全液压制动无轨胶轮车载蓄能器参数匹配与特性分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 O1 6年 第 0 3期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 7 全液压制动无轨胶轮车载蓄能器参数匹配与特性分析 梁玉芳 中国煤炭科工集团太原研究院， 山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 根据 目 前无轨胶轮车全液压制动系统的使用情况， 建立了蓄能器的数学模型， 通过分析液压蓄能器参数匹配和能量利用对制 动系统动态性能的影响， 为液压制动系统蓄能器设计提供理论依据。 关键词 蓄能器； 参数匹配； 特性分析； 液压制动 中图分类号 T H1 3 7 ； T D 5 2 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 3 0 0 2 2 0 4 Ac c u mul a t o r Pa r a me t e r s M a t c h t he Ch a r a c t e r i s t i c Ana l y s i s o f Hy d r a u l i c Br a k e f o r T r a c k l e s s Ru b b e r T i r e V e h i c l e L I A NG Y u n g T a i y u a n B r a n c h C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c u r r e n t u s e o f t r a c k l e s s r u b b e r t i r e v e h i d e h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m， t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e a c c u mu l a t o r , h y d r a u l i c a c c u mu l a t o r p a r a me t e r s b y a n a l y z i n g t h e ma t c h a n d u s e o f e n e r g y o n t h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f t h e b r a k e s y s t e m， h y dra u l i c b r ak e s y s t e m r e s e r v o i r d e s i g n c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s ． Ke y wo r d s a c c um u l a t o r ； p a r a me t e r ma t c h ； c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ； h y d r a u l i c b r ak e O 引言 无 轨胶轮车长时间在煤矿井下行 驶作业 ， 主要 承 担运输矿料、 人员、 设备等。由于巷道路面狭窄、 起伏 不平 ， 还时常伴有积水和煤泥， 要求胶轮车具有 良好的 制动性能， 以确保恶劣路况的行驶安全。目前煤矿用 车辆的制动系统多数采用全液压制动、 并配置湿式多 盘制动装置 ， 安全性高 ， 适应性强 ， 被广泛应用 于无轨 胶 轮车领域 ， 在某种程度上代表 了今后 制动系统的发 展趋势。蓄能器作为全液压制动系统的压力油源和紧 急动力源 ， 和其他车载能源一样受体积和重量的严格 限制 。本 文通过分析液压蓄能器参数匹配和能量利用 对制动系统动态性能的影响， 为液压制动系统蓄能器 设计提供理论依据 。 1 全液压制动系统工况分析 全液压制动系统由液压泵、 动力制动阀、 充液阀和 蓄能器等组成。其系统图如下所示。由图1 可知， 该制 动系统的控制型式为前后双回路独立控制， 其中一回 路发生故障失效时， 另一路保持正常工作。实质上， 制 动过程本身会增加车辆动力系统控制的难度且导致系 统稳定性变差， 特别是要求元件快速变量控制会加剧 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 2 5 基金项目 山西省煤基重点科技攻关项目 M J 2 0 1 4 1 4 作者简介 梁玉芳 1 9 8 2 一 ， 女， 山西太原人， 助理研究员， 学士， 从事防 爆胶轮车设计工作。 2 2 元件磨损 ， 降低寿命与可靠性。而蓄能器的滤波特性 可以有效消除快速波动带来的随机符合， 通过蓄能器 对压力波动的补偿作用， 可以改善煤矿车辆的操纵舒 适度和行驶安全性 ， 减少由制动加速度、 冲击力及制动 灵敏性带给传动系统的频繁冲击和巨大冲击力 ， 提高 传动轴、 变矩器、 变速箱和驱动桥等元部件的承载能力 和寿命。增加防爆车辆的动力性能和可靠性能。 蓄能器 蓄能器 图1全液压制动系统原理图 同时 ， 由于意外加载给煤矿车辆的动力系统尤其 是静液压驱动的防爆车辆带来的压力冲击不容忽视， 配置蓄能器是削减动态载荷的冲击峰值和脉动峰值最 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 0 3 ． 2 0 1 6 简单有效、 成本最低的办法。因此， 通过建立蓄能器数 学模型， 研究蓄能器参数配置方法， 得出完善准确的数 学模型和配置方法 ， 满足液压蓄能器不同压力区间的 最佳配置需求。 2 蓄能器数学模型的建立 在工作过程中， 车辆每制动一次， 蓄能器就释放一 定的油量。蓄能器的工作原理就是一个反复循环的充 放液过程 见图2 。制动系统配置的蓄能器主要有两 种工作状态 冲击和脉动， 其参数计算应按两种工况进 行。由于气囊式蓄能器具有响应性能好、 噪声小、 耐压 耐温、 价格低及可靠性高等优点 ， 应用最为广泛， 本文 便以气囊式蓄能器展开分析论述。 AE 簸供油 1 2 一 l O S 0 8 g 言 6 04 02 B 岛 蓄能器供油 t r x ,I 埋 跫 l 尺 可 罾 雠 器面彰 l 西 _ 枳f 图 2 蓄能器充放工作过程 在动态特性下， 影响蓄能器固有频率和缓冲能力 的主要因素是蓄能器的容积和充气压力。由于容积和 充气压力与与蓄能器动态特性中的固有频率和缓冲能 力密切相关 ， 所 以在设计蓄能器时 ， 首先要考虑蓄能能 力 ， 在满足动态要求 的同时， 储能能力应尽可能的大。 蓄能器数学模型的建立可以从吸收压力脉动和吸 收压力冲击两个方面进行分析 ， 蓄能器绝热为动态工 况 ， 用于消除压力脉动 ， 等温过程为静态， 用于调节盈 虚 ， 如图3 所示。 Q p 图3 蓄能器系统图 1 蓄能器充气压力 P 。 的确定 在蓄能器吸收压力冲击时， 蓄能器的充气压力 P 。 即为系统工作压力， 即额定压力 P ， 亦即 P 。 P 1 在蓄能器消除压力脉动时， 蓄能器的充气压力 P 。 即为脉动的最小压力 P ， 或脉动平均压力 的6 0 ％， 即 P 。 P 2 或P 。 0 ． 6 p 3 由于动载脉动特性的随机性很强， 一般令脉动载 荷平均值 P 等同于额定压力 ， 即 P 。 0 ．6 p O ．6 p 。 由于在整车制动过程中同时存在压力冲击和动载脉 冲， 为了使蓄能器在工作过程中能有效各种压力波动。 在计算过程中， 蓄能器的充气压力选两种工况下的较 小者， 同时忽略小负载时动载干扰 ， 根据公式 2 和公 式 3 可得 ， P 。 O ． 6 p 0 ． 6 p 4 同时， 蓄能器吸收的最低压力应等于充气压力 ， 设 定蓄能器的充气压力时 ， 由公式 4 可知蓄能器能够吸收 的脉动最低压力为 p 1 p 0 0 ． 6 ／ , 0 ． 6 p 5 2 蓄能器总容积 蓄能器总容积的确定包括消除脉动和吸收冲击两 种工作状态 。 1 消除脉动不计管道变形， 在计算过程中假设油 液不可压缩， 此时制动系统的压力脉动全部来 自流量 脉动。由图4 可知， 平均流量 q 是系统脉动流量的临 界线， 系统的实时脉动流量高于该临界线的部分被蓄 能器吸收， 低于临界线 g 的流量部分则需要蓄能器放 油补充 。在一个流量脉动周期内 ， 蓄能器完成吸油 、 排 油过程各一次， 单次循环中气体来不及与外界进行热 交换， 该过程近似为绝热过程进行分析， 即 p 。 p 。 p 6 式中 、 与最低脉动压力 P 。 、 最高脉动压力 P 对应之气体容积， P p 。 ， V o ； k 绝热指数 ， N 为 1 ． 4 。 v 2 v l AV 7 A V为一个周期脉动内蓄能器吸收的油液体积， 即 瞬时流量 g高于平均流量 q 的部分。该脉动可简化为 三角形， 如图4 ／ifi ， 结合公式 5 P 0 ． 6 p ， P 1 ．4 p ， 考虑煤矿车辆动态载荷特点， 脉动频f 3 H z ， 于是有 g2 ／ 0 2 g m1 ．4 q 1 4 q 8 g 2 _ ■g 【 8 m A V g ． d t - g m 9 9 由式 8 、 9 可得 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 6年 第 0 3期 堋3 5 1 0 p 式 中 q 平均流量。 图4 脉动流量特性 2 吸收冲击制动系统的冲击主要来 自于制动阀 的突然制 动 、 制动器 的突然停止等 。其 由于管路 中的 流体流动发生急剧变化 ， 而致使制动系统压力急速拉 升产 生冲击 ， 这种急速冲击会损害制动系统元部件及 功能 ， 破坏液压元部件 、 密封件 、 检测仪表甚至导致制 动油管破裂， 刹车失效。因此， 采用蓄能器吸收冲击能 量进而减小冲击造成的系统危害。 假定制动油管因突然冲击而产生的压力能全部被 蓄能器吸收， 此时管路中的压力为零， 油液不可压缩 ， 此时在绝热状态下， 蓄能器完全吸收了流体冲击产生 的动能 ， 且全部转化为势能。 同时￡ 一制动油管长度 ； A 制动油管截面积 ； 正常流动的稳态初速度 ， 零为末速度 ； P 。 、 V o 、 T o 蓄能器充气状态参数 ； P 。 、 、 T 1 蓄能器初始状态参数 ； P 、 、 蓄能器终止状态参数； P、 V、 卜蓄能器瞬态参数， 则 管道流体动力学方程 p A L 0 一p A 1 1 蓄能器与管道连续方程 一 1 2 d 冲击过程为动态过程 ， 取气体绝热方程 研究 气体 p V G 1 3 式 1 1 、 式 1 2 、 式 1 3 联合求解得 p a l c l x d V 1 4 v‘ ，2 ， 号 p p lV 1 1 5 假设冲击前为等温静态过程， 即 p 。 p 。 ， 则 2 4 y 一 1 雨 p0 J 16 式中， P 值可取系统正常工作压力 ， P 取为系统 最高压力 ， 煤矿用车辆的冲击载荷与额定负载比值为 1 ． 4 ～ 1 ． 5 ， 即 丝 1 ． 4 ～ 1 ． 5 。 3 蓄能器的参数研究与能量分析 蓄能器作为能量储存元件在制动系统中主要起以 下几个方面作用 1 作为保压、 补偿系统使用， 制动系统作为车辆 的安全保卫系统 ， 利用蓄能器可以补偿泄漏以保证输 出压 力 ， 改善 由于频繁制动可能导致系统油液损耗量 出现压力不足的现象 。 2 作紧急动力源使用 ， 当油源对制动器的供油异 常停止时， 制动器必须保证完成制动和制动解除动作。 首先研究充气压力 P 。 与系统最低压力 P 的关系， 由气体方程可得 p 。 p p 1 7 式中P 。 、 V o 、 T o 系统初始充气状态； P 、 、 T 2 系统高压状态 ； P ， 系统低压状态 。 则蓄能器能提供的压力油容量为 一 8 在影响蓄能器蓄能能力的诸多 因素 中， 首要考虑 的是输出能量 ， 即在给定的低压或高压系统所提供的 压力油量 A 一 。式 1 8 中的参数 、 均 无法 确定 ， 在对分析的本质不产生影响情况下 ， 假设 蓄能器 的工作 过程 为等温充油绝热放油 ， 即 T o 。绝热时 多变指数 1 ． 4 ， 等温时多变指数 y 1 ， 实际工况 中一 般取 1 ． 2 ， 因此带入公式 1 8 可得 _ 1 9 l f 一 1 l L p - J 公式 1 9 可知 1 若系统提高充气压力 P ， 此时蓄能器选用较 小容积 即可提供给系统所需要的油量 A I／ 2 。 2 实际上在系统使用过程中一般要求充气压力 P 。 不能高于系统最低使用压力 P ， ， 取 0 ． 8 - 0 ． 9 或者 一 2 一] 一 一 五， Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 3 ． 2 0 1 6 P - p 。 I MP a即 可 ， 图 4为 p V 常 数 K时 的压 力 曲 线图。 其次 ， 研究充气压力 P 。 与系统最高压力 P 的关 系。利用蓄能器 回收制动系统 的能量实现节能和能量 再生是一个具有潜力的节能研究领域。在煤矿用车辆 动力系统中， 车辆制动时包括行车制动、 紧急制动及下 坡运行等工况下制动系统可将运动能量向系统回馈， 这种能量的回馈和重新利用的比例是很大的。作为制 动系统 回收能量子系统 ， 制动系统 中的蓄能器的本质 不是过滤压力 ， 而是一个负载系统。假设蓄能器容积 、充气压力 P 。， P 、 为蓄能器吸收能量 的初始状 态， P 、 为蓄能器吸收能量的终止状态， 蓄能器在绝 热条件下吸收能量， 此时 1 ．4 ， 由公式 1 7 可知在一 个工作过程中蓄能器储存和释放的能量为 厂 1 7 一 1] 肛 v 2 一 尝 一 ㈡ l 显 然 ， 当 p p 。 为 E 收 能量达 到最 _ 1] 20 大 值 2 1 令 十 则有P 。 P 2 2 E 一 P 。 V o 2 3 一 般情况下 ， 气体多变指数 1 ～ 1 ．4 ， 则假设 k ， 可以得出下表 1 。 表 1常用参数值选定表 1．4 1 ． 2 1 k 0．3 0 8 0 ． 3 35 0．3 6 7 公式 2 1 和表l 可知蓄能器达到最大储能时， 充气 压力与使用压力之间存在下列关系， 即一旦确定系统的 最大压力 P ， ， 按照公式 2 1 给定 的关系进行充气 ， 在达 到 P 。 ～ P 这一工作区间内， 蓄能器的储存能力达到峰值。 以上分析表明， 制动压力会在确定充气压力 P 后在 一 个大范围内出现压力波动。鉴于此， 在实现最大续存 能量时 ， 可考虑将不同充气压力的蓄能器形成一组蓄能 器群， 以兼顾不同压力区间的储能需求， 实现最佳储能。 4 全液压系统蓄能器配置总结 1 蓄能器所具有的负载缓冲特性可以优化车辆 动力系统 ， 提高车辆发动机和传动系统的效率。因此， 我们可以在压力系统中设置蓄能器来吸收过滤高频动 态下产生的压力波动， 来确保系统的工作压力处于缓 慢变化的准静态， 但是使用某一个或几个相同固有频 率的蓄能器无法全部吸收宽频域内的各种压力波动 ， 这时我们需要考虑设计一组不同固有频率的蓄能器以 形成一个带状吸收装置进行联合工作。 2 全液压制动系统的压力变化区间为0 P ， 但 同时蓄能器的充气压力 P 为固定值 ， 考虑采用何种控 制机构或调节手段形成一个 0 ～P 区间内可调的蓄能 器装置 ， 满 足蓄能器在压力时域或时域上的匹配要求 ， 使蓄能器在任何压力范围内均可发挥其有效储能的功 能 。形成 蓄能器在压力域 或时域上 的匹配要求 ， 还有 待于进一步研究。 3 不能为 了一味匹配满足 蓄能器压力域 ， 进而设 置过多的蓄能器 ， 这样会让系统 复杂化 ， 由于固有频率 低本身就是一种滤波能力的体现 ， 低压波动对元件的 寿命影响较小 ， 此时系统对固有频率的要求也随之降 低 ， 因此系统设计时只考虑一定范 围内的压力波动。 4 基于蓄能器的储能特性实现制动 系统 的能量 回馈利用， 可以大大提高发动机的工作效率。由于蓄 能器的匹配设计主要集中在恒压点以上区域， 因此确 保蓄能器在此有效区域内工作 能够吸收波动 、 提高各 元部件的工作寿命， 通过合适的恒压油源同时提高了 系统二次调节的准确性。 5 在蓄能器的匹配设计中， 应充分考虑到缓释车 辆制动系统中突然产生的压力冲击以及频繁制动能量 的吸收问题， 尤其是在确定蓄能器的充气压力和容积 参数时。同时在吸收频繁制动能量方面， 此外 ， 在设定 蓄能器 的主参数 时 ， 还应该依据车辆实际运行工况下 频繁制动的压力特性 ， 充分利用车辆在频繁制动状态 下释放的能量。 参考文献 [ 1 ] 高梦熊地 下装载机【 M】 ． 北京 冶金工业 出版社， 2 0 0 2 ． 【 2 】 张栋林． 地下铲运机【 M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 3 】 马文星．液力传动理论与设计【 M 】 E 京 化学工业出版社， 2 0 0 4 ． f 4 ] 董宏林， 姜继海， 吴盛林． 液压变压器与液压蓄能器串联使用 优化条件及能量回收研究[ J J _ 中国机械工程， 2 0 0 3 ， 3 ． 【 5 】 路甬祥主编．沼 匿气动技术手册M 】 E 京 机械工业出版社2 0 0 5 ． 【 6 ] 梁玉芳． 防爆胶轮车全液压制动系统的设计研究【 J 1 ．煤矿机 械， 2 0 1 4 ， 1 2 ． 『 7 】 王琳等． 蓄能器基本参数确定及其特性及对液压系统的影 Il l [ J ] ． 陶瓷， 2 0 0 5 ， 5 ． 【 8 】 曹开明， 王东． 井下车辆的制动系统及其蓄能器的选用计算 [ J ] ． 矿冶， 2 0 0 0 ， 4 ． 25 吸 _ l 器 能 ． 一 ． 唐 对 p y