波浪能液壓系統(tǒng)單向閥優(yōu)化分析

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

波浪能是開發(fā)歷史最悠久的海洋可再生能源，目前對波浪能的利用仍以波浪發(fā)電為主。由于波浪本身的隨機波動性，不可避免地造成波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)吸油端產(chǎn)生壓力與流量的不穩(wěn)定，蓄能器作為儲能元件，有效地減緩了系統(tǒng)中的能量波動[1-3]，但是蓄能器前端的單向閥回路在液壓缸不斷切換過程中，是否能夠通暢地進行油液更替，直接影響到蓄能器的儲能效果和系統(tǒng)吸能效果。同時，液壓系統(tǒng)的效率是由器件本身損耗和沿程損失決定，若要提升液壓系統(tǒng)效率，不僅要提高吸能效率，而且要將液壓回路的管路進行優(yōu)化。波浪能的液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的單向閥開啟依靠主油路壓力推開單向閥最小開啟壓力實現(xiàn)流體傳動[4-7]。而波浪能液壓系統(tǒng)的單向閥開啟卻是依靠主動元件產(chǎn)生的反向負壓作用實現(xiàn)流體傳動，負壓遠小于傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的主動壓力，很難克服單向閥油膜和閥芯摩擦產(chǎn)生的阻力。針對這些問題，在此，采用優(yōu)化單向閥的彈簧力與閥芯重力差，實現(xiàn)吸油回路的零重力無壓，結(jié)合液壓回路短程設計，改善了液壓系統(tǒng)效率。

1 波浪能液壓系統(tǒng)

波浪能浮子與液壓缸連接，當浮子跟隨波浪起伏的時候，帶動液壓缸運動，用液壓缸的運動帶動液壓油的流動，再通過閥門的轉(zhuǎn)換形成定向流動的液壓油，推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，如圖1所示。因此，單向閥組在隨波浪起伏切換時，開啟特性決定了管道油液流動的特性。由于閥芯重力和彈簧預緊力，負壓開啟普通單向閥可能引起管道氣泡的產(chǎn)生，因此傳統(tǒng)的波浪能系統(tǒng)采用增壓設備進行補油和增壓或去除單向閥彈簧[8-9]，前者方式不利于工程化，后者容易產(chǎn)生油液內(nèi)泄。

圖1 波浪能液壓系統(tǒng)

2 閥芯的對比分析

通常單向閥有錐閥和球閥2種，以直通閥為例，如圖2所示。其基本都由閥體、閥芯和彈簧組成。彈簧的作用是保證閥芯迅速復位，一般彈性都比較小，保證一定的開啟壓力。由于波浪液壓系統(tǒng)是油缸吸油產(chǎn)生的負壓開啟，如圖2所示，出油口的負壓開啟閥芯。而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)是主油路壓力開啟，即進油口開啟。所以單向閥在波浪能液壓系統(tǒng)使用時，經(jīng)常出現(xiàn)負壓無法開啟閥芯的情況。同時錐閥由于閥芯和閥體之間的間隙較小，油膜使閥芯運動的阻力非常大，基本無法開啟，即使將彈簧去除，開啟仍然無法通暢?？紤]到波浪的非規(guī)律性變化對閥芯運動苛刻要求，使用球閥進行優(yōu)化。

圖2 直通單向閥

3 閥芯的零重力無壓開啟

如圖3所示，為保證閥芯能夠正常開啟，不影響油液的流動特性，圖3a和圖3c的閥體方向為單向閥安裝的方向，即倒置垂直放置。圖3c為去除彈簧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然重力可以關閉，但是由于閥體內(nèi)腔比較大，油液處于流動狀態(tài)，瞬時狀態(tài)時，球閥芯自重是無法完全關閉管路的。圖3b結(jié)構(gòu)開啟的關鍵是彈簧預緊力和閥芯自重的平衡，如果彈簧力過小，關閉困難，反之則開啟困難。

圖3 單向閥開啟模式

4 液壓特性分析

4.1 彈簧勁度系數(shù)對開啟過程的影響

初始時刻，彈簧與閥芯重力保持平衡，閥口處于微關閉狀態(tài)。隨著負壓作用，閥芯開始移動，受到彈簧力逐漸增大，負壓作用逐漸減小，但由于閥芯有速度，會繼續(xù)開啟，隨后開始減速。當閥芯速度降到零時，閥芯開啟達到最大位置。在安裝長度為0.004 m不變的情況下，針對勁度系數(shù)分別為4 000,5 000，6 000,7 000的情況進行Simulink建模仿真分析。

由圖4可以看出，彈簧勁度系數(shù)越大，閥芯達到最大位置及平衡位置的位移就越小，彈簧勁度系數(shù)與單向閥開啟過程最大位移呈線性遞減關系，與平衡位置呈遞減關系。

圖4 勁度系數(shù)與閥芯位移關系

4.2 效率特性影響分析

波浪模擬加載設備由液壓系統(tǒng)、模擬加載機、控制臺和飛輪系統(tǒng)組成(如圖5、圖6所示)，利用模擬加載系統(tǒng)進行動態(tài)試驗。按照正弦波(周期為7 s，液壓缸速度幅值為120 mm/s)曲線推動液壓缸。在沒有改進的情況下，液壓缸經(jīng)常出現(xiàn)吸空和氣泡。改進后進行了試驗驗證，通過對比拆除彈簧和優(yōu)化彈簧2種方案的試驗測試，可得實驗曲線，如圖7所示。從圖7中的優(yōu)化彈簧方案可以看出，在流量120 L/min左右，系統(tǒng)的效率穩(wěn)定在80%以上，因此效率滿足指標80%的要求。在三亞海試的3個月期間(如圖8所示)，液壓系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在1.2 m(當時架設地方3個月的最大浪高)浪高的情況下，液壓缸沒有吸空的現(xiàn)象，并順利通過海洋局驗收。

圖5 液壓系統(tǒng)和飛輪系統(tǒng)

圖6 加載系統(tǒng)和控制臺

圖7 液壓效率曲線

圖8 波浪發(fā)電海試設備

5 結(jié)束語

針對波浪能液壓系統(tǒng)單向閥負壓狀態(tài)下的開啟問題，提出了零重力無壓開啟技術(shù)，從而改善了閥芯運動與液壓轉(zhuǎn)換效率之間的匹配特性。研究了單向直通閥不同閥芯形式的優(yōu)缺點，闡述了零重力無壓開啟工作原理，通過閥芯彈簧仿真對比分析，表明了勁度系數(shù)與閥芯位移的相對關系，并結(jié)合回路短程設計，試驗驗證了不同流量下的系統(tǒng)效率。此方法為海試液壓高效轉(zhuǎn)換提供了保障。