一种定量泵式液压飞轮蓄能器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及蓄能器系统领域，特别涉及一种定量泵式液压飞轮蓄能器系统。
【背景技术】
[0002] 液压系统中，传统蓄能器能量密度较低，难以满足大型系统的蓄能需求，且蓄能器 出口压力依赖于蓄能器的能量存储量，当蓄能器压力较低时无法满足系统的瞬时大功率需 求。
[0003] 已有的机液联合能量存储装置（如中国发明专利申请，申请公布号： CN102897012A，公布日：2013. 01.30)是将相互独立的飞轮和蓄能器同时用在一个系统中， 是两种能量存储装置的简单叠加。虽然提高了蓄能装置的能量存储量，但系统的质量和体 积也较大，导致液压系统质量大大增加，不利于零部件的布置；蓄能元件的个数增多，系统 控制困难。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是提供一种定量泵式液压飞轮蓄能器系统。
[0005] 本实用新型采用一个可旋转的筒形压力容器，将飞轮和液压蓄能器的功能合为一 体，构成一个新的复合能量存储单元，即液压飞轮蓄能器。其构成的液压飞轮蓄能器系统包 括液压飞轮蓄能器、双向定量泵/马达、高速开关阀、溢流阀、油箱、传感器以及控制器。适 用于任何需要进行能量存储的液压系统。针对该能量存储系统存在的多种工作模式，本实 用新型提出了一种使其充能和放能速率最优的控制方法。该方法是在保证系统转速范围和 压力范围的条件下，通过控制离合器的通断以及三个高速开关阀的工作与否，选择使系统 充能或放能功率最大的模式，来实现系统高效的充放能特性，满足系统的瞬时大功率需求。
[0006] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0007] 1.壳体内油液由于离心力作用形成的抛物面形压力分布，使液压飞轮蓄能器存储 的液压能相对于同体积的传统蓄能器增加；
[0008] 2.通过油液及壳体的转动将液压能转换为大量动能存储，能量存储量比同条件下 传统蓄能器的能量存储量大大增加；
[0009] 3.同一元件的双能量存储方式，提高了储能元件的能量密度，减小了储能元件的 体积；
[0010] 4.由于两种能量的相互作用关系，使液压飞轮蓄能器的出口压力与能量存储量解 耦，将其出口压力维持在所设定的范围内，为液压系统提供相对稳定的压力源；
[0011] 5.通过多种工作模式的切换，使系统在满足转速要求和压力要求的前提下，实现 储能速率最大。
【附图说明】
[0012] 图1是本实用新型的结构组成与工作原理示意图。
[0013] 图2是本实用新型的蓄能器充能模式图。
[0014] 图3是本实用新型的飞轮充能模式图。
[0015] 图4是本实用新型的联合充能模式图。
[0016] 图5是本实用新型的稳态模式图。
[0017] 图6是本实用新型的自循环模式图。
[0018] 图7是本实用新型的控制方法总流程图。
[0019] 图8是本实用新型能量维持时的模式选择流程图。
[0020] 图9是本实用新型充能时的模式选择流程图。
[0021] 图10是本实用新型选择对应状态下使压力增大的模式流程图。
[0022] 图11是本实用新型选择对应状态下使压力减小的模式流程图。
[0023] 图12是本实用新型选择对应状态下使功率最大的模式流程图。
[0024] 图13是本实用新型选择对应状态下使转速增大的模式流程图。
[0025] 图中：1·液压系统，2.液压系统总控制器3.液压飞轮蓄能器系统，4.第一压力传 感器，5.流量传感器，6.第一高速开关阀，7.第三高速开关阀，8.溢流阀，9.油箱，10.第二 压力传感器，11.高速旋转接头，12.液压飞轮蓄能器，13.转速传感器，14.离合器信号放大 电路，15.离合器，16.双向定量泵/马达，17.液压飞轮蓄能器系统控制器，18.第二高速开 关阀，19.壳体，20.活塞。
【具体实施方式】
[0026] 请参阅图1，为本实用新型的实施例，该实施例由液压系统1和液压飞轮蓄能器系 统3组成。液压飞轮蓄能器系统3主要包括双向定量泵/马达16、离合器15、液压飞轮蓄 能器12、高速旋转接头11、高速开关阀、溢流阀8、油箱9、控制器以及传感器；所述高速开关 阀包括第一高速开关阀6、第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7,所述的传感器包括第 一压力传感器4、第二压力传感器10、流量传感器5以及转速传感器13。
[0027] 所述双向定量泵/马达16的轴端与离合器15 -端连接，离合器15的另一端与液 压飞轮蓄能器12连接。
[0028] 所述高速旋转接头11的一端与液压飞轮蓄能器12连接，另一端通过液压管路与 第三高速开关阀7液压连接；所述第一高速开关阀18的一端通过液压管路与第三高速开关 阀7液压连接，另一端与双向定量泵/马达16的高压油口液压连接；所述双向定量泵/马 达16的低压油口与油箱9液压连接；所述溢流阀8的高压端连接在高速旋转接头11与第 三高速开关阀7之间液压管路上，低压端与油箱9液压连接；所述的第二高速开关阀18的 一端与液压系统1液压连接，另一端连接在第一高速开关阀6与第三高速开关阀7之间液 压管路上。
[0029] 所述第一压力传感器4和流量传感器5依次安装在液压系统1与第二高速开关阀 18之间的液压管路上，转速传感器13安装在离合器15和液压飞轮蓄能器12之间的高速轴 上，第二压力传感器10安装在高速旋转接头11与溢流阀8相连的液压管路上；
[0030] 所述的液压飞轮蓄能器系统控制器17包括九个端口，五个输入端口通过信号线 自左至右分别与流量传感器5、第一压力传感器4、液压系统总控制器2 (控制整个液压系统 的工作，包括协调动力装置、储能装置及各工作装置等的状态）、转速传感器13以及第二压 力传感器10连接，分别接收来自液压系统1的流量信号、液压系统1的压力信号、液压系统 1的总控制信号、液压飞轮蓄能器12的转速信号以及液压飞轮蓄能器12的出口压力信号； 液压飞轮蓄能器系统控制器17的四个输出端口通过信号线分别与第一高速开关阀6、第二 高速开关阀18、第三高速开关阀7以及离合器信号放大电路14连接，以发出相应的控制信 号，控制三个高速开关阀的工作与否以及离合器的通断。
[0031] 所述的液压系统总控制器2根据液压系统1的需求，向液压飞轮蓄能器系统控制 器17发出控制信号，控制液压飞轮蓄能器系统3的状态（充能、放能或能量维持）；所述的 第一压力传感器4和流量传感器5分别测出进入液压飞轮蓄能器系统3的蓄能器出口压力 Ps和流量q，并将其转化为电信号，经信号线传递给控制器17,由控制器17计算出输入液 压飞轮蓄能器系统3的功率（P w= P s*q)。
[0032] 所述液压飞轮蓄能器12由壳体19和活塞20组成；活塞20左侧为气体腔，预充有 氮气或其它惰性气体；活塞20右侧为液体腔，通过高速旋转接头11与液压油路连通。
[0033] 本实用新型的工作过程和原理如下：
[0034] 根据液压系统1的需求，本液压飞轮蓄能器系统3的状态分为三种：充能、放能 以及能量维持。充能与放能都有三种模式：蓄能器充能或放能模式、飞轮充能或放能模式 以及联合充能或放能模式；能量维持包括两种模式：稳态模式、自循环模式。由于本实用 新型的目的是在保证液压飞轮蓄能器转速ω维持在最低转速U min和最高转速ω _之 间（QminS ω < ω _)，并使蓄能器出口压力Ps维持一个设定的范围之内（此处设为 P1S P P 2, P1为所设定的压力范围的下限，P 2为所设定的压力范围的上限）的条件下使 系统的充能和放能速率最高。这里为了便于描述，引入稳态的概念。本专利中将液压飞轮 蓄能器的转速 ω在最小转速和最大转速之间的状态视为"转速稳态"，蓄能器出口压力Ps 在所设定的压力下限与压力上限之间的状态视为"压力稳态"，当两者都在稳态之内时视为 "稳态"。由于充能与放能是互逆的过程，原理类似，因此本实用新型仅以充能为例，分别说 明充能时的三种模式以及能量维持时的两种模式的工作过程和原理，并将这五种模式分别 记为模式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] 该模式下，第一高速开关阀6工作，第二高速开关阀18不工作，第三高速开关阀7 工作，离合器15断开，双向定量泵/马达16不工作。油液由液压系统经高速阀6和高速阀 7进入液压飞轮蓄能器12的液体腔，推动活塞20压缩气体腔内的气体，系统仅处于蓄能器 充能状态，如图2所示。由于该模式下液压飞轮蓄能器的转动惯量增加以及受到空气阻力、 轴承阻力等，液压飞轮蓄能器的转速ω会不断地减小；该模式下蓄能器出口压力P s满足
[0038] Pctoge为液压飞轮蓄能器12的气体预充压力，1为液压飞轮蓄能器12的总长度， 18为气体腔21的气体长度。由于该模式下I g是不断减小，而P 与1为常量，因此该模 式下，系统的转速ω不断减小，蓄能器出口压力Ps不断增大。
[0039] 2)飞轮充能模式（模式2)
[0040] 该模式下，第一高速开关阀6工作，第二高速开关阀18工作，第三高速开关阀7不 工作，离合器15接通，双向定量泵/马达16作为马达工作。双向定量泵/马达16的输出 转矩通过离合器15驱动液压飞轮蓄能器12旋转，系统转速ω不断增大，系统处于飞轮充 能模式，如图3所示。另外该模式下的蓄能器出口压力匕为
[0042] 气体长度Ig不变，而ω不断增大，因此蓄能器出口压力不断减小。
[0043] 3)联合充能模式（模式3)
[0044] 该模式下，第一高速开关阀6、第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7都工作， 离合器15接通，双向定量泵/马达16作为马达工作。来自液压系统的油液经过高速阀6 后分为两条支路，一条通过高速阀18进入双向定量泵/马达16,使马达的输出转矩经离合 器15后驱动液压飞轮蓄能器12旋转，使液压飞轮蓄能器12的转速ω不断增大，另一条通 过高速阀7进入液压飞轮蓄能器12的液体腔，推动活塞20压缩气体腔内的气体，使气体长 度1 8发生变化，系统处于联合充能模式，如图4所示。该模式下的蓄能器出口压力P s的公 式与模式2相同，但ω不断增大，气体长度18总体减小，但由于两者初始值以及变化速率 的不同会引起蓄能器出口压力P