（机械设计及理论专业论文）液压储能制动与辅助驱动机理研究.pdf

太原理工大孕磺士学位论文 摘要 节能是目前各行各、i k 研究的热点问题。本文牛- 要研究基于节能思想的 液压制动系统，并结合液压试验台进行了模拟试验。 传统的制动系统是通过把制动能量转化为热能来达到制动的目的。本 文中提出了储能制动与辅助驱动的思想。首先对其进行了理论上的研究， 重点分析了液压储能制动与辅助驱动的工作过程，并以此阐述了该系统的 节能机理。由于泵马达可逆单元和储能元件的引入，该系统不仅能达到 制动的目的，而且在被制动系统起动时，可起到辅助驱动的作用。 通过实验，并应用了小波分析去噪等数据处理手段，文中对a 7 v 2 2 5 焉0 车变量泵的动态特性、蓄能器的储能和放能特性、液压系统的制动和辅 助驱动特性及辅助驱动时负载的模拟等，分别进行了分析。 在实验室进行了下运胶带输送机液压储能制动与辅助软启动的模拟 试验研究，验证了所设计的基于节能思想的液压储能制动与辅助驱动系统 是j 彳亍且有效的。 关键词：液压储能制动辅助驱动泵一马达动悉特性节能机理 太原理丁大学预士学 _ _ 7 _ 论文 a b s t r a c t e n e r g ys a v i n gi s ah o tt o p i ci na l li n d u s t r i e s lr e s e a l 。c hn o w l h i sa r t i c l eh a s m a i n l y c o n c e r n e dw i t h h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m b a s e do n e n e r g y s a v i n g m o r e o v e r ，e n e r g ys a v i n gh a sb e e na p p l i e db a s e do nt e s t f r a d i t i o n a l b r a k i n gs y s t e mc a na c h i e v e t h e b r a k i n ga i mb yt r a n s l a t i n g b r a k i n ge n e r g yt ot h e r m a le n e r g y f h i sa r t i c l eg i v e si d e a so fs t o r a g eb r a k ea n d a u x i l i a r yd r i v i n g f i r s t l y ，t h ea r t i c l eh a sa n a l y z e ds t o r a g eb r a k ea n da u x i l i a r y d r i v i n go nt h et h e o r y t h e n ，t h eo p e r a t i o nw a sa n a l y z e de m p h a t i c a l l ya n dt h e m e c h a n i s mo fe n e r g ys a v i n gc a nb ec o n c l u d e da s ：b e c a u s eo fi n t r o d u c i n g p u m p m o t o ra n dh y d r a u l i ca c c u m u l a t o r ，t h i ss y s t e mn o to n l yc a l la c h i e v et h e a i mo f b r a k eb u ta l s oh a su s eo f a u x i l i a r yd r i v i n gw h e nb r a k e ds y s t e ms t a r t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa 7 v 2 2 5b r a k i n gv a r i a b l ep u m p 、a c c u m u l a t o r s s t o r a g ea n do u t l e tp r o p e r l y 、b r a k i n ga n da u x i l i a r yd r i v i n gp r o p e r t yo f h y d r a u l i cs y s t e m 、l o a d ss i m u l a t i o no fa u x i l i a r yd r i v i n ga n ds oo nh a v eb e e n a n a l y z e di nt h ea r t i c l e h y d r a u l i cs t o r a g eb r a k i n ga n da u x i l i a r ys o f ts t a r t i n go fd o w nb e l tc o n v e y o r h a v eb e e ns i m u l a t e di nl a b o r a t o r y ，a tt h es a n l et i m e ，h a v et e s t i f i e dt h a tt h i s e n e r g ys a v i n gh y d r a u l i cs y s t e mi sa v a i l a b l e k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce n e r g ys t o r a g eb r a k ea u x i l i a r yd i v i n g p u m p m o t o r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c m e c h a n i s mo f e n e r g ys t o r a g e 太原理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一节课题提出的背景和意义 目前，大部分运输设备是利用制动系统所产生的能量损耗来实现 减速或停车的，即所谓的能耗制动，如机械摩擦、流体节流等。制动 时，消耗了电能或燃油获得机器的动能或势能又变成了制动器的热能 敞失掉了。减速、停车、起动、加速是所有频繁起停设备的重要工况。 公共汽车和电梯就是这类型设备的典型代表。这种能量的损耗相当可 观，环境污染问题也相当严重。在易燃易爆的作业环境中，机械系统 的停车制动问题更难以应用一般的制动方案来解决。机械闸瓦式制动 因摩擦发热易发生爆炸和燃烧而不能应用：电气动力制动，对于负力 拖动的机械系统在突然断电后，可能发生。飞车”事故；液力制动只 能解决高速条件f 的减速润题，不能用于低速停车。随着节能和环保 意识的增加，迫切需要研制一种新型的制动系统，来实现机械设备的 安全停车。液压储能制动与辅助驱动系统就是为解决上述种种问题而 提出的。 液压储能传动系统具有以下特点： 1 可实现系统制动能的回收，系统内无节流损失j ：作效率高： 2 能储存原动机剩余能量，使原动机功牢利用率提高： 3 可实现小功耗制动，减少系统的发热： 4 由于液压储能传动系统实际是一液压无级变速装置，因此可使 原动机在较经济区工作，减少原动机废气的排放；一 5 可由液压蓄能器提供系统较大的瞬时功率，而原动机仅提供系统 的平均流量，从而可采用容量较小的原动机。 一 这些特点表明液压储能传动在节约能源方面有很大的优势和潜 力。目前我国的工程机械大多数是以汽油和柴油为燃料，而且大多数 设备采用有级变速，发动机和负载之间往往不匹配。机械设备制动时 a 原理t 人学颂十学似论文 的动能或势能都通过制动器消耗掉了，小仪浪赞能量和污染珥境，而 且对制动器的损旺【i = l 较严重。液压储能制动能有效地解决这些矛再， 还可以回收和冉利用被制动时产_ 二的能量 由此_ j 见，一爿液压储能 制动应用于 程机械，其节能和降低川：境污染的效果将是r 分明硅的。 这对于当前 n 能和燃料不足、替代能源尚未j f 发利用的现状以及缓解 城市空气污染状况柬 兑具仃很深的现实意义。 第二节国内外现状及发展趋势 1 2 1 液压传动技术在工程机械上的应用 液压传动冉r 其本身所具有的高功率基量比、体积小且能进fj 二无 级调速等特点，使得液压传动具有在汽车、工程机械、拖拉机及军事 车辆等行走机械上运用的潜力。三十年代就曾在汽车上安装了液压传 动系统，由于当时的液1 i 元件的重量和较低的效率使其未能推广使用。 十年代液压传动从军用转入民用，并在新犁的行走机械上得到应用， 出现了液压驱动的工程机械、拖拉机和联台收割机等。随着r 业水平 的提高，现存套设计完善、制造精良的液m 传动系统已不再响| 漏油 现象。采用高强度材料，高科技的表山处理技术和高精堕的_ ) _ _ 】i 质量 的液压元件，其传动效率问题己不再有缺陷。 1 2 2 液压储能制动的发展 七卜年代山j 二能源危机的出现，以节能为目的的研究j 一作相继展 开。美国成斯康星大学n o m a n hb c a c h l e 、aa f r a n k 等学者开展了节 能汽车的研究。这项研究1 1 作是通过采用新的车辆传动系统来提高汽 车的能源传输效二# 、降低汽车发动机的燃湖废气排放量。经过多午的 研究，nl - ib e a c h l e 7f 勺科研小组研制出了机减式、液爪式和电力式三种 市能制动传动形式、如图1 一l 所叫i 。 查堕型王查兰壁圭量鎏堡兰 r _ - |飞笨i 【。一 c v t 一无埋堂造嚣 ( c ) 图1 1n h b e a c h l e y 等提出的节能制动传动形式 在图l l 所示的三种传动形式中，均采用一个能量储存装置来存 储能量。图l 一1 ( a ) 采用高速旋转的飞轮将制动能量以动能形式存储； 图1 1 ( b ) 则采用液压蓄能器以液压形式存储制动能量；图l 一1 ( c ) 采用蓄电池束存储制动能量。存储元件的性能对牟辆能量的利用率有 很大的关系，通常希望储1 e 元件具有大的功二簪密度( 单位质量的储能 元件吸收和释放的最大功率) 和高的能量密度( 单位质量的储能元件 所储存的可用能量值) ，但这两者很难同时礴足。飞轮的能量密度高， 而液压蓄能器的功率密度较高。前者适用f 负载变化不大的场合，后 者适用于负载变化频繁的情况。在随后的研究中，以高速飞轮和液压 蓄能器为储能元件的功率分流式复合车辆传动为对象的研究上作处于 齐头并进的势头。在这一时期，对以蓄电池为储能元件的复合储能制 动系统也有所研究。但由于蓄电池的性能较差而未能有所应用。 以液压蓄能器为储能元件的液压机械复合储能制动系统的研究 殴 一节 晕 太原髯1 人学硕t 学 t 沦文 在英固、美国、月麦、瑞典和德州挪1 鼹过，在周r 麦，p b u c h w a l d 等 学者在城市公共汽车】：装需了蒿能器储能制动传动系统，通过刈复合 传动系统施以不旧的控制策略，i r 使车辆的燃汕经济性提高，节省燃 油3 0 。在试验台架i 二的测i 式也获得了彼高的燃油率。瑞典学者对萏 能器储能制动在牟引机牟利义4 ：j 的应用进行j 理论研究，得 结论 是：蓄能器储能刹动系统比e 轮储能制动更有效 到1 9 8 5 年，德国已经 j 现了装何蓄能器储能制动系统的公共汽4 样车m a n h jr d r o b u s ( i i ii 【i ) ，j 垣过推算，s t e f e n m a r t i n 得出结眨： 将公共汽车的制动系统改成薷能制动系统后，三年内乍辆节省的，支 就可以回收改装成奉，而且尉时还有降低发动机废气排放的好处。最 近几年，加拿大、日本一些学者仍在继续进行此方面的研究，并将结 果申请了专利。 日前，b r e 面b ok e l e s 一h a ? e s 公司已开发出了一种可立即投入生 产的储能制动系统，用j 一最高车速为】o o k m ；h ，车辆总质量为6 8 0 k g 的 小型电动车，年产量计划为1 6 j 套：b r e m b o 储能制动系统的设计是 以普通的液压制动系统为后备系统，私用币控制点l 制动踏板) 调 节这二种系统。存车速低，一5 k m + h 州，h 使h 普通液爪制动系统凶 为电动车在如此低速日t 小可能收能量：为了最大限度地保护乘客安 全，液压制动系统设计的尽可能大而无需考虑电制动系统的人小。 利用能量再生制动系统，电机车j 以回收制动时损失动能的2 5 3 0 ， 这样就极大地提高了电动牟的 敬， 第三节蓄能器的节能应用及其它液压节能方法 蓄能器是液雎系统中的仲能量储存装胃。其功能是将系统q 的 能黾7 诸仔起柬，住需要时_ 义重新皈。j 稃 = 1 l 械运行特，。i 是功率和载 街变，大，起制动频繁现j 传列系统只f 瞧使机械以低效率运jj 二，为 j 使机械诅：不同f 况r 都肯较岛【作效率，需要震取一定的技术措 太原理工大学硕，+ 芋位论文 施。方法之一是采用蓄能器节能。 1 3 1 液压蓄能器的节能应甩 目前，液压蓄能器节能在车辆系统中应用很多。如改善发动机运 行的经济性，实现车辆的再生制动：回收液压挖掘机转台的制动能量 和力臂的位能；作为转向和制动的应急能源等。 众所周知，车辆在行走过程中的能量损失是相当“j 观的。车辆存 制动过程中，其巨人的动能全部经制动措的摩擦转化为热能。实测表 日月：市区行驶的车辆在制动过程中的燃油耗费约占燃油总消耗量的 3 0 。 利用在车辆行走系统的机械传动链中加入液压蓄能器的方法，可 有效地减小上述能量损失，提高行走系统的传动效率。 这种加有蓄能器的行走系统可以有以下几种工作方式： 1 车辆制动过程中，车辆的惯性使泵马达呈泵的_ _ 亡况向蓄能器充油， 回收车辆的制动能量，同时形成制动力矩。 2 重新起动车辆时，先由蓄能器释放储存的制动能量，通过泵马达 单独驱动车轮，当车辆起动达到一定速度后，再由发动机驱动。 3 当发动机的输出功率大于驱动车轮所需功率时，多余能量输入蓄 能器储存起来；当发动机的转矩小于驱动车轮的需要时，蓄能器释放 能量以加大驱动车轮的转矩。据有关资料报到，加有蓄能器的行走系 统耗油量减少一半左右【。 1 3 2 其它液压节能方法一 液压系统节能涉及的技术领域非常广泛。除了利用蓄能器节能外， 还有许多其它节能措施，主要可从以下几个方面考虑。 1 研制和采用高效率液压回路 回路的效率取决于回路的类型。从几种常用的液压系统的分析、 计算得出：功率匹配回路效率最高，单定母泵供油系统效率最低。h a 原理工大学硕士学位论义 前，功率班配比较合理的是二次蛹节系统了八十一年代初，由德幽学者 n i k a l a u s ，k o r d a k ，b a c k e 等人提出了一种接在定压网络中的由变量液 压马达和蓄能器组成的传动系统。称为二次调节系统，又称定压网络 液压马达控制系统。如图1 2 所示。 恒压网络 囱 图! - 2 二次调节系统 该系统是通过调节变量马达的排量来改变马达轴上的动力扭矩， 从而控制整个系统的功率流。该系统具有以下优点： 可进行制动能量回收，主回路无节流损失； 可实现多负载并联工况的驱动。 2 改变液压系统的工作介质 液压传动是以液体为工作介质进行能量传递和转换的工作形式。 一般工程上都采用矿物油作为工作介质。因此，每年都会消耗大量的 石油资源。高水基乳化液的研制和利用为液压系统领域的节能开拓了 一大方向。高水基乳化液含3 - 5 的乳化油、9 7 9 5 l 孓, j 2 k 。用高水基乳 化液作为工作介质，既不污染环境，抗燃性好，且可节约大量的石油 资源。目前除住咿i l j 液压支架上得到大量应用外，在工作压力较低的 太原理工大学硕士学位论文一 其它行业也得到应用，如在机床液雁系统t 儿血高水基液压油由于粘 性低、润滑性差等原因i 应用也受到一定的限制。 3 研制和采用高效节能元件 要提高液压系统的效率，必须提高每个液压元件的效率。我国已 逐步淘汰了c 类( 我国早期开发的中低压阀) 产品，并且研制开发了 电液比例阀，节能效果较好。 液压泵和液压马达是液压系统的能量转换装置，对液压系统的总 效率影响很大，国内外很重视提高泉、马达的效率。因此有恒压式、 恒流式、恒功率流量补偿功率匹配泵等相继出现。现在又研制丌发了 功率匹配控制的轻型变量泵，流量控制部分由电液比例阀调节，压力 部分由高性能的电液比例先导压力阀控制。其特点可根据工况的需求 任意改变流量和压力，从而降低能源的损耗。 第四节机械设备运行工况与特性分析 机械设备的运行工况一般包括起动、加速、平稳运行、减速、停 车等几个工作过程。而各阶段运行情况与机械设备各部分的性能有很 大的关系。在原动机的驱动作用下，通过各个传动部件和控制单元， 机械设备获得能量来实现各种运行工况。 、 在各种运行工况中，机械设备的起动和制动过程是人们最关心的。 因为它关系到设备运行的平稳性、安全性以及系统能量的消耗。从目 前的情况看，大部分机械设备的起动功率远远大于它稳定运行时所消 耗的功率。在起动时，机械设备各运动部件伺的静摩擦特别大，往往 是运动起来后动摩擦的几倍。为了克服静摩擦实现平稳起动，同时考 虑有时会带负荷启动或某种尖峰负载，一般机械设备需要选用功率比 实际需求较大的原动机。但在稳定运行后，原动机所消耗的功率并不 需要那么大。这就形成了大马拉小车的现象，造成资源浪费和成本增 加。目前，人部分机械设备所配备的原动机均属上述情况。 如何能以最小的原动机功率、最小的能量消耗实现机械设备的最 太原理t 大学硕l 学位论义 佳运行工况是现在许多科研人员研究的日标。随着节能和环保意识的 提高，低功耗、低污染问题是人们研究的 个重点。王蚍在机械设备实 现制动的方法很多，但结果都是把制瑚能链u 热能的形式微失抻了。 返不仅是能量的一种浪费，州叫也造成了环境污染，有时山丁二发热还 会影响设备的运行性能。特别足对于m f ：些频繁起制动的机械设备，如 汽车、提升机等，这种现象史为严重。液压镛能制动与辅助驱动就是 为解决机械砹备的起制动问题而提的。它上要通过泵马达u j 逆单元 和液压蓄能器等来实现能量的转换。不仪能实现平稳制动的目的，而 且能把制动系统的惯性能存储下来，在机诫 = 5 备需要起动时，这部分 能量又可辅助原动机实现驱动，这样不仅减小了原动机的功率，降低 机械设备的成本，而且利用了制动能量，减少，系统发热，避免了环 境污染。 第五节课题的主要研究内容和目的 本课题是在研究液压制动系统的基础i ：，提h 了液压储能制动与 辅助驱动的机理。由于液压储能制动系统，在国外完整进行研究的小 多，国内对其研究的工作才刚刚起步，所以我仃j 对液压储能制动与辅 助驱动的研究采取理论研究与试验研究柑结f ；的形式，最后用所研制 的试验台检验储能制动和辅助驱动的机理。 因此本文的研究内容： 1 储能制动与辅助驱动的机理研究； 2 设计用于工程机械的液胜储能制动，辅助3 k 动系统； 3 研究液压储能系统中主要元件的动忐特性： 4 研究液压储能制动与辅助驱动过程t ，能罨转化及其控制原理： 5 对储能制动与辅助驱动系统进f j ：模拟试验 研究目的 太原理工大学硕士掌拉论文 1 通过j 液j l ! 储能系统的理论分书j 和实验研究。得出发系统的节能 效果； 2 _ 分析液压元件的动念特性，找出影向储能制动效果的 要参数： 3 探讨液压制动、储能和辅助驱动实现过程中的控制策略问题： 4 在现有设备条件下组成液压储能制动试验台，分析节能与制动及 辅助驱动效果，论证工程机械应用液压储i i ；i i 动与辅助驱动系统的可 行性。 第六节本章小结 本章在大量调研和查阅国内外相关文献资料的基础l 介绍了 三种常用的储能方式，分析了机械系统的运行特性，总结了液压储 能制动的特点，提出了本课题研究的目的和内容。其要点如f ： 液压储能制动的特点 1 利用可逆单元泵，马达及其控制回路，储能系统可将被制动系 统制动过程中所消耗舶能量回收并重新利用； 2 利用液压储能制动系统，可以减小原动机的功率消耗。 国内外的现状和发展表明：飞轮、蓄电池和蓄能器是常用的储能 元件。 太原理1 大学项j 一学住论文 第二章液压储能制动与辅助驱动机理研究 第一节节能、环保与机械系统 资源、环境和人r 】已成为全球关注的二人热点问题。为了缓解这 些问题带来的种种危害，可持续发展被公认为是2 ll 廿纪的牛产发展模 式。所谓u r 持续发展就是要把控制人( 1 、节约能源和保护环境放在重 要位置，使人l j 增长与社会生产力的发展相适应，使经济建设与资源 环境相协调、实现良性循环。目前我罔卡要自然资源人均捌有量都低 于世界平均水 i 。据环境监测总站报告，我固空气污染指数超过1 0 0 的大城市就有1 6 座之多，世界t 。大污染城市，中国占有一半以上，所 以我们必须加强对节能和环保问题的研究，坚持可持续发展韵生产发 展模式。 机械【业是我国的一个基础j 业，电是瓷源消耗的大户。枷何能 以最小的投入，最少的资源消耗而达至0 洁净生产的日的，是机械工、f p 生产发展的主要疗向。目前，人部分机械系统并不符合竹能、环保的 要求。大量的能量损失，使某些机减系统的传动效率仅为5 0 6 0 = 过多的能量损夫4 ：仅造成了很大的浪费，j 且损失的能量转化为热能 使机械系统发热，恶化了系统1 0 兄，污染了坷：境。为此而采取的冷却 措施义增加了撤外的能耗j 导致了耗能的恶性循环。因此，如何减少 工程机械系统的能量损失和资源消耗已成为十分迫切的问题。节能与 耳保技术的研究已成为 ：程机械小，。一家提岛产品竞争力的j t 要途径 之。跨入2 1 世纪后，机械工业存发眨传统机械i 程技术的同时，需 允分利用我凼机触 程技术力量小仪要强化发展与环境和资源相关 的机械j 一程要水更重要的是利用新必皱域的发展势头，髁持机械l 、i k 的持续发展、i 以，如何以环境n j 接受的商式最大限度地减少踱物 排放和污染，i 商足人们需要，叉可合理地使自然资源 i 能源，是f j 前机械小i p 技术t ：究的主要日标。 太原理工大学砸士学位论文 第二节节能技术在机械系统中的应用情况 对于机械系统的节能问题，许多单位都在进行节能技术的研究。 目前，通过飞轮储能和蓄电池以及蓄能器来达到机械系统的节能是人 们研究的重点。 利用高速旋转的飞轮可将能量以动能的形式储存。由于飞轮的能 量密度高，所以它比较适用于机械的负载变化不入的场合。b 轮作为 动能载体具有效率高，寿命长，无污染等优点倍受人们关注。但仍 有许多关键技术限制着1 毛轮储能的发展。高速飞轮储能系统的动力 稳定性。稳定是系统可靠工作的前提，而飞轮的偏心一直是人们研究 的问题；高速储能飞轮的平衡。因为飞轮在工作时的转速很高，为 了避免工作时的系统振动和轴承承受巨大的附加力，必须在设计和试 验时对其平衡问题严加考虑；飞轮在其轴方位改变时引起陀螺效应。 蓄电池储能也曾是人们研究机械系统节能的重点，但由于蓄电池的性 能较差而未能有大的发展。 而以液压储能器为储能元件一直是人们比较关注的一项节能措 施。从能量密度( 单位质量的储能元件所储存的可用能量值) 来看， 蓄电池和高速飞轮要优于液压蓄能器，但是当考虑到蓄电池和高速飞 轮的功率密度( 单位质量的储能元件吸收和释放的最大功率) 以及高 速飞轮所要采取的复杂的旋转安全保护措施时，利用液压蓄能器来节 能要更为吸引人一些，只有具有较高的功率密度的系统才能在短时间 内跟上机械系统运行过程中的能量转换和储存要求。最近在美国出现 的利用碳素纤维和玻璃纤维绕制而成的蓄能器，其耐压能力达到了普 通使用的钢质液压蓄能器，而质量却只有钢质蓄能器的几十分之一。 无疑，这种液压蓄能器能够大幅度提高储能元件的能量密度。表2 1 是不同储能元件使用情况比较。 太原理t 大学硕 学似论立 衷2 1不尉储能元件使用情况比较 能节转能量密度助率密度储存能量 储能元件 换甲元 ( j k g ) f u 7 k e ) 持久期 已机和 银锌电池4 0 0 、0 0 0 1 10 几个月 发电机 乜午j l 御l 超极飞轮 3 2 0 0 0 033 0 几个小时 发电机 咆剞l l j 铅酸电旭 7 9 0 0 0 。j 叮一尹可 发电机 电机和 钢质飞轮 2 1 0 0 03 3 0几个小时 发电机 液压液压泵和 6 3 0 01 9 0 0 0 几个月 蓄能器 液乐马达 第三节液压储能制动与辅助驱动系统的设计 以制动和竹约能量为日标的液巫储能制! 曲与辅助驱动系统i j 青 落实到具体的应用场合爿能发挥其优势。下面j 各进行液压储能制功与 辅助驱动系统的研究，并分析其运行机理和特t i 。 2 3 1 系统的设计准则和方案确定 液压诣能；刮动与辅助驱动系统用_ j 运输机减上，应服从以 i 准则 设计其结构： i 能够利用储能设备网收住运输设备减速时的制动能量( 动能或势 能) ，) t 在需要的时候释放所储存的能量柬辅助驱动该设备； 2 整个系统应【幺具有伸袱小、结构简单而紧凑的特点： 3 该系统与被制动系统有良玎的接。 图2 1 ，22 2 一是本艾提h 的三套液压储能制动与辅助驱动 太原理工天学硕士学位论文 系统方案。 图2 一l 液压储能制动与辅助驱动系统方案1 方案l 主要有泵，马达可逆单元，辅助泵，三位四通组合阀，蓄能 器，高位油箱等组成。辅助泵通过一个电磁阀来控制液压泵排量的变 化。当被制动系统正常工作时，换向阀1 位于右位，换向阀2 位于中 位，刹车泵处于小排量工作状态，同时从蒯市油箱来的油液经换向阀l 后，又回到泵的入口，形成循环。当被制动系统需制动时，换向阀l 位于中位，换向阀2 位于右位，油液经刹车泵，换向阀l 后进入蓄能 器，达到制动的目的，又储存了能量。储存的这部分能量可用于被制 动系统的启动工况，油液从蓄能器出来后经换向阀l 左位，流入刹车 泵的入口，这时，泵作马达工况运行进行辅助启动。 这种外控方式使系统复杂，所有的液压元件也增多了。但该系统 的三位四通组合阀却能使系统方便地完成制动和辅助起动及正常工作 三种t 况，是该方案的一个亮点。 太原理工大学硕j 学位论文 图2 2 液压储能制动与辅助驱动系统方案2 方案2 主要由泵马达可逆单元，辅助泵，二位三通电磁阀，两个 液压蓄能器，普通油箱等组成。辅助泵主要用j 二防止主泵的吸油不充 分。被制动系统正常工作时，刹车泵小排量工作，同时3 d t 得电，油 液经液控单向阀4 流回油箱。当被制动系统需制动时，刹车泵排出的 油液进入蓄能器1 和2 。当蓄能器l 的压力达到一定值时，1 d t 得电， 得刹车泵变大排量工作，进行制动停车，制动能量存储在蓄能器2 内。 这部分储存的能量可用于被制动系统的启动工况。辅助启动时，2 d t 得电，油液经单向阀3 流向刹车泵入口，使泵以马达工况运行把储存 的能量用于被制动系统的启动。 主泵也是外控的变量泵，从整体来看该系统所用阀件较多，系统 也较复杂，该节能系统的效率不高。 奎堕堡三奎兰塑圭i 墼堡窭 图2 3 液压储能制动与辅助驱动系统方案3 方案3 由外控式变量泵，蓄能器，电磁换向阔，高位油箱等组成。 当被制动系统正常工作时，变量泵处于小排量工作状态，同时二位四 通电磁换向阀位于在位，变量泵排出的油液流回油箱，形成循环。当 需要制动时，j 。位四通电磁换向阀位于右位，泵排出的油液进入蓄能 器。泵由小排量转变为大排量，形成足够的制动力矩来达到制动的目 的。辅助驱动时，二位四通电磁换向阀位于左位，蓄能器内存储的液 压能经过可逆元件刹车泵来驱动被制动系统起动。目前，外控式变量 泵马达可逆单元还没有成熟的产晶。 由于方案1 、2 、3 中的有些元件价格太高，不便于进行试验研究， 所以拟用图2 4 所示的试验方案来验证液压储能制动与辅助驱动系统 的机理。 太原理工大学颂十学他论文 图2 4 液压储能制动与辅助驱动系统的试验方案 试验方案是把储能制动与辅助起动分为两部分设计。该系统主要 由液压泵，溢流阀，液压蓄能器，液压弓达普通油箱等组成。泵和 蓄能器音【i 分主要用f 储能制动：莆能器，马达部分用j 辅助起动。被 制动系统王常i 作时辅助泵起动，电磁换i j 阀位于朽位把液控单向 阀1 打开，使溢流阀3 卸简，变量泵小排量 作。当需要制动时，辅 助泵停止1 作，两点式变量泵以大雎力，人排量j 一作来进行制动，同 时把制动能存储在蓄能器内。当被制动系统需起动时，辅助泵 作， 电磁换向阀位于丘位把液控单向阀2 打丌蓄能器内的能量通过马 达来辅助驱动破制动系统进行起动。该试验0 案 要从实际情况出发， 泵马达可逆单元现在在国内并无产品，围外的产品价格义较高，该试 验方案的设计能使液口i 储能制动与辅助驰动试验得以进行并且整个系 统的结构简单，体积小。 丑苴 太原理工大学硕士学位论文 2 3 2 液压储能制动与辅助驱动系统工作过程及工作特点 2 3 2 1 系统的工作过程 对于图2 4 所示的液压储能制动与辅助弧动系统，由于储能元件 一液压蓄能器的引入，使被制动系统的工作过程与以前有所不同。此 时液压系统中的蓄能器起辅助动力源和能量回收装置的作用。这样液 压储能系统的工作过程是：一 起动时：在运输设备需要起动刚，先起动辅助泵，使三位四通阀 处于左位，j r 液压蓄能器内所贮存的高压油释放到系统的辅助驱动回 路中。驱动马达以较低速运行或是有行驶的趋势。同时，起动电机， 等运输系统运转平稳之后再合上离合器，这样使整个系统的起动过程 比较平稳。 被制动系统f 常工作时：调节液压系统使泵出口处溢流阀的远程 卸荷口打开，液压泵处于小压力、一小流量工作状态，使液压系统的耗 能量最小。 制动时：当运输设备需要制动减速时，三位四通阀处于中位，主 泵出口处的溢流阀的远程卸荷口关闭。主泵工作在高压力、大排量工 况下，产生足够大的制动力矩，使被制动系统按要求减速停车，所产 生的高压液压油通过单向阀进入液压蓄能器，这样把被制动系统的惯 性能通过液压泵转换为液压油的压力能。这些具有较高压力能的液压 油被贮存在高压液压蓄能器内。若高压液压蓄能器内液压油的压力尚 未达到或正好达到设定的蓄能器的最高工作压力时，制动减速结束， 则在单向阀的作用下，使高压液压蓄能器内的高压油与系统的主回路 隔离开。若高压蓄能器内液压油的压力已经达到所设定的高压液压蓄 能器的最高1 作压力，而制动减速过程尚未结束，则随着系统压力的 增加，直到主泵出口处的溢流阀打开，依靠溢流阀所调定压力决定的 阻力矩来完成制动减速。 2 3 2 2 系统的工作特点 a 胤理工大学礁士学位论文 运行_ 机 成运输设备1 j 的液压储能制, 0 j 与辅助驱动系统，mj ：其 自身所具有的液j _ j 、1 动l 孙拍，计i 萸i q 的维缃优辨使浚系统在实际 应用中具有如f 工作特点： 1 由于液压蓄能器f 门引八，液压储能制动与辅助驱动系统能够将机械 运输设备制动减速时的动能或势能以高址液川三油所具何的压力能形式 贮存在液压蔷能器内，7 f 任需贾的叫候释放出求，单独驱动运输设备 或辅助发动饥驱动运输：殳备。因此液尿储能制动与辅助驱动系统的t 作效率高。 2 由于实现了液压传动进行剖动减速，制动过程平稳，减少r 传动系 统的发热。 3 储存在液压蓄能器内的能量参与破制动系统的起动过程，使被制动 系统的起动过程更平稳。 第四节液压储能制动与辅助驱动系统 的主要元件及其参数 2 4 1 刹车变量泵 s c 刹车变量泵 j 于刹车系统。当系统压力较小时( 被制动系统正 常工作时) ，泵以小排量工作：在起动和制动工况，系统压力达至0 一定 值后( p 。， 4 m p 。) 泵的两占式变黾机构动作，立刻使泵达到大摆角， 即大排量i 作状念，相应产7 l 的制动力矩也增加。当制动系统的j i 力 达到3 15m p 。时，系统能产7 二1 0 0 0 n m 的制动力矩。s c 刹车变量 泵的性能参数如表2 2 所丌、。 表2 - - 2s c 刹车变量泵的性能参数 ；。，际i 排虽 抖量变h ，j 精高转速 最夫功串 f l jh( m p a )n f i l l n( b 、) t n t r 豁最m h 小- 葡定 “， l n j 一一”j 裂 2 152 2 51 ( ) 3 5 4 ( j 5 0 1 ) 8 ( m 9 7 2 3 6 太原理工大学硕士学位论文 2 4 2 液压蓄能器 蓄能器在液压装置中用束储存压力油并根掘需要放出所储存的液 压油去做功，作为泵的辅助动力源而能高效地币口用能量。此外也可以 用来吸收泵的脉动或管路中阀门快速开闭所引起的冲击压力。 蓄能器根据加载方式可粗分为利用气体以外的东西加载的非气体 加载式和利用惰性气体或空气的压缩性对油液加载的气体加载式。 1 非气体加载式有：弹簧式，重锤式 弹簧式蓄能器是利用弹簧的弹性蓄能，可在很宽的温度范围内使 用，优点是结构简单，缺点是容量小，不能用于高压。 重锤式蓄能器是在缸杆上堆放重物，利用该重物蓄能。输出压力 可保持恒定，仅取决于所放重物而与液面位置无关。适用于低压大容 量蓄能的场合。优点是结构简单，压力稳定；缺点是体积大，密封处 容易漏油，并具有较大的摩擦损失。 2 气体加载式有：活塞式，无隔离件式，气囊式 活塞式蓄能器是用带密封件的浮动活塞把气体与油液隔开，可以 在很宽的温度范围内使用，并且可以使用特殊液压油。由于活塞的摩 擦损失及活塞质量较大，所以不能充分吸收脉动和压力冲击。由于密 封关系，充气压力也受到限制。 无隔离件式蓄能器是压力容器内气体与油液直接接触，所以气体 会溶解或逃逸。但容量和形状可以按规格自由制作，可用于大容量的 蓄能。 气囊式蓄能器是在压力容器内设置气囊把气体与油液隔开。容量 和压力规格丰富，能在各种条件下使用，在所用蓄能器中使用最多， 气囊由特制的合成橡胶制成各种形状。有大容量用的褶叠气囊式、讣 容量用的隔膜丸并且气囊的惯性小，反应性好，并具有容易维护_ ， 尺寸小，重量轻，安装容易，充气方便等特点。 根据以上各种蓄能器的优缺点，考虑到液压储能制动与辅助驱动 9 太坂霹! 一j 二大学碗土学位论文 系统的试验需要，选用气囊式菁能器一 蓄能器体积的计算： 假设整个蓄能器体积变化过程为等温过程，t t _ 破制动系统在制动 过程中为恒减述。 v 。：p 。时蓄能器内气体体双 q ：刹车泵在带j 动时的排量 则p o v o = p l v l k ：i ：一； 。， 一只= 8 ( v o 一；q ) 叫2 蔼 ，f 1 一生、 p 。：最高工作压力t ：制动时川 v l ：p 1 时蓄能器内气体体积 1 1 ：电机转速 f 2 一1 ) ( 2 2 ) f 2 3 1 ( 2 - 4 ) 因此只要知道了最大工作堰j 、充气压力、平均制动减速度的对 应的制动时间等参数，金产品手册就可以确定所用液坛蓄能器型号。 本试验所明的液压蓄能嚣足南京蓄能器i 生产的气囊式蓄能器型号 为n x q - l 4 0 1 3 15 一a 。 2 4 3 变频器 变频器即指无源逆变电路，它是将工频交流电能转换为所需频率 的交流电能，来供负载使用而不反馈到交流电网。 按主电路_ 作方式可分为 i 电e 型变频器； 2 电流型变频器。 按开关方式叮分为 1 p a mt 咏i t h 振幅调制) 变频器，即1 芏整流电路中对输入电【f ! ( 电 流) 的幅值进盯调制在逆变电路中刈输出电压( 电流) 的频率进仃 太原理i 太学硕士学位论文 调制； 2 p w m ( 脉冲宽度调制) ，其中s p w m 是常用的调制方法。 按工作原理可分为： 1 v f 控制方式，必须保证v f 是个常数： 2 转差频率控制方式； 3 矢量控制方式。 该液压试验系统的变频器主要用来模拟下运胶带机的制动工况， 采用的是安川公司生产的v s - - 6 1 6 g 5 型变频器，该变频器除具有v f 控制外还带有矢塌控制标准模块。 2 4 4 液压马达 一 液压储能制动与辅助驱动系统中的液压马达主要在液压蓄能器释 放能量时来作为能量转化单元。该试验采用的是榆次液压件厂生产的 c m f m 4 0 一_ f l 型齿轮马达其性能参数如表2 3 所示。 表2 3c m f m 4 0 一f l 齿轮马达其性能参数 额定最高额定最高最低 排量扭矩i l 压力压力转速转速转速 1 4 m p a1 7 5 m p 。 1 8 0 0 r l m i n2 4 0 0 r r a i n12 0 r m k n3 94 5 m l r7 0 n m 第五节液压储能制动与辅助驱动系统能量转换分析 2 5 1 能量转换原理 液压储能制动号辅助驱动系统中用液压泵和液压马达作为机械能 到液压能和液压能到机械能的能量转换单元。 工程运输机械运行过程中的能量主要包括动能、重力势能等。根 据能量守恒的原则，在运输机械被制动时，只有将其运动能量转化为 其它形式的能才能达到停车的目的。利用液压储能制动与辅助驱动 系统，在需要制动时，通过液压泵把工程机械所具有的动能、势能 太原耻工大学硕士学位论文 转化为液压能仃畜存液压誊能器“1 1 4 - ，。实现饥饿系统的制动平【 能量叫 收。当运输机械须要起动运行时，把蒂能嚣f 勺仔锛的液l _ 能释放到液 址系统l 】，通过渡压马达把这部分能量转化为机械能来驱动机械系统 的运行，实现了剖动能量的再乍。 2 5 2 能量转换理论计算 制动开始 i 程机械所具有的机械能为 1 毛= 三胛r 二+ 嘲 ( 25 ) 制动结束盱工程机械停i 卜运动，昕具仃的机械能为 e 。) = g 也 那么制动能为： ( 26 ) f2 毛一2 圭m v ! + m g ( h 。一嚏) ( 2 7 ) 在制动过程中，液压蓄能器内氮气容嚣一皮囊被压缩，也印外界 刊气体作功，气体的内能发生了变化所增加的内能为e ，则 。f o w( 28 ) 而w 可hj 求得 i f r = 一j ) 勿 根据气体：状奁方程d - 知 ，) f i ”= 只 ? = 只嵋”= c 刚由式25 、2 6 可得 肚( t ：( 士墨1 一旦只【。一只鼻) 1l 、朋一 一 圩一 一j 以j 二备式r 卜p 1 ，v l 为充液前藩能器的q - 力，体积 p 2 ，v ! 为充液后蒂能器的恨句，体积 p j ，v ) 为放液压过鞋叶】蓄能器的压力 ( 29 ) ( 2 1 0 ) f2 一1 1 ) 体秽j 。 寒原理工太 i 硕士学垃论文 由上式可见，p z 越大，存储的能量越多，反之存储的能量越少， 一 而充气压力越大，一存储的能量越少，反之，存储的能量越多。但充气 压力不能过小，否则影响蓄能器的性能，作蓄能用时推荐! pj ( 充气压 一- l 力) = 6 5 9 0 p 。( 最低工作蚯力) 。 第七节本章小结 本章主要提出了液压储能制动与辅助驱动系统的几种方案，并分析 了系统及元件的i ：作机理和特点。 通过节能技术在机械系统中的应用情况表明，液压蓄能器储能比用 飞轮和蓄电池储能有明显的优势： 本文设计了三套液压储能制动与辅助驱动系统，分析了储能制动与 辅助驱动的机理，并设计了一套试验方案来进行实验室试验研究。 太原理一r 火学硕 = 学位论文 第三章液压储能制动与辅助驱动试验研究 第一节储能制动与辅助驱动试验系统的设计 3 1 1 试验系统的原理和组成 图3 1 所吓为储能制动与辅耽驱动试验系统试验原理图= 该系统 是在图24 所示的储能制动与辅助驱动试验方案的基础上增加了信号 和检测采集系统。 图3 一l 储能制动与辅助驱动试验系统试验原理图 在该试验系统中，刹车泵和蓄能器的：i 作压力山压力传感器榆测 泵的流量由流过计检测马达的流量h 流量传感嚣测量，转矩和转速 由转矩转速传感器检测。集中控制桁- 包括a d 转换器，工挣机，信 【放人器等，c i 以方便地采集泵的胍肌流量马达的转速转矩等伯 太原理工大学硕士学位论文 号。 当液控单向| j j5 打忖，刹车泵以小排量、低压力 。作，相当于 被制动系统处于l f 常运转j 况：当溢流阀的远程控制口关闭，同时变 频器投入运行时，泵以大排量工作。一泵的工作压力随蓄能器压力的增 高而增高，模拟系统处于储能制动工况。刹车泵产生的制动力矩逐渐 增加，以使被制动系统按发定的参数平稳、可靠的停车。通过调节稳 流电源电流的大小使磁粉制动器产生一定的负载教应，从而模拟液压 储能制动系统的辅助驱动工况。 3 1 2 试验测试系统的硬件组成 随着硬件投术和软件技术的发展，微机的功能不断的扩展和完善。 本试验采用先进的计算机数据采集和处理程序结合现有的硬件设备， 对试验台各参数进行测试其测试系统如图3 2 所示。下面首先介绍 系统的硬件设备。 ( 1 ) 工业控制机 工业控制机同一般的计算机一样，也包括硬件和软件两部分。本 试验所采用的是台湾研祥e p c - - 2 0 0 0 型工控机，其主频为3 0 0 h z ，内 存为3 2 m 。它的输入输出通道包括模拟量输入( a i ) 通道、模拟量输 出( a o ) 通道、数字量( 或开关量) 输入( i d i ) 通道，数字量( 或升 关量) 输出( d o ) 一通道。 工控机的主要特点是：可靠性高；可维修性好：环境适应性强； 控制的实时性好；具有完善的输入输出通道：丰富的软件和适当的计 算机精度和运行速度。 a 掀理1 太学坝十学住论文 图3 2测试系统图 ( 2 ) 压力传感器 本实验采用曲是a k 一4 型玉力传感器，它采用牛侨接法，要求桥 路供电电压为 流2 4 v ，可获得0 j v 、卜5 v 的直流电压和4 2 0 m a 、 0 1 0 m a 的屯流这种压力传感器的测最范围为o o1 m p 。、0 1 0 0 m p 。， 精度为0 , 2 f s ：