一种新型往复式原动液压泵的原理研究.docx
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一种新型往复式原动液压泵的原理研究
一种新型往复式原动液压泵的原理研究
陈甫,赵克定,吴盛林
(哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001
PrincipalResearchonaNewTypeofto-and-fromMotiveHydraulicPump
CHENFu,ZHAOKe-ding,WUSheng-lin(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China
摘要:
介绍了往复式原动液压泵动力装置的结构类型和工作机理,分析了单活塞式原动液压泵的能量传递过程并作了相关计算,提出了原动液压泵研究中存在的技术问题,为该装置的实用化作出了积极探索。
关键词:
新型动力;能量传递;液压泵中图分类号:
TH137文献标识码:
A
文章编号:
10012257(200409001603Abstract:
Ato-and-frommotivehydraulicpumpisakindofcompoundengineofnon-stifftransmissionofpower,whichintegratesahydraulicpumpandadieselengine1Thispaperintroducetousitsmaintypes,struc-tureandworkingprinciple,secondly,analyzetheenergy-transmissionprocessofthemotivehydraulicpumpandmakesomecorrespondingcalculation,finally,summa-rizeseveraltechnicalobstaclesinitsimplement,whichissuretoactivelycontributetotheapplicationofthisequip-ment1
Keywords:
newtypeofpower;energytransmission;hydraulicpump
收稿日期:
20040623
0引言
多数应用液压技术和发动机技术的传统大中型动力机械中,用于制动、怠速和减速的油耗占到总耗油量的43%,作业效率低下[1]
。
而随着液压技术的不断成熟,单个液压元件效率的提升空间已经十分有限,因此,需要研究将发动机和液压装置进行一体化设计以提升总体效率。
往复式原动液压泵TMHP(toandfrommotivehydraulicpump作为液压技术、
微电子技术、控制技术和发动机技术的综合,将自由活塞发动机(freepistonengine与液压技术结合起来[2-3]
既提高了总体效率又简化了机构,是一种很
有前途的动力装置。
1TMHP的主要类型及特点
111主要类型
按发动机部分燃烧室数目和刚性连接组件数目的不同,TMHP分为3种基本类型如图1所示[4]
。
图1
112TMHP的结构及性能特点11211几种类型TMHP间的比较
3种结构形式的TMHP有着各自不同的特点,它们的性能特点比较如表1所示。
11212TMHP与传统发动机比较
由于TMHP是将自由活塞发动机的动力活塞与液压部分的柱塞泵进行刚性连接,通过该刚性连接组件直接将燃烧室中燃料释放的热能转化为液压能输出,驱动马达等负载工作,省去了传统发动机中的曲柄连杆机构和液压泵中的旋转斜盘机构,因而
1
表13种TMHP的性能比较结构优点缺点
单一活塞式
结构最简单
流量控制容易
制造成本最低
需单独的回复系统;存在振动问题扫气时需阀系配合
对置活塞式
无震动问题
流量控制容易
扫气效果好
需单独的回复系统;结构比较复杂活塞间精确同步难
双活塞式
功率密度最大,
无需回复装置
存在振动问题流量调节较困难扫气时间短;扫气时需阀系配合
具有其特殊的优势。
TMHP与传统发动机的性能对比如表2所示。
表2TMHP与传统发动机的性能比较
参考
指标
TMHP传统发动机
结构大小
零件少,重量轻
组合灵活,功率可选
结构复杂,功率固定
工作效率
可回收制动能,
能量链短,效率高
能量链长,效率低
燃料要求
压缩比可变,
适用燃料范围广
压缩比固定,适用范围小
磨损情况
活塞与缸体无侧
向作用力,磨损小
有侧向力,磨损较大
废气排放
对压缩比精确控
制时,有害气体排放少
有害气体,排放较多
2TMHP的能量传递过程
211单活塞式TMHP主要设计参数
以单活塞式TMHP为例,分析其能量传递过程,并按照给定的参数进行相关计算[5]。
设计样机为两冲程火花点火式汽油机、平顶活塞,气流组织形式为自然吸气、扫气箱回流扫气。
主要设计参数如下:
D动力活塞直径(84mm
A1面积(5542mm2
d柱塞泵活塞直径(16mm
A2柱塞泵活塞截面积(840mm2
L活塞行程(75mm
L1扫气口至缸头的距离(6215mm
L2扫气口至内止点的距离(1915mmf稳定工况下活塞组件的工作频率(30~40Hz
212能量传递分析计算
a1计算一个工作循环的总输入能E。
该输入能的大小应等于一个工作循环中,燃料燃烧所释放的热量,计算公式如下:
E=gHu(1式中g一个工作循环的燃料供应量
Hu燃料的热值
g=
V1G1M@103
2214[U(A+1](2V1排气口刚关闭时,汽缸的有效容积G1扫气效率
M混合气的摩尔质量
U当量混合比
A混合气空气过量系数(设工作于最佳燃料经济性点
当Hu=4515@106J/kg,G1=016,M=281964@10-3kg/mol,U=1417,A=0188时,计算式(1、(2得到:
g=13162@10-6kg
E=620J
设一个工作循环的有效指示能为E1,则有:
E1=EG2(3式中G2燃烧总效率
当G2=0145时,计算式(3得到:
E1=279J
b1计算其它能量损耗E2。
E2主要由以下几个部分构成:
E3摩擦力造成的能量损耗
E4扫气过程中的能量损耗
E5气体压缩能
E6压缩过程中,压缩能E5的损失
E8液压部分的泄露造成的能量损失。
E3计算如下:
Ff=Fv+Fs(4
E3=FfL(5
Ff活塞运动时所受到的总摩擦力
Fv活塞组件运动时受到的粘性摩擦力(与运动速度成正比
12
Fs活塞受到的静摩擦力(作常值处理当Fv=125N(粘性摩擦系数为25N#s/m,活塞平均速度为5m/s,Fs=400N时,计算式(4、(5得到:
E3=4619J
E4计算如下:
E4=P2V2
r-1
(Er-1
1
-1(6
P2,V2活塞运动至上止点时,扫气腔内的气体压力、容积
E1V2与扫气口开启时扫气腔容积之比r绝热系数
当E1=113,r=1135时,计算式(6得到:
E4=2213J
E6计算如下:
E5=$U(7
E5=01r-1(Er-1
2
-1(8
E6=E5@2%(9$U腔内气体压缩时内能增量
P0压缩过程开始时,压缩腔内的空气压力E2压缩腔内气体的压缩比
设压缩能的损失为定值(为压缩能的2%,E2=616,计算式(7、(8、(9得到:
E6=1125J
E8计算如下:
E7=E1-E3-E4-E6(10E8=E7(1-G3(11E7TMHP的发动机部分在一个工作循环中向其液压部分输出的总能量
G3液压部分的能量传递效率
当G3=019时,计算式(10、(11得到:
E8=20195J
213应用计算
由以上计算可知:
以双活塞式TMHP为例,若活塞组件的运动频率f取为40Hz,其单个TMHP单元的有效输出功率可达到15kW,采用10~20个其单个TMHP单元即可满足绝大多数大中型动力机械的需要。
3结束语
通过将发动机活塞与液压柱塞刚性连接,缩短能量传输链,使TMHP具备了其它动力装置所无法比拟的优势,如压缩比可变,可以灵活地组合TMHP单元以满足不同应用场合等[6]。
但同时也存在一些技术问题:
a13种形式的TMHP都是通过改变活塞位于下死点位置时间的长短来实现对流量的控制,这样就不可避免地会产生脉动。
b1压缩比可变是TMHP的一大优点,但由于没有了曲柄连杆的约束,精确控制压缩比变得比较困难,唯一的办法是精确控制燃料的输入量,这给燃料喷射技术提出了较高要求。
c1为了保证TMHP的正常运转,实现低油耗和低排放,燃料喷放,活塞运动以及扫气过程必须精确同步,这是TMHP走向实用化的最大难题。
随着国内外对TMHP运作机理研究的不断深入,以上问题都可以逐步找到解决的方案。
参考文献:
[1]WuP,LuoN,FronczakFJ1Fueleconomyandoperatingcharacteristicsofahydro-pneumaticenergystorageauto-mobile1SAE8516781
[2]AchenAJ1Areviewoffreepistonengineconcepts1SAEPa-per941176,Warrendale,USA1
[3]朱仙鼎1特种发动机原理与结构[M]1上海:
上海科学技术出版社,19981
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mpere,1998:
1518
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[7]林杰伦1内燃机工作过程数值模拟[M]1西安:
西安交通大学出版社,19861
[8]PeterAJ1Jan-Ove1Whatadifferenceaholemakes-thecommercialvalueoftheINNAShydraulictransformer[A]1In:
TheSixthScandinavianInternationalConferenceonFlu-idPower[C]1SICFP.99,TampereFinland,19991
作者简介:
陈甫(1980,男,湖北咸宁人,哈尔滨工业大学流体传动与控制实验室硕士研究生,研究方向为液压传动技术和机器人技术等。
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- 一种 新型 往复 式原动 液压泵 原理 研究