混合動(dòng)力叉車門架動(dòng)力學(xué)性能與勢能回收關(guān)系研究

張翼　紀(jì)琛　蔣盛

【摘 要】隨著當(dāng)前社會(huì)的不斷發(fā)展，在日常的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，對于能源的消耗量大幅增加，人們正面臨著日益緊張的能源問題。工程機(jī)械是一個(gè)重要耗能部分，因此對于工程機(jī)械節(jié)約能源的要求也越來越高。混合動(dòng)力叉車門架是一個(gè)較為常用的高耗能機(jī)械設(shè)備，對于其能源的節(jié)約，主要可通過動(dòng)力學(xué)性能與勢能的回收來進(jìn)行解決。基于此，本文對混合動(dòng)力叉車門架的動(dòng)力學(xué)性能和勢能的回收關(guān)系進(jìn)行了研究，以期能夠?qū)崿F(xiàn)良好的節(jié)能效果。

【關(guān)鍵詞】混合動(dòng)力叉車門架 動(dòng)力學(xué)性能 勢能 回收關(guān)系

混合動(dòng)力技術(shù)是當(dāng)前一項(xiàng)較為先進(jìn)的技術(shù)，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在眾多工業(yè)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)中，對于混合動(dòng)力工程機(jī)械的研究正日漸深入。常用的混合動(dòng)力工程機(jī)械設(shè)備主要包括推土機(jī)、叉車、輪式裝載機(jī)、液壓挖掘機(jī)等。其中，混合動(dòng)力叉車門架作為一個(gè)重要的混合動(dòng)力工程機(jī)械，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出了很大的作用。但是，其能耗問題一直是阻礙其可持續(xù)發(fā)展的重要因素。隨著近年來越來越嚴(yán)重的能源消耗問題，在該領(lǐng)域當(dāng)中，對于其動(dòng)力學(xué)性能和勢能的回收也逐漸受到人們更高的重視。

1混合動(dòng)力叉車動(dòng)力學(xué)性能與勢能回收系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在混合動(dòng)力叉車的動(dòng)力學(xué)性能與勢能回收系統(tǒng)當(dāng)中，叉車門架下降過程的動(dòng)力學(xué)方程為Mg-Fc-Ff=0.5δMa，其中，M=m0+0.5m1+m2+0.5m3。負(fù)載質(zhì)量為m0，內(nèi)門架質(zhì)量為m1，貨叉架和貨叉質(zhì)量為m2，升降油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為m3，門架運(yùn)動(dòng)摩擦阻力為Ff，升降油缸活塞桿受力為Fc，重力加速度為g，貨叉下降加速度為a，門架旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為δ。

升降油缸力平衡方程為Fc-p1A1=m3ac+bcvc+Ffc。其中，升降油缸活塞桿受力為Fc，升降油缸活塞運(yùn)動(dòng)摩擦阻力為Ffc，升降油缸活塞面積為A1，升降油缸無桿腔壓力為p1，升降油缸運(yùn)動(dòng)部件和負(fù)載粘性阻尼為bc，升降油缸活塞加速度為ac，升降油缸活塞運(yùn)動(dòng)速度為vc。

液壓馬達(dá)力矩平衡方程為Dmp2=Jmdω/dt+bmω+Tf+Tg。其中，液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jm，液壓馬達(dá)摩擦轉(zhuǎn)矩為Tf，液壓馬達(dá)入口壓力為P2，液壓馬達(dá)弧度排量為Dm，液壓馬達(dá)角速度為ω，發(fā)電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Tg，液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)粘性阻尼為bm。

在混合動(dòng)力叉車動(dòng)力學(xué)性能與勢能回收當(dāng)中，電機(jī)具有十分重要的作用與意義。對于門架勢能回收來說，將電機(jī)當(dāng)作發(fā)電機(jī)使用，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，就能夠回收越多的制動(dòng)能量[1]。在一些常用的電機(jī)當(dāng)中，對于其轉(zhuǎn)矩來說，往往具有低速恒轉(zhuǎn)矩，中、高速恒功率等方面的特點(diǎn)。也就是說當(dāng)n

對于勢能回收效率來說，可以通過方程ηt=Esc/Ep=Egηsc/Ep來進(jìn)行計(jì)算。其中，勢能回收效率為ηt，發(fā)電機(jī)對超級電容器充電能量為Esc，電機(jī)發(fā)電能量為Eg，負(fù)載勢能為Ep，發(fā)電機(jī)到超級電容器能量轉(zhuǎn)換效率為ηsc。負(fù)載勢能公式為Eg=（m0+m2）gh+1/2（m1+m3）gh。其中，負(fù)載質(zhì)量為m0，內(nèi)門架質(zhì)量為m1，升降油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為m3，門架起升高度為g，重力加速度為g。

2門架動(dòng)力學(xué)性能與勢能回收關(guān)系

對于門架勢能回收效率來說，對其產(chǎn)生影響的主要因素包括門架運(yùn)動(dòng)摩擦阻力、液壓馬達(dá)摩擦轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)到超級電容器能量轉(zhuǎn)換效率、換向閥液壓管路壓力損失、升降油缸活塞運(yùn)動(dòng)摩擦阻力等[2]。在混合動(dòng)力叉車門架當(dāng)中，其液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、升降油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量、發(fā)電機(jī)效率、液壓馬達(dá)效率、升降油缸活塞面積、液壓馬達(dá)排量等勢能回收系統(tǒng)零部件參數(shù)；貨叉下降加速度、貨叉下降速度、門架負(fù)載等動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)；以及勢能回收效率之間，存在著以下關(guān)系：

隨著門架負(fù)載的增加，勢能回收效率也會(huì)增加，在額定負(fù)載下，能夠達(dá)到最高的勢能回收效率[3]。隨著貨叉下降加速度的降低，勢能回收效率會(huì)增加。在門架下降的過程中，貨叉擁有越平穩(wěn)的速度，就能夠達(dá)到越高的勢能回收效率。同時(shí)，在馬達(dá)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)電機(jī)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，貨叉如果越慢下降，就能夠達(dá)到越高的勢能回收效率。隨著液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的下降，勢能回收效率將會(huì)增加。隨著液壓馬達(dá)排量的增加，勢能回收效率也會(huì)增加。隨著升降油缸活塞面積的下降，勢能回收效率將會(huì)增加[4]。隨著升降油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的下降，勢能回收效率會(huì)增加。

3結(jié)語

作為當(dāng)前一種主要的能耗組成部分，混合動(dòng)力叉車門架對于混合動(dòng)力工程機(jī)械的節(jié)能來說，有著十分重要的意義和影響。在實(shí)際應(yīng)用中，通過其動(dòng)力學(xué)性能與勢能中各個(gè)方面的數(shù)學(xué)模型與公式，能夠推導(dǎo)和計(jì)算出二者之間的關(guān)系，從而為混合動(dòng)力叉車門架的節(jié)能提供借鑒和參考。

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