基于功率回流原理的储能弹射装置及储能弹射方法

技术领域

发明涉及储能弹射技术领域，具体涉及一种基于功率回流原理的储能弹射装置及储能弹射方法。

背景技术

在部分能量转化系统中，往往通过高功率动力源得到较高的初速度，而高功率动力源在实际使用过程中又具有体积大以及重量高的问题，容易受环境因素的影响。

为解决上述问题，在储能弹射装置中往往使用相对体积较小以及重量较低的储能装置来替代高功率动力源。储能弹射装置包括储能装置与弹射释放装置，其中，储能装置可以将相对较低的功率输入存储起来，并且能够在需要的时候在短时间内输出较大的功率。弹射释放装置可以使被弹射物以更加合理、可控的加速度输出功率，从而减少对弹射物结构强度的要求。

相对体积小以及重量低的储能装置一般采用超高转速的惯量飞轮储能、液压储能以及弹簧储能，其中，超高转速的惯量飞轮储能方式是一种依靠扭矩增长提高存储功率的储能方式，其的安全性以及工艺性均有待提高。液压储能和弹簧储能方式的能量释放速率可控性还有待提高。而弹射释放装置一般采用电磁和蒸汽等弹射方式，这些弹射方式的装置均具有体积庞大、能量利用率小、能量释放速度率不可控等缺点。

发明内容

有鉴于此，发明提供一种基于功率回流原理的储能弹射装置，旨在提供一种功率体积比大、能量释放速率可控的储能弹射装置。

为实现上述目的，发明技术方案如下：

一种基于功率回流原理的储能弹射装置，包括储能系统和弹射系统，其特征在于：所述储能系统包括转动轴以及动力衔接在转动轴两端的动力源电机和液压马达，所述液压马达配置有与其连通的液压泵，所述液压泵与液压马达之间的排量比能够进行调节；所述转动轴上装配有前排行星齿轮组，所述液压泵动力衔接有后排行星齿轮组，所述前排行星齿轮组与后排行星齿轮组之间通过传动轴动力连接，所述动力源电机的输出动力能够经转动轴→前排行星齿轮组→后排行星齿轮组→液压泵→液压马达回传至转动轴；所述后排行星齿轮组功率输出端与弹射系统功率输入端动力衔接，所述弹射系统用于释放储能系统存储的能量。

采用上述结构，基于行星齿轮组具备功率分流和汇流的特征，在动力源电机与液压马达之间构建功率回流传递路径，使动力源电机的输出动力能够经转动轴→前排行星齿轮组→后排行星齿轮组→液压泵→液压马达回传至转动轴，利用回流功率累积的原理，将动力源电机输出的低功率不断累积。当累积储存的功率满足要求时，再通过前排行星齿轮组和后排行星齿轮组配合将储存的功率输出到弹射系统中去。

作为优选：所述前排行星齿轮组包括前排齿圈以及固套在转动轴上的前排太阳轮，所述前排太阳轮和前排齿圈之间布置有前排行星轮，所述前排齿圈固定安装，所述传动轴一端固装在前排行星轮上。采用上述结构，功率经转动轴依次传递到前排太阳轮→前排行星轮上，然后通过传动轴传递到后排行星齿轮组上。

作为优选：所述后排行星齿轮组包括后排齿圈以及动力衔接在液压泵上的后排太阳轮，所述后排太阳轮和后排齿圈之间布置有后排行星轮，所述后排齿圈与弹射系统动力输入端动力衔接，所述传动轴远离前排行星轮的一端固装在后排行星轮上；所述后排太阳轮转动套装在转动轴上。采用上述结构，功率经传动轴传递到后排行星轮上，会分别分流至后排齿圈和后排太阳轮上，传递到后排太阳轮上的功率会输送至液压泵上。若后排齿圈无法转动，动力源电机输出功率会不断汇流累积。

作为优选：所述弹射系统包括导轨以及滚筒装置，所述导轨上套装有可前后滑动的推杆，所述导轨起点设置有制动器，所述滚筒装置通过钢索拉动推杆移动，所述滚筒装置通过后排齿圈驱动。采用上述结构，打开制动器后，储能系统内累积的功率会通过后排齿圈释放，后排齿圈带动滚筒装置进行转动，快速收紧钢索，给推杆拉力，使推杆沿着导轨滑动。

作为优选：所述液压泵为变量液压泵，所述变量液压泵通过液压油管与液压马达相互连通。采用上述结构，输入变量液压泵的功率将变量液压泵内的油加压后通过液压油管送入液压马达内。

作为优选：所述弹射系统上固设有导向滑轮，所述导向滑轮用于改变钢索的方向。采用上述结构，能够增加钢索的布置方向，增加设计灵活性。

本发明还提供了一种权利要求1至6任一项所述基于功率回流原理的储能弹射装置所实施的储能弹射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将推杆恢复为起始位置，并关闭制动器锁死推杆；

S2：调节液压泵与液压马达的初始排量比，使液压马达的输出转速与动力源电机的输出转速相等；

S3：开启动力源电机进行储能，直到储能达到要求；

S4：调节液压泵与液压马达的排量比，使后排齿圈输出功率达到要求；

S5：松开制动器进行能量释放。

采用上述方法，能对动力源电机输出的功率进行累积，直到储能系统内累积的功率达到要求，在短时间内通过后排齿圈输出累积的全部功率，且能通过液压泵与液压马达的排量比控制能量释放速率。

作为优选：动力源电机储能过程中处于恒转速控制状态，由于步骤S2中动力源电机输入转速与液压马达的输出相等，因此要确保如下公式满足：

其中：

k

k

ε

采用上述方法，确保了输入功率与回流功率在前排行星齿轮组的前排太阳轮处实现功率合成。

作为优选：在功率储存阶段，根据行星齿轮组传动原理可知如下公式：

n

其中：

n

n

n

采用上述方法，可以得到功率储存阶段，行星齿轮组中个齿轮的参数

作为优选：根据储能系统(1a)结构可得以下公式：

n

其中：

ε—液压泵(3)与液压马达(2)的排量比。

与现有技术相比，发明的有益效果是：

储能系统通过前排行星齿轮组和后排行星齿轮组在动力源电机与液压马达之间构建功率回流传递路径，其中，液压马达与液压泵联通，动力源电机输出的功率依次经过转动轴→前排行星齿轮组→后排行星齿轮组→液压泵、液压马达，最后再次回传至转动轴上，与动力源电机输出的功率累积进行储能。储能完成后，可通过调节液压泵与液压马达之间的排量比来控制能量释放速率，将累积储能的功率可控的释放到弹射系统上。使得该基于功率回流原理的储能弹射装置具有功率体积比大和能量释放速率可控的优势。

附图说明

图1为基于功率回流原理的储能弹射装置的结构示意图(仅展示行星齿轮组运行原理)；

图2为储能系统1a的功率累积流向示意图(仅展示行星齿轮组运行原理)；

图3为储能系统1a的功率释放流向示意图(仅展示行星齿轮组运行原理)；

图4为弹射系统2a的结构示意图；

图5为基于功率回流原理的储能弹射装置所实施的储能弹射方法的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对发明作进一步说明。

实施例一

如图1和图4所示，一种基于功率回流原理的储能弹射装置，包括储能系统1a和弹射系统2a，储能系统1a包括固定安装在外侧的壳体5、转动轴6以及动力衔接在转动轴6两端的动力源电机1和液压马达2，液压马达2配置有液压泵3，液压泵3通过液压油管与液压马达2相互连通，可以通过调节液压泵3与液压马达2之间的排量比来控制液压马达2的输出转速。在本实施例中液压泵3为变量液压泵，变量液压泵和液压马达2均为现有技术，此处不再赘述。转动轴6上装配有前排行星齿轮组b1，液压泵3上动力衔接有后排行星齿轮组b2，前排行星齿轮组b1与后排行星齿轮组b2之间通过传动轴4进行动力连接，且通过前排行星齿轮组b1与后排行星齿轮组b2构成功率回流路径：动力源电机1的输出动力能够经转动轴6→前排行星齿轮组b1→后排行星齿轮组b2→液压泵3→液压马达2回传至转动轴6。后排行星齿轮组b2功率输出端与弹射系统2a功率输入端动力衔接，弹射系统2a用于释放储能系统1a存储的能量。

基于以上设计，当弹射系统2a功率输入端锁死，动力源电机1产生的功率依次通过转动轴6→前排行星齿轮组b1→传动轴4→后排行星齿轮组b2→液压泵3→液压马达2，然后回传至转动轴6上与动力源电机1产生的功率汇流，由此构成功率回流传递路径，使得动力源电机1产生的功率可以进行持续累积。当弹射系统2a功率输入端放开时，储能系统1a中累积的功率可以通过后排行星齿轮组b2的功率输出端释放到弹射系统2a中去，且能通过调节液压泵3与液压马达2之间的排量比来控制能量释放速率。

如图1、图2和图3所示，前排行星齿轮组b1包括固套在转动轴6上的前排太阳轮b11以及前排齿圈b12，前排太阳轮b11和前排齿圈b12之间布置有相互啮合的前排行星轮b13，前排齿圈b12通过花键锁止在壳体5上。后排行星齿轮组b2包括动力衔接在液压泵3上的后排太阳轮b21以及后排齿圈b22，后排太阳轮b21和后排齿圈b22之间啮合设置有相互配合的后排行星轮b23，后排齿圈b22与弹射系统2a动力输入端动力衔接，前排行星轮b13和后排行星轮b23分别固装在传动轴4两端，后排太阳轮b21转动套装在转动轴6上。基于以上设计，若后排齿圈b22不能转动，转动轴6上的功率依次传递到前排太阳轮b11→前排行星轮b13→传动轴4→后排行星轮b23→后排太阳轮b21→液压泵3→液压马达2，然后再回传至转动轴6上建立回流路径，实现功率回流累积。若后排齿圈b22可以转动，则传递的功率会在后排行星轮b23进行分流，传递到后排行星轮b23上的部分功率会依次传递至后排齿圈b22，最后传递至弹射系统2a；传递到后排行星轮b23上的另一部分功率会依次传递至后排太阳轮b21→液压泵3→液压马达2，然后再回传至转动轴6。

如图4所示，弹射系统2a包括导轨21a以及滚筒装置24a，导轨21a上套装有可前后滑动的推杆22a，导轨21a起点设置有制动器23a，滚筒装置24a通过钢索25a拉动推杆22a移动，滚筒装置24a通过后排齿圈b22驱动，后排齿圈b22通过法兰盘与滚筒装置24a连接，使得后排齿圈b22的转动能同步带动滚筒装置24a转动。弹射系统2a上固设有导向滑轮26a，导向滑轮26a用于改变钢索25a的方向，能够增加钢索25a的布置方向，增加设计灵活性。基于以上设计，打开制动器23a，使储能系统1a能释放能量，后排齿圈b22转动同步带动滚筒装置24a转动，钢索25a被收紧，拉动推杆22a进行滑动，推杆22a用于带动弹射物27a。

实施例二

如图5所示，一种基于实施例一所述基于功率回流原理的储能弹射装置所实施的储能弹射方法，其方法如下：

S1：将推杆22a恢复为起始位置，并关闭制动器23a锁死推杆22a；

S2：调节液压泵3与液压马达2的排量比，动力源电机1输入转速n

S3：开启动力源电机1进行储能，直到储能达到要求；

S4：调节液压泵3与液压马达2的排量比，使液压马达2的输出转速满足要求，进而使后排齿圈b22的输出功率达到要求；

S5：松开制动器23a进行能量释放。

基于以上方法，能对动力源电机1输出的功率进行持续累积，直到储能系统1a内累积的功率达到要求，在短时间内通过后排齿圈b22输出累积的全部功率，且能通过液压泵3与液压马达2的排量比控制能量释放速率。

在具体实施中，步骤S3包括：为了实现能量存储，动力源电机1在储能过程中处于恒转速控制状态，由于步骤S2中动力源电机1输入转速n

其中：

k

k

ε

进一步的，在功率传递过程中，如果输入的功率大于整个储能系统1a因摩擦产生的损耗功率，则储能系统1a内部的累积功率就会快速地叠加上升，直至输入功率等于损耗功率那一刻，累积功率达到最大值。同时，因动力源电机1处于恒转速控制状态，由此跟随回流功率的快速上升而导致后排齿圈b22的输出扭矩快速上升。但因为弹射系统2a锁死的限制，使整个储能系统1a输出转速为零，处于功率存储阶段。

在功率储存阶段，请参图2，行星齿轮组传动原理可知如下公式：

n

其中：

n

n

n

同时，请参图2，根据储能系统1a结构可得以下公式：

n

其中：

ε—液压泵3与液压马达2的排量比。

根据行星齿轮组传动原理得出的公式和储能系统1a结构得出的公式可知：请参图3，当后排行星齿轮组b2与动力源电机1的转速n

最后需要说明的是，上述描述仅仅为发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在发明的启示下，在不违背发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入发明的保护范围之内。