液压波浪发电装置设计研究

[摘 要]本文提出了由半球与圆锥组合而成的陀螺浮子（浮体）作为装置的捕能机构。根据实验设计合理选择海域参数，利用半球形波浪力公式，设计出浮子的尺寸，在液压设计部分，通过采用将浮体水下部分与液压缸活塞杆做成一体，实现了浮体与液压系统的整体性发电。

[关键词]半球形浮子；双杆双作用液压缸；压力阀

[中图分类号]TM612 [文献标识码]A

波浪能的发展具有深远的意义，各类波浪发电装置都有独自的特点，但是波浪能发电技术的发展正处于研发阶段，还没发展出具有绝对优势的技术，一方面是因为不同海区波浪能分布、地理位置、环境气候有差异；另外，波浪能不稳定性和随机性使得设计者难以确定设计的平衡点。目前，波浪发电技术还有待提高。

1 液压波浪发电装置原理

当浮体受波浪力带动活塞杆向上运动时，活塞压缩上油液腔，使得上油液腔体积减小，压强增大，油液顶开上油液腔左方单向阀，进入储能器中，而右方油路上的单向阀处于关闭状态，与此同时，活塞下液压油腔的体积增大，压强变小，油箱的油液顶开下油液腔右方油路上的单向阀，使得液压油进入下油液腔中，而此时下油液腔左方油路上的单向阀处于关闭状态。浮体向下运动时同理，储能器中的液压油达到一定压力时，压力开关打开，液压油进入液压马达，马达转动，发电机运行。

2 浮子尺寸计算

2.1 波浪能吸收效率

根据海岸线调研数据，利用wamit软件进行水动力分析，确定本次设计参数H=1m，T=5s，h=40m。

由波浪相关公式计算如下：

（1）

其中ω是波动频率，K是波数，T是周期，h是水深，H是波高，Wn是功率，En是能量，Cn是波速，Cgn是能量转换速率，an是波幅。

根据以上公式可以得出一个周期的波浪能功率：Wn=4776W，P输出=1000W

η=0.98*0.85=0.833，P浮=1/0.833=1.2KW，

根据三级能量转换得出了浮子的输出功率：P=1200W，η总=P/Wn=1200/4776=25%

2.2 浮子下端设计

（2）

将相关数据带入半球波浪力公式中，可以得出半径r=1.6m，吃水深度d=1.3m

2.3 浮子上端设计

为了装置不积水。上端架设一个角度为120度的圆锥体配合。

经过体积计算总体积为9.83m3，根据浮力等于重力，则浮子的质量为4332kg

3 发电机设计

3.1 发电机电机的选型

（根据我国实际海况，近似稳定情况下，波浪发电机每天工作24h，每年工作300天，工作10年。）由于我们初设计样机，设计功率为1KW，根据发电机选型，选择发电机型号为N35SH，该电机参数如下（见表3-1）

3.2 发电机输入轴的设计

（1）已知电机输出轴的功率P1=1KW，转速n1=380rpm，转矩T1=25131N·mm。

（2）计算作用在齿轮上的力

（3）

（3）初定轴的最小直径

由发电机厂家所给出的电机参数知，电机输出轴 。因为发电机输入轴的直径与发电机输入轴上的齿轮分度圆直径d=26mm相接近，因此将发电机的输入轴做成齿轮轴。

3.3 液压马达的设计

因发电机转速为380rpm，发电机输入轴与液压马达输出轴上齿轮转动比为i12=3，则液压马达转速127rpm.

根据《表10-2机械传动和轴承效率概略值》[5]，取发电机输出轴齿轮与液压马达输出轴上的齿轮传动机械效率η齿轮=0.98，因此选择的液压马达输出轴上的功率P2=Pd·η齿轮=1×0.98=0.98KW，转速n2=127rpm，转矩73.7N·m.

根据液压马达的功率P2=0.98KW、转速n2=127rpm和所承受的转矩T2=73.7N·m，选择液压马达型号为BMT-800，转速140rpm，压力13MPa，输入流量125L/min。

3.4 液压马达的输出轴及安装尺寸

由于已确定液压马达上的齿轮分度圆直径d2=128，齿根圆直径d2 f =124，齿宽d2=35，根据安装图，液压马达输出轴为 40圆柱轴，联接键采用尺寸为12×8×63的平键。

4 液压缸设计

4.1 液压缸内径

已知选择波高1米，周期是5秒，波浪上下运动近似速度浮体对波浪吸收率为Pd=0.25，浮体所受到的力F=24000N。

浮体上下运动速度是vd=0.2m/s×Pd=0.05m/s，运动距离是s= h×Pd=1×0.25=0.25m，即浮体上下运动范围为（0，0.25m），运动时间是5s；浮体对液压缸产生的力Fd=F×Pd=24000×0.25= 6000N。（4）

根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定液压缸内径D（注：以下全部设计用到的公式、图表及相关引用，均参考《液压传动与控制》）按有杆腔进油时，由于选用的液压马达为BMR-800，转速140rpm，排量q=125L/min，持续工作时最大压力13MPa，活塞杆的速度v=vd=0.05m/s。D，d未知，先根据单活塞杆无杆腔进油时活塞面积公式近似估计D（取液压缸容积效率ηv=0.98）：带入数值，解得D·=228mm，根据规定，对D向上圆整，取D=250mm。

由于在實验过程中，近似取浮体上下运动速度大小一致，即活塞杆上下速度大小一致，根据液压马达BMT-800需要的流量与活塞面积D、活塞杆面积d、活塞运动速度v的关系公式：

解得d=245mm。（5）

4.2 液压缸缸筒长度L的确定

液压缸缸筒的长度L应根据所需行程和结构上的需要而定，即液压缸缸筒长度=活塞行程+活塞宽度+活塞导向长度+活塞杆密封长度+其他长度。通常，液压缸缸筒的长度L不大于缸筒内径的20倍。因此根据《液压缸行程系数》，初取液压缸缸筒长度L=2500mm。

4.3 确定最小导向长度H和其他部位尺寸

根据《液压传动与控制》中的《液压缸结构尺寸图》（见下图4-3）

对于一般的液压缸，当液压缸最大行程L，缸筒直径D时，最小导向长度为

，活塞宽度B=（0.6□1.0）D，因此取H=250mm，B=0.8D=200mm（6）

5 结论

论文在液压设计部分，通过采用将浮体水下部分与液压缸活塞杆做成一体，实现了浮体与液压系统的整体性。液压系统通过将浮体吸收的波浪能转化为液压能，再输出机械能，实现发电机发电工作。通过数据的输出，选择在市场上存在的发电机型号，完成整个装置按预定设计进行工作。

[参考文献]

[1]游亚戈，李伟，刘伟民等.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统自动化，2010（14）.

[2]王凌宇.海洋浮子式波浪发电装置结构设计及试验研究[D].大连理工大学，2008.

[3]王淑婧.振荡浮子式波浪能发电装置的设计及功率计算分析[D].中国海洋大学，2013.

[4]彭建军.振荡浮子式波浪能发电装置水动力性能研究[D].山东大学，2014.

[5]魏兵，喻全余，孙未.机械原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[6]沈兴全.液压传动与控制[M].北京：国防工业出版社，2013.