高儲能密度液壓飛輪蓄能器

何冠霖 于超 王鵬 孫明宇

摘 要：針對當前液壓蓄能器的能量存儲密度明顯低于其他能量域中的能量存儲裝置的缺點，將傳統液壓蓄能器與飛輪蓄能原理相結合，通過對內部結構進行改進，設計出一種新型液壓飛輪蓄能器，并對其內部結構進行簡單受力分析，仿真。

關鍵詞：蓄能器；新型結構；受力分析仿真

近年來隨著液壓技術的不斷創新應用，混合動力技術也來越來越受到人們的重視，蓄能器作為液壓蓄能器的一個關鍵元件，如何設計蓄能器內部結構實現優良的制動特性和較高的能量回收率對提高液壓混合動力車整體性能具有重要的意義。

當前蓄能器可分為氣囊式蓄能器以及活塞式蓄能器，對于氣囊式蓄能器，如果預充氣壓力過低，沒有預先充氣，則會迅速地導致嚴重的后果。氣囊被壓入擠入充氣閥閥桿而被刺破這種情況稱為“拔出”。一般，只要一次工作循環就足以破壞氣囊。如果氣囊破裂，則氣囊式蓄能器將立即失效。

對于以上的情況，活塞式蓄能器為基礎，在結構上將活塞式蓄能器與飛輪結合，在腔體內壁安裝矩形葉片，在葉片和活塞間安裝限位塊。提高了儲能密度，強度高，可承受壓力大，容積大；通常使用壽命比較長；相對于氣囊式的更換氣囊，活塞式更換密封件成本更低，操作更簡便；具備多道密封，即使失效也是逐漸、緩慢地失效。繼續研究分析，最終將矩形葉片改進成變截面面積葉片，解決液體旋轉時壓力分布不均的問題。

1 模型建立

1.1 數學模型的建立

1.1.1腔內液體流動數學描述

對于腔內任意微小液體元，根據牛頓第二定律：

根據牛頓內摩擦定律，當蓄能器旋轉時，內壁處液體速度最大，貼近軸處液體速度最小。

1.1.2穩態下液體壓強隨半徑變化分布情況

對腔內液體元的數學描述：由牛頓第二定律∑FX=ma，液體微元所受的力源于各個面上所受的壓力。其中m是液體微元的質量，a是加速度?？紤]到微元實際情況，可得出液體受力表達式：

其中P是液體壓力，dP是沿半徑方向上微元壓力的變化量，dθ是微元角度大小，Ai、AO分別是微元近軸端、遠軸端面積。

接下來使用極坐標表示方法，整理得到：

即液體壓力沿半徑呈拋物線形式變化。

1.1.3建立活塞受力平衡表達式

預充氣體壓力與液體量變化規律：

設蓄能器總長度l，預充氣體壓力為P預，當蓄能器吸收一部分液壓油時，設進入腔內液壓油體積為V充，蓄能器內腔直徑為D。

1.2 簡化葉片受力分析

當蓄能器狀態從穩態轉向非穩態時，葉片將僅有一面受到液體的壓力，此時對葉片的強度進行考慮。

1.2.1葉片在初啟動狀態的受力仿真

1.2.2變式葉片設計

考慮到液體進入腔體的速度，同時由之前的計算，考慮到腔體內邊緣處液體壓強較輸入時增加，為確保葉片使用壽命，考慮選擇進行變式葉片設計：

形狀上改變：變截面面積葉片。

曲面葉片（進行了瞬態仿真）。

1.3 不同材料的選用

葉片材料：鑄鐵，青銅，不銹鋼，非金屬材料（pps塑料等）。

主要考慮：耐磨性，防腐性提高表面質量，對磨損嚴重的部位進行噴涂，噴焊耐磨層或是加一層襯板。

防腐耐磨材料：橡膠涂料，時應加水玻璃，陶瓷防腐耐磨材料耐蝕性強。

轉速高的葉片材料多用：馬氏體沉淀不銹鋼。

2 結語

液壓挖掘機在工作過程中，動臂、斗桿和鏟斗的上下擺動以及回轉機構的回轉運動比較頻繁，又由于各運動部件慣性都比較大，在有些場合，機械臂自身的重量超過了負載的重量，在機械臂下放或制動時會釋放出大量的能量。負值負載的存在使系統易產生超速情況，對傳動系統的控制性能產生不利影響。

用能量回收方法解決負值負載問題不但能節約能源，還可以減少系統的發熱和磨損，提高設備的使用壽命，并對液壓挖掘機的節能產生顯著的效果。能量回收方式一般分為三種：重力式能量回收、飛輪式能量回收、液壓式能量回收。但重力式能量回收當蓄能總量需求較高時，設備會比較龐大，不適合在移動式工程機械上應用；飛輪式能量回收方法，飛輪的儲能能力較差，常規轉速下能量密度較低，重量和體積大，且飛輪的能量儲存效率與飛輪中間怠速時間的大小成正比；液壓式能量回收，液壓蓄能器的比能量較低，較大體積的蓄能器不適于空間有限的工程機械上和除了大客車以外的其它汽車。而本項目研究的高儲能密度液壓飛輪蓄能器可以很大程度的填補以上缺陷，具有很好的發展前景。

參考文獻：

[1] 黃宗益，李興華，陳明.液壓挖掘機節能措施[J].建筑機械化，2004，（8）：51-54.

[2] 黃宗益，范基，葉偉.挖掘機回轉液壓操縱回路（二）[J].建筑機械化，2004，（2）：62-64.