混合動力農業裝載機能量回收系統分析

羅艷蕾，周山旭，杜 黎，羅 坤

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

引言

目前農業機械發展迅速，大型農業裝載機在農業生產中扮演著重要角色。隨著國家對農業機械的排放標準日趨嚴格及燃油價格的上漲，農業裝載機能量利用率低的問題逐漸引起了廠商和用戶的注意。以農業裝載機動臂液壓缸為例，由于工作裝置質量巨大，且動作頻繁，下放過程中釋放了大量能量，且該能量大部分轉化為了熱能，造成了液壓油發熱與能量的浪費，嚴重的影響了農業裝載機的使用壽命。因此研究農業裝載機動臂液壓缸能量回收對于提高能量利用率、增加農業裝載機壽命具有重要意義。

關于工程機械中能量利用率低這一問題，許多學者對其進行了廣泛研究。目前能量回收系統按照能量形式可劃分為機械式、電氣式和液壓式[1-2]。電氣式主要以液壓泵/馬達、發電機作為能量轉換裝置，將液壓缸下降的勢能轉換為電能，最后以化學能或電能的形式存儲在電池或超級電容中[3-7]；機械式主要使用液壓泵/馬達作為能量轉化裝置，將液壓缸下降的勢能轉化為機械能，最后以動能的形式存儲在飛輪中[8-13]。液壓式可以直接將液壓系統中的壓力能存儲到蓄能器中，沒有中間能量轉換環節，但是當工況壓力與蓄能器壓力相等時，蓄能器便不再收集能量，也可使用液壓泵/馬達作為能量轉換裝置，將液壓缸下降的勢能先轉化為機械能，然后再轉換為壓力能儲存到蓄能器中[14-16]。

本研究結合液壓式與電氣式對農業裝載機動臂勢能進行回收，設計一種以蓄能器與超級電容作為能量回收裝置的液壓系統，提高液壓系統的能量利用效率。

1 液壓系統組成與工作原理

1.1 液壓系統原理圖

本研究采用蓄能器與超級電容作為農業裝載機動臂液壓缸勢能回收的儲能元件，如圖1所示。

1.油箱 2.單向閥 3.溢流閥 4.液壓泵 5、7、8、10.換向閥6.液壓馬達 9、14.蓄能器 11.動臂液壓缸12.控制器 13.先導閥圖1 農業裝載機動臂液壓缸能量回收液壓系統

1.2 能量回收原理

當裝載機下降時，換向閥5左位工作，換向閥10左位工作，換向閥8左位工作，動臂液壓缸11在自重和負載的作用下向下移動，動臂液壓缸無桿腔液壓油經換向閥10，8進入蓄能器，當蓄能器壓力達到蓄能器最高工作壓力或蓄能器壓力與液壓缸11無桿腔壓力相等時，換向閥7左位工作，此時動臂液壓缸無桿腔液壓油經過換向閥10，7驅動液壓馬達6旋轉，從而帶動發電機對超級電容進行充電，完成能量勢能的回收。

2 儲能元件數學模型

2.1 蓄能器模型

工程中，通常用能量密度與功率密度對儲能元件的優劣進行評判。蓄能器能量密度低于超級電容，但是功率密度卻遠高于超級電容，并且蓄能器在液壓系統中可以直接儲存液壓能，沒有中間轉換環節，減少了中間過程的能量浪費。蓄能器根據加載方式不同可分為重力加載式、彈簧加載式與氣體加載式。根據3種加載式的使用條件情況，本研究選取了氣體加載式蓄能器。

蓄能器中氣體一般為惰性氣體，其與理想氣體相近，因此可用理想氣體體積方程來描述其狀態變化情況：

(1)

式中，p1—— 初始壓力

V1—— 初始體積

p2—— 最高工作壓力

V2—— 最高工作壓力對應體積

p3—— 最低工作壓力

V3—— 最低工作壓力對應體積

m—— 氣體多變指數，因為動臂下降時間短，可認為氣體與外界無熱交換，因此可按照絕熱過程計算，m取1.4

由式(1)可得:

(2)

(3)

則蓄能器有效工作容積為：

(4)

根據式(4)可得，蓄能器初始體積為:

(5)

為減輕囊式蓄能器重量，p1不能選擇過小，同時為了保護氣囊，使系統在最低工作壓力時氣囊不與蓄能器提升閥接觸，并且蓄能器中還有剩余油液，因此p1不能選擇過大，蓄能器初始壓力通過式(6)選擇：

0.25p2

(6)

假設蓄能器從壓力為pa1、體積為Va1狀態時開始工作，能量回收結束后氣體壓力為pa2、體積為Va2,則蓄能器儲存能量E1為:

(7)

2.2 超級電容模型

當蓄能器不能繼續回收動臂液壓缸活塞桿下降產生的能量時，需增加1個超級電容來儲存動臂液壓缸活塞桿產生的多余能量。超級電容充放電性能可通過其兩端電壓變化來描述，超級電容等效電路模型如圖2所示。

圖2 超級電容等效電路

在充電過程中，超級電容兩端電壓可表示為:

U=Uc+IRs

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，U—— 超級電容端電壓

Uc—— 超級電容點位

I—— 超級電容充放電電流

Rs—— 超級電容電阻

IL—— 支路電流

C—— 超級電容額定容量

Uc0—— 超級電容起始電壓

超級電容能量儲存E2表示為：

(13)

3 能量回收系統仿真

3.1 農業裝載機仿真模型

根據圖1農業裝載機液壓系統原理圖，利用AMESim軟件對動臂液壓缸下降勢能回收系統進行仿真分析，系統仿真模型如圖3所示。仿真模型部分參數如表1所示。

圖3 農業裝載機能量回收系統仿真模型

表1 仿真系統主要元件參數

3.2 AMESim仿真設置

設置AMESim仿真時間為5 s，步長為0.01 s，初始時刻活塞桿處于完全伸出狀態。使用壓力傳感器檢測蓄能器壓力變化，當蓄能器壓力達到蓄能器最高工作壓力或與液壓缸11無桿腔壓力相等時，換向閥7打開。

4 仿真結果分析

4.1 結果分析

為驗證該系統能量回收效率、仿真負載變化對能量回收的影響。設定負載分別為0, 5, 8 t，在不同負載作用下動臂液壓缸活塞桿下降產生的能量如圖4所示，位移曲線如圖5所示，蓄能器體積與壓力變化如圖6、圖7所示。通過仿真分析，當蓄能器壓力未達到蓄能器最高工作壓力并且低于液壓缸11無桿腔壓力時，蓄能器處于儲能狀態。蓄能器氣體體積隨負載的增加逐漸減小，氣體壓力隨負載增加逐漸增大。

圖4 動臂液壓缸活塞桿下降產生的能量

圖5 動臂液壓缸活塞桿位移曲線

圖6 蓄能器氣體體積變化曲線

圖7 蓄能器氣體壓力變化曲線

在動臂液壓缸活塞桿下降時，當蓄能器壓力達到蓄能器最高工作壓力或與液壓缸11無桿腔壓力相等時，換向閥7打開，此時由超級電容進行能量回收。該過程中，超級電容的端電壓與SOC變化如圖8與圖9所示，超級電容端電壓與SOC隨負載的增加而減小，發電機功率損失如圖10所示。

圖8 超級電容端電壓變化曲線

圖9 超級電容SOC變化曲線

圖10 電機功率損失

4.2 能量回收系統節能計算

以空載為例，由仿真結果可知，動臂液壓缸生成的總能量為143940.5 J，蓄能器初始體積為18 L ，初始壓力為6 MPa，能量回收后體積為10.72 L，壓力為12.48 MPa,根據式(7)可計算出蓄能器回收的能量為62735.91 J；超級電容初始端電壓為375 V，能量回收后端電壓為375.15 V，根據式(13)計算出超級電容回收的能量為2176.92 J，則總的回收能量為64912.8 J，能量回收率可達45.10%。在不同負載下蓄能器與超級電容回收能量如表2所示。

表2 不同負載下動臂液壓缸活塞桿下降能量回收表

4.3 負載變化對能量回收的影響

為具體了解該系統能量回收效率隨負載的變化情況，在AMESim中對負載進行批處理，仿真結果如圖11所示，從圖可知，該系統能量回收效率隨負載的增加先增加后減小，在負載為5 t時能量回收效率達到最高，為57.47%。

圖11 負載變化對能量回收效率的影響

5 結論

為減少能量的使用，本研究使用蓄能器與超級電容為儲能元件，以農業裝載機為研究對象，設計了混合動力能量回收系統。使用AMESim建立能量回收系統模型，研究不同負載對能量回收效率的影響，通過仿真結果表明，隨著負載的增加，動臂液壓缸活塞桿下降產生的能量逐漸增加，需要液壓泵提供的能量越小，能量回收效率隨負載增大先增加后減小，在負載為5 t時能量回收效率達到最高，為57.47%。