路面液压发电装置蓄能器吸收冲击性能

史彬锋， 方桂花， 胡 娟

(1.包头铁道职业技术学院机车车辆系， 内蒙古包头 014060； 2.内蒙古科技大学机械工程学院， 内蒙古包头 014010； 3.包头师范学院， 内蒙古包头 014030)

引言

随着汽车保有量的绝对增加，如何收集利用汽车行驶过程中的能量，引发了人们的思考。基于对汽车重力势能的利用，路面发电装置应运而生。根据转换介质不同，路面发电装置可分为3类，一是通过机械传动装置转换能量，这类发电装置汽车驶过时平缓舒适，缺陷是结构复杂、易发生故障；二是通过压电晶体材料转换能量，在路面铺设这种特殊材料进行发电，压电材料可重复利用，发电效率高，但需对路面重新铺设，对路面影响大；三是通过液体转换能量，这类发电装置发电效率高，对路面破坏小，但刚性结构及气囊结构复杂[1-2]。本研究的路面液压发电装置属于第三类通过液体转换能量。

汽车重力势能的转换与收集是路面液压发电装置研究的重点，因此其核心部件是换能器和蓄能器，谭心等[3]已完成了路面液压发电装置中换能器研究，并得出了换能器在不同工况下的输出流量及压力等参数。本研究通过建立更加完善的蓄能器数学模型，利用MATLAB软件分析路面液压发电装置中蓄能器吸收冲击性能。

1 路面液压发电装置

路面液压发电装置原理图如图1所示。路面液压发电装置安装在车辆需减速行驶的区域，车辆驶过的结构为换能器，其外形同减速带，当车辆压下换能器时，换能器内的油液被压出，流入蓄能器5中储存起来，最终经蓄能器释放油液驱动马达转动，产生电能[3]。由于车型不同车长不等，不同时段车流量密集度不同，车辆驶过减速带(即换能器处于压下状态)时断时续，不是一个连续的过程，因此，路面液压发电系统的工作状况是间歇式工况。而在这一间歇式发电系统中，如何及时高效的储存、释放能量尤为重要，因此蓄能器是路面液压发电装置中的重要部件，蓄能器的使用对于保障系统的正常工作、吸收系统中的冲击压力和压力脉动，以及改善系统稳定性、提高系统的动态品质、降低传动噪声起着重要作用[4]。

1.换能器 2.出油管 3.主出油管 4.换能器连接件 5.蓄能器 6.液压马达 7.变速器 8.发电机组 9.油液缓冲室 10.液压油充油箱 11.主回油管 12.回油管图1 路面液压发电装置原理图

2 蓄能器模型建立

对比各类蓄能器的性能及优缺点，鉴于皮囊式蓄能器反应灵敏，容量及压力值适用于本系统，确定路面液压发电装置应用皮囊式蓄能器[5]。

分析已有皮囊式蓄能器数学模型，可知蓄能器模型正在不断完善，权凌霄[6]对蓄能器的管路效应进行实验研究，宋孝臣[7]对蓄能器的入口特性进行研究。蓄能器模型最初仅考虑气体和液体建模，后续考虑了连接管路材质对蓄能器性能的影响。本研究在分析蓄能器过程中，发现蓄能器进油口结构影响蓄能器性能，而以往的研究都忽略进油口的影响或将进油口简化为一个无阻力的入口分析，但在实际使用中，蓄能器进油口通常较小，且进油口安装有菌型阀，因此油液由管路流入蓄能器菌型阀进油口时，油液流量是发生变化的，不考虑进油口结构建立的蓄能器数学模型，不能真实的反映蓄能器的实际工作状态。为了让仿真数据更具有参考意义、更加接近实际值，本研究所建立的蓄能器数学模型，在蓄能器油液、气体模型基础上，参考已有的研究成果加入对管路部分的分析[8]，同时将蓄能器的进油口菌型阀进行分析建立模型，并将这三部分形成一个整体，建立了更接近真实蓄能器的数学模型。蓄能器模型如图2所示。

图2 蓄能器模型图

考虑菌型阀影响的蓄能器油液体积变化量与连接管道进油口处压力关系为：

(1)

式中, ΔV—— 油腔油液容积变化量

p1—— 连接管道进油端压力

Aa—— 油腔横截面积

ma—— 蓄能器油腔油液的当量质量

Bb—— 等效油液阻尼系数

Ca—— 气体阻尼系数

ka—— 气体弹性刚度

pa0—— 蓄能器气腔预充气压力

A1—— 菌型阀面积

k—— 绝热指数

Va0—— 气囊预充气压力

将式(1)进行转化变为标准式：

(2)

式中，ωn—— 无阻尼固有频率

ζ—— 阻尼比

由式(2)可知，当蓄能器容积和横截面积确定时，决定蓄能器吸收油液体积量的参数有蓄能器预充气压力、菌型阀面积、油液当量质量和当量阻尼。

3 蓄能器参数分析

建立蓄能器模型并确定其结构参数是分析路面液压发电装置性能的前提和关键。分析可知，影响蓄能器吸收冲击压力的参数有蓄能器油液质量、油液阻尼系数、气体阻尼、预充气压力、蓄能器的结构参数及容积[9]。由式(2)可知，蓄能器冲入的油液压力与蓄能器容积变化量之间符合二阶震荡函数关系，而二阶震荡函数关系中最重要的参数就是无阻尼固有频率、阻尼比，因此上述的蓄能器结构参数均是通过蓄能器的固有频率和阻尼比来体现的[10]。

根据已取得的仿真结果[3]得出车辆一个轮胎驶过减速带的最短时间为0.133 s，经实际考察四轮驱动车，车辆整体驶过减速带的平均时间为1 s。路面液压发电装置吸收冲击压力仿真分析中使用的时间均为平均时间。换能器活塞的受力范围为68068～70868 N，换能器缸筒内径为150 mm，在减速带宽度方向并列排布2个换能器，以四轮驱动汽车为例，每2个轮胎驶过减速带同时压下4个换能器，单个换能器输出的油液压力为3.85～4.01 MPa，油液容积为0.5 L ，四轮汽车驶过一次减速带输出油液压力为16 MPa，油液容积为2 L[3]。

4 路面液压发电装置吸收冲击性能分析

4.1 仿真原理、模型、参数分析

由于路面液压发电系统是间歇式工况，可近似用阶跃信号模拟其压力输入。由式(2)可知，系统属于二阶震荡系统，因此利用MATLAB/Simulink软件包建立传递函数方框图(见图3)，并在MATLAB中根据方框图编写相应的程序进行运算。

仿真模型中的Step为阶跃信号，幅值为16， 代表

图3 蓄能器吸收冲击Simulink仿真模型

表1 系统工况参数表

表2 蓄能器参数表

表3 连接管道参数表 m

4.2 仿真方案

用MATLAB编程仿真考虑菌型阀蓄能器在改变预充气压力、连接管道长度、管道管径时，路面液压发电装置吸收冲击性能。因仿真模型为二阶震荡系统，以达到稳态时的响应时间、超调量、稳态值为研究目标，分析各参数选取与上述性能的关系。仿真过程中前一步的结果将作为下一步的仿真参数，综合分析参数变化对路面液压发电装置蓄能器吸收冲击压力的影响[11-13]。

4.3 仿真结果分析

稳态值越高代表蓄能器可吸收的液体越多，即蓄能器吸收冲击的性能越好。响应时间为系统达到稳态值的时间，响应时间越短，代表蓄能器响应速度越快。超调量表示偏离稳态值的最大程度，因此超调量越小越好。将工作压力16 MPa输入MATLAB程序，依次分析预充气压力、管长、管径对路面液压发电装置吸收冲击性能的影响。

1) 预充气压力

输入不同的预充气压力，仿真结果如图4所示。

图4 不同预充气压力时蓄能器吸收压力冲击性能

根据以上判断依据和仿真图形可知，预充气压力为4 MPa时，稳态值较低，稳态值相近；预充气压力为7 MPa时，存在0.3×10-3m3的超调量，且响应时间也较10 MPa和13 MPa时长。因此最优预充气压力应在10～13 MPa之间选择。从响应时间上来看10 MPa和13 MPa响应时间相同，但在10 MPa时依然存在一个微小的超调量，且稳态值略低于13 MPa时，因此13 MPa 为最优预充气压力值。

2) 连接管道长度

根据仿真结果(1)确定的预充气压力值13 MPa，设定管径为0.016 m，分析管长分别为0.5， 1， 3 m时，蓄能器吸收冲击性能如图5所示。

从稳态值来分析，不同管路长度最终达到的稳态值几乎相等，即蓄能器连接管路的长度对其吸收冲击量的大小是没有影响的。但对蓄能器响应时间影响较大；管长为3 m时响应时间为16 s，响应时间过长;管长为0时，存在一个较高的超调量。因此管长应在0.5～1 m间选择，根据实际情况确定，建议不超过1 m。

图5 不同连接管道长度时蓄能器吸收冲击响应

3) 连接管路通径

根据仿真结果、式(1)、式(2)，确定预充气压力为13 MPa、管路长度为0.5 m，分析管径分别为0.01， 0.016， 0.03 m时，蓄能器吸收冲击压力的性能。仿真结果如图6所示。

图6 不同连接管道通径时蓄能器吸收冲击响应

由图6可知，管路直径的变化对蓄能器吸收冲击可达到的稳态值几乎没有影响，但管径小则响应时间长，管径为0.01 m的响应时间明显长于0.016 m，管径为0.03 m时存在超调量，因此，在综合考虑稳态值、响应时间、超调量的因素下，管径为0.016 m时，蓄能器吸收冲击压力的性能最优。

5 结论

本研究通过减速带实现了汽车重力势能的回收再利用，建立了较为完善的考虑菌型阀影响的蓄能器数学模型，并根据实际使用状况，确定了工作参数，最终用MATLAB仿真分析，得出如下结果：

(1) 蓄能器可吸收冲击压力的大小与蓄能器预充气压力值成正比变化，预充气压力对系统的响应时间及超调量影响不大，因此建议蓄能器预充气压力选择最大值；

(2) 蓄能器连接管路长度、直径对蓄能器吸收冲击压力的响应时间影响较大，但对其吸收冲击量大小几乎无影响。在考虑超调量的影响下，建议管长在0.5～1 m范围内选择，管径在0.016 m左右变化，此时路面液压发电装置吸收冲击性能最佳。