方子帆， 左新球， 熊 飛， 王佳佳， 謝雪媛

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

引言

當(dāng)今時(shí)代新能源的開發(fā)受到了普遍關(guān)注，人類正努力開發(fā)出更多的新能源，以滿足能源需求。海洋中的波浪能因?yàn)榫哂刑N(yùn)藏量大、分布廣的特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種高質(zhì)量的海洋資源。與風(fēng)能和太陽(yáng)能相比，波浪能在可再生能源當(dāng)中具有較高的能量密度，有很大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)估計(jì)，全球波浪能的儲(chǔ)量可達(dá)2 TW[1]。

各國(guó)關(guān)于波浪能的研究開發(fā)進(jìn)展迅速，研制出了多種波浪能發(fā)電裝置。高紅等[2-3]對(duì)波浪能捕獲的特性進(jìn)行了研究，并在我國(guó)南海設(shè)立了15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；還對(duì)波浪能轉(zhuǎn)化液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不規(guī)則波浪作用下，液壓缸輸出壓力呈不規(guī)則方波變化，其壓力幅值變化與蓄能器的壓力變化趨勢(shì)及頻率一致。蓄能器的壓力變化趨勢(shì)及頻率與馬達(dá)轉(zhuǎn)速和功率輸出變化趨勢(shì)和頻率相一致，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率可達(dá)83.4%。陳志等[4]根據(jù)錨泊浮臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性和工況特點(diǎn)，特殊設(shè)計(jì)了波浪能供電液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波浪能發(fā)電，并保障整套基于錨泊浮臺(tái)波浪能發(fā)電系統(tǒng)工作的可靠性與安全性。王振鵬等[5]對(duì)振蕩滑桿式波能裝置振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，通過降低質(zhì)量、增加彈性系數(shù)的方法減小吸波浮體運(yùn)動(dòng)與波浪的相位差，可提高波浪能捕獲效率。葉寅等[6]通過研究蓄能器穩(wěn)壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)波浪能發(fā)電裝置的影響，結(jié)果表明，帶有蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)的波浪能裝置放油特性，只和蓄能器的啟動(dòng)、閉合壓力以及蓄能器容積有關(guān)，和波浪力的輸入無(wú)直接關(guān)系。張亞群等[7]以漂浮式波浪能裝置液壓式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為研究對(duì)象并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，蓄能器的最高工作壓力與最低工作壓力相差越大，蓄能系統(tǒng)單個(gè)循環(huán)釋放的能量越多，蓄能系統(tǒng)的成本也越低。方子帆等[8-10]開發(fā)了多節(jié)漂浮型機(jī)械式波浪能發(fā)電裝置和水槽實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行了原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究；對(duì)波浪能采集過程的流固耦合機(jī)理及其能量轉(zhuǎn)換效率的問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，圓錐底形流線結(jié)構(gòu)振蕩撲翼比平底形或圓底形流線結(jié)構(gòu)振蕩撲翼的轉(zhuǎn)換效率高5%；為了較高效率地提取波浪能量，設(shè)計(jì)了一種振蕩撲翼式波浪能采集機(jī)構(gòu)。DAVOOD Y等[11]在點(diǎn)吸收式線性波浪能采集裝置基礎(chǔ)上，提出一種由非線性恢復(fù)機(jī)構(gòu)和線性阻尼器組成的非線性多穩(wěn)態(tài)能量采集系統(tǒng)，證明非線性雙穩(wěn)態(tài)或三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)可以拓寬波浪能采集器的采集頻率帶寬。劉常海等[12]以筏式波浪能發(fā)電裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)制造半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)需實(shí)驗(yàn)室水池或者海洋試驗(yàn)便可實(shí)現(xiàn)裝置下海部署前對(duì)其發(fā)電系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。周亞輝等[13]在現(xiàn)有雙浮體點(diǎn)吸式波能裝置基礎(chǔ)上考慮穿孔阻尼板，提出新的穿孔雙浮體帶支撐立柱的結(jié)構(gòu)形式。謝永慧等[14]揭示振蕩撲翼能量采集機(jī)理，獲得提高振蕩撲翼輸出功率和效率的方法，對(duì)于新型振蕩撲翼流場(chǎng)能量采集裝置的開發(fā)應(yīng)用至關(guān)重要等。

目前，波浪能發(fā)電裝置的原理大致分為兩種：利用浮體在波浪作用下的升降和搖擺運(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能。采集系統(tǒng)俘獲波浪能，又稱為一級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，動(dòng)力攝取系統(tǒng)(Power Take-off，對(duì)原來的二級(jí)、三級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的統(tǒng)稱)將采集的波浪能轉(zhuǎn)化為電能。動(dòng)力攝取系統(tǒng)一般包括二級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和三級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：二級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是將一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或液壓能等；三級(jí)能量轉(zhuǎn)換通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

為了提高波浪能轉(zhuǎn)換的效率與輸出穩(wěn)定性，在已有的研究基礎(chǔ)上以振蕩撲翼波浪能液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一種含有多腔油缸的波浪能液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過控制電磁閥的開關(guān)調(diào)節(jié)多腔油缸各腔室的液壓油壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同海況下波浪能的采集。

振蕩撲翼波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，支撐平臺(tái)為垂直海洋固定平臺(tái)，搖臂頂部與支撐平臺(tái)相接，搖臂底部與浮子連接構(gòu)成波浪能采集系統(tǒng)；在垂直支撐平臺(tái)和搖臂之間設(shè)有液壓缸及其液壓系統(tǒng)，構(gòu)成波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖1 振蕩撲翼波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

振蕩撲翼波浪能發(fā)電裝置的原理如圖2所示，振蕩采集機(jī)構(gòu)在波浪激勵(lì)作用下，撲翼擺動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，采集機(jī)構(gòu)將隨機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，通過液壓系統(tǒng)傳遞至液壓馬達(dá)，將液壓能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。

圖2 振蕩撲翼波浪能發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)理

1 液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則及系統(tǒng)基本組成

由于波浪的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，采集機(jī)構(gòu)從波浪中獲取的能量是間斷的，液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的液壓能也是不穩(wěn)定的。在面對(duì)大小不一的波浪時(shí)，很容易造成液壓系統(tǒng)的飽和或空蝕現(xiàn)象。因此液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮采集機(jī)構(gòu)所攝取能量的穩(wěn)定性，也要保證液壓馬達(dá)的輸出穩(wěn)定性。

圖3為液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖，以采集機(jī)構(gòu)從波浪能中所采集的信號(hào)作為液壓系統(tǒng)的輸入，分析輸入信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并確定系統(tǒng)的元件組成和具體參數(shù)。利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)出的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果分析液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效果。

圖3 液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

為使振蕩撲翼波浪能發(fā)電裝置適應(yīng)不同的海況，設(shè)計(jì)出一種含有多腔油缸的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如圖4所示。液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由多腔油缸、電磁閥組、蓄能器、溢流閥、液壓泵、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等組成。采集機(jī)構(gòu)在波浪的激勵(lì)作用下，撲翼擺動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，采集機(jī)構(gòu)將隨機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，通過液壓系統(tǒng)的傳遞，通過液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。

圖4 液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

1.2 液壓元件設(shè)計(jì)與選擇

1) 多腔液壓缸設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波浪的能量進(jìn)行采集，提高液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)一種四腔室的液壓油缸吸收采集機(jī)構(gòu)的能量。多腔液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，四腔室液壓缸內(nèi)部設(shè)置有體積各不相同的A腔、B腔、C腔和D腔。A腔和B腔的內(nèi)壁直徑相同，A腔與B腔之間設(shè)置活塞S1；A腔中活塞桿直徑大于B腔中活塞桿直徑；B腔內(nèi)徑大于C腔內(nèi)徑，B腔和C腔之間不連通，只允許活塞桿移動(dòng)；B腔中活塞桿直徑與C腔中活塞桿直徑相同；C腔和D腔之間設(shè)置活塞S2，且A腔、B腔C腔均通入液壓油，D腔與外界大氣連通，不通油。

圖5 多腔液壓缸結(jié)構(gòu)

DA=DB>DC=DD

(1)

dA>dB=dC

(2)

式中，DA，DB，DC，DD—— 多腔油缸A腔，B腔，C腔和D腔室的內(nèi)徑

dA，dB，dC—— 多腔油缸A腔、B腔和C腔室中活塞桿直徑

多腔油缸各腔室的油液有效作用面積為：

(3)

(4)

(5)

式中，SA，SB，SC—— 多腔油缸A腔、B腔和C腔室中油液的有效作用面積。

多腔油缸各腔室之間的油液作用面積的大小關(guān)系如下：

SB>SA>SC

(6)

多腔液壓缸輸出的力為：

F=(-pASA+pBSB-pCSC)×η×ψ

(7)

式中，pA，pB，pC—— 各腔室壓力

η—— 液壓缸效率，取0.7～0.9

ψ—— 液壓缸負(fù)載率，取0.5～0.7

通過相關(guān)的研究，在考慮極端條件的情況下以600 kN為最大輸出力來設(shè)計(jì)多腔油缸，活塞桿的材料選為碳素鋼，材料的許用應(yīng)力[σ1]約為100～120 MPa。根據(jù)強(qiáng)度要求，活塞桿直徑d需滿足下式：

(8)

(9)

式中，F(xiàn)—— 液壓缸輸出力，取600 kN

[σ1] —— 材料的許用應(yīng)力，取100 MPa

ξ—— 安全系數(shù)，取1.8

p—— 系統(tǒng)供油壓力，取20 MPa

則d≥158 mm；D≥195.7 mm。查詢GB/T 2348—1993規(guī)定的液壓缸活塞桿直徑尺寸系列和液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，選取多腔油缸最小活塞桿直徑為180 mm；A腔室和B腔室內(nèi)徑為250 mm，C腔室內(nèi)徑為200 mm，多腔液壓缸的具體參數(shù)如表1所示。

表1 多腔油缸參數(shù)

根據(jù)模擬實(shí)際波況條件下，液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中液壓缸活塞桿的行程選取為1.6 m，在振蕩撲翼波浪能正常發(fā)電作業(yè)時(shí)，液壓缸的運(yùn)動(dòng)選取范圍為1 m，預(yù)留0.6 m的安全量作為防臺(tái)風(fēng)期間使用。

2) 蓄能器參數(shù)

蓄能器在振蕩撲翼波浪能發(fā)電裝置的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中主要作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，分析波浪的作用周期可知，蓄能器的充放液時(shí)間小于1 min。當(dāng)蓄能器作為輔助動(dòng)力源的蓄能器，為使液壓系統(tǒng)能持續(xù)作業(yè)，需要蓄能器的最低工作壓力滿足：

p1=pm+(∑Δp)max

(10)

式中 ，p1—— 蓄能器的最低工作壓力

pm—— 最遠(yuǎn)耗能元件的最大工作壓力

∑Δp—— 蓄能器到最遠(yuǎn)耗能元件的壓力損失之和

考慮系統(tǒng)中各元器件的承受能力、使用條件和使用工況，故一般需滿足：

p1=(0.60～0.85)p2

(11)

式中，p2—— 蓄能器的最高工作壓力。

結(jié)合實(shí)際使用要求可求得各蓄能器的壓力參數(shù)，如表2所示。

表2 蓄能器壓力參數(shù)

對(duì)于輔助動(dòng)力源的蓄能器，內(nèi)部油液的有效容積為：

(12)

式中，VW—— 蓄能器的工作容積

Vi—— 各執(zhí)行元件的耗油量

K—— 泄漏系數(shù)，通常取1.2

蓄能器在絕熱狀態(tài)下，總?cè)莘e為：

(13)

根據(jù)上述公式可知，高壓管路上所需蓄能器總體積約為30.7 L，低壓管路上蓄能器總體積約為13.0 L?？紤]到海洋波浪的不穩(wěn)定性，同時(shí)也為了使管路的壓力能夠更好的保持穩(wěn)定，管路上蓄能器具體參數(shù)如表3所示。

表3 蓄能器體積參數(shù)

3) 液壓馬達(dá)參數(shù)

液壓馬達(dá)作為液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的執(zhí)行元件，主要利用流體壓差來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過輸出軸向外輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，這一過程將系統(tǒng)的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

液壓馬達(dá)的輸出功率計(jì)算公式為：

(14)

式中，Pm—— 液壓馬達(dá)輸出功率

Tm—— 液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩

ω—— 液壓馬達(dá)輸出的角速度

n—— 液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速

4) 液壓管路參數(shù)

在液壓系統(tǒng)中，管路參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)管路內(nèi)徑dN和壁厚δ。

(15)

式中，q—— 通過管路的流量

v—— 管路中油液流速

當(dāng)管路內(nèi)油液壓力大于10 MPa時(shí)，取v=7 m/s，故液壓系統(tǒng)管路內(nèi)徑為25 mm。

對(duì)于金屬材料的管路壁厚，有：

(16)

式中，p—— 管路內(nèi)油液最大壓力

[δ2] —— 材料的許用應(yīng)力

根據(jù)實(shí)際工作情況，取最大工作壓力25 MPa，可求得δ≥2.66 mm，故管壁厚為3 mm。

2 電磁閥換擋策略

多腔油缸作為液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的動(dòng)力攝取元件，各個(gè)腔室分別與高、低壓力管路相連。在實(shí)際液壓缸運(yùn)動(dòng)的過程中，可根據(jù)波浪的大小給液壓缸各腔室通入不同壓力的液壓油，使液壓缸輸出力的范圍變大，這樣就能使多腔液壓缸更好的匹配不同的波浪作用力。

目前，針對(duì)振蕩撲翼能量采集的研究基本采用沉浮俯仰耦合振型，搖臂轉(zhuǎn)角示意圖如圖6所示，傳統(tǒng)正弦俯仰振型表達(dá)式為：

圖6 搖臂轉(zhuǎn)角示意圖

θ(t)=θ0sin(2πft+φ)

(17)

式中，θ0—— 俯仰振幅

f—— 俯仰頻率

t—— 時(shí)間

φ—— 俯仰和沉浮運(yùn)動(dòng)的相位差

通過對(duì)實(shí)際海域內(nèi)波浪數(shù)據(jù)的分析研究，可初步計(jì)算出隨機(jī)波浪作用到采集機(jī)構(gòu)上時(shí)，多腔液壓缸所受到的力信號(hào)為：

Finput(t)=Hcos(±kx-finputt)

(18)

式中,H—— 振幅

k—— 波數(shù)

x—— 輸入波浪相對(duì)于波源的水平位置

finput—— 信號(hào)頻率

當(dāng)波浪作用到撲翼上時(shí)，活塞桿速度向上時(shí)，輸出的力為：

FS=pBSB-pASA-pCSC

(19)

根據(jù)多腔油缸各腔室之間的油液作用面積關(guān)系，可知在活塞桿向上運(yùn)動(dòng)的過程中，令pBSB值最大，pASA和pCSC值最小，則此時(shí)活塞桿最大的輸出力為：

FSmax=pHSB-pLSA-pLSC

(20)

式中，pH—— 高壓管路的壓力

pL—— 低壓管路的壓力

該種狀態(tài)電磁閥狀態(tài)控制可記為121組合，1表示通低壓管路，2表示通高壓管路，液壓缸輸出的力可記為F121，具體表示A腔的電磁閥與低壓管路相通，B腔的電磁閥與高壓管路相通，C腔的電磁閥與低壓管路相通。依次類推可求得在活塞桿速度向上時(shí)各種組合力的大小關(guān)系：

F121>F122>F221>F222

(21)

當(dāng)活塞桿速度向下時(shí)，可將負(fù)方向受力按數(shù)值大小對(duì)應(yīng)的關(guān)系有：

F212>F211>F112>F111

(22)

液壓缸輸出的8種組合力的大小關(guān)系與電磁閥開關(guān)組合關(guān)系如圖7所示。

圖7 液壓缸輸出力排列

當(dāng)波浪作用到采集機(jī)構(gòu)時(shí)根據(jù)傳感器將搖臂的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)傳遞給規(guī)則庫(kù)里的專家表，并且根據(jù)專家表決策電磁閥的開關(guān)，控制電磁閥實(shí)現(xiàn)不同開關(guān)組合，多腔液壓缸腔室壓力控制決策如表4所示。

表4 電磁閥開關(guān)決策表

當(dāng)波浪作用時(shí)，活塞桿受力依據(jù)大小被分配至各區(qū)間段內(nèi)，控制系統(tǒng)則選擇一組與之相對(duì)應(yīng)的開關(guān)閥組，得到各波浪力信號(hào)所對(duì)應(yīng)的液壓回路。這些不同區(qū)間和不同開關(guān)閥組所構(gòu)成的規(guī)則表，即為電磁閥開關(guān)專家規(guī)則表，具體專家表如表5所示。

表5 電磁閥開關(guān)專家表

3 系統(tǒng)仿真研究

為了研究所設(shè)計(jì)的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在具體海況下的工作情況，運(yùn)用多能域鍵合圖建模理論，結(jié)合AMESim仿真平臺(tái)搭建采集機(jī)構(gòu)與液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示，設(shè)定系統(tǒng)各元件的參數(shù)，以不同海況下的撲翼運(yùn)動(dòng)作為系統(tǒng)輸入模擬液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作。

圖8 采集機(jī)構(gòu)與液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仿真模型

AQWA軟件主要用于計(jì)算各種浮式結(jié)構(gòu)水動(dòng)力學(xué)特性和相關(guān)運(yùn)動(dòng)分析，通過AQWA模擬3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)海況下?lián)湟淼倪\(yùn)動(dòng)作為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入。通過查閱相關(guān)的資料可知各等級(jí)海況下波浪的參數(shù)范圍，確定各海況等級(jí)下波浪的具體參數(shù)如表6所示。

表6 波浪參數(shù)

在AQWA中以四級(jí)海況波幅1 m周期5.0 s的規(guī)則波浪作為采集機(jī)構(gòu)的輸入，仿真分析150 s得到撲翼的角位移，如圖9所示。

圖9 撲翼角位移曲線

由圖9可知，撲翼在規(guī)則波的作用下?lián)湟砟芊€(wěn)定輸出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，以撲翼的角位移作為液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

3.1 多腔油缸工作特性分析

多腔油缸各腔室的油壓隨時(shí)間的關(guān)系如圖10～圖12所示，由圖可知，各腔室內(nèi)油壓一直在6 MPa和24 MPa之間切換，說明在活塞桿的運(yùn)動(dòng)過程中各腔室所對(duì)應(yīng)的電磁閥開關(guān)狀態(tài)在不斷的切換，各腔室所連接的管路壓力也在不斷的切換。C腔室的油壓切換頻率相對(duì)于A腔和B腔室較大，同時(shí)也表明C腔室所對(duì)應(yīng)的電磁換向閥的切換頻率也是最快的。

圖10 多腔油缸A腔室壓力

圖11 多腔油缸B腔室壓力

圖12 多腔油缸C腔室壓力

多腔油缸各腔室輸出流量如圖13所示，在活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，各腔室的輸出流量均為周期性變化，B腔室的有效作用面積最大，因此輸出流量相比A腔室和C腔室也是最大的。

由圖10～圖13可知，多腔油缸各腔室壓力與流量變化規(guī)律與電磁閥開關(guān)專家表相對(duì)應(yīng)，符合電磁閥換擋策略。

圖13 多腔油缸各腔室流量

3.2 蓄能器工作特性及管路壓力分析

多腔油缸各腔室輸出的流量在匯入主管路后，使液壓馬達(dá)保持同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖14蓄能器氣體體積圖和圖15蓄能器氣體壓力圖可知，高壓蓄能器在初始?xì)怏w壓力14.5 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣體體積約為3.5 L，開始后高壓蓄能器處于充液狀態(tài)，大約20 s后氣體壓力得到穩(wěn)定，并在24 MPa壓力附近進(jìn)行循環(huán)充液和放液過程；低壓蓄能器的壓力在6 MPa左右波動(dòng)。

圖14 高、低壓蓄能器氣體體積

圖15 高、低壓蓄能器氣體壓力

高低壓管線壓力變化如圖16所示，高壓管路內(nèi)的油壓基本穩(wěn)定在24 MPa附近，低壓管路穩(wěn)定在6 MPa附近。與蓄能器氣體壓力相比，高壓管路內(nèi)的油液存在突變，這是由于系統(tǒng)中的電磁閥頻繁換向時(shí)引起的液壓沖擊，這也是管路內(nèi)的油液壓力突變的主要原因。

圖16 高、低壓管路壓力

3.3 液壓馬達(dá)工作特性分析

液壓馬達(dá)在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將液壓能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。根據(jù)管路油液特性可知，高、低壓管路的壓力基本能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，因此能夠使液壓馬達(dá)保持良好的轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

如圖17和圖18所示，液壓馬達(dá)在0～20 s內(nèi)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均保持遞增趨勢(shì)；在20 s后進(jìn)入穩(wěn)定階段，轉(zhuǎn)速維持在450 r/min左右，轉(zhuǎn)矩維持在450 N·m左右，滿足液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出的要求。

圖17 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

圖18 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

3.4 液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率計(jì)算

振蕩撲翼波浪能液壓轉(zhuǎn)換機(jī)理主要是將撲翼吸收的波浪能轉(zhuǎn)換為液壓馬達(dá)輸出軸的機(jī)械能，在這一過程中撲翼吸收的能量作為系統(tǒng)的輸入能量，液壓泵作為輔助元件也給系統(tǒng)輸入能量，液壓馬達(dá)輸出的能量則為系統(tǒng)輸出能量?，F(xiàn)分別以3級(jí)海況(波幅0.4 m、周期3.5 s)、4級(jí)海況(波幅1 m、周期5 s)和5級(jí)海況(波幅1.5 m、周期7 s)下?lián)湟淼倪\(yùn)動(dòng)角位移作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，仿真時(shí)間150 s內(nèi)各級(jí)波浪下液壓馬達(dá)的輸出功率如圖19所示。

圖19 液壓馬達(dá)輸出功率

由于液壓泵設(shè)置在壓力較為穩(wěn)定的低壓管路，則當(dāng)其以固定排量48.7 mL/r和固定轉(zhuǎn)速750 r/min給系統(tǒng)供油時(shí)，不同波浪下泵的輸出功率大致相同，液壓泵給系統(tǒng)的輸入功率如圖20所示。功率圖的曲線存在明顯的尖脈沖是由于該系統(tǒng)中電磁閥需要進(jìn)行頻繁換向作業(yè)，在換向時(shí)會(huì)引起液壓沖擊。

圖20 液壓泵供油功率圖

取撲翼從一個(gè)波谷到下一個(gè)波谷的運(yùn)動(dòng)時(shí)間作為一個(gè)采樣周期，則在該周期內(nèi)撲翼先從波谷運(yùn)動(dòng)到波峰，而后又從波峰運(yùn)動(dòng)到波谷，浮子在這一過程中波浪、重力等外力對(duì)其做功等于撲翼勢(shì)能的變化量：

ΔE=ΔEK+ΔEP

(23)

(24)

式中，EK—— 撲翼動(dòng)能

EP—— 撲翼勢(shì)能

依據(jù)液壓馬達(dá)的輸出功率公式可得：

(25)

液壓泵供給系統(tǒng)的平均輸入功率：

(26)

則振蕩撲翼波浪能液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率為：

(27)

在上述分析的基礎(chǔ)上取波浪運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期為研究對(duì)象，結(jié)合液壓馬達(dá)輸出功率圖和式(27)可得到不同波況下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，如表7所示。

表7 不同波況下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率

通過分析可知，當(dāng)海域內(nèi)波浪大于3級(jí)時(shí)，所設(shè)計(jì)的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率能夠維持在50%～70%之間，并且能夠保持良好的輸出特性。

4 結(jié)論

通過對(duì)振蕩撲翼波浪能發(fā)電裝置的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出了一種含有多腔油缸的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)的組成和各元件的具體參數(shù)，并制定了電磁閥換擋策略，運(yùn)用AMESim仿真軟件搭建了系統(tǒng)的仿真模型，模擬3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)海況下液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作特性，分析多腔油缸的工作特性、蓄能器及管線壓力的工作特性以及液壓馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)特性，并對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

在不同的海況條件下通過控制電磁閥的開關(guān)能夠改變多腔液壓油缸各腔室的壓力，提高采集機(jī)構(gòu)的采集效率，利用多個(gè)蓄能器能夠有效的將高壓管路內(nèi)的油壓基本穩(wěn)定在24 MPa附近，低壓管路穩(wěn)定在6 MPa附近，使液壓馬達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出的工作特性。所設(shè)計(jì)出的液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在3級(jí)海況下轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到55.5%；4級(jí)海況下轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到67.3%；5級(jí)海況下轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到67.8%。