集成式能量回收车辆制动装置产品设计

摘要:介绍了一种新型的安装在火车上的能量回收式的制动系统的工作原理,针对整套系统进行了具体的设计。该系统解决了现有火车的制动系统工作时只能消耗能量而不能把能量回收和重复利用的难题。

关键词:能量;回收;火车制动;制动系统

中图分类号:U463.5

文献标识码:B

文章编号:1674-9944(2010)07-0193-03

1 引言

以火车、汽车为代表的车辆运输业是国民经济的基础行业,其运输效益的优劣对国民经济的正常运行有着举足轻重的影响。高速、快捷、大吨位、低成本运输已成为车辆运输的主流。随之而来对车辆的安全性、可靠性提出的要求也越来越高。工作可靠、动作灵敏、性能优良的制动装置是实现上述工作要求的根本保证。尽管目前正在使用的车辆制动装置的品种繁多,形式多样,如机械式、液压式、气动式、气-液混合式等,但就制动工作原理来讲则完全相同,即都是利用制动装置工作时产生摩擦热的方式来逐渐消耗车辆所具有的动能,以达到车辆减速制动的目的。当车辆制动装置采用上述方式工作时,将会存在如下缺点。

(1)制动过程中不能将车辆行驶时所具有的能量(动能)回收,而是将这部分动能通过车轮与路面、制动装置与刹车毂之间的相互摩擦转换成热能的形式损失掉了,因而制动装置增加了车辆行驶过程中的功率损失,降低了车辆的功率利用率。

(2)在路况较复杂的情况下,行驶的车辆往往需要长时间的频繁制动,或连续较长时间的制动,因而在有关的制动副表面将会产生大量热量,使制动装置的摩擦副表面温度急剧升高,这将导致制动装置的制动效果明显减弱,甚至失效,使车辆行驶的安全性大大降低。在这种情况下常常采用往制动装置的磨擦副表面注入冷却水的方法来减少温升。

(3)由于车辆行驶过程中制动装置的频繁工作,加剧了车轮的磨损和制动装置中摩擦片的磨损,因而需要经常更换车轮和刹车片,由此增加了车辆的维修保养费用。

2 系统总体方案设计

2.1 火车制动系统分析

本系统的作用是将行使中的车辆的动能转化成液压能,并且在车辆再次启动的时候将能量返还给车辆。车辆的动能就必须经过机械传输到液压系统中去,在车辆再次启动时,也必须通过机械传输把液压系统的液压能传输到车轮轴上去,从而转化为车辆的动能。故选用传动功率大,传动平稳,具有吸振作用且过载时还具有保护作用的带传动作为机械传输方式。利用带传动这一机械传输方式,把车辆的动能转化成了机械能。而能量转化成机械能后,还必须有转换装置把机械能转换成液压能最终封存起来。液压泵就是一个很理想的机械与液压能的转换装置,因此选用液压泵与机械传动装置连接,将机械能转换成液压能。由于能量转换成液压能后,不是立刻返还给车辆,而是经过一段时间,车辆再次启动的时候才能形成能量返还,所以选用蓄能器将能量封存起来,在车辆启动时释放。由于火车车厢很多,设计系统时还必须考虑系统装在火车后的远程控制问题。

2.2 制定系统设计

经过上述分析及了解了火车结构和原来的制动系统后,制定系统原理图的基本设计方案如图1。

图1中车轮轴、皮带轮、皮带,传动轴,气液两用离合器组成系统的机械传动部分,液压泵、顺序阀、气动换向阀、溢流阀,单向阀、蓄能器、压力表等组成系统的液压部分。其工作原理为当火车开始制动时,气液两用离合器受到来自车辆原制动分配阀的压力气体的作用转换成接合状态,在通过皮带和传动轴与液压泵两在一起,实现启动液压系统工作,开始吸收车辆动能。液压油经过单向阀、液压泵、顺序阀(用于调节液压泵的出口压力,即调节系统的制动力)进入蓄能器。气动换向阀处于左位,使液压油不能通过换向阀,而只能进入蓄能器。当液压油的压力超过了蓄能器的额定压力容量时,作为安全阀的溢流阀打开,起过载保护作用。当车辆再次启动时,气动换向阀连接着的气体分配阀打开,换向阀受到高压气体的作用处于工作状态,使得高压液压油从蓄能器经过换向阀进入液压泵和气液两用离合器,离合器在受到压力油的作用后处于接合状态,液压泵通过系统的机械传动装置与车轮轴再次连接在一起,从而实现了液压能以机械能的形式返还给车辆,用来增加车辆的动能。当液压油压力很低时,由于离合器的弹簧回复力的作用,离合器自动分开,实现车轮轴与液压泵的自动脱离。

图1 能量回收式制动系统原理图

注:1.蓄能器 2.压力表 3.溢流阀 4.油箱 5.气动换向阀

6.顺序阀 7.液压泵 8.单向阀 9.火车轮轴 10.皮带轮1

11.皮带 12.皮带轮2 13.气液两用离合器 14 .传动轴

2.3 机械传动部分设计

2.3.1 带传动的设计

按照装在自身重为22.4t,载重为62t的运货火车上,开始制动车时速为60km/h,制动时间为2min,制动距离为1000m的标准进行设计,经计算火车所需要的制动力为1172N,火车刚开始制动时具有的动能1.17×108J,系统在这工程中传递的功率为98kW,火车的动能相当大,而制动时间不长,因此本系统传递的功率相当大,且要求结构紧凑,所以选用摩擦力大,能传递大功率的联组窄V带传动,选用联组窄V带还可以较好的解决多跟V带长短不一而使受力不均匀的问题。

2.3.2 传动轴的设计

本系统的传动轴是把火车的动力通过离合器传送到液压泵的轴上,因此轴受到较大的扭矩,虽然有离合器和皮带轮悬挂在轴上,轴受到一定的弯矩,但与扭矩相比很小,所以轴的设计不考虑弯矩,只从扭矩方面考虑。由于轴全动的载荷相当大,且火车行驶路线较长,轴需要经常在恶劣的天气下工作,顾采用材料为 。由于装在传动轴上的气液两用离合器的采用轴配流技术,传动轴内需要装配配流轴,还要做配流槽,装配流轴的部分结构比较复杂,顾轴的毛坯形式采用铸件。

由于轴所受到的弯矩比转矩小很多,顾轴的计算只考虑转矩,所以轴径的大小为:

d≥A3pnk=98×398410×1.07=65.07mm,

考虑到轴上有键槽以及装配流轴的一部分是空心的,顾选取轴的直径为d=80mm。

2.3.3 气液两用离合器的设计

离合器的类型为湿式多片离合器,摩擦副的材料选用贴合性好、导热性好的10号钢并进行渗碳淬火处理。离合器摩擦副与轴选用的是花键连接的方式,轴做成是花键轴,大径是78mm,摩擦副与离合器的外壳连接也是采用花键连接的方式。

2.4 液压部分的设计

由于系统在火车制动和启动的两个工作过程是一个互逆的过程,液压部分的执行元件在火车制动时是起液压泵的作用,而在火车启动时却是起一个液压马达的作用。因此,本系统对液压泵―马达的互逆性要求相当高,选用液压系统的执行元件为A2F系列斜轴式定量液压泵―马达。此系列是目前国内外较先进的液压元件,国外的相同型号、规格的产品与国产的能完全互换,是一种互换性能极高的可逆定量泵―马达,且作为泵与马达的工作过程是一个完全互逆的过程。再配以不同的配流盘和后盖,可以满足各种液压系统的需要。

由于火车车体很长,车厢数目很多,所以要求换向阀必须便于远程控制,理论上选择电磁换向阀是很合适的,但由于火车行使路线途径的地方天气、环境差异很大,而且经常是在恶劣的环境下工作,而电磁换向阀不能满足这个要求(如电磁换向阀正常工作的温度是-5℃以上,海拔4000m以下),再加上从经济性的角度考虑(尽可能的利用火车系统原有的设备),所以自行设计一两位两通的换向阀,压力控制气体接原制动系统里的高压气体。

3 结语

火车的结构较大,可以选取容量较大的蓄能器,在选取系统的蓄能器的时候是按照理论上把火车的全部动能转化成液压能所需压力油的总体积计算的,因此,除掉机械传动系统的摩擦损失及液压系统的损失外,系统理论上可以把火车制动前的能量全部回收。因此系统的实际效率应该等于机械传动部分的效率与液压系统的效率的积,故系统的实际效率为η总=η机械×η液压≈80%×75%≈60%,火车要实现准停位置的时候,还必须要原来的制动系统配合使用,故这里也要损失掉一部分能量,所以按照估算,系统的实际效率应该在50%左右。

参考文献:

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[2] 向存吴.液压与气压传动[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

[3] 廖念钊.互换性与测量技术[M].北京:中国计量出版社,2001.

[4] 张世亮.能量回收式车辆制动装置的研究[J].节能,1999(1):3~6.

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