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蓄能器在液压系统上的应用4-回收能量

液压技术 小编 298次浏览 0个评论 扫描二维码

2.4.1 概述

  随着工业化进程的加速,能源需求量日益增加,石油资源面临枯竭的危机。汽车节能已成为全球的热点问题。国内外都在研究开发使用新型动力传动系统来提高设备经济性和动力性,降低能源消耗,减少大气污染,保护生态环境。
用蓄能器回收能量可以提高能量利用率,是节能的一个重要途径。蓄能器因为可以暂存能量,所以可以用来回收多种动能、位置势能。具体应用包括回收车辆制动能量、回收工程机械动臂机构位能、回收液压挖掘机转台制动能量、回收石油修井机及钻机管下落重力势能、回收电梯下行重力势能等。
  例如,液压升降机是被广泛用于市政工程、建筑、安装、仓储、货物装运及工厂生产过程(在铸造、焊接、喷涂、搬运、装配等工作场合,就有各种升降机被用作输送和定位的工具)中的一种机械设备。较大型升降机的驱动装置一般都选用液压缸,由其结构原理由工作特点所决定。在升降机工作台携带着工件上升时,需要液压缸向其提供驱动力,即液压缸输出能量,把机械(液压)能转换成势能;而在升降机工作台携带着工件下降时,其势能将被释放出来。这种势能如果不能有效地回收利用,则会造成能量浪费。这种能量浪费对于小型升降机来说尚不严重,但对于载重和举升高度较大、南非频繁工作的机型来说,就非常厉害了。对于此类机型,应在其液压系统中设计储能装置,以把升降机下降过程中释放出的势能储存起来,并在上升时重新加以利用,从而减少无用功的消耗,提高能量的利用效率,并同时达到使系统运行平稳、工作可靠、安全的目的。
  对于城市用车辆,需要频繁地起步加速与制动。车速低、油耗高、排放污染与噪声严重是城市车辆的共有问题。制动器频繁地作用,造成能量的无谓消耗。如能把制动器消耗的能量回收,在车辆起步时释放,这无疑是提高能量利用率的有效途径,同时也会改善车辆排放性能。
  对于工程机械,液压设备在运行过程中会产生很大的能量损失,利用蓄能器可实现系统节能,减小能量损失,提高传动效率。蓄能器的作用是:在制动过程中,泵/马达呈泵的工况向蓄能器供油,使其回收制动能量,形成制动力矩,制动力矩的大小可通过改变泵/马达的排量进行控制;重新启动时,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,当机器启动后达到一定速度时,再由发动机驱动;当发动机的输出功率大于驱动车轮所需功率时,多余的能量输入蓄能器储存起来;在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。加装蓄能器的主要优点是:吸收或补充发动机的输出转矩,使发动机始终工作在效率最高的工况下,回收与利用制动能量,大大降低了机器行驶中频繁启动和制动时造成的燃油消耗。

蓄能器在液压系统上的应用4-回收能量

图2-14为柴油机的油马达启动系统,在该系统中设置有蓄能器。启动时,扳动二位二通手动换向阀,蓄能器供油驱动马达去带动柴油机启动。柴油机启动后松开手动换向阀,截止通向马达的回路,油泵向蓄能器充油,以备再用。图中手动油泵是在蓄能器泄漏后补油用。

蓄能器在液压系统上的应用4-回收能量

2.4.2 应用实例Ⅰ
  车辆静液压储能传动系统如图2-15所示。在该系统中,由于蓄能器的存在使系统中液压泵的流量q1与变量马达的流量q2之间没有直接联系,流量之差(q3=q1-q2)将直接流入或流出液压蓄能器,即液压泵和变量马达有互不相关的转速。变量马达采用对称结构,通过零点的轴向柱塞斜盘式结构,变量马达可以完全可逆工作,即排量V2的大小和方向均可以改变。变量马达可在四象限工作,当变量马达工作在一象限时驱动车辆前进;在三象限时驱动车辆后退,即车辆倒挡工况是通过改变变量马达的旋向来实现的;当在二象限和四象限时分别为前进和后退的制动工况。静液压传动系统通过调节变量马达斜盘的倾斜角及其方向来适应外负载的变化和马达工况的转变。
  在车辆传动系统中加入储能元件蓄能器后,传动系统的工作方式发生了很大的变化。主要表现在:①车辆起步时,由发动机或蓄能器或两者同时提供能量驱动车辆起步行驶;②仅由发动机提供能源驱动车辆起步行驶,同时向蓄能器充液,当系统达到规定压力后,发动机停机或处于怠速状态,此时由蓄能器提供车辆行驶所需的能量,直到不能满足车辆行驶要求,发动机才重新开始正常工作,并保持在相应的经济工作区域附近,需要峰值功率时由蓄能器来补充;③当车辆减速或制动时,发动机停机或怠速,液压马达以泵工况方式工作,将车辆的惯性能转化为液压能储存在蓄能器中,根据需要释放出来驱动车辆,这样可实现制动能回收(通常在制动器处以热能形式耗散掉)。因此车辆静液压储能传动系统主要特点为:①发动机可以间歇式工作,降低油耗,减少排放;②采用二次调节技术使发动机负荷与工作负荷完全分离;③蓄能器可提供峰值功率,减少发动机的装机容量;④可减少制动频率和实现部分制动能回收;⑤易于实现车辆直接驱动/全轮驱动,使车辆结构相应简单,减少了由机械传动引起的振动和噪声;⑥改善车辆的操纵性及行驶的平稳性,提高其乘坐的舒适性。
2.4.3 应用实例Ⅱ
  在当今社会,城市交通中的机动车辆数量众多,带来了巨大的能量消耗。由于城市人口和车辆集中,造成城市车辆运行工况的特殊性。特别对于城市用公交车辆,需要频繁地起步加速与换挡制动。车速低、油耗高、排放污染与噪声严重是城市公交车辆的共有问题。
  制动器频繁地作用,造成能量的无谓消耗。如能把制动器消耗的能量回收,在车辆起步时释放,这无疑是提高能量利用率的有效途径,同时也会改善车辆的排放性能。
由于带有液压蓄能器的液压系统具有能量密度高、可控性和可靠性高的特点,非常适合车辆这类在起步和制动时短时间需大能量的工况。

蓄能器在液压系统上的应用4-回收能量

  车辆在制动初期具有一定的动能,在一般制动情况下,这部分能量除被道路阻力、风阻消耗外,大部分被制动器以摩擦形式消耗掉。为回收这部分动能,在车辆传动系上加额外的阻力源,把动能转化为液压能储存起来。车辆制动能量回收系统以双向变量泵-马达为能量转化装置,以皮囊式蓄能器为能量储存单元,系统布置简图如图2-16所示。在车辆制动时,控制单元2根据制动踏板1的制动强度要求,打开二通插装阀8,使高压蓄能器7与双向变量泵-马达11高压端接通,同时也供给泵-马达排量来控制油压,操纵泵-马达排量在正方向,使它以泵的方式工作,车辆的动能带动泵-马达旋转,起到阻力源作用,同时把低压液压油压入液压蓄能器转化为高压油,实现能量的回收转化。系统在作辅助动力源时,把泵-马达排量调整到反方向,这样可做到高低压油路端口不变,旋转方向不变。这时泵-马达以马达的方式工作,打开二通插装阀8,高压蓄能器7中的高压油推动泵-马达旋转,辅助车辆起步。
2-16  系统布置原理图
1— 制动踏板;2—控制单元;3—发动机;4—传动系;5—驱动轮;6—低压蓄能器;7—高压蓄能器;8—二通插装阀;9—安全阀;10—过滤器;11—双向变量泵-马达;12—排量控制油路
2.4.4 应用实例Ⅲ
  采用伺服泵或变速泵,不经节流元件,直接控制差动液压缸的运动,是液压控制技术领域实现节能、减小系统发热的有效途径之一,也是目前国内外的研究热点。发展优化的回路原理,在满足系统动静态特性要求的同时,使能耗降低到最小。基于这一思想,针对注塑机中运动的特点,用单台变量泵结合蓄能器和旁通比例阀复合控制差动缸运动的回路原理,不仅简化了系统,也使锁模机构每工作循环的能耗由原18kW/s降低为11kW/s。
用变量泵、比例阀和蓄能器复合控制差动缸驱动注塑机锁模机构的回路原理如图2-17所示。

蓄能器在液压系统上的应用4-回收能量

回路的特点是,液压缸活塞杆伸出时,液压泵提供动力,同时将液压缸运动的动能转换为压力能存储在高压蓄能器中;活塞杆收回时,蓄能器向系统提供能量。为了消除回程中电动机处于制动状态时消耗的能量,在液压泵和油箱之间并联一比例节流阀,这样,在活塞杆收回时,液压泵停止工作,用比例节流阀控制缸的速度。该回路原理既适用于变速泵,也适用于传统伺服泵组成的系统,并且只需要单方向工作的液压泵。注塑机存在较长的保压和冷却周期,选用伺服电动机与定量泵组成的变速泵用作动力源,降低电动机在冷却、保压等工作周期的能耗。


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