一種定量泵式液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及蓄能器系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種定量泵式液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓系統(tǒng)中，傳統(tǒng)蓄能器能量密度較低，難以滿足大型系統(tǒng)的蓄能需求，且蓄能器 出口壓力依賴于蓄能器的能量存儲量，當蓄能器壓力較低時無法滿足系統(tǒng)的瞬時大功率需 求。
[0003] 已有的機液聯(lián)合能量存儲裝置（如中國發(fā)明專利申請，申請公布號： CN102897012A，公布日：2013. 01.30)是將相互獨立的飛輪和蓄能器同時用在一個系統(tǒng)中， 是兩種能量存儲裝置的簡單疊加。雖然提高了蓄能裝置的能量存儲量，但系統(tǒng)的質(zhì)量和體 積也較大，導致液壓系統(tǒng)質(zhì)量大大增加，不利于零部件的布置；蓄能元件的個數(shù)增多，系統(tǒng) 控制困難。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種定量泵式液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)。
[0005] 本實用新型采用一個可旋轉(zhuǎn)的筒形壓力容器，將飛輪和液壓蓄能器的功能合為一 體，構(gòu)成一個新的復合能量存儲單元，即液壓飛輪蓄能器。其構(gòu)成的液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)包 括液壓飛輪蓄能器、雙向定量泵/馬達、高速開關(guān)閥、溢流閥、油箱、傳感器以及控制器。適 用于任何需要進行能量存儲的液壓系統(tǒng)。針對該能量存儲系統(tǒng)存在的多種工作模式，本實 用新型提出了一種使其充能和放能速率最優(yōu)的控制方法。該方法是在保證系統(tǒng)轉(zhuǎn)速范圍和 壓力范圍的條件下，通過控制離合器的通斷以及三個高速開關(guān)閥的工作與否，選擇使系統(tǒng) 充能或放能功率最大的模式，來實現(xiàn)系統(tǒng)高效的充放能特性，滿足系統(tǒng)的瞬時大功率需求。
[0006] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：
[0007] 1.殼體內(nèi)油液由于離心力作用形成的拋物面形壓力分布，使液壓飛輪蓄能器存儲 的液壓能相對于同體積的傳統(tǒng)蓄能器增加；
[0008] 2.通過油液及殼體的轉(zhuǎn)動將液壓能轉(zhuǎn)換為大量動能存儲，能量存儲量比同條件下 傳統(tǒng)蓄能器的能量存儲量大大增加；
[0009] 3.同一元件的雙能量存儲方式，提高了儲能元件的能量密度，減小了儲能元件的 體積；
[0010] 4.由于兩種能量的相互作用關(guān)系，使液壓飛輪蓄能器的出口壓力與能量存儲量解 耦，將其出口壓力維持在所設(shè)定的范圍內(nèi)，為液壓系統(tǒng)提供相對穩(wěn)定的壓力源；
[0011] 5.通過多種工作模式的切換，使系統(tǒng)在滿足轉(zhuǎn)速要求和壓力要求的前提下，實現(xiàn) 儲能速率最大。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)組成與工作原理示意圖。
[0013] 圖2是本實用新型的蓄能器充能模式圖。
[0014] 圖3是本實用新型的飛輪充能模式圖。
[0015] 圖4是本實用新型的聯(lián)合充能模式圖。
[0016] 圖5是本實用新型的穩(wěn)態(tài)模式圖。
[0017] 圖6是本實用新型的自循環(huán)模式圖。
[0018] 圖7是本實用新型的控制方法總流程圖。
[0019] 圖8是本實用新型能量維持時的模式選擇流程圖。
[0020] 圖9是本實用新型充能時的模式選擇流程圖。
[0021] 圖10是本實用新型選擇對應(yīng)狀態(tài)下使壓力增大的模式流程圖。
[0022] 圖11是本實用新型選擇對應(yīng)狀態(tài)下使壓力減小的模式流程圖。
[0023] 圖12是本實用新型選擇對應(yīng)狀態(tài)下使功率最大的模式流程圖。
[0024] 圖13是本實用新型選擇對應(yīng)狀態(tài)下使轉(zhuǎn)速增大的模式流程圖。
[0025] 圖中：1·液壓系統(tǒng)，2.液壓系統(tǒng)總控制器3.液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)，4.第一壓力傳 感器，5.流量傳感器，6.第一高速開關(guān)閥，7.第三高速開關(guān)閥，8.溢流閥，9.油箱，10.第二 壓力傳感器，11.高速旋轉(zhuǎn)接頭，12.液壓飛輪蓄能器，13.轉(zhuǎn)速傳感器，14.離合器信號放大 電路，15.離合器，16.雙向定量泵/馬達，17.液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)控制器，18.第二高速開 關(guān)閥，19.殼體，20.活塞。
【具體實施方式】
[0026] 請參閱圖1，為本實用新型的實施例，該實施例由液壓系統(tǒng)1和液壓飛輪蓄能器系 統(tǒng)3組成。液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)3主要包括雙向定量泵/馬達16、離合器15、液壓飛輪蓄 能器12、高速旋轉(zhuǎn)接頭11、高速開關(guān)閥、溢流閥8、油箱9、控制器以及傳感器；所述高速開關(guān) 閥包括第一高速開關(guān)閥6、第二高速開關(guān)閥18以及第三高速開關(guān)閥7,所述的傳感器包括第 一壓力傳感器4、第二壓力傳感器10、流量傳感器5以及轉(zhuǎn)速傳感器13。
[0027] 所述雙向定量泵/馬達16的軸端與離合器15 -端連接，離合器15的另一端與液 壓飛輪蓄能器12連接。
[0028] 所述高速旋轉(zhuǎn)接頭11的一端與液壓飛輪蓄能器12連接，另一端通過液壓管路與 第三高速開關(guān)閥7液壓連接；所述第一高速開關(guān)閥18的一端通過液壓管路與第三高速開關(guān) 閥7液壓連接，另一端與雙向定量泵/馬達16的高壓油口液壓連接；所述雙向定量泵/馬 達16的低壓油口與油箱9液壓連接；所述溢流閥8的高壓端連接在高速旋轉(zhuǎn)接頭11與第 三高速開關(guān)閥7之間液壓管路上，低壓端與油箱9液壓連接；所述的第二高速開關(guān)閥18的 一端與液壓系統(tǒng)1液壓連接，另一端連接在第一高速開關(guān)閥6與第三高速開關(guān)閥7之間液 壓管路上。
[0029] 所述第一壓力傳感器4和流量傳感器5依次安裝在液壓系統(tǒng)1與第二高速開關(guān)閥 18之間的液壓管路上，轉(zhuǎn)速傳感器13安裝在離合器15和液壓飛輪蓄能器12之間的高速軸 上，第二壓力傳感器10安裝在高速旋轉(zhuǎn)接頭11與溢流閥8相連的液壓管路上；
[0030] 所述的液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)控制器17包括九個端口，五個輸入端口通過信號線 自左至右分別與流量傳感器5、第一壓力傳感器4、液壓系統(tǒng)總控制器2 (控制整個液壓系統(tǒng) 的工作，包括協(xié)調(diào)動力裝置、儲能裝置及各工作裝置等的狀態(tài)）、轉(zhuǎn)速傳感器13以及第二壓 力傳感器10連接，分別接收來自液壓系統(tǒng)1的流量信號、液壓系統(tǒng)1的壓力信號、液壓系統(tǒng) 1的總控制信號、液壓飛輪蓄能器12的轉(zhuǎn)速信號以及液壓飛輪蓄能器12的出口壓力信號； 液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)控制器17的四個輸出端口通過信號線分別與第一高速開關(guān)閥6、第二 高速開關(guān)閥18、第三高速開關(guān)閥7以及離合器信號放大電路14連接，以發(fā)出相應(yīng)的控制信 號，控制三個高速開關(guān)閥的工作與否以及離合器的通斷。
[0031] 所述的液壓系統(tǒng)總控制器2根據(jù)液壓系統(tǒng)1的需求，向液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)控制 器17發(fā)出控制信號，控制液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)3的狀態(tài)（充能、放能或能量維持）；所述的 第一壓力傳感器4和流量傳感器5分別測出進入液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)3的蓄能器出口壓力 Ps和流量q，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)信號線傳遞給控制器17,由控制器17計算出輸入液 壓飛輪蓄能器系統(tǒng)3的功率（P w= P s*q)。
[0032] 所述液壓飛輪蓄能器12由殼體19和活塞20組成；活塞20左側(cè)為氣體腔，預充有 氮氣或其它惰性氣體；活塞20右側(cè)為液體腔，通過高速旋轉(zhuǎn)接頭11與液壓油路連通。
[0033] 本實用新型的工作過程和原理如下：
[0034] 根據(jù)液壓系統(tǒng)1的需求，本液壓飛輪蓄能器系統(tǒng)3的狀態(tài)分為三種：充能、放能 以及能量維持。充能與放能都有三種模式：蓄能器充能或放能模式、飛輪充能或放能模式 以及聯(lián)合充能或放能模式；能量維持包括兩種模式：穩(wěn)態(tài)模式、自循環(huán)模式。由于本實用 新型的目的是在保證液壓飛輪蓄能器轉(zhuǎn)速ω維持在最低轉(zhuǎn)速U min和最高轉(zhuǎn)速ω _之 間（QminS ω < ω _)，并使蓄能器出口壓力Ps維持一個設(shè)定的范圍之內(nèi)（此處設(shè)為 P1S P P 2, P1為所設(shè)定的壓力范圍的下限，P 2為所設(shè)定的壓力范圍的上限）的條件下使 系統(tǒng)的充能和放能速率最高。這里為了便于描述，引入穩(wěn)態(tài)的概念。本專利中將液壓飛輪 蓄能器的轉(zhuǎn)速 ω在最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速之間的狀態(tài)視為"轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)"，蓄能器出口壓力Ps 在所設(shè)定的壓力下限與壓力上限之間的狀態(tài)視為"壓力穩(wěn)態(tài)"，當兩者都在穩(wěn)態(tài)之內(nèi)時視為 "穩(wěn)態(tài)"。由于充能與放能是互逆的過程，原理類似，因此本實用新型僅以充能為例，分別說 明充能時的三種模式以及能量維持時的兩種模式的工作過程和原理，并將這五種模式分別 記為模式1、模式2、模式3、模式4、模式5。
[0035] 1)蓄能器充能模式（模式1)
[0036] 該模式下，第一高速開關(guān)閥6工作，第二高速開關(guān)閥18不工作，第三高速開關(guān)閥7 工作，離合器15斷開，雙向定量泵/馬達16不工作。油液由液壓系統(tǒng)經(jīng)高速閥6和高速閥 7進入液壓飛輪蓄能器12的液體腔，推動活塞20壓縮氣體腔內(nèi)的氣體，系統(tǒng)僅處于蓄能器 充能狀態(tài)，如圖2所示。由于該模式下液壓飛輪蓄能器的轉(zhuǎn)動慣量增加以及受到空氣阻力、 軸承阻力等，液壓飛輪蓄能器的轉(zhuǎn)速ω會不斷地減小；該模式下蓄能器出口壓力P s滿足
[0038] Pctoge為液壓飛輪蓄能器12的氣體預充壓力，1為液壓飛輪蓄能器12的總長度， 18為氣體腔21的氣體長度。由于該模式下I g是不斷減小，而P 與1為常量，因此該模 式下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速ω不斷減小，蓄能器出口壓力Ps不斷增大。
[0039] 2)飛輪充能模式（模式2)
[0040] 該模式下，第一高速開關(guān)閥6工作，第二高速開關(guān)閥18工作，第三高速開關(guān)閥7不 工作，離合器15接通，雙向定量泵/馬達16作為馬達工作。雙向定量泵/馬達16的輸出 轉(zhuǎn)矩通過離合器15驅(qū)動液壓飛輪蓄能器12旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速ω不斷增大，系統(tǒng)處于飛輪充 能模式，如圖3所示。另外該模式下的蓄能器出口壓力匕為
[0042] 氣體長度Ig不變，而ω不斷增大，因此蓄能器出口壓力不斷減小。
[0043] 3)聯(lián)合充能模式（模式3)
[0044] 該模式下，第一高速開關(guān)閥6、第二高速開關(guān)閥18以及第三高速開關(guān)閥7都工作， 離合器15接通，雙向定量泵/馬達16作為馬達工作。來自液壓系統(tǒng)的油液經(jīng)過高速閥6 后分為兩條支路，一條通過高速閥18進入雙向定量泵/馬達16,使馬達的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)離合 器15后驅(qū)動液壓飛輪蓄能器12旋轉(zhuǎn)，使液壓飛輪蓄能器12的轉(zhuǎn)速ω不斷增大，另一條通 過高速閥7進入液壓飛輪蓄能器12的液體腔，推動活塞20壓縮氣體腔內(nèi)的氣體，使氣體長 度1 8發(fā)生變化，系統(tǒng)處于聯(lián)合充能模式，如圖4所示。該模式下的蓄能器出口壓力P s的公 式與模式2相同，但ω不斷增大，氣體長度18總體減小，但由于兩者初始值以及變化速率 的不同會引起蓄能器出口壓力P