液压蓄能器效率特性研究及试验

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皮囊式蓄能器作为-种液压储能元件，利用气体的压缩和膨胀来实现能量的储存与释放，主要应用于混合动力汽车、轧钢、升降机及挖掘机等。广大科技工作者对蓄能器的研究主要集中在建模以及参数选择，而对其作为储能元件的效率特性研究较少。为此，对皮囊式蓄能器的效率特性进行研究并提出改善方案，并通过试验来验证改善方案的可行性。

1 皮囊式蓄能器数学模型及仿真皮囊式蓄能器主要由壳体、皮囊、充气阀、阀体等部分组成。若将皮囊中的气体视为理想气体，充油和放油过程为绝热过程，气腔就是-个热力系统 J。气腔经历压缩、等容保压及膨胀三个过程。压缩过程中，气体受压缩后储存能量，压力和温度升高。等容保压过程中，由于气体温度高于外界温度，使得气体向外界传递能量，造成能量损失。膨胀过程中，气体膨胀对外作功输出能量～皮囊中的气体构成的闭口系作为研究对象，假定该热力系统内各点均匀。根据热力学原理建立数学模型，获得描述蓄能器性能的微分方程 J。

热力系于外界进行功和热的交换时必将引起系统总能量的变化。对于该闭口系，始终保持静止，没有宏观动能和宏观势能，所以总能量变化可以看作热力学能的变化，能量方程即为：Q△ 式中，Q为热交换的能量；U为热力学能；W为作功。

该热力系在压缩过程中，温度明显高于环境温度，使得能量以热量的形式散失。所以，必须考虑等容保压过程中的热量散失，建立传热方程式：： hA(To-T)式中，Q为热量； 为传热系数；A为传热面积；7"o为皮囊所处蓄能器的基准温度；T为皮囊中气体的温度；t为时间。

为了描述皮囊中气体的压力，温度及体积间的关系，选择合适的气体状态方程。使用范德瓦尔方程表征皮囊内气体的状态：(P号)( -b)式中： 、b为范德瓦常数；P为气体压强； 为气体比体积；T为气体热力学温度；R为摩尔气体常数。

根据热力学第-定律、热力学第二定律及比热容的定义，对方程进行简化后，获得皮囊中所有物质的热力学能方程：dU m cdT(P：- )Q I z J式中： 为热力学能；为时间；m为皮囊内物质的质量；c为皮囊内物质的比热；6为范德瓦常数；p：为皮囊内气体压强； 为气体比体积；T为气体热力学温度；Q为交换的热量； 为摩尔气体常数。

油液的不可压缩性使得进入蓄能器内部的油液体积等于皮囊内气体被压缩的体积。则根据充油、放油收稿 日期：2013-01-07作者简介：姚凯(1987-)，男，河南濮阳人，硕士研究生，主要研究方向：流体传动与控制。

86 液压与气动 2013年第7期过程中油液的体积流量，获得气体体积的变化。同时假定气体的状态变化属于多变指数过程，设蓄能器阀口处产生的液阻为 r，液感为 ，液容为 C。充油和放油过程的容积方程为：充油：放油：d qAm E(p。-p2)A-mg]dp2 1-dt q (p。 )ddqmA- - E(p2-p )A ]dp2 1-dt g ( rq)式中：q为流量；t为时间；m为皮囊内物质的质量；A为皮囊的接触面积；r为液阻；C为液容； 为液感 ；p。为系统压力；p 为液压油压强；p 为皮囊内气体压强；g为重力加速度常数。

气体的可压缩性比油液可压缩性大很多，而且皮囊内物质的质量很小，所以可以忽略油液的可压缩性和皮囊内物质的质量对系统容积的效应。则系统模型可以简化为：压缩过程：： - 卫 dt rn 丢(p。 叫)d R -q-RT ap - 程： 未放油过程 ：71而 g式中：t为时间；m为皮囊内物质的质量； 为气体比体积；a、b为范德瓦常数； 为气体比体积；T为气体热力学温度；R为摩尔气体常数；g为表示流量；r为液阻；为液感 ；P。为系统压力；P 为液压油压强 ；P 为皮囊内气体压强；7"0为蓄能器的温度； 为传热时间常数。

借助 MATLAB 对微分方程进行数值计算，获得各个参数的数值解，尤其是皮囊内气体的压力及温度的数值解，其数值解如图 1和图2所示。

∥s图 1 气体压力-时间曲线图图 2 气体温度·时间曲线 图图1和图2分别表示了不同比热下，皮囊内气体的压力与温度随时间的变化曲线。由曲线分析：高比热状态下，皮囊内的温升较小，趋于等温过程，而在保压过程中，皮囊内的压降较校2 效率改善方案依据仿真结果可知提高皮囊内物质的比热可以减少温升及压力损失，从而减少能量损耗。所以，为了提高效率，在皮囊内填充高比热的物质。除高比热外，填充物还需要满足压缩和膨胀的工况，则必须具有良好的回弹性和回复性。

软质聚氨酯泡沫塑料具有 良好的回弹性和回复性，而且作为-种高分子有机物具有较高的比热。利用聚氨酯的高回弹、高比热及低密度等性质，可以将其作为填充物，从而改善皮囊内部的热力学性能。软质聚氨酯泡沫采用开孔结构而且在加工过程中去除去了泡沫壁，更有利于压缩膨胀过程中的气体流通。其结构如图3所示。

3 效率特性试验3.1 试验装置构造蓄能器效率试验系统，该试验系统可以实现蓄能器的工作循环 J。试验液压回路如图4所示。即当16.1(左位电磁铁)、15.3通电时压缩蓄能器；当所p - 口-2- - -p --. ， -6 ， r 7 。

甚～- -88 液压与气动 2013年第7期能器储存能量，皮囊中的气体作负功，机械能转化为气体的压力能。则位移微元上的压力累计即为该过程中气体所作的负功：l l(P1·A)dl1A·JP1 dl1式中：P。为有杆腔油液压力；A为皮囊表面积；Z 为活塞杆位移。

同理，皮囊中的气体膨胀，以油液为介质推动活塞运动作正功。则气体膨胀所作的正功即为：： f(p2·A)dl2A·fP2 dl2式中：P：为有杆腔油液压力；4为皮囊表面积；2：为活塞杆位移。

/W。就是蓄能器工作过程中的效率，即为：fPzdl2Wl fp。dl。

式中：P。为压缩过程有杆腔油液压力；f 为压缩过程活塞杆位移；p 为释放过程有杆腔油液压力；Z 为释放过程活塞杆位移。

为了测量蓄能器的作功效率 卵，通过检测液压缸活塞杆的位移和有杆腔的压力来获得。试验台实时检测有杆腔的油液压力及活塞杆的位移。试验数据使用温升试验的测试数据，如图 11、图 12所示。

时间f/s时间b、图 11 未填充蓄能器压力位移数据保压过程产生压力损失，导致两组数据中的压力有较大变化，而填充后的蓄能器产生的压力损失比未填充的蓄能器少。试验系统具有良好的密封性，试验过程中不存在泄漏，液压油的体积并未减少，则两组数据中位移变化较校所以，压力损失的不同导致释放时的作功量不同。而填充后的蓄能器的作功量更大，其效率高于未填充的蓄能器。

对蓦时间1077 1200 1300l40015O0160O1700180019002000时间 sb)图12 填充后蓄能器压力位移数据除了宏观地观察出蓄能器效率的提高外，还可以根据数据分别计算出两组蓄能器的效率来量化效率的提高。选取-个工作循环计算，未填充的蓄能器输入功为 646.596 MPa·mlql，输出功为 417.368 MPa·InlTl，效率为 64.55%。填充后的蓄能器输人功为 620.712MPa·mm，输 出功 为 539.838 MPa·mitt，效 率 为86.97%。比较二者的效率值，可以发现填充有聚氨酯泡沫的蓄能器的效率比未填充的蓄能器高 22.42%。

试验中，为了节约时间选择的保压时间为1 rain。若蓄能器工作在较长的保压时间段，未填充的蓄能器压力损失更大，其效率会更低。则填充有聚氨酯泡沫的蓄能器的优势更加明显。因此，由作功效率试验，可以进- 步验证填充有聚氨酯泡沫的蓄能器的效率得到提高。

4 结论在皮囊式蓄能器的皮囊内填充高比热的聚氨酯泡沫网可以提高蓄能器的效率。所设计的高效率的皮囊式蓄能器应用在各种储能诚可以起到明显的节能效果，从而提高液压系统的整体效率。