ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW (99)/ Michał Makowski, Lech Knap, Wiesław Grzesikiewicz EKSPERYMENTALNE BADANIA ELEMENTÓW NAPĘDU ELEKTRO- HYDROSTATYCZNEGO AKUMULATOR HYDROPNEUMATYCZNY. Wstęp Na początku XX w. niemalże równolegle rozwijały się układy napędowe, gdzie źródłem napędu był silnik spalinowy, parowy lub elektryczny. Cechą wspólną tych rozwiązań było zastosowanie mechanicznego układu przeniesienia momentu napędowego na koła. Rozwój techniki w zakresie rozwiązań związanych z hydrauliką siłową, umożliwił stosowanie hydraulicznych układów przeniesienia napędu oraz sterowania. Rozwiązania te pozwoliły na stosowanie w maszynach roboczych i pojazdach hydrostatycznych układów napędowych. Pod koniec lat 9-tych ubiegłego wieku szerzej zaczęto rozważać zastosowanie silnika elektrycznego zasilanego z baterii, jako źródła momentu napędowego w seryjnie produkowanych pojazdach samochodowych. Obecnie coraz więcej firm motoryzacyjnych w swojej ofercie posiada samochody za napędem elektrycznym oraz napędem hybrydowym elektrycznospalinowym. Autorzy pracy rozważają koncepcję opracowania napędu hybrydowego elektrycznohydrostatycznego szerzej przedstawionego w pracy []. W układzie takim elektryczny układ napędowy zasilany z baterii będzie wspomagany przez hydrauliczny akumulatorowy hydrostatyczny układ napędowy, który będzie w początkowej fazie ruchu pojazdu służył do rozpędzania pojazdu. Po rozpędzeniu pojazd będzie poruszał się za pomocą silnika elektrycznego. Ładowanie akumulatora hydropneumatycznego będącego częścią napędu hydraulicznego hydrostatycznego będzie odbywało się podczas hamowania, podczas którego część energii kinetycznej pojazdu będzie odzyskiwana przez układ hydrostatyczny i akumulator hydropneumatyczny. Prace związane z opracowaniem tak zbudowanego napędu hybrydowego zostały poprzedzone analizą teoretyczną opisaną w pracach [] i []. W ramach tej analizy został opracowany matematyczny model wspomnianego napędu hybrydowego pojazdu. Do przeprowadzenia badań numerycznych niezbędne było zidentyfikowanie parametrów elementów napędowych układu elektro-hydraulicznego. W niniejszej pracy przedstawione zostały badania właściwości akumulatora hydropneumatycznego stanowiącego obok pompo-silnika kluczowy element napędu hydraulicznego hydrostatycznego. Do przeprowadzenia badań eksperymentalnych zostało opracowane stanowisko badawcze, na którym zamontowano akumulator hydropneumatyczny pęcherzowy. Zapewniono możliwość pomiaru ciśnienia, wydatku objętościowego oraz zmiany objętości gazu w pęcherzu gazowym. dr Michał Makowski, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska dr Lech Knap, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska prof. dr hab. Wiesław Grzesikiewicz, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 79

2 Badania eksperymentalne posłużyły do wyznaczenia charakterystyk pracy akumulatora, jak również do wyznaczenia parametrów modelu numerycznego akumulatora. W ramach badań przeprowadzono analizę porównawczą uzyskanych wyników badań z przebiegami teoretycznymi przemian gazowych zachodzących w akumulatorze. W wyniku analiz opracowano miedzy innymi charakterystyki zmian ciśnienia gazu podczas cyklu pracy oraz zmian objętości gazu znajdującego się w akumulatorze hydropneumatycznym.. Budowa stanowiska pomiarowego Stanowisko laboratoryjne do badań właściwości akumulatora hydropneumatycznego powstało w wyniku prac, których celem jest opracowania elektryczno-hydrostatycznego układu napędowego pojazdu. Jak już wspomniano wcześniej napęd taki jest złożony z układu napędu elektrycznego oraz układu napędu hydrostatycznego, które między sobą mogą być połączone równolegle lub szeregowo. Na stanowisku pomiarowym został zamontowany hydropneumatyczny akumulator pęcherzowy firmy Italiana EPE o symbolu AS []. Na podstawie karty katalogowej przyjęto wstępnie pojemność nominalną gazu równą dm. Wstępnie gaz został sprężony w akumulatorze do ciśnienia MPa. Rys.. Blok akumulatora hydropneumatycznego: akumulator hydropneumatyczny EPE AS, przetwornik ciśnienia oleju, przepływomierz, manometr, płyta główna Na rysunku przedstawiono widok stanowiska badawczego służącego do badań akumulatorów hydropneumatycznych. Akumulator hydropneumatyczny () został zamocowany na płycie głównej (), do której zostały podłączone przewody hydrauliczne 8

3 z zaworami odcinającymi oraz zaworami dławiącymi. Pomiar ciśnienia jest rejestrowany za pomocą przetwornika ciśnienia MPXA firmy Peltron (). Czujnik ciśnienia nie został zamontowany bezpośrednio w pęcherzu gazowym akumulatora ze względów konstrukcyjnych oraz ze względów bezpieczeństwa. W związku z tym zdecydowano się na pomiar ciśnienia oleju w kanale dolotowym do akumulatora. Przyjęto wstępnie także założenie, że ciśnienia w pęcherzu gazowym i kanale dolotowym jest jednakowe lub bardzo zbliżone. Dodatkowo do bieżącej kontroli nastawy ciśnienia zastosowano manometr (). Wydatek objętościowy jest mierzony za pomocą przepływomierza do cieczy lepkich DZR firmy Kobold (). Zasilanie akumulatora hydropneumatycznego olejem hydraulicznym pod wysokim ciśnieniem do ok. MPa odbywało się za pomocą zasilacza hydraulicznego firmy Ponar Wadowice. Zasilacz hydrauliczny został połączony z płytą główną na której został zabudowany akumulatora za pomocą elastycznych przewodów. Wielkość wypływu i dopływu cieczy (oleju hydraulicznego) do akumulatora była sterowana za pomocą zaworów odcinających sterowanych ręcznie. Podczas badań powodowało to opóźnienie w stabilizacji wypływu w początkowej fazie jednak ze względu na cel i jakość wyników badań nie miało to istotnego znaczenia. Rejestracja sygnałów pomiarowych była prowadzona przy użyciu komputera klasy PC z oryginalnym oprogramowaniem PCI-EPP. Komputer pomiarowy był połączony z kartą pomiarową, do której były doprowadzone sygnały pomiarowe z czujników pomiarowych umieszczonych na stanowisku badawczym. Opracowany układ elektroniczny został wyposażony w układ wzmacniający sygnał pomiarowy z czujnika ciśnienia oraz licznik rewersyjny umożliwiający na zliczanie impulsów służących do wyznaczenie wydatku jak również umożliwiał rozróżnianie kierunku przepływu napływ i wypływ z akumulatora.. Budowa akumulatora hydropneumatycznego Schemat budowy akumulatora hydropneumatycznego EPE AS został przedstawiony na rysunku. Akumulator składa się z następujących elementów: płaszcz stalowy (), pęcherz gumowy (), zawór odcinający wypływ oleju hydraulicznego (), zawór do regulacji ciśnienia gazu (), mocowanie akumulatora z kanałem dolotowym oleju (), gaz - azot (), olej hydrauliczny (7). W trakcie pracy akumulatora podczas ładowania z zasilacza hydraulicznego do przestrzeni, w której może znajdować się olej hydrauliczny dopływa ciecz powodując sprężanie gazu znajdującego się w pęcherzu. Podczas rozładowania z przestrzeni (7) wypływa olej do zbiornika o niskim ciśnieniu aż do momentu, gdy zamknięty zostanie zawór odcinający () w wyniku rozprężenia się gazu w pęcherzu. W trakcie pracy ciśnienie w przestrzeni z olejem i ciśnienie w przestrzeni z gazem są równe. Wówczas pomiar ciśnienia oleju w kanale dolotowym, w którym znajduje się czujnik, jest prawie równy ciśnieniu gazu w pęcherzu. Założenie to jest słuszne do czasu zamknięcia zaworu odcinającego. Podczas badań wstępnych właściwości akumulatora hydropneumatycznego okazało się, że uzyskane wyniki badań nie pokrywały się z zależnościami teoretycznymi i danymi wynikającymi z dokumentacji akumulatora. Uzyskane charakterystyki prezentujące zjawiska zachodzące w pęcherzu gazowym znacznie odbiegały od przebiegów teoretycznych, co mogło sugerować, że podczas ładownia do akumulatora dopływa ciepło z otoczenia a podczas rozładowania ciepło odpływa z akumulatora. 8

4 Przeprowadzona wstępna analiza wyników sugerowała na błąd w obliczeniach objętości oleju wypływającego z akumulatora. 7 Rys.. Schemat akumulatora hydropneumatycznego EPE AS, - płaszcz stalowy, - pęcherz gumowy, - zawór odcinający, - zawór regulacji ciśnienia gazu, - mocowanie akumulatora z kanałem dolotowym, - gaz, 7 - olej hydrauliczny Rys.. Skalowanie przepływomierza podczas wyznaczania objętości akumulatora 8

5 Dlatego też w toku badań przeprowadzono dokładne skalowanie przepływomierza. Badanie polegało na napełnieniu akumulatora olejem hydraulicznym do MPa. Następnie olej hydrauliczny z akumulatora został zlany do zastępczego zbiornika, tak aby można było przeprowadzić pomiar rzeczywistej objętości (por. rysunek ). W trakcie wypływu oleju była prowadzona równocześnie rejestracja przepływomierzem celem porównania wyników otrzymanych dwoma różnymi metodami. Zmierzona objętość oleju menzurką laboratoryjną i objętość z przepływomierza różniła się o,9 %. Na tej podstawie skorygowano wartości pomiarów za pomocą przepływomierza.. Następnie przystąpiono do sprawdzenia objętości gazu znajdującego się w akumulatorze hydropneumatycznym. Porównano wymiary zewnętrzne akumulatora z wymiarami znajdującymi się w karcie katalogowej akumulatora AS []. Zidentyfikowano różnice w wymiarach A i D przedstawionych na rysunku. Na podstawie zmierzonych wymiarów akumulatora opracowano model D. W karcie katalogowej nie było podanej grubości ścianki płaszcza stalowego i grubości gumy pęcherza. Podczas analizy dokumentacji technicznej okazało się, iż identyczne wymiary akumulatora są stosowane przez firmę Rexroth. Na tej podstawie do projektowanego modelu akumulatora przyjęto grubości ścianek z dokumentacji firmy Rexroth []. Na rysunku przedstawiono odwzorowany model akumulatora hydropneumatycznego Przedstawione zostały poszczególne elementy konstrukcyjne akumulatora: - płaszcz stalowy, pęcherz gumowy, gaz (azot), - olej hydrauliczny, zawór odcinający, zawór gazu, 7 mocowanie akumulatora. 7 Rys.. Akumulator hydropneumatyczny w stanie rozprężenia model D: -płaszcz stalowy akumulatora, pęcherz gumowy, gaz (azot), - olej hydrauliczny, zawór odcinający, zawór gazu, 7 mocowanie akumulatora Opracowany model akumulatora posłużył do wyznaczenie objętości gazu znajdującego się w akumulatorze w stanie rozprężenia. Na podstawie pomiaru uzyskano wynik, dm, który znacząco różnił się od wartości podawanej w karcie katalogowej dm. Do dalszych obliczeń przyjęto objętość, dm a ciśnienie gazu MPa. 8

6 Ciśnienie [MPa]. Badania eksperymentalne akumulatora hydropneumatycznego Badania eksperymentalne właściwości akumulatora hydropneumatycznego prowadzono podczas ładowania akumulatora do MPa (ciśnienie oleju w akumulatorze) i rozładowania do ciśnienia otoczenia (w przestrzeni gazowej ciśnienie nominalne gazu). Jak już wspomniano wcześniej podczas badań rejestrowane były sygnały: ciśnienie, wydatek objętościowy i zmiana objętości gazu w czasie. Na podstawie przeprowadzonych badań sporządzono charakterystykę akumulatora. Na rysunku przedstawiono przykładowy przebieg zmian ciśnienia w funkcji objętości, na który naniesiono przebiegi teoretyczne przemiany adiabatycznej i izotermicznej. Badania zostały przeprowadzone przy wydatku objętościowym 7,7 dm /min. Przebieg eksperymentalny (p - ex) pokrywa się z przebiegiem przemiany adiabatycznej (p - adiabata). 8 p - ex p - adiabata p - izoterma,,,,, Objętość gazu [dm^] Rys.. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego podczas ładowania ciśnienia MPa, p ex przebieg eksperymentalny, p adiabata przebieg przemiany adiabatycznej, p izoterma przebieg przemiany izotermicznej Na rysunku przedstawiono charakterystykę akumulatora podczas rozładowania przy wydatku objętościowym dm /min. Celem uniknięcia wpływu zmiany temperatury związanej z wymianą ciepła z otoczeniem, badanie to przeprowadzono po h, w tym czasie zaszła przemiana izochoryczna. Przebieg eksperymentalny (p - ex) podczas rozładowania pokrywa się z przemianą adiabatyczną (p - adiabata). Na wykresie przedstawiono również przemianę izotermiczną (p - izoterma). Badanie podczas ładowania i rozładowania akumulatora pokrywa się z przemianą adiabatyczną, na tej podstawie można stwierdzić, że przemiana zaszła bez wymiany ciepła z otoczeniem. Przeprowadzone badania posłużyły do opracowania charakterystyki całego cyklu ładowania i rozładowania akumulatora, która została przedstawiona na rysunku 7. Na wykresie została zaznaczona przemiana izochoryczna (p - izochora) oraz przemiana izotermiczna (p - izoterma). Końcowy punkt przemiany izotermicznej i izochorycznej pokrywają się. 8

7 Ciśnienie [MPa] Ciśnienie [MPa] 9 p - ex 8 p - adiabata 7 p - izoterma,,,,, Objętość gazu [dm^] Rys.. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego podczas rozładowania od ciśnienia 8, MPa, p ex przebieg eksperymentalny, p adiabata przebieg przemiany adiabatycznej, p izoterma przebieg przemiany izotermicznej p-ex p-izoterma p-izochora 8,,,,, Objętość gazu [dm^] Rys. 7. Charakterystyka cyklu pracy akumulatora hydropneumatycznego podczas ładowania i rozładowania z przemianą izochoryczną, p ex przebieg eksperymentalny, p izoterma przebieg przemiany izotermicznej, p izochora przebieg przemiany izochrycznej Przeprowadzone zostały także badania przy bardzo wolnym napływie i wypływie oleju z akumulatora. Na rysunku 8 przedstawiono przebieg zmian ciśnienia w funkcji objętości przy maksymalnym wydatku objętościowym, dm /min. Akumulator został napełniony do ciśnienia, MPa a czas ładowania wynosił 8 s. Przeprowadzono 8

8 aproksymację (p - aproksymacja) przebiegu eksperymentalnego (p - ex) na podstawie wyznaczonego wykładnika przemiany politropowej n =,. Ciśnienie [MPa] 8 p - ex p - adiabata p - izoterma p - aproksymacja 8,,,,, Objętość gazu [dm^] Rys. 8. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego podczas ładowania ciśnienia, MPa przy max. wydatku objętościowym, dm/min, p ex przebieg eksperymentalny, p adiabata przebieg przemiany adiabatycznej, p izoterma przebieg przemiany izotermicznej, p - aproksymacja p - ex Ciśnienie [MPa] p - adiabata 8 p - izoterma p - aproksymacja,,,,, Objętość gazu [dm^/s] Rys. 9. Charakterystyka akumulatora hydropneumatycznego podczas rozładowania przy max. wydatku objętościowym dm/min, p ex przebieg eksperymentalny, p adiabata przebieg przemiany adiabatycznej, p izoterma przebieg przemiany izotermicznej 8

9 Na rysunku 9 przedstawiono przebieg zmian ciśnienia przy bardzo wolnym wypływie oleju z akumulatora, który wynosił maksymalnie dm /min w czasie s. Początkowe ciśnienie wynosiło, MPa, które ustaliło się w wyniku przemiany izochorycznej po h przerwy w pracy akumulatora. Przeprowadzono aproksymację przebiegu eksperymentalnego i wyznaczony został wykładnik przemiany politropowej n =,. Podczas badań eksperymentalnych prowadzonych przy dużym wydatku ok. 7 dm /min, gdy akumulator był ładowany do ciśnienia MPa, następuje spadek ciśnienia o, MPa w czasie ok h. Natomiast podczas badań wykonanych przy max. wydatku ładowania, dm /min, gdzie akumulator był ładowany do ciśnienia, MPa spadek ciśnienia wynosi, MPa w czasie h. Zmiana ciśnienia następuje podczas przemiany izochorycznej w gazie znajdującym się w pęcherzu akumulatora.. Zakończenie W pracy przedstawione zostały wyniki badań doświadczalnych właściwości akumulatora hydropneumatycznego. Badania te zostały przeprowadzone na opracowanym stanowisku pomiarowym. Na podstawie badań wstępnych przeprowadzona została weryfikacja przyjętych założeń dotyczących parametrów akumulatora hydraulicznego. W wyniku prac projektowych opracowany został model D akumulatora i na tej podstawie wyznaczono jego objętość. Uzyskane wyniki badań potwierdziły założoną tezę, iż przy krótkim czasie wypływu oleju hydraulicznego z akumulatora przebieg zmian ciśnienia gazu znajdującego się w pęcherzu gazowym jest zbliżony do przemiany adiabatycznej. Podczas trwania tego procesu wymiana ciepła z otoczeniem zachodzi w niewielkim zakresie. Natomiast w czasie bardzo długiego wypływu oleju hydraulicznego z akumulatora przebiegi eksperymentalne są położone pomiędzy przebiegiem przemiany adiabatycznej i izotermicznej. W trakcie badań nie uzyskano przebiegu zbliżonego do przemiany izotermicznej ze względu na trudności z utrzymaniem stałej temperatury gazu z pęcherzu akumulatora. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-//B/ST8/8. Literatura: [] Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M.: Matematyczny model napędu elektryczno-hydrostatycznego. TTS Technika Transportu Szynowego, EMI- PRESS,. [] Knap L., Makowski M., Grzesikiewicz W.: Badania doświadczalne właściwości akumulatora hydropneumatycznego. Logistyka /. [] Krasucki J, Rostkowski A. Projektowanie hybrydowych elektrohydraulicznych układów napędowych. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji Państwowego Instytutu Badawczego. Radom.. [] Materiały handlowe firmy Ponar Wadowice dotyczące akumulatorów pęcherzowych firmy EPE Italiana dostępne.. na stronie internetowej pod adresem internetowym [] Materiały firmy Rexroth, dokumentacja techniczna akumulatora hydropneumatycznego - udostępniona przez firmę. 87

10 Streszczenie Praca została poświęcona prezentacji wyników badań eksperymentalnych wybranych elementów hybrydowego układu napędowego pojazdu. Rozważany układ napędowy składa się z napędu elektrycznego, który jest wspomagany akumulatorowym napędem hydrostatycznym. W pracy skoncentrowano się na prezentacji wyniki badań eksperymentalnych wybranego podzespołu napędu hydrostatycznego, jakim jest akumulator hydropneumatyczny. Prezentowane w pracy wyniki badań doświadczalnych dotyczyły identyfikacji rzeczywistych właściwości akumulatorów hydropneumatycznych oraz wyznaczenia ich charakterystyk podczas całego cyklu pracy. Przedstawione zostały badania służące identyfikacji parametrów akumulatora. Uzyskane wyniki badań doświadczalnych zostały porównane z przebiegami teoretycznymi. Badania właściwości akumulatora hydropneumatycznego zostały przeprowadzone celem identyfikacji parametrów wybranych elementów hybrydowego układu napędowego pojazdu. Na podstawie opracowanego matematycznego modelu układu napędowego pojazdu powstanie model numeryczny służący do badań pojazdu w wybranych sytuacjach drogowych. Słowa kluczowe: hybryda elektro-hydrauliczna, akumulator hydropneumatyczny, badania eksperymentalne, objętość gazu; EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF COMPONENTS OF A HYDRO- PNEUMATIC ACCUMULATOR Abstract In this paper a battery-electric drive supported by a hydrostatic drive is considered. Such a drive can be employed for accelerating or breaking a vehicle. One of the main components of such drive system is hydro-pneumatic accumulator. In this paper results of experimental investigations of the hydro-pneumatic accumulator are presented. The presented experimental results are related to the identification of the properties of hydro-pneumatic accumulator and the determination of its characteristics during charging and discharging. The experimental results are compared with theoretical values. The analysis of the hydraulic accumulator will be used to propose a model of the drive in the form of an electro-hydrostatic-mechanical structure. That structure will be used in preliminary numerical studies of energy transmission and conversion processes during different stages of the vehicle movements. Keywords: electro-hydraulic hybrid, hydro-pneumatic accumulator, experimental research, gas volume; 88