毕业设计（论文）-太阳能发电设备直驱式液压系统设计.doc

毕业设计(论文)题 目 太阳能发电设备直驱 容积控制式液压系统设计-I-太阳能发电设备直驱式液压系统设计摘 要直驱式容积控制（DDVC）电液伺服系统是近些年研究发展起来的一种新型的容积调速电液伺服系统，具有交流伺服电动机控制的灵活性和液压大出力的双重优点。可靠性高、节能高效、操作与控制简单、小型集成化等优势使系统已在多个领域的装置上获得应用并取得较大的经济效益。被认为是液压控制系统的重要发展方向之一。本文结合太阳能发电设备的应用背景，探索设计太阳能发电设备直驱容积控制式液压系统。经研究表明，直驱式容积控制电液伺服系统作为太阳能发电设备的驱动系统，能够达到太阳能发电设备的驱动标准。与传统太阳能发电设备驱动系统相比，该系统具有传动比精确、承载能力强等诸多优点，特别适用于大功率太阳能发电设备选用。本文通过对太阳能发电相关理论知识研究、太阳能发电设备工作时工况分析、转叶马达设计、直驱式液压动力源集成化设计，最终完成太阳能发电设备直驱容积控制式液压系统设计。关键词太阳能发电；直驱式容积控制电液伺服系统；定日镜；液压技术AbstractDirect Drive Volume Control (DDVC) Electro-Hydraulic Servo System is a new kind of volume speeding electro-hydraulic servo system. It has both advantages of AC servo motor controls flexibility and of hydraulic great force. Due to the features of high reliability, high energy-saving efficiency, simple operation and control, small integration, etc., the system has been widely applied to the equipments in many fields and has gained a lot of economic benefits. So it is widely considered to be one of the most important developing directions of the hydraulic control system.In this paper, contact with the application of solar power generation equipment background, explore designing the solar power generation equipment using DDVC Electro-Hydraulic Servo System. After have studied some time, it is shown that DDVC Electro-Hydraulic Servo System can be used as solar power generation equipment drive system, and it meet the driving standard. Comparing with traditional solar power systems, DDVC Electro-Hydraulic Servo System has transmission ratio accurate, strong load-bearing capacity, and many other advantages, it is particularly for high-power solar power generation equipment. In this paper, based on the research of theoretical knowledge of solar power generation and the analysis of its working conditions, designing the vane hydraulic motor, the DDVC hydraulic power source, and finally complete the designing of solar power generation equipment using DDVC Electro-Hydraulic Servo System.Keywords solar power generation; Direct Drive Volume Control Electro-Hydraulic Servo System; heliostat; hydraulic technology目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题的目的和意义21.3 本论文主要内容2第2章 太阳能发电相关理论知识研究32.1 太阳能发电系统原理及分类32.2 太阳运行轨迹及定日镜运动分析42.2.1 太阳运行轨迹分析42.2.2 定日镜运动规律分析52.3 太阳能跟踪系统理论研究62.4 本章小结8第3章 液压系统工况分析93.1 明确液压系统技术要求93.1.1 液压系统功能要求93.1.2 液压系统结构要求93.2 分析液压系统工况93.2.1 俯仰轴方向载荷分析和计算93.2.2 方位轴方向载荷分析与计算123.3 本章小结14第4章 转叶马达设计154.1 转叶马达技术要求154.2 转叶马达结构设计154.3 转叶马达工作压力、流量、排量计算174.3.1 俯仰轴马达174.3.2 方位轴马达184.4 转叶马达关键部件计算184.4.1 叶片强度计算184.4.2 缸体连接计算194.4.3 输出轴计算204.5 转叶马达管路的设计214.5.1 马达进出口油管管径计算214.5.2 油管厚度的计算214.6 转叶马达关键部位密封设计224.6.1 定动叶片与缸体接触密封224.6.2 转叶马达内腔与马达转轴密封224.7 本章小结23第5章 直驱式液压动力源（液压包）设计245.1 直驱式液压动力源结构组成与原理分析245.1.1 拟定液压系统原理图245.1.2 直驱式液压动力源原理分析245.2 液压元件选型265.2.1 双旋向定量泵选型265.2.2 变频电机选型265.2.3 补油阀、双向液压锁和安全阀阀芯的选型265.3 直驱式液压动力源的集成化设计275.3.1 直驱式液压动力源总体设计275.3.2 集成阀块设计计算275.3.3 液压油箱设计计算285.4 本章小结29结 论30致 谢31参考文献32附录1 双叶片转叶马达三维结构图34附录2定日镜总体装配三维示意图35IV- -1 前言1.1 课题背景传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。在可再生能源中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。但与国际上蓬勃发展的太阳能发电相比，中国落后于发达国家1015年，甚至明显落后于印度。因此中国太阳能发电产业的发展及其紧迫。本课题就是开发太阳能塔式发电设备大平面定日镜太阳跟踪驱动系统，该系统对提高发电效率，特别是大型发电站非常有效。传统的太阳能发电设备采用电机搭配涡轮蜗杆减速器驱动，结构简单，但受机械加工精度限制，该种驱动方式传动间隙引起的跟踪误差方面存在难以逾越的困难，而采用高精度谐波齿轮传动又会使驱动系统成本提高，同时当驱动大面积定日镜时，由于风力和重力载荷的作用使定日镜承受较大的载荷，这就需要电机搭配更大减速比的减速器，从而使工作效率再次降低，而液压驱动系统不仅可以实现定日镜的连续运动，从而提高跟踪精度提高太阳能发电效率并且具有功率密度大，承载能力强的特点，可以实现更大面积的定日镜驱动，同时由于不需要较大减速比的减速器，采用摆动马达直接驱动，具有较宽的速度变化范围，可以实现定日镜在紧急情况的快速运动，这对与抵抗大风，冰雹等剧烈天气极其有利。1.2 课题的目的和意义本毕业设计的目的是开发能够满足太阳能发电设备所需要的具有自主知识产权的直驱液压系统，来满足太阳能发电设备迅猛发展的需要，直驱式容积控制（Direct Drive Volume Control，DDVC）电液伺服系统也叫无阀电液伺服系统，即用调速电动机直接驱动液压泵，这种系统通过改变转向、转速、限转矩来实现换向阀、节流阀、溢流阀的功能，具有电机控制的灵活性和液压出力大的双重优点，与传统电液伺服系统相比节能高效、小型集成化、环保、操作简便、价格经济，目前已经在多个领域的装置上得到应用并取得了很大的经济效益，该项工作已经受到世界各国的重视，成为国际液压领域研究热点之一，同时也是液压技术的一个重要发展方向。因此有必要研究和设计能够应用到太阳能发电的直驱式液压系统。1.3 本论文主要内容本文的主要研究内容是：太阳能发电设备直驱式液压驱动系统设计，现分述如下：1）太阳能发电相关理论知识研究针对太阳能发电设备驱动系统设计，首先要了解太阳能发电原理、太阳能发电系统组成、确定针对何种发电方式进行设计，其次通过对太阳运行轨迹分析及太阳能跟踪系统理论研究，确定所需要设计系统的技术指标及主要工作参数。2）太阳能发电设备工作时工况分析由于太阳能发电设备工作时所受工况情况较为复杂，对太阳能发电设备工作时工况进行详细分析，计算承受何种载荷及其大小。3）转叶式液压马达设计根据太阳能发电设备的功能要求，设计满足太阳能发电设备需求的液压执行元件转叶马达。4）直驱式液压动力源（液压包）设计根据太阳能发电设备及转叶马达技术要求，设计满足太阳能发电设备需求的直驱式液压动力源设计，并进行集成化设计。2太阳能发电相关理论知识研究2.1太阳能发电系统原理及分类太阳能发电，目前已发展到工业规模的方式主要有光-热-电、光-电两种能量转换方式。前者称为太阳热能发电，它是利用光学系统聚集太阳辐射热能，用以加热工作介质产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。后者称为太阳光能发电，也称光伏发电，它是将太阳辐射光能照射到太阳能电池（Photovoltaic cell）上，利用光伏效应直接转变为电能。到目前为止，前者太阳热能发电是太阳能发电的主要方式，具有总装机功率高，发电成本低等优点，适用于大规模发电，市场竞争力较强。在太阳热能发电中，按照集热及发电方式不同分为太阳能塔式，槽式，碟式等发电方式，而其中塔式太阳能热发电技术具有聚光比大，工质吸热温度较高的优点，是最有希望实现大功率发电，替代常规能源的技术手段之一，据美国unlab联合实验室预测，到2020年，其发成本约为每度5美分，将是所有太阳能电技术中成本最低的一种，具有很强的场竟争力。图2-1是塔式太阳能热发电原理图。图2-1 美国“太阳2号”塔式太阳热能发电站的运行系统简图8塔式太阳能热发电系统通常由定日镜群，太阳塔，接收器，发电装置及储能系统构成，其中，定日镜是塔式太阳能热发电系统中不可或缺的重要组成部分，其结构通常由发射镜，框架，支撑架，传动机构，跟踪控制机构等部分组成，其功能在于跟踪，捕捉，聚焦和投射太阳光，为整个系统提供所需的太阳能，是实现太阳能热发电的基础。根据国内外研究表明，定日镜的发展趋势是提高单台发射面积，扩大生产规模，创新设计。鉴于此，设计新型定日镜直驱式液压驱动系统，提供更大的承载能力，更高的跟踪精度，对于提高太阳能发电效率，降低太阳能发电成本，促进太阳能发电商业化进程是极其必要的。2.2太阳运行轨迹及定日镜运动分析2.2.1太阳运行轨迹分析地球在围绕太阳公转的过程中，除了地球绕南北极轴的自转外，极轴也会发生一定角度的偏转，在赤道地区，太阳全年视高度变化大约23.5，在春分和秋分时，太阳在地球正上方自东向西运动，在夏至时地球运动到近日点太阳达到负最大偏角，在偏北方向自东向西运动，在冬至时地球运动到远日点太阳达到正最大偏角，在偏南方向自东向西运动，图2-2是地球绕太阳运行轨迹示意图。图2-2 地球绕太阳运行轨迹示意图9对于中国来说，中国处于北半球，太阳的视高范围随不同地区的纬度发生变化，本系统设计现假定是针对中国中部地区的太阳能发电设备直驱式液压系统设计，现以北京地区进行分析，方位角方向，在早晨和傍晚，由于光线很弱，太阳能发电设备不进行工作，有效的方位角变化范围是100。高度角方向，北京地区的纬度是北纬40则高度角变化范围是47（16.563.5 ）。图2-3是北京地区全年太阳运动方位变化。图2-3 北京地区太阳全年运动方位变化112.2.2定日镜运动规律分析本系统就以北京地区太阳能发电设备驱动系统为例进行设计，则有效的方位角变化100，高度角变化47（16.563.5 ），现假定太阳能发电场中心塔高110m，定日镜高10m，定日镜反光板焦距300m，则夏至时定日镜高度角方向变化最大，为38，图2-4是定日镜高度角方向在夏至时一天内的变化。图2-4 定日镜高度角方向在夏至时一天内的变化同时，定日镜在夏至时方位角方向角度变化最大，为100。图2-5是定日镜方位方向角度在夏至时一天内的变化。图2-5 定日镜方位角方向在夏至时一天内的变化在定日镜驱动系统的设计中，除了要考虑定日镜正常工作的情况，还需要考虑大风，冰雹等恶劣气候变化的影响，当大风时定日镜反射镜向上升起，与地平线平行，减少风力载荷大小和振动，当冰雹时，定日镜反射镜向下降落，与地平线垂直，减小冰雹对反射镜的伤害。因此定日镜高度方向角度变化最大90，方位角方向无特殊要求，为100。2.3太阳能跟踪系统理论研究在太阳能塔式热能发电中，定日镜的高精度跟踪对提高太阳能发电效率十分有利，当跟踪偏差为0.5时，所造成的效率下降可能达到10%以上，因此提高定日镜跟踪精度对提高太阳能发电效率十分有益。本系统设计采用水平双轴跟踪系统，在跟踪系统的控制方面，采用开闭环联合控制，即先通过该时刻的时间，通过计算机中预先存储的当地太阳方位变化，计算出该时刻定日镜的位置，运动到开环工作位置，再通过光电传感器得到该时刻太阳的具体方位，计算机计算出定日镜应当偏转的角度，定日镜再次运动，到达闭环跟踪位置。采用开闭环联合控制，既可以克服开环控制由于定日镜加工装配造成的累积误差对跟踪精度的影响，又可以克服闭环控制中由于乌云等天气因素使跟踪系统无法工作，甚至是误操作的缺点，是一种跟踪精度非常高的跟踪控制方式。在本系统的设计中，定日镜并不是连续运动，而是间歇运动，每10分钟调整一次，图2-6是本系统开闭环控制系统框。开始跟踪系统回初始位置启动时间到？8点预设计算该时刻太阳高度角，方位角定日镜角度计算采集方位，高度角编码器控制变频电机到开环跟踪位置光照强？闭环跟踪传感器定日镜角度计算控制变频电机到闭环跟踪位置是否间隔10分？停机时间到？17：00预设YN图2-6 定日镜跟踪开闭环控制系统框图2.4本章小结本章首先根据不同的太阳能发电原理对太阳能发电方式进行分类，确定本论文太阳能发电设备直驱式液压系统设计针对何种发电方式进行设计，其次通过对太阳能运动轨迹及定日镜运动分析，确定所需要的液压执行元件需要完成的功能，最后通过对太阳能跟踪系统进行理论研究，确定定日镜选用何种跟踪方式，在跟踪过程中，液压驱动系统中的执行元件是如何运动的。本章通过对太阳能发电相关理论知识研究，确定了液压系统设计的主要功能要求，为后续工作的展开提供了基础。3液压系统工况分析3.1明确液压系统技术要求3.1.1液压系统功能要求设计能够满足塔式太阳能发电定日镜运动所需的液压系统，采用直接驱动方案，齿轮或柱塞泵压力小于25MPa，假定工作地点，北京（北纬40），单天工作时间9小时（8:0017:00），高度角方向角度变化90，方位方向角度变化100，要求具有抵抗风压载荷的能力，当风速小于16m/s，定日镜正常工作，当风速大于16m/s，启动自我保护功能，定日镜反射镜快速升起与地面平行，减小大风对定日镜的伤害，调整时间小于10min，同时要求具有抵抗冰雹等恶劣天气能力，定日镜反射镜快速下降与地面垂直，要求调整时间小于10min，当驱动系统停机时，定日镜要求具有自锁功能。3.1.2液压系统结构要求系统采用水平轴跟踪方式，支撑机构采用单立柱旋转台式，定日镜反射镜面积100mm2，质量7吨，定日镜总质量10吨，定日镜高度反向与方位方向角度变化均采用液压摆动马达直接驱动，摆动马达轴与旋转轴采用胀紧套连接。3.2分析液压系统工况3.2.1俯仰轴方向载荷分析和计算定日镜在正常工作时，俯仰轴方向受到启动加速和减速的惯性载荷，旋转时的摩擦载荷，由于定日镜反射镜偏心所造成的偏心重力载荷，当大风时受到风压载荷，现针对各载荷进行计算。1）惯性载荷根现对夏至时定日镜俯仰轴方向角度变化最大时进行分析，跟据控制要求，定日镜每10分钟调整一次，每次调整时间3秒钟，定日镜正常工作速度为，转动惯量为J，惯性扭矩为，启动加速时间s，则 (3-1) (3-2) (3-4)当遭遇大风等恶劣天气时，定日镜要求快速升至水平或垂直位置，取紧急工作速度，则快速调整时间 (3-5)符合快速调整要求。2）摩擦载荷工作时旋转受到摩擦扭矩，初设旋转轴颈220mm，选用圆锥滚子轴承32044，则 (3-6)3）偏心重力载荷根据俯仰轴马达设计，定日镜反射镜偏心距离，则 (3-7)4）风压载荷当定日镜反射镜受到风力作用时，不同的风向角和竖直角的情况下，定日镜反射镜平板不同位置所受的分压系数不同，风压系数分布极其复杂，现参考湖南大学定日镜风洞实验的相关数据（见图3-1），确定定日镜所受最大风力载荷。图3-1 湖南大学定日镜风洞实验模型16相关计算公式如下 (3-8)式中：风压系数；设计用速度压 ()；受风面积 (mm2)； (3-9)式中：基准速度压 ()；高度补偿系数，；用途系数，=1.15；环境系数，=1.15； (3-10)式中：空气密度风速，；风速，=16 m/s。 将图3-2所示定日镜风压分布竖直方向分成六部分，计算风压对旋转轴产生的扭矩。图3-2 定日镜反射镜最大风压系数变化16 5）载荷综合无风时定日镜各工作阶段所受载荷 启动加速阶段： 正常工作阶段：受风最大情况时各工作阶段所受载荷 启动加速阶段： 正常工作阶段：3.2.2方位轴方向载荷分析与计算定日镜在正常工作时，方位轴方向受到启动加速和减速的惯性载荷，旋转时的摩擦载荷，当大风时大风引起的风压载荷，现针对各载荷进行计算。1）惯性载荷现对夏至时定日镜方位轴方向角度变化最大时进行分析，根据控制要求，定日镜每10分钟调整一次，每次调整时间3秒钟，定日镜正常工作速度为，转动惯量为J，惯性扭矩为，启动加速时间，则 当傍晚时，定日镜停止工作，方位轴方向快速返回初始位置，取返回速度，则快速返回时间符合快速返回要求。2）摩擦载荷工作时旋转受到摩擦扭矩，初设旋转轴颈220 mm，选用滑动轴承，则3）风压载荷定日镜方位轴方向所受风压载荷与俯仰轴方向相似，现取俯仰轴方向数据进行计算4）载荷综合无风时定日镜各工作阶段所受载荷 启动加速阶段： 正常工作阶段：受风最大情况时各工作阶段所受载荷 启动加速阶段： 正常工作阶段：3.3 本章小结本章首先根据第2章太阳能发电相关理论知识研究，确定所设计液压系统的技术要求，包括功能要求和结构要求，其次通过对液压系统的工况（包括俯仰轴和方位轴两个方向）进行分析，确定液压执行元件在工作过程中受何种载荷，载荷大小为多少，为下一章液压执行元件（转叶马达）的设计提供基础。4 转叶马达设计4.1 转叶马达技术要求设计能够同时满足定日镜俯仰轴和方位轴工作要求的液压摆动马达，输出扭矩46000 ，摆动角度120，工作压力20 MPa。4.2转叶马达结构设计4.2.1选用双叶片摆动马达进行设计 (4-1) (4-2) (4-3)式中：弧度排量 (m3/rad)；每转排量 (m3/rev)；叶片高度 (m)，=0.2 m； 叶片数，=2；马达效率，=0.9。转子轴与俯仰旋转轴直接连接，旋转轴直径220 mm，马达转子轴材料选用， MPa，取安全因数，则许用应力 MPa (4-4)根据第三强度理论（最大切应力理论） (4-5)式中：许用切应力 (MPa)。 (4-6)(4-7)考虑到轴段连接时局部变形不宜过大，取，则转子轴连接轴承处轴颈140 mm，动叶片连接处轴颈155 mm取，则输出扭矩每转排量转叶马达结构如下图4-1 双叶片转叶马达主视剖视图图4-2 双叶片转叶马达右视剖视图 转叶马达其他具体结构尺寸参见液压转叶马达绘图。4.2.2转叶马达工作压力、流量、排量计算根据所设计的转叶马达技术参数，计算俯仰轴和方位轴两个方向转叶马达在工作时的压力、流量、和排量。4.3俯仰轴马达4.3.1无风时俯仰轴马达工作压力、流量、功率计算取出口压力 MPa，则MPa (4-8) (4-9) (4-10)4.3.2受风最大情况时俯仰轴马达工作压力、流量、功率计算取出口压力，则MPa4.4方位轴马达4.4.1无风时方位轴马达工作压力、流量、功率计算取出口压力 MPa，则MPa 4.4.2受风最大情况时俯仰轴马达工作压力、流量、功率计算取出口压力 MPa，则MPa W4.5转叶马达关键部件计算4.5.1叶片强度计算对于片状结构的叶片，其危险截面在根部。最大正应力为 (MPa) (4-11)式中：叶片根部所受弯矩 ()；由下式求得 (4-12)叶片根部抗弯截面系数，对矩形截面 (4-13)式中：缸体内径 (m)；叶片安装轴颈 (m)；进口压力 (MPa)；出口压力 (MPa)；叶片根部厚度 (m)。 MPa式中压差由第5章知最大15.86。应该使 (MPa) (4-14)式中：叶片材料的屈服极限 (MPa)；安全系数。叶片材料选用， MPa，取安全因数，则 MPa叶片强度满足强度要求。4.5.2缸体连接计算缸体和前后缸盖用内六角螺栓M16连接，其强度按拉应力和剪应力的合成应力计算连接处的拉应力 (MPa) (4-15)连接处的剪应力 (MPa) (4-16)合成应力 (MPa) (4-17)式中：缸体端部承受的最大推力 (N)； 连接螺栓直径 (m)；螺纹连接的摩擦系数，=0.12； 连接螺栓数量； 缸体材料的许用应力 (MPa)；转叶马达输出最大转矩 ()。其中 N (4-18) N (4-19)式中：叶片材料的屈服极限 (MPa)；安全系数。缸体材料选用， MPa，取安全因数，则 MPa则 MPa MPa MPa MPa缸体强度满足要求。4.5.3输出轴计算转叶马达内径与外径尺寸有输出轴尺寸确定，在设计时已校核输出轴的扭剪应力，同时由于本转叶马达是双叶片结构，输出轴不受径向载荷，不必校核刚度。4.6转叶马达管路的设计4.6.1马达进出口油管管径计算油管内径： (4-19)考虑到油管内径尺寸不能太小，取油管内径 mm。4.6.2 油管厚度的计算由经验公式得式中：油管壁厚 (mm)； P油管内液体的最大压力 (MPa)； d油管内径 (mm)； 许用应力 (MPa)。而对于钢管来说 (4-20)式中：抗拉强度 (MPa)； n安全系数，。则 MPa油管壁厚： 考虑到管接头的选用，取 mm。由以上计算，查阅相关资料，得到管件的具体尺寸为（通径mm外径mm壁厚mm）：油管尺寸：4.6.3转叶马达关键部位密封设计（1）定动叶片与缸体接触密封采用组合式密封方式，组合式密封是采用弹性橡胶支撑和金属或非金属密封条两种材料的组合，利用橡胶压缩后的弹性将密封条紧密地压在被密封面上，形成有效密封。不仅具有橡胶有效防止泄露的能力，而且通过金属或非金属密封条与缸体接触，减小摩擦，是一种用途非常广泛的密封方式。在本转叶马达设计中，橡胶支撑采用O型密封圈，密封体采用铸铁加工制造，具体密封结构如下图。图4-3 定动叶片与缸体接触密封（2）转叶马达内腔与马达转轴密封与定动叶片与缸体接触密封相同，转叶马达内腔与马达转轴密封也采用组合密封方式，其中轴根密封圈采用聚四氟乙烯加工制造，轴根支撑环采用铸铁加工制造，弹性橡胶支撑采用O型密封圈，具体密封结构如下图。图4-4 转叶马达内腔与马达轴密封4.7本章小结本章首先根据前两章的分析确定转叶马达设计技术要求，并根据技术要求对转叶马达进行结构设计，确定马达流量、最大输出扭矩。其次依据工况确定转叶马达在工作时的压力、流量和输出转矩，并对转叶马达关键部位进行校核计算。最后对转叶马达管路和关键部位密封进行设计，最终完成转叶马达的设计。5直驱式液压动力源（液压包）设计5.1直驱式液压动力源结构组成与原理分析5.1.1拟定液压系统原理图系统采用直驱式容积控制方式，液压系统原理图如图5-1所示。1 变频电机 2 双旋向定量泵 3 预压式空气滤清器 4 密闭压力油罐 5 插装补油阀 6 双向液压锁 7 压力表 8 安全阀 9 截止阀 10 负载（转叶马达）图5-1 直驱式液压动力源原理图相对于传统的液压动力源直驱式电液伺服动力源去掉了容易发生阀芯卡滞故障的电磁换向阀和调节系统压力和流量的伺服阀和溢流阀，而是通过改变与双旋向定量泵相连的变频电机的旋转方向、转速和运转时间来实现动力源驱动的转叶马达的运转方向、转速和角位移。这种新型的直驱式动力源具有体积小、可靠性高、配置灵活的特点，应用于本系统定日镜驱动系统十分有利。5.1.2直驱式液压动力源原理分析图5-1中直驱式液压动力源中的双旋向定量泵与负载马达形成闭式回路，定量泵通过联轴节与变频电机相连，变频电机接收控制系统的指令驱动定量泵转动，向负载马达提供流量。定量泵的流量随着变频电机转速的变化而变化，泵的进出口随变频电机的旋转方向的改变而改变。这样，通过对变频电机的控制就实现了对负载马达的运动控制。直驱式电液伺服动力源其他主要组成部分功用说明如下：1）补油阀与液压锁补油阀由两个并联在定量泵马达A、B油口的液控单向阀组成，液压回路在工作时，泵和马达的泄漏是必然存在的，需要补油阀及时向液压回路中补油或从液压回路中向外放油。双向液压锁由串联在直驱式液压动力源出口处的双向液控单向阀组成。当转叶马达达到指令要求的转角时，变频电机停止工作，此时双向液压锁可防止液压油从转叶马达返回动力源，从而将转叶马达的转子锁住，保证马达转子角位移恒定。2）截止阀由于双向液压锁的存在，使得转叶马达内部在直驱式液压动力源停止工作后有较高的压力。当转叶马达出现故障需要维修时，如果不能将马达内的压力释放是不能拆卸转叶马达的。因此，直驱式电液伺服动力源油路中加装截止阀。该截止阀有三个油口，分别连通转叶马达的两个工作腔和密闭压力油罐。截止阀在转叶马达正常工作时是关闭的，在转叶马达需要维修时打开截止阀，连通转叶马达的高、低压工作腔和密闭压力油罐，马达高压腔的压力可迅速降低到安全值。3）安全阀安全阀两个溢流阀组成。在太阳能发电设备工作时可能出现较大风天气，此时如定日镜不能及时转动与地平线平行以抵抗风载，或风载远超过太阳能发电设备的抵抗能力时，过大的风载会对转叶马达造成非常大的冲击，此时安全阀溢流，卸掉作用在转叶马达上的瞬时过载，防止因冲击过大而损坏转叶马达的液压回路和机械构件。4）密闭压力油罐图51中的密闭压力油罐可以保证直驱式电液伺服动力源与转叶马达组成的闭式液压回路中有足够的液压油；而且通过增压装置保证压力油罐中有一定的正压力、提高定量泵的自吸能力、维持油罐内液体的平稳、避免油罐内油液因震荡或骚动而产生的泵吸空等故障。5.2液压元件选型俯仰轴与方位轴方向液压摆动马达的压力、流量、功率大体相似，现归为一个系统进行设计，以使设计更为简便。5.2.1双旋向定量泵选型1）确定液压泵的最大工作压力 MPa (5-1)则液压泵的额定压力 MPa (5-2)2) 确定液压泵的流量 (5-3)3) 液压泵选择根据以上数据，选择GM55齿轮马达作为双旋向定量泵，理论排量5.2 ml/rev，额定压力20 MPa，理论扭矩16.5。5.2.2变频电机选型首先确定液压泵的驱动功率，方位轴马达所需要的驱动功率比俯仰轴稍大一些，以方位轴马达进行计算 (5-4)变频电机选择松下MGMA1.2，额定功率1.2KW，额定转矩11.5，最大转矩28。5.2.3补油阀、双向液压锁和安全阀阀芯的选型由于直驱式电液伺服动力源是集成设计的，没有外露的液压管路和阀体，因此补油阀、双向液压锁和安全阀均不能选用板式阀和管式阀，而是选用集体小，集成度高的插装阀。插装阀选型是主要考虑插装阀的通径。插装阀通径的为8 mm，过流面积 mm2，流过阀口的流量 m3/s，流速 m/s6 m/s，满足液压系统流速要求。补油阀阀芯选用宁波海宏液压有限公司生产的插装式液控单向阀YDF06-00-00，最大工作压力31.5 MPa，最低开启压力0.03 MPa。液压锁同样选用宁波海宏液压有限公司生产的插装式液控单向阀YDF06-00-00，最大工作压力31.5 MPa，最低开启压力0.03 MPa。安全阀阀芯选用宁波海宏液压有限公司生产的先导式溢流阀(锥阀型)XYF10-01-00，最大调节压力31.5 MPa。该阀具有体积小、结构紧凑、流量特性好、噪声小、压力稳定的特点。5.3直驱式液压动力源的集成化设计5.3.1直驱式液压动力源总体设计由于本系统是为太阳能发电设备(定日镜)提供液压驱动动力，故直驱式液压动力源的集成化程度要求较高，本系统采用集成阀块设计，集成阀块上安装有补油阀、液压锁、截止阀和安全阀。可以省去大量管子和接头，充分利用各液压元件的性能，使得结构更紧凑、密封性能更好，节省安装空间，利于安装与维护。变频电机与定量泵之间通过挠性联轴器传递扭矩，可以消除由于安装误差引起的电机轴与泵轴不同心而造成的机械噪音和力矩损失。集成阀块与定量泵采用阀板刚性连接，泵浸泡在密闭压力油罐中，泵中泄漏的液压油可以通过泄油口直接排到密闭压力油罐中。5.3.2集成阀块设计计算1）孔道直径计算孔道直径： (5-5)考虑到与马达管道直径相配合，取油管内径 mm。2）压力油孔间最小壁厚计算由经验公式得 (5-6)式中：压力油孔间壁厚 (mm)； P孔道内液体的最高压力 (MPa)； d压力油孔道内径 (mm)；许用应力 (MPa)。而对于钢性阀块来说 (5-7)式中：抗拉强度 (MPa)； n安全系数， 。则 (MPa )压力油孔间最小壁厚：在本系统阀块设计中，孔道间最小距离为5.8 mm，符合最小壁厚要求。集成阀块其他具体机构尺寸参见集成阀块绘图。5.3.3液压油箱设计计算1液压油箱有效容积确定液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。本系统为中高压系统，液压油箱的有效容量V可概括的确定为： (5-8)其中为液压泵的额定流量， L/min，则 L考虑到转叶马达容腔较大，约7 L，则油箱有效容积取大值，V=25 L。2）液压油箱外形尺寸确定本系统中液压油箱的外形尺寸主要有集成阀块的外形结构确定，阀块高度方向尺寸较大，且需要在工作时将集成阀块浸没在油液中，故油箱高度和长度方向尺寸较大，油箱尺寸（长度350 mm宽度240 mm高度300 mm）。液压油箱其他具体结构尺寸参见液压动力源（液压包）绘图。5.4本章小结本章首先对直驱式液压动力源的结构组成和原理进行分析，确定个液压元件在液压动力源中的功能。其次根据本系统设计要求，对各个液压元件进行选型，包括双旋向定量泵、变频电机、补油阀液压锁和安全阀阀芯。最后对直驱式液压动力源进行集成化设计，包括总体设计、集成阀块设计、液压油箱设计，最终完成直驱式液压动力源的设计计算。- 34 -结 论在本论文中，首先根据大规模，大功率太阳能发电的迅猛发展，提出了一种新型的太阳能发电设备驱动系统直驱式液压驱动系统，并对直驱式液压驱动系统相对与传统液压或电机驱动系统应用于大功率太阳能发电的优点进行分析。在具体的直驱式液压驱动系统设计中，现将设计中的要点归类如下：参考相关资料，对太阳能发电的相关理论知识进行研究，确定本系统应用于何种太阳能发电方式，对太阳运动轨迹和定日镜运动进行分析，对太阳能跟踪原理进行分析，拟定定日镜跟踪系统控制框图，最终确定直驱式液压驱动系统所需要完成的功能。参考相关资料，对太阳能发电设备（定日镜）工作过程中的工况进行分析，确定直驱式液压驱动系统执行元件转叶马达的主要技术要求。对直驱式液压驱动系统执行元件转叶马达进行设计，包括总体结构设计、关键部件设计计算、管路设计、关键部位密封设计。对直驱式液压动力源进行设计，包括驱式液压动力源的结构组成和原理进行分析、液压元件选型、直驱式液压动力源集成化设计，并最终完成本毕业设计设计内容。由于本人能力、知识、经验有限，在设计中可能出现一些没有考虑到的的问题，但相信经过本人这段时