 发电装置中蓄能器的功能，得到符合路面发电装置蓄 能器的容积计算公式，为下一步的路面发电系统的全 面研究及蓄能器的特性分析奠定了基础。 1 路面发电系统的工作原理 路面液压发电装置安装在车流量密集且需要车辆 减速行驶的路段，多个换能器相互并联而组成一个换 能器组。每个换能器都设有出油口与回油口，连接到 主出油管 3和主 回油管 1 1 上。主出油管通过 蓄能器 5 之后与液压马达 6相连，通过变速器 7调整转速后 ， 带动发电机组 8发电。流过液压马达的油液经过油液 缓 冲室 9后 重新 回到换 能器组 中 在 回油路 上设 有 油液补充装置 ，从而构成一个完整的循环回路。 ／ ／ ＼ ／ ／ 二 门 j ／ ／一 ， l 一 换 能器2 一 出油 管3 一 主 出油 管4 一 换能 器连 接件5 一 蓄能 器 6 一 液压 飞 轮 马达 7 一变 速 器8 一 发 电机组 争 一 油液 缓冲 室 1 o _ - 液压油充油箱I l 一主回油管l 2 一 回油管 图 1 路面发电系统工作原理图 2 蓄能器类型的选择 通过分析发电系统的工作状况配置所需的马达型 号，由马达的相关技术参数可知马达转动 1 m i n所需 的流量为 6 0 L ，转动 3 0 S 所需的流量为 3 0 L ，这即 是蓄能器的有效容积。通常情况下蓄能器的有效容积 尚且达不到总容积的 1 ／ 3 ，初步估算 蓄能器 的总容 积 至少为 1 0 0 L ，以此作为选择路面液压发电系统中蓄 能器类型的依据。在蓄能器的选型上，需要参考各类 收稿 日期 2 0 1 3 0 42 6 基金项目内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目 N J Z Y1 2 1 0 9 ；包头市重大科技发展项目 2 0 1 2 Z 1 0 0 6 - 2 作者简介方桂花 1 9 6 2 一 ，女，硕士，教授，主要从事 液压技术方 面的科研 和教学工作。Em a i l h u j u a n ． 1 1 9 1 6 3． c o rno 1 0 2 机床与液压 第4 2卷 蓄能器的性能优劣，选择最适用于路面发电系统的蓄 能器类 型。各类型 蓄能器性 能优 劣对 比如表 1 所示 。 表 1 蓄能器类型对比 通过表 1可以清楚地看出能够满足路面液压发 电装置 中蓄能器 容积要 求 的 只有 活塞 式 蓄能 器 。活 塞式蓄能器的其他性能也很符合发电系统 的需求。 首先因为活塞式 蓄能器是隔离式液压能 蓄储装置 ， 可稳定压力 ，消除油路系统中压力的脉动冲击；其 使用寿命长 ，更换密封件成本更低 ，操作更简便 ； 失效形式是逐渐 、缓慢地泄漏失效 ，这便保证 了路 面发 电系统 的安全 性 。其次 ，活塞 式 蓄能 器 的工 作 压力较高 ，故可承受很大的压力波动幅度 。缺点 1 低压 情况下 1 3 M P a以下 ，活 塞 因惯性 大 而 不适于作高频往复运动，而路面发 电系统的工作压 力需大于 3 1 ． 5 M P a ，不属于低压情况； 2 对壳 体内壁加工精度及密封件等要求很高，否则容易渗 漏、增大摩擦。综合考虑各类蓄能器的性能优劣， 活塞式 蓄能 器是路 面液压 发 电系 统 中所需 的 最合 适 蓄能器 。 3 活塞式蓄能器的容积计算 3 ． 1 活塞式蓄能器工作原理 在路面发电系统中用到的活塞式蓄能器由活塞将 蓄能器分成两个部分 ，蓄能器中所使用 的气体为氮 气。通过分析活塞式蓄能器在路面发电系统中的工作 过程，可将其工作过程分为3个极限状态来研究。 1 预充压 状态 。也 可称 为原 始 状 态 ，蓄 能器 的总容积 指活塞式蓄能器气腔容积与液腔容积之 和 ，如 图 2 a 所示 ； 2 最大压力状态。指从最小压力状 态开始， 液压油增量 A V满足工作需求时的状态，如图 2 b 所示 3 最小压力状态。指活塞式蓄能器将最大量 油液排 出后的最小压力值 ，如图 2 C 所示 。 蓄能器开始工作时气体腔内压力为预充气压力 P 。 或最小压力 P ， ；当有车辆驶过，换能器开始工作 后，换能器将源源不断地向蓄能器的液腔内充入液压 油 ，直至蓄 能器 内液 压 油达 到 可 蓄储 的最大 量 A V ， 气腔压力达到最大压力P 时，蓄能器开始排出油液 以驱动液压马达转动。当蓄能器油腔内的液压油达到 最小值 ，气腔压力也达到最小值 P 时蓄能器停止排 出油液。上述工作过程即是蓄能器一次完整的进液排 液过程 。蓄能器在路 面发电系统 中进行着如上所述 的 周而复始的循环，蓄能器的工作状态示意图如图2所 示 。 P2 一 液压 油 Pl Vl 氮 气 一液 压 油 一 a 预冲压状 b 最大压力状态 c 最小压力状态 图2 活塞式蓄能器工作的3个极限状态 3 ． 2 活塞式蓄能器容积计算方法探讨 蓄能用的蓄能器的具体功用包括 “ 做辅助动力 源” 、“ 补偿泄漏保持恒压” 、“ 改善频率特性” 、“作 应急动力源” 、“作液压空气弹簧”等。根据蓄能器 工作原理的不 同有着不 同的容积计算公式 ，路 面发电 系统 中的蓄能器充 当着动力 源的作 用 ，因此计算蓄能 器的总容积时可参考蓄能器作应急动力源时的计算公 式 。 1 传统应急动力源蓄能器总容积 的计算方 法 当蓄能器作为液体补充装置时，其总容积 的 计算方法有以下两种情况 绝热过程 时 等温过程 时 T ，一 △ 一 ，1 1、 p。 一 式 中 为蓄能器 的总容积 ，L ； A V为蓄能器有效工作容积，L ； P 。 为充气压力 ，MP a ； P 。 为最低 工作 压力 ，M P a ； P 为最高工作压力，MP a ； T ● 第 1 O期 方桂花 等 路面液压发电装置中蓄能器容积计算方法 1 0 3 n为指数，绝热过程 n1 ． 4 ，等温过程 n1 。 2 传统蓄能器容积计算公式应用在路面发电 装置时存在的缺陷 因为传统蓄能器总容积 的计算方法只有两种 情况即绝热和等温，分析路面发电装置中蓄能器的工 作状况可知 当通过换能器的车辆 比较密集时 ，换 能 器工作频繁 ，可以使蓄能器在 1 m i n内完成一次充液 排液过程 ；此时蓄能器 的工作 状况是 绝热过程。但是 当通过换能器的车辆较少时，可能在 1 m i n之内充人 蓄能器油腔的油液达不到最大压力值，而此时蓄能器 的充液状态则是等温过程、排液过程是绝热状态。由 此可见 ，蓄能器充液可能是绝热过程也可能是等温过 程 。而 蓄能器 的排液过程 总是绝热状态 ，这就意味着 当充液过程为等温过程时传统活塞式蓄能器容积计算 公式不适用于路面液压发 电装置 。 3 适用 于路 面 液压发 电装 置蓄 能器 的总 容 积 计算公式 当充液过程为等温过程、排液过程为绝热过程 时 ，根据波义尔定律 P 。 p v 7 1 p C 由于等温时 ／ t 1 ，充液过程 P 。 V o p 2 排液过程 p p 。 3 由于是绝热状态 ，n 1 ． 4 。 蓄能器排液量 ． AVV l 4 由式 2 一 4 可得路面发 电装置中蓄能器在等 温充液情况下的总容积计算公式 5 【 ] 当充液、排液均为绝热过程时，适用于传统绝热 情况下 的容积计算公式 1 。 3 ． 3 活塞式蓄能器总容积计算 蓄能器最低工作压力 P 的计算 ， P 。 P 一 十 ∑△ p 式中 P ⋯为马达的最大工作压力 2 8 MP a ； ∑ △ p 为蓄能 器到 马达 间的压力 损失 之 和 ， M上 J a。 在路面液压发电系统的研究中，暂且忽略管路中 的压力损失 ，即 △ p 0 ，P P 2 8 M P a 。 因为当蓄能器做液体补充装置时取 P 。 P ． ，即 P P 2 8 MP a ，取 A V 6 0 L 即马达转动 1 m i n所 需的流量时，设定不同的最高压力值 P ，分别代 入公式 4 、 5 可得表 2 。 表 2 A V 6 0 L时，总容积 对应表 当选取 A V 3 0 L 马达转动 3 0 s 所需 的流 量 时，由不同的最高压力值P 可得表 3 。 表 3 A V3 0 L时，总容积 对应 表 通过表 2和表 3 可知 等温条件下 活塞式 蓄能器 的总容积较绝热条件下的容积要略大些 ，因此在确定 蓄能器总容积时选取等温情况下的容积值。在满足使 用需求情况下，选择相对容易加工的压力及容积参 数 ，由此选择 AV 3 0 L ， P 2 3 5 M P a ，V o 2 2 0 L作 为蓄能器的参数。 4结 论 经过分析路 面 液压 发 电装 置 和蓄 能器 的工作 原 理 ，得到了符合实际应 用 的蓄能器 总容 积计算 公式 ， 并得到蓄能器 的压力容积最适参数 ，为活塞式 蓄能器 的仿真研究奠定了基础。 参考文献 [ 1 ]马雅丽， 黄志坚． 蓄能器实用技术[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]方桂花， 刘进峰， 王兴春． 新型路面发电装置的设计与初 步研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 1 1 41 5 ． [ 3 ]谭心， 刘进峰， 方桂花， 等． 基于 A ME S i m的新型路面液 压减速发电装置换能器的研究 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 1 2 6 4 6 6 ． [ 4 ]张迎春， 宁艳平， 陆元三． 大容量活塞式蓄能器的使用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 I 1 8 6 8 8 ． 美一公司意外发明可回收环保塑 国 I B M公司意外发明了新一代热固性聚合物。与现在广泛使 度更高，更重要的是，它可全部回收，且具有 自我修复功能， “ ”” ”” ””“”” “” ”” ” ””“ 料可有效减少污染 ； 用的聚合物不同，新一代热 固性聚合物不但更t 能减少浪费与污染。 来源互联网 i ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．