2-水池模擬裝置液壓系統(tǒng)計算與仿真

海洋可再生能源專項資金項目水池模擬裝置液壓系統(tǒng)計算與仿真項目名稱：項目編碼：ZJME2011BL04項目負責人：李德堂報告編寫人：韋家礎(chǔ)李飛唐文濤審核人：張兆德審定人：謝永和項目起止年月：2011年8月-2013年8月二〇一三年八月水池模擬裝置液壓系統(tǒng)計算與仿真一、水池模擬裝置液壓系統(tǒng)計算1、波浪能量計算基本條件試驗浮筒直徑初步選擇1.7m，最大波高H=0.3m，周期T=5s。理論估算波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算：即P＝0.5TH2=225W/m（1）式中：P為單位波前寬度上的波浪功率，單位kW/m；T為波浪周期，單位s；H為波高，單位m。浮筒能量的轉(zhuǎn)換功率按照浮筒直徑1.7m理論計算，轉(zhuǎn)換效率取30%可得功率：P=1.7×225÷3=127.5W（2）2、發(fā)電機選型選包頭市天隆永磁電機制造有限責任公司生產(chǎn)的\o"分享到騰訊空間"稀土永磁垂直軸三相交流同步發(fā)電機。表1產(chǎn)品名稱稀土永磁垂直軸三相交流同步發(fā)電機產(chǎn)品型號FFL-100W/200rpm/DC14V額定功率100W額定電壓DC14V(整流后的直流電壓）額定轉(zhuǎn)速200rpm起動力矩小于0.35Nm效率大于75%重量11kg3、液壓驅(qū)動裝置的配置3.1油缸的配置技術(shù)參數(shù)：額定壓力16MPa安裝型式：底部法蘭規(guī)格：內(nèi)徑/桿徑-行程：φ50/28-350計算：安裝配置一只缸，接管方式為差動連接,則:活塞桿面積：A=πd2/4=0.785×(28×10-3)2=6.1×10-4m2（3）在浮筒產(chǎn)生5000N力的作用下，油缸產(chǎn)生的壓力：P油缸=F1/A=5000/(6.1×10-4)=8.1MPa（4）式中,A-有效面積；d-活塞桿直徑；F1-波浪向上作用力；P油缸-油缸最大工作壓力。油缸每分鐘排油流量:Q=A*S×60/Tz=6.1×10-4m2×60/5=2.2L/min（5）式中,S-行程；Tz–波浪周期。油缸壓桿穩(wěn)定性校核油缸設(shè)計為底部法蘭,桿端球鉸連接,安裝距初定為645mm,壓桿平衡驗算如下:I=πd4/64=3.14×(28×10-3)4=3.01×10-8m4（6）式中,I-活塞桿橫截面慣性矩。活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力FK=(π2E1I×106)/(K2LB2)(7)=(3.142×1.8×105×3.01×10-8×106)/(22×0.6452)=3.2×104N式中,FK-活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力；E1-實際彈性模量.取1.8×105MPa；K-油缸安裝及導(dǎo)向系數(shù),取2、LB-油缸安裝距。驗算:浮筒力F1=5000≤FK/nK=3.2×104/5=6400N（8）式中,FK–安全系數(shù),取5故,油缸壓桿平衡驗算處于允許范圍內(nèi)。3.2液壓馬達的配置根據(jù)油缸排量及發(fā)電機轉(zhuǎn)速要求，選擇馬達:A2F10。技術(shù)參數(shù)：額定壓力35MPa；排量v=9.4ml/r。發(fā)電機200rpm下，馬達需要的流量：Q=v*n=9.4×200=1.88L/min（9）式中，Q-流量；v-排量；n-轉(zhuǎn)速200rpm。液壓馬達基本輸出功率驗算根據(jù)蓄能器壓力設(shè)定范圍（計算見后面部分），馬達最低工作壓力：P3=P1-(△P1+△P2+△P3)=4.7-0.7=4.0MPa馬達最高工作壓力：P4=P2-(△P1+△P2+△P3)=7.8-0.7=7.1MPa馬達最低工作壓力時，輸出功率為：N1=P3*Q=4.0×106×1.88×10-3/60=125W（10）馬達最高工作壓力時，輸出功率為：N2=P2*Q*η*η*v=7.1×106×1.88×10-3/60=222W（11）故,考慮各種損失，當液壓馬達輸入壓力為最低壓力時,仍然能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。3.3閥門及管路壓力損失調(diào)速閥:型號：2FRM5-3X/3Q技術(shù)參數(shù)：額定壓力21MPa；最大流量3L/min；壓差△P1=0.5MPa。電磁換向閥：型號：4WE4E-1X/A-G24V。技術(shù)參數(shù)：最高壓力21MPa；最大流量25L/min；壓差△P2=0.1MPa。管路壓力損失估算：壓差△P3=0.1MPa。3.4活塞式蓄能器根據(jù)油缸的最高輸出壓力及管路損失等，確定蓄能器工作壓力范圍蓄能器最高工作壓力:P2=7.8MPa作為供液源，考慮馬達工作壓力，蓄能器的充氣壓力P0=P1=4.7MPa蓄能器有效排油量選取△V=V1-V2，其中：V1,V2是壓力分別為P1，P2時的氣體容積。由于系統(tǒng)油壓較低，取液壓馬達工作1分鐘所需油量作為蓄能器有效排油量，則：V=v×n×t=9.4×10-3×200×1=1.88L（12）蓄能器總?cè)莘e是充入氣體的最大容積，蓄能器原則上是根據(jù)波義爾-查理定律經(jīng)行工作，大致近似于絕熱變化的運動較多，所以計算時蓄能器放能視為絕熱過程,其工作容積計算公式:△V=P01/nV0［(1/P1)1/n-(1/P2)1/n］(13)代入1.88L=4.71/1.4V0［(1/4.7)1/1.4-(1/7.8)1/1.4］得V0=6.1L,選取6.3L式中,△V-蓄能器工作容積；絕熱過程n=1.4；V0-蓄能器總?cè)莘e。故，選用蓄能器型號：HXQ-B6.3D。技術(shù)參數(shù)：總?cè)莘e6.3L、額定壓力17MPa。蓄能器附件配置：充氣工具：CQJ-25充氮車：CDZ-25Y1二、海上工程樣機液壓系統(tǒng)建模與仿真1.單向閥；2.液壓缸；3.截止閥；4.油箱；5.壓力表；6.液壓蓄能器；7.溢流閥；8.液壓馬達發(fā)電機組1；9.流量調(diào)節(jié)閥；10.液壓馬達發(fā)電機組2圖1液壓系統(tǒng)原理圖2AMESim海洋發(fā)電系統(tǒng)模型該模型里，有8個液壓缸，16個單向閥，1個蓄能器，1個安全閥，1個可變?nèi)萘魁X輪泵和1個固定容量齒輪泵，2個發(fā)電機（用負載來模擬發(fā)電機）。1、參數(shù)設(shè)置波浪力周期性的波浪力通過波浪柱作用在液壓缸上，波浪柱的作用是把同一時刻的波浪力周期性的分配給這8個液壓缸，取值為2×103kgf如下圖3。圖3液壓缸：液壓缸主要由3個元件組成，分別定義運動活塞的質(zhì)量、摩擦和限位，彈簧的剛度和預(yù)緊力，液壓缸的初始容積和最小容積。單向閥：單向閥模型來自AMESim的液壓基礎(chǔ)庫，需要定義單向閥的開啟壓力和流量對應(yīng)壓降的變化率。安全閥：安全閥需要定義的參數(shù)和單向閥類似。蓄能器：蓄能器需要定義蓄能器的預(yù)充氣壓和蓄能器的容積。齒輪泵:齒輪泵需要定義泵的流量和典型轉(zhuǎn)速，以及泵的容積效率和機械液壓效率。發(fā)電機:該模型中是以負載模型來模擬發(fā)電機，需要定義負載的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦阻力參數(shù)。2、結(jié)果分析圖4圖4中給出1缸的液壓（該壓力為表壓），壓力的大小和波浪力以及液壓閥內(nèi)的結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。通過AMESim軟件的液壓元件設(shè)計庫可以詳細指導(dǎo)液壓閥的設(shè)計。圖5圖5中給出蓄能器口處的流量值，正值代表流量流入，負值代表流量流出，可以看到此處達到一個動態(tài)平衡。圖6圖6中給出蓄能器