路面液壓發電裝置蓄能器吸收沖擊性能

史彬鋒， 方桂花， 胡 娟

(1.包頭鐵道職業技術學院機車車輛系， 內蒙古包頭 014060； 2.內蒙古科技大學機械工程學院， 內蒙古包頭 014010； 3.包頭師范學院， 內蒙古包頭 014030)

引言

隨著汽車保有量的絕對增加，如何收集利用汽車行駛過程中的能量，引發了人們的思考。基于對汽車重力勢能的利用，路面發電裝置應運而生。根據轉換介質不同，路面發電裝置可分為3類，一是通過機械傳動裝置轉換能量，這類發電裝置汽車駛過時平緩舒適，缺陷是結構復雜、易發生故障；二是通過壓電晶體材料轉換能量，在路面鋪設這種特殊材料進行發電，壓電材料可重復利用，發電效率高，但需對路面重新鋪設，對路面影響大；三是通過液體轉換能量，這類發電裝置發電效率高，對路面破壞小，但剛性結構及氣囊結構復雜[1-2]。本研究的路面液壓發電裝置屬于第三類通過液體轉換能量。

汽車重力勢能的轉換與收集是路面液壓發電裝置研究的重點，因此其核心部件是換能器和蓄能器，譚心等[3]已完成了路面液壓發電裝置中換能器研究，并得出了換能器在不同工況下的輸出流量及壓力等參數。本研究通過建立更加完善的蓄能器數學模型，利用MATLAB軟件分析路面液壓發電裝置中蓄能器吸收沖擊性能。

1 路面液壓發電裝置

路面液壓發電裝置原理圖如圖1所示。路面液壓發電裝置安裝在車輛需減速行駛的區域，車輛駛過的結構為換能器，其外形同減速帶，當車輛壓下換能器時，換能器內的油液被壓出，流入蓄能器5中儲存起來，最終經蓄能器釋放油液驅動馬達轉動，產生電能[3]。由于車型不同車長不等，不同時段車流量密集度不同，車輛駛過減速帶(即換能器處于壓下狀態)時斷時續，不是一個連續的過程，因此，路面液壓發電系統的工作狀況是間歇式工況。而在這一間歇式發電系統中，如何及時高效的儲存、釋放能量尤為重要，因此蓄能器是路面液壓發電裝置中的重要部件，蓄能器的使用對于保障系統的正常工作、吸收系統中的沖擊壓力和壓力脈動，以及改善系統穩定性、提高系統的動態品質、降低傳動噪聲起著重要作用[4]。

1.換能器 2.出油管 3.主出油管 4.換能器連接件 5.蓄能器 6.液壓馬達 7.變速器 8.發電機組 9.油液緩沖室 10.液壓油充油箱 11.主回油管 12.回油管圖1 路面液壓發電裝置原理圖

2 蓄能器模型建立

對比各類蓄能器的性能及優缺點，鑒于皮囊式蓄能器反應靈敏，容量及壓力值適用于本系統，確定路面液壓發電裝置應用皮囊式蓄能器[5]。

分析已有皮囊式蓄能器數學模型，可知蓄能器模型正在不斷完善，權凌霄[6]對蓄能器的管路效應進行實驗研究，宋孝臣[7]對蓄能器的入口特性進行研究。蓄能器模型最初僅考慮氣體和液體建模，后續考慮了連接管路材質對蓄能器性能的影響。本研究在分析蓄能器過程中，發現蓄能器進油口結構影響蓄能器性能，而以往的研究都忽略進油口的影響或將進油口簡化為一個無阻力的入口分析，但在實際使用中，蓄能器進油口通常較小，且進油口安裝有菌型閥，因此油液由管路流入蓄能器菌型閥進油口時，油液流量是發生變化的，不考慮進油口結構建立的蓄能器數學模型，不能真實的反映蓄能器的實際工作狀態。為了讓仿真數據更具有參考意義、更加接近實際值，本研究所建立的蓄能器數學模型，在蓄能器油液、氣體模型基礎上，參考已有的研究成果加入對管路部分的分析[8]，同時將蓄能器的進油口菌型閥進行分析建立模型，并將這三部分形成一個整體，建立了更接近真實蓄能器的數學模型。蓄能器模型如圖2所示。

圖2 蓄能器模型圖

考慮菌型閥影響的蓄能器油液體積變化量與連接管道進油口處壓力關系為：

(1)

式中, ΔV—— 油腔油液容積變化量

p1—— 連接管道進油端壓力

Aa—— 油腔橫截面積

ma—— 蓄能器油腔油液的當量質量

Bb—— 等效油液阻尼系數

Ca—— 氣體阻尼系數

ka—— 氣體彈性剛度

pa0—— 蓄能器氣腔預充氣壓力

A1—— 菌型閥面積

k—— 絕熱指數

Va0—— 氣囊預充氣壓力

將式(1)進行轉化變為標準式：

(2)

式中，ωn—— 無阻尼固有頻率

ζ—— 阻尼比

由式(2)可知，當蓄能器容積和橫截面積確定時，決定蓄能器吸收油液體積量的參數有蓄能器預充氣壓力、菌型閥面積、油液當量質量和當量阻尼。

3 蓄能器參數分析

建立蓄能器模型并確定其結構參數是分析路面液壓發電裝置性能的前提和關鍵。分析可知，影響蓄能器吸收沖擊壓力的參數有蓄能器油液質量、油液阻尼系數、氣體阻尼、預充氣壓力、蓄能器的結構參數及容積[9]。由式(2)可知，蓄能器沖入的油液壓力與蓄能器容積變化量之間符合二階震蕩函數關系，而二階震蕩函數關系中最重要的參數就是無阻尼固有頻率、阻尼比，因此上述的蓄能器結構參數均是通過蓄能器的固有頻率和阻尼比來體現的[10]。

根據已取得的仿真結果[3]得出車輛一個輪胎駛過減速帶的最短時間為0.133 s，經實際考察四輪驅動車，車輛整體駛過減速帶的平均時間為1 s。路面液壓發電裝置吸收沖擊壓力仿真分析中使用的時間均為平均時間。換能器活塞的受力范圍為68068～70868 N，換能器缸筒內徑為150 mm，在減速帶寬度方向并列排布2個換能器，以四輪驅動汽車為例，每2個輪胎駛過減速帶同時壓下4個換能器，單個換能器輸出的油液壓力為3.85～4.01 MPa，油液容積為0.5 L ，四輪汽車駛過一次減速帶輸出油液壓力為16 MPa，油液容積為2 L[3]。

4 路面液壓發電裝置吸收沖擊性能分析

4.1 仿真原理、模型、參數分析

由于路面液壓發電系統是間歇式工況，可近似用階躍信號模擬其壓力輸入。由式(2)可知，系統屬于二階震蕩系統，因此利用MATLAB/Simulink軟件包建立傳遞函數方框圖(見圖3)，并在MATLAB中根據方框圖編寫相應的程序進行運算。

仿真模型中的Step為階躍信號，幅值為16， 代表

圖3 蓄能器吸收沖擊Simulink仿真模型

表1 系統工況參數表

表2 蓄能器參數表

表3 連接管道參數表 m

4.2 仿真方案

用MATLAB編程仿真考慮菌型閥蓄能器在改變預充氣壓力、連接管道長度、管道管徑時，路面液壓發電裝置吸收沖擊性能。因仿真模型為二階震蕩系統，以達到穩態時的響應時間、超調量、穩態值為研究目標，分析各參數選取與上述性能的關系。仿真過程中前一步的結果將作為下一步的仿真參數，綜合分析參數變化對路面液壓發電裝置蓄能器吸收沖擊壓力的影響[11-13]。

4.3 仿真結果分析

穩態值越高代表蓄能器可吸收的液體越多，即蓄能器吸收沖擊的性能越好。響應時間為系統達到穩態值的時間，響應時間越短，代表蓄能器響應速度越快。超調量表示偏離穩態值的最大程度，因此超調量越小越好。將工作壓力16 MPa輸入MATLAB程序，依次分析預充氣壓力、管長、管徑對路面液壓發電裝置吸收沖擊性能的影響。

1) 預充氣壓力

輸入不同的預充氣壓力，仿真結果如圖4所示。

圖4 不同預充氣壓力時蓄能器吸收壓力沖擊性能

根據以上判斷依據和仿真圖形可知，預充氣壓力為4 MPa時，穩態值較低，穩態值相近；預充氣壓力為7 MPa時，存在0.3×10-3m3的超調量，且響應時間也較10 MPa和13 MPa時長。因此最優預充氣壓力應在10～13 MPa之間選擇。從響應時間上來看10 MPa和13 MPa響應時間相同，但在10 MPa時依然存在一個微小的超調量，且穩態值略低于13 MPa時，因此13 MPa 為最優預充氣壓力值。

2) 連接管道長度

根據仿真結果(1)確定的預充氣壓力值13 MPa，設定管徑為0.016 m，分析管長分別為0.5， 1， 3 m時，蓄能器吸收沖擊性能如圖5所示。

從穩態值來分析，不同管路長度最終達到的穩態值幾乎相等，即蓄能器連接管路的長度對其吸收沖擊量的大小是沒有影響的。但對蓄能器響應時間影響較大；管長為3 m時響應時間為16 s，響應時間過長;管長為0時，存在一個較高的超調量。因此管長應在0.5～1 m間選擇，根據實際情況確定，建議不超過1 m。

圖5 不同連接管道長度時蓄能器吸收沖擊響應

3) 連接管路通徑

根據仿真結果、式(1)、式(2)，確定預充氣壓力為13 MPa、管路長度為0.5 m，分析管徑分別為0.01， 0.016， 0.03 m時，蓄能器吸收沖擊壓力的性能。仿真結果如圖6所示。

圖6 不同連接管道通徑時蓄能器吸收沖擊響應

由圖6可知，管路直徑的變化對蓄能器吸收沖擊可達到的穩態值幾乎沒有影響，但管徑小則響應時間長，管徑為0.01 m的響應時間明顯長于0.016 m，管徑為0.03 m時存在超調量，因此，在綜合考慮穩態值、響應時間、超調量的因素下，管徑為0.016 m時，蓄能器吸收沖擊壓力的性能最優。

5 結論

本研究通過減速帶實現了汽車重力勢能的回收再利用，建立了較為完善的考慮菌型閥影響的蓄能器數學模型，并根據實際使用狀況，確定了工作參數，最終用MATLAB仿真分析，得出如下結果：

(1) 蓄能器可吸收沖擊壓力的大小與蓄能器預充氣壓力值成正比變化，預充氣壓力對系統的響應時間及超調量影響不大，因此建議蓄能器預充氣壓力選擇最大值；

(2) 蓄能器連接管路長度、直徑對蓄能器吸收沖擊壓力的響應時間影響較大，但對其吸收沖擊量大小幾乎無影響。在考慮超調量的影響下，建議管長在0.5～1 m范圍內選擇，管徑在0.016 m左右變化，此時路面液壓發電裝置吸收沖擊性能最佳。