海蛇波浪能发电装置结构设计【机械类毕业-含CAD图纸】
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机械类毕业-含CAD图纸
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目 录摘 要Abstract1 绪论51.l课题研究背景51.2 国内外研究现状61.2.1国外波浪能发电技术的研究进展61.2.2国内波浪能发电技术的研究进展71.3研究的意义72 海蛇波浪能发电装置整体方案的拟定82.1 设计思路82.2 波浪能发电装置的结构组成82.3 拟定液压原理图92.4 液压换能系统93 海蛇波浪能发电装置零件设计113.1液压缸的设计113.1.1缸筒与端盖之间的连接方式的选择113.1.2缸体组件及其作用113.1.3活塞组件123.1.4缓冲装置的设计133.2动力关节零件设计143.3 海蛇桶身零件设计15结论16致谢17参考文献18II海蛇波浪能发电装置结构设计摘 要 海洋波浪能是一种可再生能源而且不会污染环境，世界上很多国家都开始关注这种可再生的新能源，其中就包括中国，在过去的几十年里已经开展了很多的研究，并且取得了很大的成就，世界上出现了很多种不同类型的波浪能发电的设备，本次将设计的是海蛇波浪能发电装置结构，海蛇波浪能发电装置一般设置在深海海域，波浪的的运动会带动相邻浮筒之间产生相对的转动，浮筒与浮筒之间由铰链相连，相对转动带动铰链处的液压系统运动，最终带动发电机工作。海蛇波浪能发电装置的主要有点在于其结构比较简单，波浪能转换成电能的效率比较高，能适应较为恶劣的海洋环境，产生的电能比较稳定。关键词：海蛇波浪能发电装置，液压缸，液压系统IIIPelamis Wave Energy Device Structure DesignAbstractWave energy is a kind of renewable energy and new energy will not pollute the environment, many countries in the world are beginning to pay attention to this kind of renewable, including Chinese, in the past few decades have carried out a lot of research, and has made great achievements, there are many different types of wave power generation equipment in the world on the design is the sea wave power device structure, sea wave power generation device generally set in the deep sea, the motion of the waves will produce a relative rotation between the neighboring buoys, between the buoy and the floating cylinder connected by a hinge, the relative movement of the hydraulic system driven by the hinge, ultimately drives the generator. Pelamis wave energy power generation device mainly lies in its structure is relatively simple, wave energy conversion into electrical energy efficiency is relatively high, can adapt to the relatively harsh marine environment, electric energy is relatively stable.Keywords: sea wave power generation device, hydraulic cylinder, hydraulic system20201 绪论1.1课题研究背景传统化石能源使得现代机械工业的大规模发展，已经进入了从农业手工劳动社会到人类社会繁荣的工业社会，提供动力源源不断动力使整个工业文明迅速发展，是近代的人类发展的组成部分。化石能源至今仍是人类社会最重要的能源消耗，化石能源的全球消费量的比重超过80，然而化石燃料能源的枯竭，化石能源是地球数百万年的所得产品的进化，它们消耗很多比生产速度要快的多。在一方面，随着科学技术的发展，人类社会也越来越大的能源需求，按照这个速度，不久的将来会逐渐消耗殆尽的化石能源，这是人类发展的一个巨大挑战。在另一方面，利用化石能源始终伴随着温室气体的排放和生产了一批环境污染危害整个人类环境不符合健康的长远社会发展的基本要求1。人类开始使用新能源替代传统的化石燃料，开发和使用可再生能源，减少对环境的污染是我们的共识，海洋面积达到3.61亿公里，占地球表面的71。浩瀚的海洋是资源丰富，包括海洋化石能源还包括潮汐，波浪，温度，盐度梯度，海流的形式“海力”。经受风吹日晒等，从而导致不同的温度，盐度的不同，由月球引力和其他海重力的作用海水，这些差异导致各种海洋能，从海上能量是干净的，可再生的。开发和利用可再生能源，这是对人类未来的发展具有重要意义，也是自身生存和发展的人类必须所维持的，这是扩大生存空间最实用的方法之一。进入21世纪以来，国家必须争取许多的各种海洋资源，各国有各种海洋的能源，海洋科学和技术实力是各个国家重要的发展的目标。社会主义国家，科学技术的滞后期发达国家。通过不断开拓进取，中国在若干领域取得了长远的进步，但改革开放以来我们强调工业发展和经济增长，却忽视了环境管理和保护2。这种粗放的产业发展路线使用自然资源，导致各种环境污染如烟雾，全球变暖，污染地下水，要解决这些严重的环境问题是务必的，我们的政府已经加大力度推进节能减排，并正在制定环境友好型社会，并把重点放在支持新的清洁可再生能源的开发和利用，建立可持续发展的战略路线图。我们的海洋是巨大的，岛屿众多，拥有490万平方公里的海域面积超过6000群岛海域，蕴藏在这些领域里是一笔宝贵的财富，合理的开发和利用的丰富的海洋能源资源有效地解决我们的能源和环境问题。世界海洋能量目前仍然在开发的初始阶段，根据调查，这种巨大的海浪能量的量非常的诱人，然而进一步通过使用波能源技术的商业规模仍处于实验性阶段，有待更深入的研究和探索，所以开发利用这种海洋能成为我们研究的重点内容。波浪能相当于种较为好的能源，它不需要把环境搞污染而且还能再利用的能源，早在很久之前大约一个世纪之前人类就想要利用这种新能源，不过由于当时技术条件的不够完善，波浪能发电装置的实际作用并不是很大，到了上个世纪的中期的时候，人类才将研究的方面转到这方面。波浪能发电的原理：首先是风能带动波浪能产生横向运动或者是上下的运动，这样的运动可以带动换能装置，换能装置主要现在有两种形式，一种是以机械方式，另一种是液压方式的，本论文是以液压方式发电的，换能装置转换过程通常是由3个部分组成第一步通过波浪能吸收装置吸收波浪能，第2步吸收来的波浪能用波浪能换能装置转换成机械能或者液压能，第3步发电装置发电。关于不同的设计方案已经出现了350多种，并出现了一些很有创意的波浪能发电装置。1.2 国内外研究现状1.2.1国外波浪能发电技术的研究进展 近两个世纪所开发的第一项专利就是波浪能发电装置，早在1799年，波的能量便得以被利用。依次被下列国家所开发，首先在法国，后来是英国，挪威，日本，美国，葡萄牙等国。但目前在世界上，波浪发电技术比较发达的是英国和日本。在1910年，法国人亚历克斯波齐希克宜人建成了世界上第一个波浪能发电装置4。而英国拥有世界上最好的波浪能资源，并决定在1970年将波浪发电作为新能源发展的主要课题。在80年代初，英国在这方面的研究发展处于世界领先的地位。在20世纪90年代，英国便已经在苏格兰兰伊岛和奥斯本海岛建成了75kW的振荡水柱波电厂和20000KW岸边波浪能发电厂。在 1995年8月，英国在克莱德河口海湾研制出2000kW的波浪能发电装置，这是世界上第一个商用波浪发电设备。 在2000年11月，英国研制出一个名为 “海蛇”的波浪能发电装置，作为当时世界上最成熟的波能量转换装置。还有一些国家也在研制，比如日本，日本作为一个土地稀缺的岛国，资源并不是很丰富，却也通过利用海洋波浪能发明出一种波能发电装置。就在1980年，日本在海岸口建设了一个125kW的发电站，最具有代表性的发电装置就是名为“海明”的无动力船，很适合提供岛屿发电，且拥有1250KW的总装机容量，被建于20世纪80年代初，是当时日本最大的波浪能量转换装置5。在 1998年7月，日本又已经开始研制出另一个名为“（鲸鱼威武）”的海浪发电设备，该装置比较之前的发电装置有了很大的提升，并且转换效率极高。总之波浪发电研究始于挪威，尽管起步较晚，才在进入20世纪70年代的时候有所贡献，可却在波浪能发电的领域还是处于国际先进水平，并得到政府的大力支持，在80年代后期的后半部分，挪威科学家提出了泡沫收缩通道波能装置和相位控制原理后，就在1986年，建成了一个500千瓦振荡水柱波电站。近年来，平行板波能量模块与波筏链的组装和气动波浪能量转换系统是美国波能源研究的重点。 2011年4月美国OPT浮桥PB150波浪发电设备正在使用，额定功率150千瓦，每个工厂可满足150家的用电需求。除了这些国家，其他国家是澳大利亚，葡萄牙，荷兰，丹麦，瑞典，加拿大，印尼等国家开展了一系列波浪发电研究和开发。出现了一系列能源危机，仍然有不少国家继续投资其中。据不完全统计，大约有28个国家的科学人员参与研究波浪能发电设备，开发超过800兆瓦的总容量，以及数次 现场发电，增长年率2.5和10。1.2.2 国内波浪能发电技术的研究进展 波浪能技术研究始于上个世纪，上海的第一波能源研究的崛起，中国的波浪能源的研究已被列入国家重点科技研究项目。 在1975年，中国的发展已经研制出一个1千瓦的波浪发电浮标，1984广州能源研究所研制成功了小型水电6W手段的导航标，后来不断开发和并已经商业化生产。 在1989年，中国在珠海市万山岛建成第一座海上的波能发电装置， 并于1996年2月试制成功。从1989年开始，广州能源研究所开始研究波器件并开始设计，在通过不断的潜心研究，最后研究成功。在“九五”期间，广州能源研究所早在汕尾市建立和运行岸边振荡水柱波能量型动力装置，于1996年12月开始建设，于2001年2月研制成功。对于波浪能发电装置来说，有着至关重要的意义。 在1999年9月，中国山东省大管岛建立了一个钟摆波浪发电设备，拥有着100千瓦的电厂装机容量，并已经初步研制成功，取得了不错的发电效率。然而我国波浪能的开发相对于其他国家较迟，但通过这些年的发展也取得了较大的成就6。现在我国的波浪能开发利用在世界上也较为发达，技术水平也已经已经相当成熟，并已经处于商业化的阶段了。但在某些方面，我国的技术水平还是不够的，好比设备的稳定性和可靠性还有待提高，相信在不久的将来在这一方面会发展的更好。1.3主要研究的工作1设计思路的拟定2完成液压原理图的设计3 海蛇号各个零件的设计4 换能装置的装配图的设计2 海蛇波浪能发电装置整体方案的拟定2.1 设计思路海蛇波浪能发电装置的属于浮体式发电系统，波浪能机电转换方式有直接供电和间接供电，由图2.1所示 1浮体-吸收装置，其功能是把波能转换成机械能 2能量装换装置-将所吸收的机械能转成液压能或者电能 3电力系统-将液压能通过液压马达到发电机转换成电能，或者并网之前变频调制。图2.1 海蛇波浪能发电装置总体设计路线图2.2 海蛇波浪能发电装置的结构组成 海蛇波浪能发电装置 如图2.2所示由4节圆筒以及3个动力关节组成，该装置总长140m，圆筒直径3.5m，它可随波浪浮动，动力关节有两种形式 如图所示，上图为随波浪上下相对运动，下图为随波浪左右相对运动，为此可以设计4个液压缸来接受这样的相对运动作为动力输入，通过液压缸的往复运动使得油液通过液压马达从而使发电机工作。图2.2 波浪能转换装置和发电装置结构图2.3液压原理图讨论基于上述，整个系统的示意图，可以拟定液压原理图，如图2.3所示，下图可能会更直观的看出其原理，通过浮筒随着波浪上下左右的相对运动，从而使得动力关节的液压缸工作，油液按路线被压出，使得发电机工作，再由连接电缆经过变压器然后再到输出电缆。图2.3 液压原理图2.4液压换能装置装配图 图2.4.1主视图图2.4.2左视图1 海蛇桶身 2螺栓 3动力关节 4液压缸 6海蛇桶身 8液压缸9液压缸 海蛇桶身1与动力关节之间采用铰链连接，铰链放置在上下两个位置，这样放置是为了实现海蛇桶身与动力关节之间的左右运动，使得液压缸8，液压缸9实现往复运动，液压缸与动力关节之间也是采用铰链连接，采用铰链连接是为了液压缸与动力关节之间有较小角度的转动，海蛇桶身6与动力关节之间产生上下相对运动，从而使得液压缸4和液压缸7实现往复运动，波浪使得这个装置的桶身与动力关节之间产生上下左右运动，带动4个液压缸工作，使得油液经过液压马达最后带动发电机发电。3 海蛇波浪能发电装置零件设计3.1液压缸设计图3.1液压缸装配图海蛇号的液压缸由活塞杆带动活塞做左右往复运动，使得油液从油口被压出和吸油的过程。3.1.1缸筒与端盖之间的连接方式的选择 缸筒与端盖之间一共存在着5种连接方式：（1）法兰连接 （2）半环连接 （3）螺纹连接 （4）拉杆连接 （5）焊接连接 我选择的的连接方式属于焊接连接。这种连接对比与其他的连接优点是连接是的强度较高，结构较为简单，缺点是容易造成缸体的变形。 3.1.2缸体各个组件作用及其加工要求（1）缸筒：液压缸的最重要组成部分，内孔加工一般是用铰孔，等精密加工工艺制造。其表面粗糙度的要求很高，Ra要达到0.1-0.3m，主要是为了使得活塞能够在里面能顺利的滑动，减少磨损。缸筒同时还要有足够的刚度和强度，它需要承受很大的压力。（2）端盖：它用于连接缸筒的两端，使得缸筒成为密闭容器，同时它还承受着很大的压力，所以它对刚度和强度的要求也很高并且还要选择工艺性好的结构。（3）导向套：起支撑作用和导向作用也有一些缸不设，但是易磨损。3.1.3活塞组件活塞组件的组成是由活塞杆和活塞以及连接件所组成的。(1)活塞组件的连接方式：我采用的是整体式如图3-1-3，其特点是结构简单，轴向尺寸紧凑，缺点是损坏后需要整体更换。图3.1.3 活塞组件的连接方式以及密封圈（2）活塞的密封形式选择：我采用的是o型密封圈如图3-1-3，其优点是结构简单，摩擦阻力小，密封性可靠，对缸筒内壁的表面粗超度又很高的要求，缺点是其损坏后无法补偿。（3）活塞杆头部的连接形式可分为：1内螺纹连接，2外螺纹连接，3双二环连接，4单耳环连接 我采用的是单耳环连接的方式来连接的如图3.1中可以看出，其特点是一般放在非标话的液压缸中。3.1.4缓冲装置的设计 缓冲装置我采用的是圆柱形环隙式缓冲装置图3.1.4，这种缓冲装置缓冲的时候，应为它的截面积是不发生变换的，所以它刚开始缓冲制动力非常大，然而制动力很快就下降了，其缓冲效果较差，但是其结构比较简单，方便了我的设计并且它的成本比较低，所以我选择这种。 图3.1.4缓冲装置3.1.5排气装置的设计 液压缸中经常会混入空气，空气对液压缸的工作会产生很大的影响，所以需要设计一个排气装置，对于精度要求不高的场合也可以不设计这个装置，但是必须要把进出油口设计在最高处，这样设计的目的是为了空气随油管直接往油箱排放。3.2动力关节零件的设计图3.2动力关节零件图 此零件连接海蛇蛇身的关节部分，2的作用是用来安装液压缸的，1和3 是用来连接海蛇的蛇身的她们之间全部采用铰链连接，这样是为了能使得蛇身与动力关节之间是有相对的转动。3.3海蛇桶身零件设计 图3.3海蛇桶身由于海蛇波浪能发电属于浮子式发电系统，所以我采用空心设计，使得桶身能够漂浮在水面上，它和动力关节相连，采用的是铰链连接，它和动力关节之间产生相对运动，是海蛇发电机的主干部分。 总 结 在这次毕业设计中遇到很多问题，通过自身的不断努力和导师的细心教导，最终完成了这次毕业设计。这是对我4年来的一次考验，也是我4年来遇到最大的考验，让我的专业知识不再是书本上的，成为我自己的，自己能运用到设计之中，我相信这只是一个开始，在工作之中还需继续努力。从最开始的一无所知到现在的完成是一个艰巨的任务，先从了解波浪能开始，然后了解海蛇号的原理，参考着资料和导师给的建议，以及和同学一起的讨论，这让我有了很多思路，也有了很多想法，结合所有的东西完成最后的设计。过程很艰辛，但是我很享受，感到自己的知识又一次得到了升华,非常感谢有这次毕业设计。致 谢在毕业设计中，我要非常感谢导师的监测和耐心辅导，导师可处处为学生考虑，为学生作出一切努力，促进学习，最认真负责的态度深深感染了我们，为我们今后的工作和学习效仿的好榜样。导师还特别耐心，给我建议写作过程中我的观点改变了，让我学到了很多东西，非常感谢您。还要感谢我的同学们，给了我很多意见，同时也让我产生了很多的新的思路和想法，让我更快的完成了设计工作。还要感谢论文涉及到的文献作者们，没有这些资料的支持不可能完成设计。还要感谢我舍友们在论文排版和编写方面给予我很大的帮助。由于设计者设计水平有限，设计之中难免存在有一些问题，请各位导师指正。参考文献1 李硕卫,张国贤.现代液压技术的发展现状J. 机械工程师，2009(2):54572 郭丽颖.液压自动换向回路及其应用J. 煤矿机械，2005(3):90913 董传军,杨延水,刘艳霞.一种液压增压缸的应用J. 制造技术与基础，2009(7):1081094 王建军.一种液压增压缸的介绍J. 液压与气动，1992(4):365
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