机电液综合实验设计海浪发电

目录  第一章  液压系统的设计方案  . 1 言  . 1 知条件  . 1 计目的  . 1 计过程  . 2 终材料  . 2 定液压系统原理图  . 2 压结构示意图  . 2 压原理图  . 3 第二章  液压系统元件的选择  . 5 压马达的选择  . 5 达的工作压力的确定  . 5 达的流量确定  . 5 择液压马达的规格  . 6 电机的选择  . 6 2. 3 蓄能器的选择  . 7 能器容积的计算  . 7 能器的选型  . 8 2. 4 其他  . 8 管  . 9 压阀  . 9 总  . 11 力继电器及两种传感器的控制  . 12 ，现在要求开发一套液压式波浪能发电系统，具体基本示意图见图 1 图 1能装置示意及基本参数  知条件  = =3s；  = P=5计工作压力 P=5 计目的  本设计为近岸液压浮子式海上波浪能发电装置，浮子式波浪能搜集装置在吸收波浪能后通过液压缸输出高压的液压油，液压油通过管道输送至液压马达做功， 用液压马达驱动发电机工作发电，液压马达要求工作平稳，转速平稳，发电频率稳定。设计过程采用蓄能器稳压、输出采用减压阀稳压。 该平台的重要设备发电机、液压马达、发电机等处于平台密室内，可保证其能抵御台风，降低盐雾侵扰；对于浮子装置，当遭遇台风侵袭时，通过液压支杆将浮筒抬离水面进行保护；平台的主要设备有波浪能转换部分、发电机，每一部分的设计尽量结构简单、可靠。（ 3）浮筒为装置的唯一浸水部分，可降低海水腐蚀带来的影响。海浪能转换部分均经过优化设计，运行实效性高。   2 计过程      确定  压油缸的主要零部件设计  终材料  计和 相关的 计算说明 书  括液压缸缸体链接转动机构、缸头链接球轴承结构  塞，前后端盖，链接头、铰链零件等图纸  定液压系统原理图  压结构示意图  根据动作要求和提供的元件，设计液压传动系统如图 1示。  图 1压系统原理 示意 图  平台分为上下两层，上层是主要承重层，承载着整个机组的大部分设备，包括液压油储能器发电机、控制系统等。由于整个平台处于海上，为了防止平台上的重要设备受到强风或 3 盐雾的侵扰，特别将发电机、液压马达等装置置于一个密室内。平台下层为支撑浮子及液压装置的支架，是由几个 “工 ”字型钢架组成的支承结构。平台布置双排圆柱式浮子，浮子通过支杆与 “工 ”字型钢梁铰接，支杆的另一端连接着液压缸的活塞杆。活塞杆通过浮子的上下摆动驱动液压缸做功，输出的高压油汇集后送至平台上层的液压马达，推动液压马达做功。  在海上发电平台的两侧布置两排浮子，每排可以有多个浮子。单个浮子通过浮子臂与单个液压缸连接，全部浮子共用一个液压系统。当浮子在垂直波浪力的作用下向上运动时，通过浮子臂绕着杠杆支点作用下，牵引液压缸活塞运动，液压缸内的液压油被排出；多个液压缸内排出的液压油全部汇集到同一根高压油管中，高压液压油首先输送到一个储能器中，经过缓冲调和之后流往液压马达，推动液压马达旋转做功；做完功的液压油通过一根回油管回流至液压缸，形成一个完整的循环。海上波浪的起伏运动具有丰富的动能与势能，可以将这些能量传递给漂浮在海面上的浮子，转变 为浮子上下起伏的动能与势能。浮子臂衔接浮子和液压缸活塞杆，将浮子从波浪中所吸收的能量传递给液压缸活塞杆，从而推动活塞运动挤压液压油，具有液压能的高压液压油通过油管进入液压马达，使得液压能转化为液压马达转动的动能。  压原理图  根据拟定好的液压结构示意图，设计出液压原理图，如图 1 1压原理图  1- 液压缸   2 3 4 5 2- 6 通电磁换向阀   7 8 9  3- 10 11 12 13 4 通过海水对浮标的作用，以及杠杆的作用，将浮子的上下移动转化为液压缸 1 的进油和回油动作，当波浪上升时，液压缸上腔的压力逐渐增大，当达到指定压力时，液压缸开始下行，由于油路中存在漏油现象，所以需要 补油邮箱 13 进行补油，此时上边的两个单向阀打开，开始向储能器中充油，当储能器中的油液压力达到预定的设定值时，此时压力继电器 3发出电信号，使得二位四通电磁换向阀得电，此时油液从储能器和油路系统一起供油，通过减压阀 7，使压力保持恒定，之后经过调速阀，使得流量保持恒定，但是调速阀存在一定的压力损失，所以减压阀的设定值要比液压马达高 右，然后选择合适的发电机给电池充电；当波浪下降时，液压缸的压力开始下降，当达到指定压力时，液压缸开始上升，此时单向阀关闭，油路不通，此时储能器单独向油路供油，当储能器中压力降到设定压力以下时，压力继电器发出信号，电磁换向阀 6 失电，此时通向液压马达的油路不通，所以电池停止充电。根波浪的变化，电池进行间歇式充电。   5 第二章  液压系统元件的选择  根据之前拟定的 液压结构图和液压原理图，选择主要元器件。本装置主要由液压马达、蓄能器、发电机、液压阀等元件组成，根据系统使用要求，选出所需的型号。  压马达的选择  液压马达是将液压能转化为机械能的转换装置，在液压系统中作为执行元件使用。液压马达将来自液压缸输入的液压能转变成旋转运动的机械能，获得输出轴上的转速和转矩。   液压马达主要分高速液压马达、低速液压马达和摆动液压马达。通过对脉动率、启动效率、最低稳定转速三个方面的比较，可以发现多作用内曲线马达的综合性能最好。同时根据计算所得到的液压油量和压力，选择合适的液压马 达。  达的工作压力的确定  考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以马达的工作压力为 : = 1 +                       (2 式中 ：  液压马达最大工作压力；  1执行元件最大工作压力；  进油管路中的压力损失，本设计中 = p=(5+=式中计算所得的 是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储备量，并确保马达的寿命，因此选马达的额定压力 ，应满足 (。中低压系统去小值，高压系统取大值。在本设计中   = = 方便计算取 10 马达的流量确定  液压马达的最大流量应为：   6 ()                       (2式中： 液压马达的最大流量；  ()同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。  系统泄露系数， = = () = 0;5 = 0;4m3/s 择液压马达的规格  根据算得的 和 ，选用 限压式变量叶片马达，该马达的基本参数为：每转排量 0=20ml/r，马达的额定压力 0速 n=302r/积效率 =效率 =  表 2达 铭牌参数  型号  额定压力（  转速 (r/排量  (ml/r) 效率  (%) 0 302 20 90 电机的选择  本文设计的海洋波浪能发电装置通过第二级转换系统把波浪能转换成机械能，再通过第三级输出系统转换成电能。在把机械能转换成电能的过程中，发电机是第三级输出系统的核心部件，发电机不仅仅直接影响整个第三级输出系统的性能、效率和输出电能的质量，同时也关系到第二级转换系统的工作方式、部件结构和工作效率。目前波浪能发电装置上使用的发电机一般都采用的是通用的小型三相交流发电机，这种发电机并不完全适用在波浪发电装置上使用。现阶段运用风能发电的风力发电机的研究已经相对成熟，市场上已有许多相关产品。风能和波浪能在一定程度上具有相似 之处，风能也是随时随地变化，具有随机性，因此运用波浪能发电的发电机的选择可以借鉴风力发电机。本文设计的发电装置是一台独立工作的装置，并且输出电功率不需要很大，因此选用独立运行的发电机。独立运行的发电机通常容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续输出。通过控制发电机的励磁、转速和功率变换器可以产生恒定电压的直流电或者恒定电压和恒定频率的交流电。根据上述发电机的分类和特点，本文设计的海洋波浪能发电装置初步选用的发电机类型为独立 7 运行的直流发电机。  结合本文设计的海洋波浪能发电装置的工作要求，选择 直流发电机中的永磁式直流发电机作为海洋波浪能发电装置中所选用的发电机。  根据前文确定的发电机的额定转速 360且根据输出功率，选择发电机型号  确定选择的发电机型号的铭牌参数如表 2示。  表 2电机铭牌参数  产品规格  额定功率 （  额定转速 (r/额定电压  (v) 起动力矩  (Nm) 效率  (%) 1 360 6 0 2. 3 蓄能器的选择  为了便于给发电机提供持续稳定的动力，一般需要选用一个蓄能器来暂时存储系统传送过来的液压能量。蓄能器是把压力油的压力能储存在耐压容器中，需要时再将其释放出来的一种能量储存装置，它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要的时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量。保证整个系统压力正常。  对于液压系统，广泛使用的是活塞式蓄能器和气囊式蓄能器。液压控制系统实际情况，蓄能器用于作辅助动力源并维持系统的压力，需要蓄能器有良好 的  灵敏特性和更高的压力值  能器容积的计算  蓄能器的工作原理：利用气体的可压缩性，靠封闭气体的弹性变形储存和释放能量。当进入蓄能器中的油液压力升高时，蓄能器气囊中的气体受压缩气体变小，储存能量，同时蓄能器内的油液体积增大。当蓄能器内油液压力降低时，气囊内气体膨胀，释放能量，同时把油液挤出蓄能器。用于能量储存时的气囊式蓄能器气体状态变化满足玻义耳定律。   11 = 22 = 33 = （  即则有     8 式中 1 充气压力 ,此时体积为 1)    2系统的最低工作压力 ,最低工作压力下的气体体积 2)；   3系统的最高工作压力 ,最高工作压力下的气体体积     n等温变化时， n=1；绝热变化时 ,多变指数 n =  当从压力 2降到 3后，蓄能器释放的油液体积及气体体积的变化量 v 为 :v=3- 2                                                          根据液压系统的实际应用，蓄能器工作过程为等温变化，则蓄能器容积计算公式简化为  1 = 1(1 2 )(1 3 )（  系统采用 10 条行程为 160塞直径为 50塞杆直径为 32液压缸。则需求总流量为：   = 4(502 322)16010 = ) 根据已知条件： 2=5 3=10 塞式储能器充气系数：  1=2=4则：  1 = 1(1 2 )(1 3 )= 5;110)所以蓄能器所需容积为 1=L）  能器的选型                                 根据容积 择  - ，参数如表 2示  表 2能器铭牌参数  型   号  公称容积 /L 公称压力 / -  0、 20、 . 4 其他  除主要液压元器件液压马达、蓄能器的选择外，为提高总效率，还需要确定并选择其他 9 辅助元件，例如油管、液压油、液压阀等。  管  如表 2管道允许流速推荐值。  表 2许流速推荐值  管道  推荐流速 /(m/s) 吸油管道  般取 1 以下  压油管道  25，压力高，管道短，粘度小取大值  回油管道   油管内径为：   = 4 = 40;3 560 103 据内径尺寸系列，选取内径为 20软管。  压阀  单向阀又称止回阀或逆止阀。用于液压系统中，以控制油流的沟通或切断。单向阀的开启压力有  种，前者一般用在压力管路中，以防止油流反向流动；后者一般可作为背压阀使用。根据之前所得流量 = 0;5选用 向阀。如表 2 向阀基本参数。  表 2向阀基本参数表  换向阀用于液压系统中，以控制油流的换向。根据使用环境的不同可分为三类，低压电型号  通径  /力 /启压力  /量  /（ L/ 质量  /定  最高  0 16 20 0 10 磁阀、常规电磁阀高压电磁阀。根据工作压力为 5之前所得流量 = 0;5用 2位二通电磁换向阀。如表 2 2位二通电磁换向阀基本参数。  表 2向阀基本参数  调速阀是由定差减压阀与节流阀串联而成的组合阀。节流阀用来调节通过的流量，定差减压阀则自动补偿负载变化的影响，使节流阀前后的压差为定值，消除了负载变化对流量的影响。节流阀前、后的压力分别引到减压阀阀芯右、左两端，当负载压力增大，于是作用在减压阀芯左端的液压力增大，阀芯右移，减压口加大，压降减小，从而使节流阀的压差（ 持不变；反之亦然。这样就是调速阀的流量恒定不变（不受负载影响）。根据系统要求，选用 调速阀。具体参数如表 2 表 2速 阀基本参数表  型号  公称直径  /大压力  /由流量  L/0 14 12 减压阀是通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门。从流体力学的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在一定的误差范围内保持恒定。 根据系统要求，选用 可调减压阀。具体参数如表 2 型号  通径  /力  /大耐压力  /量  /（ L/ 质量  /0 5 10 40 11 表 2压 阀基本参数表  型号  公称直径  /大压力  /由流量  L/0 5 12 总  液压所用元件汇总如下表 2 表 2压元件汇总表  序号  名称  型号  数量  1 液压缸   1 2 单向阀   3 蓄能器   -  1 4 调速阀   5 二位二通电磁换向阀  2 6 减压阀   7 马达   8 油管    9 发电机   10 压力继电器   11 压力传感器   12 流量传感器   13 模数转换器   14 数模转换器    12 力继电器及两种传感器的控制  ， 通过 A/D 转换器，将压力信号转换为电信号 ， 传送到 过 序使得输出正确的控制信号，再由 D/A 转换器转化为电信号控制 二位二通电磁换向阀得 失 电。（ 表 制信号 （当压力达到时自动接通） ，电磁阀 0 表示 ） 压力继电器 制如图 2示。  图 2力继电器 制  力传感器控制  压力传感器主要是使得压力基本上保持恒定，当压力过大时，使得减压阀开口适当减小，当压力过小时，使得减压阀开口适当加大 。由于此处的压力是由压力传感器测定，且本次选定的压力传感器有 右的偏差，所以在 指定压力 符合要求。 通过减压阀的压力，通过 A/D 转换器，将压力信号转换为电信号，传送到 过 序使得输出正确的控制信号，再由 D/A 转换器转化为电信号控制减压阀开口大 小 。 （ 2、 表 制信号 ， 表压力在正常范围内， 表压力低于正常压力， 表正常开口 ， 表开口调大 ， 表开口调小 。 ） 压力传感器 制如图 2示。   14 图 2力传感器 制  量传感器控制  流量传感器主要是使得流量基本上保持恒定，当流量过大时，使得调速阀开口适当减小，当流量过小时，使得调速阀开口适当加大。 由于此处的流量是由流量传感器测定，且本次选定的 流量 传感器有 一定 偏差，所以在指定 流量 范围内都符合要求。通过 调速阀 的压力，通过A/D 转换器，将 流量 信号转换为电信号，传送到 过 序使得输出正确的控制信号，再由 D/A 转换器转化为电信号控制 调速阀 开口大小。 （ 表 流量 过大， 表 调速阀 开口减小； 表 流量 过小， 表 调速阀 开口增加； 表压力正常， 表 调速发 开口正常）流量传感 器 制如图 2示。  图 2量传感器 制   15 第 三 章  液压缸尺寸的确定  压参数的确定  设浮标为长 方体， 其长为 1m，宽为 1m，高位 设海水的密度为 海水 = 033， 浮标的密度为 浮标 = 03kg/浮标的体积浸入海水 3 4 时浮标开始上升，浮标功率 90%为有效值。  浮标 = = 03kg   = 浮标 = 03 03合 = 浮标 = = 03 10 = 2000N 浮标 = 海水 = 1103 3 4 0 = 3000N 合 = 1000N 浮标 = 合 = 1000( 4 ) = 700J 浮标 = = 7000% = 420W 流量 = 浮标 压 = 420(5106) = 0;5体 = = 0;5 0;4 = 体 = ( 4 )5 = 16 压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定  如图 3活塞杆液压缸示意图  图 3塞杆液压缸计算示意图  1 = 2 = (1 2) = (1 2) 4 (2 2)          (3式中：   1 2积 ( N）   = 14(2 2)                             (3式中：  D 由 L=体 = 140 = 1 4 (2 2) 2 2 = 03 d/D=  D= d=据 表 3和  ：D=50 d=32 1 2  17 表 3压缸内径尺寸系列（  8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （ 90）  100 （ 110）  125 （ 140）  160 （ 180）  200 （ 220）  250 320 400 500 630    表 3塞杆直径系列（  4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 60 180 200 220 250 280 320 360 400 压缸壁厚和外径的计算  液压缸的材料选用无缝钢管，其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：   2                         (3式中： 工作 压力 P16= 工作压力 P16= 所以   =  = 918 无缝钢管的许用应力 =100110带入数据   2 = 9502100=计算的公式所得 的液压缸的壁厚厚度很小，使缸体的刚度不够，所以用经验法选取壁厚：   = 10 由液压缸的壁厚，可求得缸体的外径   1 +2 = 70 缸体壁厚的验算 ：  液压缸的额定工作压力 低于一定的极限值，以保证工作安全，即   (12;2)2 = 245(702502)502 =      (3式中 ：  m 或    由前面计算的液压缸的额定工作压力为 0满足要求。  为避免缸体的工作时发生塑性变形，液压缸的额定工作压力 与塑性变形压力 有一定的比例关系：   ( 1 = 457050 = 然满足要求。  缸体的径向变形量 值应在允许范围内，而不能超过密封件允许的范围：   = (12+2122:) =                （ 3 式中 ： 由前面知道   取 200 u=允许范围内，满足要求。  为确保液压缸安全使用，缸体的爆裂压力 大于试验压力   = 1 = 107050 =   计算得出的 y 值，所以液压缸可安全使用。   19 压缸工作行程的确定  液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照下表中的尺寸系列来选取标准。  表 3液压缸活塞行程参数系列（    25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000      40 63 80 110 140 180 220 280 360 450 550 700 800 1100 1400 1800 2200 2800 3900        240 260 300 340 380 420 480 530 600 630 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 800 由表 3行程 L=16020 压缸缸盖厚度的确定  液压缸有孔时的近似计算公式为：   = 2 2(2 0)= 0 950100(5030) = 于缸盖上要进出油口，所以按经验取 :t=65小导向长度的确定  图 3液压缸导向长度示意图。  图 3液压缸的导向长度  当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离 H 称为最小导向长度（如图）。如果导向长度过小，将使液压 缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。  对一般的液压缸，最小导向长度 H 应满足以下要求 : 20 + 2 = 8+25 = 33             （ 3 式中 ： L液压缸的最大行程  D液压缸的内径  活塞的宽度 B 一般取 B=（ D， D=50，故取 B=40盖滑动支承面的长度据液压缸内径 D 而定  当 ，取  d。  所以 B=()D=()50=3050  取 B=401=()d=()50=3050  取 021 为保证最小导向长度 H，若过分增大  都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套 K 来增加 H 的值。隔套的长度 C 有需要的最小导向长度 H 决定，即   = 12(1 +)，此设计不需要用隔套。  体长度的确定  液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的 2030 倍。这里取 ：  内部长度为 ： 160+40=270 外部长度为 ： 160+40+290+(40=394  22 第 四 章  液压缸的结构设计及校核  体与缸盖的连接形式  缸体端部与缸盖的连结形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。下表 4液压缸缸体与缸盖的连接形式。  表 4压缸缸体与缸盖的连接形式  连接方式  结  构  形  式  图  例  优  缺  点  法兰连接  优点：  1、结构简单，成本低  2、容易加工，便于安装  3、强度较大，能承受高压  缺点：  1、 径向尺寸较大  2、 重量比螺纹连接的大  3、 工艺长度比较复杂些  螺纹连接  优点：  1、外形尺寸较小  2、重量较轻  缺点：  1、端部结构复杂，工艺要求高  2、装拆时需要用专用工具   23 外半径连接  优点：  1、结构简单  2、加工装配方便  缺点：  1、外形尺寸大  2、缸筒开槽，削弱了强度  连接方式  结  构  形  式  图  例  优  缺  点  内半径连接  优点：  1、外形尺寸较小  2、结构紧凑，重量较轻  缺点：  1、端部进入缸体内较长  2、缸筒开槽，削弱了强度  考虑到加工成本以及连接可靠性，选择法兰螺栓连接，此种方法连接强度较大，能承受高压。法兰与缸体无缝钢管采用了螺纹连接，这样加工既方便，成本又低，连接又可靠。  螺栓连接校核  选取的螺