一种高能量密度空心活塞杆液压蓄能器及工作方法

本发明涉及液压储能，尤其适用于一种高能量密度空心活塞杆液压蓄能器及工作方法。

背景技术：

1、随着全球经济的快速发展，工程机械的节能越来越受到重视。工程机械市场面临的一个重要挑战是大量的能源消耗。液压系统是工程机械的关键部件，液压系统以其功率密度大、输出力大等优点在工程机械中得到广泛应用。但是在各种大型工程机械工作过程中，系统中存在大量的高压油直接流回油箱现象，造成了大量的能量浪费。因此，提高其能量利用率已成为实现节能的重要手段。

2、为回收这部分能量，从而将该能量转化为机械能、电能、液压能再利用，提出了一系列的节能办法。其中，液压蓄能器由于其充放能速度快、能量转换效率高、结构紧凑等优点，被广泛应用于各种液压节能系统。根据结构的不同，蓄能器可分为弹簧式、活塞式、气囊式。其中，活塞式蓄能器是挖掘机液压系统中一种常用的液压能量储存装置。活塞式蓄能器通过将油液储存到油腔的方式回收液压能，同时活塞移动挤压气腔，从而将液压能转化为气体压缩能储存起来，当系统需要时，气腔释放实现能量的逆转换，用于补给液压系统。

3、液压蓄能器作为储能元件相较于其他的储能元件，能量转换环节较少，有着较高的储能效率。此外，液压蓄能器可以实现液压油的快速充放，并且可以吸收液压冲击，消除脉动。但是其能量密度远远低于常用燃料电池等储能元件，并且存在体积大、成本高等缺点。

4、储能密度、功率密度和效率是液压储能的三个重要指标。目前，液压蓄能器的高功率密度可以保证其储存及释放能量的快速性，但是为了能够达到更优的储能效果，使蓄能器所占体积小、成本低，还需要对蓄能器进行改进，使其在工作过程中有足够的储能量以及较高的能量利用率。因此，在液压储能上的研究主要围绕效率及储能密度的改进来进行。

5、蓄能器的储能密度高有两种表示：一种表示是相同气体容积和初压的蓄能器储存相同体积的油液，液腔压力变化量小；另一种表示相同气体容积和初压的蓄能器液腔压力变化量相同，储存油液的体积大。目前大部分蓄能器都是利用气体的可压缩性进行储能，气体大多选择氮气，在压缩和释放时遵循气体状态方程，在高压工况下通常需要蓄能器具有较高的预充压力和初始体积，才能满足储能要求，因此蓄能器具有成本高体积大等问题，储能密度较低。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足之处，本发明提出一种高能量密度空心活塞杆液压蓄能器及工作方法，其在压缩时，液腔和气腔的受力面积不同，提高蓄能器的能量存储密度，且重量轻，有效降低生产成本。

2、技术目的：为实现上述技术目的，本发明的一种高能量密度空心活塞杆液压蓄能器，包括筒状的缸筒和气瓶，缸筒的底部设有封堵缸筒底端的液腔端盖，缸筒的顶部设有封堵缸筒顶端的气腔端盖，缸筒中间设有活塞，活塞上设有贯穿气腔端盖的空心活塞杆，缸筒中被活塞分隔的无杆腔为充有液压油的液腔，缸筒中被活塞分隔的无杆腔为气腔，气腔靠近气腔端盖的缸筒侧壁设有气腔气口，气腔气口通过高压管与气瓶连接，液腔端盖上设有沟通液腔的液腔进油口，空心活塞杆整体密封，只在靠近活塞处的侧壁上设有连通空心活塞杆内腔的通孔，从而使空心活塞杆内的空间作为气腔气体容积的一部分，增大气腔的初始容积，提高蓄能器的能量存储密度，同时降低空心活塞杆自身的重量，降低生产成本。

3、进一步，活塞与缸筒内壁之间设有密封圈，空心活塞杆内壁与气腔端盖之间安装有密封圈。

4、进一步，空心活塞杆和活塞之间通过球形铰链连接，从而降低加工的精度要求。

5、一种高能量密度空心活塞杆液压蓄能器的工作方法，其步骤为：高能量密度空心活塞杆液压蓄能器依靠气腔内气体容积的压缩和膨胀来实现液腔从液腔进油口充液和排液；存储能量时，活塞的初状态位于缸筒最底部，即液腔空间为0，高压油通过液腔进油口进入液腔，高压油推动活塞向气腔方向运动，压缩气腔内的气体，将液压能转化为气腔和气瓶内气体的内能；其中气体对活塞的作用面积小于液体对活塞的作用面积；空心活塞杆内的容积与气腔沟通，从而增大蓄能器的存储能量相同气腔容积的情况下，和传统活塞式蓄能器相比则增大了蓄能器的储能密度，蓄能达到最大时气腔压力是液腔压力的倍。

6、进一步，储能时的初状态，活塞在缸筒的最底部，忽略油液的压缩及内、外泄漏和摩擦，活塞匀速上升时，液腔对空心活塞杆受力为：

7、py1a2＝pq1a1                         (6)

8、由于气腔(7)有空心活塞杆(5)占据部分面积，所以活塞(4)上气腔(7)的受力面积小于液腔(3)的受力面积a1＜a2；

9、末状态液腔压力逐渐增大到最大值和气腔压力相平衡，此过程活塞运动至平衡位置，液腔对空心活塞杆受力为：

10、py2a2＝pq2a1                         (7)

11、结合式(6)和式(7)即得到气腔压力pq和液腔压力py之间的关系：

12、

13、气腔容积变化量δv和液腔容积变化量δv2之间的关系：

14、

15、由气体状态方程可知，若气腔压力由pq1上升到pq2满足以下关系：

16、pq1vq1n＝pq2vq2n                      (10)

17、式中：py1为初状态时下腔高压油压力；py2为末状态时下腔高压油压力；pq1为初状态时气腔压力；pq2为末状态时气腔压力；a1为上腔气腔有效作用面积；a2为下腔活塞有效作用面积，a2＞a1；vq1为气腔初始容积；vq2为气腔末状态容积，△vy为本发明蓄能器液腔容积变化量；△vq为气腔容积变化量；

18、将式(8)带入式(10)可得到

19、

20、将式(11)代入式(9)可得到当液腔压力从py1上升到py2后，液腔体积的变化量△vy：

21、

22、存储的能量由气体做功能量公式计算：

23、

24、将式(11)带入化简可得到能量密度μ2表达式

25、

26、液腔在初状态时的压力py1、末状态的压力py2、和气腔初始容积vq1都相同的情况下，比较式(3)和式(12)，由于可知本发明蓄能器液腔体积变化量比传统蓄能器大，储存油液的体积大。

27、进一步，高能量密度空心活塞杆液压蓄能器的能量密度的增加与活塞的横截面积a1和a2有关：a1越小，即a1越接近于a2则能量密度越大；若气腔最大压力为pqmax，液腔最大压力为pymax，由式(8)可得上腔气腔有效作用面积a1与下腔活塞有效作用面积a2之间的关系可得：

28、

29、由式(15)可知，a1越小蓄能器的能量密度越大，液腔最大压力pymax是由实际工况决定的，若要减小a1则需要增大气腔最大压力pqmax，但蓄能器最大气压是有限的，所以限制了a1的最大值。当需要存储的油液的最大压力pymax和气腔的最大压力pqmax接近时，此时a1很大，既能量密度无法增加；因此根据实际工况合理选择a1和a2的比值。

30、有益效果：

31、1.本发明在存储能量时具有比传统蓄能器更高的储能密度，即压缩相同体积的气体，本发明能够存入更多的能量。

32、2.活塞杆为空心结构，同时空心活塞杆侧壁上开有小孔，使活塞杆内部气体和气瓶内的气体相连通，这样能减轻蓄能器重量的同时，减少蓄能器的成本，增大气腔的初始容积，进一步提高蓄能器的能量存储密度。

33、说明书附图

34、图1是本发明高能量密度空心活塞杆液压蓄能器的结构示意图。

35、图中：1、液腔进油口；2、液腔端盖；3、液腔；4、活塞；5、空心活塞杆；6、缸筒；7、缸筒；8、气腔端盖；9、气腔气口；10、气瓶。