太阳能发电设备直驱式液压系统毕业设计论文.pdf

- -I 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太阳能发电设备直驱式液压系统设计- - I 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；液压技术太阳能发电设备直驱式液压系统设计- - II Abstract Direct 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 control ’ s 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 太阳能发电设备直驱式液压系统设计- - III 目 录摘 要 . IAbstract . II第 1 章 绪 论 错误！未定义书签。1.1 课题背景 . 11.2 课题的目的和意义 . 11.3 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 19太阳能发电设备直驱式液压系统设计- - IV 4.4.3 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 错误！未定义书签。参考文献 31附录 1 双叶片转叶马达三维结构图 . 33附录 2 定日镜总体装配三维示意图 34太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 1 - 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 5.6 × 1012 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 10~15 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太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 2 - 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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 3 - 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太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 4 - 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 23.5o，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 ± 100o。高度角方向，北京地区的纬度是北纬 40o 则高度角变化范围是 47o（ 16.5o~63.5 o）。图2-3 是北京地区全年太阳运动方位变化。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 5 - 图 2-3 北京地区太阳全年运动方位变化 [11]2.2.2 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 ± 100o，高度角变化 47o（ 16.5o~63.5 o），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 38o，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太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 6 - 同时，定日镜在夏至时方位角方向角度变化最大，为 100o。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90o，方位角方向无特殊要求，为 100o。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 0.5o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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 7 - 图 2-6 定日镜跟踪开闭环控制系统框图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Y N 开始太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 8 - 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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 9 - 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 40o） ，单天工作时间 9 小时（ 8:00~17:00） ，高度角方向角度变化 90o，方位方向角度变化100o，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 aT ，启动加速时间 0.1t s，则太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 10 - 38180 0.0074 rad / s 0.442 rad / min5 6 3 (3-1) 224 27 1000 10 5.83 10 Kg m12 12m lJ (3-2) 4 0.4425.83 10 4302 N m0.1 60a J JT t (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 0.442rad / min ，则快速调整时间2 2 3.55 min 10 min0.442t (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， 0.02 则30.02 7 10 9.8 0.11 151 N mf G rT (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 0.25 ml ，则37 10 9.8 0.25 17150 N mg G lT (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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 11 - 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wF q AC (3-8) 式中： wC —— 风压系数；q —— 设计用速度压 ( 2N/m )；A —— 受风面积 (mm2)；0q q I J (3-9) 式中： 0q —— 基准速度压 ( 2N/m )；—— 高度补偿系数， 1；I —— 用途系数， I =1.15；J —— 环境系数， J =1.15；2012 vq (3-10) 式中： —— 空气密度风速， 2 41.274 N s /m ；v—— 风速， v =16 m/s。2 201 1 1.274 16 163.072 2vq2N/m0 163.07 1 1.15 1.15 215.66q q I J2N/m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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 12 - 图 3-2 定日镜反射镜最大风压系数变化 [16]1 1 2 3 4 5 65 3 1 1 3 512 12 12 12 12 12T F L F L F L F L F L F L1 2 4 5 5 9 N mT5）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： 4302 151 17150 21603 N ma f gT T T T正常工作阶段： 151 17150 17301 N mf gT T T受风最大情况时各工作阶段所受载荷启动加速阶段： 1 4302 151 17150 24559 46162a f gT T T T T正常工作阶段： 1 151 17150 24559 41860 N mf gT T T T3.2.2 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 aT ，启动加速时间 0.1 st ，则太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 13 - 100180 0.0108 rad/s 0.646 rad/ min9 6 3224 27 1000 10 5.83 10 Kg m12 12m lJ4 0.6465.83 10 6277 N m0.1 60a J JT t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0.646 rad / min ，则快速返回时间100 100180 180 2.7 min 10 min0.646t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，0.2 则30.2 7 10 9.8 0.11 1510 N mf G rT3）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1 24559 N mT4）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： 6277 1510 7787 N ma fT T T正常工作阶段： 1510 N mfT T受风最大情况时各工作阶段所受载荷启动加速阶段： 1 6277 1510 24559 32346 N ma fT T T T正常工作阶段： 1 1510 24559 26069 N mfT T T太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 14 - 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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 15 - 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 N m ，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2radVT P D P (4-1) 2 2 2 214 4D d D dV H n n H nn (4-2) 2 28D dT n P H (4-3) 式中： radD —— 弧度排量 (m3/rad)；V —— 每转排量 (m3/rev)；H —— 叶片高度 (m)， H =0.2 m；n —— 叶片数， n =2；—— 马达效率， =0.9。2 246000 N m8D dT n P H2 2 2 2746000 8 0.0511 m 51000 mm0.9 2 2 10 0.2D d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 40 rC ， 785s MPa，取安全因数 2n ，则许用应力785 392.52sn MPa (4-4) 根据第三强度理论（最大切应力理论）max12 (4-5) 太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 16 - 式中： —— 许用切应力 (MPa)。max 3116tT TW d (4-6) 331632 32 46000 0.106 m 106 mm3.14 392.5 10Td (4-7) 考虑到轴段连接时局部变形不宜过大，取 1 130 mmd ，则转子轴连接轴承处轴颈 140 mm，动叶片连接处轴颈 155 mm 2 2 251000 mmD d273.9 mmD取 300 mmD ，则输出扭矩2 2 2 26 0.3 0.1552 0.9 20 10 0.2 59377.5 N m8 8D dT n P H每转排量2 22 32.07 10 m /rev 20700 ml/rev4D dV H n转叶马达结构如下图 4-1 双叶片转叶马达主视剖视图太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 17 - 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 2 0.3P MPa，则5 6 51 2 22 2 3.14 21603 3.0 10 7.28 10 3.0 10 7.582.07 10 0.9TP PV MPa (4-8) 2 5 30.4422.07 10 2.43 10 m /s 1457ml/min2 2 3.14 60Q V n V (4-9) 6 51 7.58 10 2.43 10 184.2 Wp P Q (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 2 0.3P MPa，则5 6 51 2 22 2 3.14 46162 3.0 10 15.56 10 3.0 10 15.862.07 10 0.9TP PV MPa 2 5 30.4422.07 10 2.43 10 m /s 1457 ml/min2 2 3.14 60Q V n V太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 18 - 6 51 15.86 10 2.43 10 385.4 Wp P Q4.4 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 2 0.3P MPa，则5 6 51 2 22 2 3.14 7787 3.0 10 2.36 10 3.0 10 2.662.07 10 0.9TP PV MPa 2 5 30.6462.07 10 3.55 10 m /s 2129 ml/min2 2 3.14 60Q V n V6 51 2.66 10 3.55 10 94.4 Wp P Q4.4.2 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 2 0.3P MPa，则5 6 51 2 22 2 3.14 32346 3.0 10 10.9 10 3.0 10 11.22.07 10 0.9TP PV MPa 2 5 30.6462.07 10 3.55 10 m /s 2129 ml/min2 2 3.14 60Q V n V6 51 11.2 10 3.55 10 397.6p P Q W 4.5 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21 2max 2034D d p pTW (MPa) (4-11) 式中： T —— 叶片根部所受弯矩 ( N m )；由下式求得2 21 2 610 (N m)8b D d p pT (4-12) W —— 叶片根部抗弯截面系数，对矩形截面太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 19 - 230 (m )6bW (4-13) 式中： D —— 缸体内径 (m)；d —— 叶片安装轴颈 (m)；1p —— 进口压力 (MPa)；2p —— 出口压力 (MPa)；0 —— 叶片根部厚度 (m)。2max 23 0.3 0.155 15.86 100.044 0.05TW MPa 式中压差由第 5 章知最大 15.86MPa。应该使maxsn (MPa) (4-14) 式中： s —— 叶片材料的屈服极限 (MPa)；n —— 安全系数。叶片材料选用 40 rC ， 785s MPa，取安全因数 3n ，则max785100.04 261.673sn 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6214 10Fd Z (MPa) (4-15) 连接处的剪应力621100.2K Fd Z (MPa) (4-16) 合成应力2 23n (MPa) (4-17) 太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 20 - 式中： F —— 缸体端部承受的最大推力 (N)；1d —— 连接螺栓直径 (m)；K —— 螺纹连接的摩擦系数， K =0.12；Z —— 连接螺栓数量；—— 缸体材料的许用应力 (MPa)；T —— 转叶马达输出最大转矩 ( N m )。其中2 21 2 60.7 104p p D dF N (4-18) 2 2615.86 3.14 0.3 0.155 0.7 10 574976.54F N sn (4-19) 式中： s —— 叶片材料的屈服极限 (MPa)；n —— 安全系数。缸体材料选用 40 rC ， 785s MPa，取安全因数 1.5n ，则785 523.31.5sn MPa 则 624 5 7 4 9 7 6 . 51 0 1 7 8 . 8 23 . 1 4 0 . 0 1 6 1 6 MPa 620.12 574976.5 10 84.230.2 0.016 16 MPa 2 2178.82 3 84.23 197.66n MPa 197.66 523.3n 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，不必校核太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 21 - 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： 1 2. 1 2 94. 6 4. 6 3. 2 5 ( m m )4Qd v (4-19) 考虑到油管内径尺寸不能太小，取油管内径 1 8d mm。4.6.2 油管厚度的计算由经验公式得2[ ]Pd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[ ] bn (4-20) 式中： b —— 抗拉强度 (MPa)；n—— 安全系数， 6n 。则 600[ ] 1006bnMPa 油管壁厚： 41 5 . 8 6 0 . 0 0 86 . 3 1 0 m 0 . 6 m m2 1 0 0考虑到管接头的选用，取 3 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： 8 14 3太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 22 - 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太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 23 - 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。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 24 - 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。31 2 9765 10841 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，太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 25 - 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