摘要:通过分析路面液压发电系统和蓄能器的工作原理及其工作状况，得知现有的蓄能器容积计算公式不适用于路面液压发电系统。在充分考虑了系统的实际工况后，经过分析推导出了符合实际应用的蓄能器容积计算方法。
关键词:路面液压发电;蓄能器;容积
随着我国经济的快速发展，汽车保有量也在逐年增长，中国已经进入汽车交通发达时代，人们在享受汽车带来便捷的同时也耗费了大量的能源，因此全世界都面临着巨大的能源危机，这就使得如何开发和利用绿色能源成为全世界高度关注以及需要迫切解决的问题。路面液压发电装置正是基于这一理念产生的，它利用汽车的重力进行环保发电。文中通过分析路面发电装置中蓄能器的功能，得到符合路面发电装置蓄能器的容积计算公式，为下一步的路面发电系统的全面研究及蓄能器的特性分析奠定了基础。
1 路面发电系统的工作原理
路面液压发电装置安装在车流量密集且需要车辆减速行驶的路段，多个换能器相互并联而组成一个换能器组。每个换能器都设有出油口与回油口，连接到主出油管3和主回油管11上。主出油管通过蓄能器5之后与液压马达6相连，通过变速器7调整转速后，带动发电机组8发电。流过液压马达的油液经过油液缓冲室9后重新回到换能器组中 (在回油路上设有油液补充装置)，从而构成一个完整的循环回路。
图1 路面发电系统工作原理图
2 蓄能器类型的选择
通过分析发电系统的工作状况配置所需的马达型号，由马达的相关技术参数可知马达转动1 min所需的流量为60 L，转动30 s所需的流量为30 L，这即是蓄能器的有效容积。通常情况下蓄能器的有效容积尚且达不到总容积的1/3，初步估算蓄能器的总容积至少为100 L，以此作为选择路面液压发电系统中蓄能器类型的依据。在蓄能器的选型上，需要参考各类蓄能器的性能优劣，选择最适用于路面发电系统的蓄能器类型。各类型蓄能器性能优劣对比如表1所示。
表1 蓄能器类型对比
通过表1可以清楚地看出能够满足路面液压发电装置中蓄能器容积要求的只有活塞式蓄能器。活塞式蓄能器的其他性能也很符合发电系统的需求。首先因为活塞式蓄能器是隔离式液压能蓄储装置，可稳定压力，消除油路系统中压力的脉动冲击;其使用寿命长，更换密封件成本更低，操作更简便;失效形式是逐渐、缓慢地泄漏失效，这便保证了路面发电系统的安全性。其次，活塞式蓄能器的工作压力较高，故可承受很大的压力波动幅度。缺点:(1)低压情况下 (13 MPa以下)，活塞因惯性大而不适于作高频往复运动，而路面发电系统的工作压力需大于31.5 MPa，不属于低压情况;(2)对壳体内壁加工精度及密封件等要求很高，否则容易渗漏、增大摩擦。综合考虑各类蓄能器的性能优劣，活塞式蓄能器是路面液压发电系统中所需的最合适蓄能器。
3 活塞式蓄能器的容积计算
3.1 活塞式蓄能器工作原理
在路面发电系统中用到的活塞式蓄能器由活塞将蓄能器分成两个部分，蓄能器中所使用的气体为氮气。通过分析活塞式蓄能器在路面发电系统中的工作过程，可将其工作过程分为3个极限状态来研究。
(1)预充压状态。也可称为原始状态，蓄能器的总容积V0指活塞式蓄能器气腔容积与液腔容积之和，如图2(a)所示;
(2)最大压力状态。指从最小压力状态开始，液压油增量ΔV满足工作需求时的状态，如图2(b)所示;
(3)最小压力状态。指活塞式蓄能器将最大量油液排出后的最小压力值，如图2(c)所示。
蓄能器开始工作时气体腔内压力为预充气压力p0或最小压力p1;当有车辆驶过，换能器开始工作后，换能器将源源不断地向蓄能器的液腔内充入液压油，直至蓄能器内液压油达到可蓄储的最大量ΔV，气腔压力达到最大压力p2时，蓄能器开始排出油液以驱动液压马达转动。当蓄能器油腔内的液压油达到最小值，气腔压力也达到最小值p1时蓄能器停止排出油液。上述工作过程即是蓄能器一次完整的进液排液过程。蓄能器在路面发电系统中进行着如上所述的周而复始的循环，蓄能器的工作状态示意图如图2所示。
图2 活塞式蓄能器工作的3个极限状态
3.2 活塞式蓄能器容积计算方法探讨
蓄能用的蓄能器的具体功用包括“做辅助动力源”、“补偿泄漏保持恒压”、“改善频率特性”、“作应急动力源”、“作液压空气弹簧”等。根据蓄能器工作原理的不同有着不同的容积计算公式，路面发电系统中的蓄能器充当着动力源的作用，因此计算蓄能器的总容积时可参考蓄能器作应急动力源时的计算公式。
(1)传统应急动力源蓄能器总容积V0的计算方法
当蓄能器作为液体补充装置时，其总容积V0的计算方法有以下两种情况:
绝热过程时:
式中:V0为蓄能器的总容积，L;
ΔV为蓄能器有效工作容积，L;
p0为充气压力，MPa;
p1为最低工作压力，MPa;
p2为最高工作压力，MPa;
n为指数，绝热过程n=1.4，等温过程n=1。
(2)传统蓄能器容积计算公式应用在路面发电装置时存在的缺陷
因为传统蓄能器总容积V0的计算方法只有两种情况即绝热和等温，分析路面发电装置中蓄能器的工作状况可知:当通过换能器的车辆比较密集时，换能器工作频繁，可以使蓄能器在1 min内完成一次充液排液过程;此时蓄能器的工作状况是绝热过程。但是当通过换能器的车辆较少时，可能在1 min之内充入蓄能器油腔的油液达不到最大压力值，而此时蓄能器的充液状态则是等温过程、排液过程是绝热状态。由此可见，蓄能器充液可能是绝热过程也可能是等温过程。而蓄能器的排液过程总是绝热状态，这就意味着当充液过程为等温过程时传统活塞式蓄能器容积计算公式不适用于路面液压发电装置。
(3)适用于路面液压发电装置蓄能器的总容积计算公式
当充液过程为等温过程、排液过程为绝热过程时，根据波义尔定律:
当充液、排液均为绝热过程时，适用于传统绝热情况下的容积计算公式 (1)。
3.3 活塞式蓄能器总容积计算
式中:(p I)max为马达的最大工作压力28 MPa;
(ΣΔp)max为蓄能器到马达间的压力损失之和，MPa。
在路面液压发电系统的研究中，暂且忽略管路中的压力损失，即(ΣΔp)max=0，p1=(p I)max=28 MPa。
因为当蓄能器做液体补充装置时取p0=p1，即p0=p1=28 MPa，取ΔV=60 L(即马达转动1 min所需的流量)时，设定不同的最高压力值p2，分别代入公式 (4)、(5)可得表2。
表2 ΔV=60 L时，总容积V0对应表
当选取ΔV=30 L(马达转动30 s所需的流量)时，由不同的最高压力值p2可得表3。
表3 ΔV=30 L时，总容积V0对应表
通过表2和表3可知:等温条件下活塞式蓄能器的总容积较绝热条件下的容积要略大些，因此在确定蓄能器总容积时选取等温情况下的容积值。在满足使用需求情况下，选择相对容易加工的压力及容积参数，由此选择ΔV=30 L，p2=35 MPa，V0=220 L作为蓄能器的参数。
4 结论
经过分析路面液压发电装置和蓄能器的工作原理，得到了符合实际应用的蓄能器总容积计算公式，并得到蓄能器的压力容积最适参数，为活塞式蓄能器的仿真研究奠定了基础。
