液压式波浪能转化模拟系统仿真及实验.pdf

De c．2 01 2 机床与液压 Hy d mme c h a t mn i c s En g i n e e r i n g V o 1 ．40 No ． 2 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 4 ． 0 2 0 S i mu l a t i o n a n d Ex pe r i me n t o f Hy d r a ul i c W a v e En e r g y Co nv e r s i o n a n d I mi t a t i o n S y s t e m YAO J i n g ，GUO Yu e ，WANG J i n g ，KONG Xi a n g d o n g Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4， C h i n a Ab s t r a c t Wa v e e n e r g y i s a r e n e wa b l e a n d c l e a n n a t u r a l r e s o u r c e．A d o u b l e ． a c t i n g c o n v e r s io n s y s t e m a n d a n i mit a t i o n t e s t s y s t e m o f h y d r a u l i c wa v e e n e r g y a r e d e s i g n e d t o g e n e r a t e s t a b l e e le c t r ic it y ．Th e s i mu la t io n mo d e I b a s e d o n AMESi m a n d i mi t a t io n e x p e r i me n t p l a t f o r m a r e b o t h b u i l t ．Th e s imu l a t io n r e s u lt s s h o w t h a t t h is wa v e e n e r g y c o n v e r s io n s y s t e m c a n s u p p ly s t a b l e r o t a t e s p e e d o u t p u t b y c l o s e d - l o o p c o n t r o l ， a n d t h e e x p e r i me n t p r o v e s t h a t t h i s p r o j e c t d e s i g n e d i n t h is p a p e r i s f e a s i b le．b u t i t s a p p li c a t i o n h a s a f e w Ii mit a t i o n s ．Th e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a I r e f er e n c e f o r f u r t h e r d e v elo p me n t o f wa v e e n e r ． ．qy Ke y wor d swa v e en e r g y ，p o we r g e n e r a t i o n，h y d r a u l i c s y s t e m S i n c e t h e pe t r o l e u m c ris i s，ma n y c o u n t rie s b e g a n t o d i v e r t a t t e n t i o n t o fin d t h e mo s t s u i t a b l e c h e a p e n e r g y． W a v e En e r gy d i s t r i bu t e s a l l a r o u n d t h e wo ad，i t i s r e l a t i v e l y l e s s a f f e c t e d b y t i me．a n d no ． r e o v e r ，i t c a n p r o v i d e s u b s t a n t i a l l o w c o s t p o w e r b y me a ns o f s ma l l d e v i c e s b e c a u s e o f i t s l a r g e e ne r gy d e n s i t y ．T h e r e f o r e t h e w o r l d ’ s m a j o r ma ri t i m e c o u n t rie s a t t a c h g r e a t i mp o r t a n c e t o t he s t u d y o f d e v e l o p - m e n t a n d u t i l i z a t i o n o f w a v e e n e r gy[ 1 3 ] ． W a v e e n e r g y f o r ms t h r o ug h a b s o r b i n g wi n d e n e r gy e s s e n t i a l l y ． I t s e n e r g y t r a n s f e r r a t e i s d i r e c t l y r e l a t e d t o wi n d v e l o c i t y a s we l l a s t he d i s t a n c e o f t h e i n t e r a c t i o n o f wi n d a n d wa t e r ． Wa v e e n e r gy i s un s t a b l e e n e r gy du e t o a v a rie t y o f c l i ma t i c c o n d i t i o n s a n d u n c e r t a i n t y wi n d． I n flu e n c e d b y g e o g r a p h i c a l e n v i r o n me n t ，wa v e e ne r g y a mp l i t u d e a n d fre q u e nc y v a r i a - t i o n i s r a n d o m． T h a t i s t o s a y ，we s h o u l d d e s i g n wa v e e n e r gy c o n v e r s i o n d e v i c e s ba s e d o n i t s c ha r a c t e r i s t i c s ．A c c o r d i n g t o L I A N G e t a 1 ． [ 4] ，w h e n t h e d e p t h o f wa t e r i s e q u a l t o wa v e l e n g t h，wa t e r pa ni c l e a c t s c i r c u l a r mo t i o n a l o n g t he c l o c k wi s e ． I t s v e l o c i t y i s c o n s t a n t a t t h i s mo me n t f u r t h e r mo r e． i t c a n b e Re c e i v e d201 20 907 I mp o r t a n t S pe c i a l i z e d Sc i e n c e a n d Te c hn o l o g y I t e m 2 0 0 9 Z X0 4 0 0 50 3 1 ， 2 0 1 1 Z X0 4 0 0 15 10 4 G UO Y u e ． E ma i l g u o y u e y s u ． e d u ． c r l a p p r o x i ma t e d a s a s i n u s o i d a l mo t i o n ． T h i s p a p e r p r e s e n t s a h y d r a u l i c wa v e e n e r g y c o n v e r s i o n s y s t e m o f t wo s t r o k e a c t i n g，a i me d a t p r o v i d i n g a k i nd o f wa v e e n e r g y c o n v e r s i o n d e v i c e， wh i c h h a s l o n g wo r k i n g h o u r s， s t a b l e o p e r a t i o n， h i g h c o n v e r s i o n e ffi c i e n c y a n d e x c e l l e n t p o w e r q u a l i ． 1 ． Hy d r a u l i c wa v e e n e r g y c o nv e r s i o n a n d i mi t a t i o n s y s t e m Hy d r a u l i c w a v e e n e r g y c o n v e r s i o n a n d I mi t a t i o n s ys t e m us e s wa v e e ne r gy t o p r o mo t e b u o y a nc y s wi n g t o d r i v e h y d r a ul i c c y l i n d e r r e c i p r o c a t i n g mo t i o n ．Th i s mo t i o n c o ul d p r o v i d e s o r t o f hy d r a u l i c e n e r gy t o r o t a t e s e r v o v a ria b l e mo t o r ． T he r o t a t i o n a l s p e e d o f mo t o r c o u l d b e c o n t r o l l e d b y a d j u s t i n g t h e s w a s h p l a t e a n g l e ．T h u s s t e a d y s p e e d me t t h e g r i d c o n n e c t e d p o we r g e n e r a t i o n r e q u i r e me n t s ．T h e h y d r a u l i c wa v e e n e r gy c o n v e r s i o n i mi t a t i o n s y s t e m s c he ma t i c d i a g r a m i s s h o w n i n F i g ． 1 ． Th e s y s t e m i s c o mp o s e d o f p o we r s o u r c e i mi t a t i o n p a r t a n d e n e r g y a bs o r p t i o n a n d c o n v e r s i o n p a r t ． Th e po we r s o u r c e i mi t a t i o n p a r t wa s b u i l t u p wi t h c o n s t a n t p r e s s u r e v a r i a b l e p ump， p r o po rti o n a l s e r v o v a l v e， s e r v o c y l i n d e r ， e t c ． Th e e n e r g y a bs o r p t i o n a nd c o n v e r s i o n pa r t wa s b a s i c a l l y c o n s t i t u t e d o f d o u b k r o d hy d r a u l i c c y l i n d e r ，f o u r c h e c k v a l v e s．a c c u YAO J i n g ，e t a l S i mu l a t i o n a n d E x p e r i me n t o f Hy d r a u l i c Wa v e E n e r g y Co n v e r s i o n a nd I mi t a t i o n Sy s t e m 1 05 mu l a t o r ，3 ／2 wa y d i r e c t i o n a l v a l v e， s e r v o v a r i a b l e mo t o r ，s i mu l a t e d l o a d，r e s t ric t i v e v a l v e，o i l s u pp l e me n t s y s t e m ，e t c ． 1 ， 3 3 ． o i l t a n k， 2．s h u t o ff v a l v e， 3， 2 4， 2 7 ．p u mp， 4． fil t e r ，5， l 0， 2 0， 2 5， 2 8 ．c o n n e c t e d d e v i c e s ，6， 2 6， 2 9．e l e c t r i c mo t o r ， 7。 2 3． c h e c k v alv e， 8． p r o p o r t i o n a l v alv e， 9， l 1 ． c y l i n d e r ，1 2， 3 0． p r e s s u r erel i e f v alv e， 1 3， 1 4． a c c u mu l a t o r c o mp o ne n t s ，1 5 ． p res s u re s e n s o r ， 1 6， 1 7 ． p res s u re g a u g e，c o mp o n e n t s ， 1 8．3 ／ 2 一 wa y d i rec t i o n al v alv e ，1 9 mo t o r ．2 1 ． P o we r g e n e r a t o r ， 2 2． r e s t r i c t i r e v alv e． 31 ． Ai r fil t e r ．3 2．L e v e l l i q u i d t l Ie r mo mc t e r F i g ． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e h y d r a u l i c w a v e e n e r g y c o n v e r s i o n a n d i mi t a t i o n s y s t e m I n t h e s c h e ma t i c d i a g r a m ，t h e p o we r s o u r c e i mi t a t i o n pa r t i s o n t he fig ht ． Th e s y s t e m c a n s i mu l a t e t h e mo v e me n t i n t he f o r m o f wa v e s c l o s e t o t h e s i n u s o i d a l mo t i o n t h r o u g h p o s i t i o n c l o s e d l o o p c o n t r o 1 ． W h e n s i mu l a t i n g t he mo v e me n t o f t h e wa v e，t he h y d r a u l i c c y l i n d e r c o n d uc t s t wo wa y mo v e me n t ．As t h e p i s t o n r o d mo v e s t o t h e l e ft，t h e l e ft c h a mb e r o f t h e h y d r a ul i c c y l i n d e r s a h i g h pr e s s u r e； l i k e wi s e， a s t h e pi s t o n r o d mo v e s t o t h e rig h t ，t h e rig h t c ha m b e r o f t he h y d r a u l i c c y l i n d e r s a hi g h p r e s s u r e ． Afte r t h e c o mp a ris o n b e t we e n b o t h s i d e s o f t h e pr e s ． s u r e，t h e h i g h e r pr e s s u r e i s t r a n s mi t t e d t o i n l e t o f t h e mo t o r t h r o u g h c h e c k v a l v e．Th e p r e s s u r e r e l i e f v a l v e a n d t h e a c c u mu l a t o r a r e s e t u p o n t h e h i g h p r e s s u r e l i n e ．T h e p r e s s u r e r e l i e f v a l v e c a n p r o t e c t o v e r p r e s - s u r e o f t h e s y s t e m me a n wh i l e t he a c c u mu l a t o r c a n p r o v i d e s t a b l e p r e s s u r e a n d f l o w t o t h e mo t o r ．Wh e n t h e p r e s s u r e r e a c he s t h e s e t v a l u e a c c o r d i ng t o p r e s - s u r e s e t p o i n t ，t h e 3 ／ 2 一 w a y d i r e c t i o n a l v a l v e w o u l d b e o p e n e d，a n d t h e n t h e mo t o r s t a r t s r o t a t i n g ． Th e mo t o r ’ s s t e a d y s p e e d i s a d j u s t e d b y c l o s e d l o o p c o n t r o l t o me e t t h e g r i d-- c o n n e c t e d po we r g e n e r a t i o n r e - - q ui r e me n t s ． 2． Si mu l a t i o n s t u dy 2． 1． S i m u l a t i o n m o d e l Re l y i n g o ff l o a d s i mu l a t i o n t e s t b e n c h o f He b e i Ke y L a b o r a t o r y o f He a v y Ma c h i n e ry F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d Co n t r o l 。t h e t wo s i n g l e ． r o d d o u b l e ． a c t i n g c y l i n d e r p a r a l l e l i n g c o mb i n a t i o n t a k e s t h e p l a c e o f t he o rig i n a l s c h e me ．0B e s i d e o f t h e c y l i n d e r s i mu l a t e d po we r whi c h wa s c o n t r o l l e d b y p r o p o rti o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e，a n d t h e o t h e r s i de o f t h a t p r o v i d e d o n e wa y p r e s s u r e b y d riv e n h y d r a u l i c b rid g e r o a d o n t he l e ft． Th e s i mu l a t i o n mo d e l b a s e d o n AMES i m i s s ho wn i n Fi g ． 2． F i g ． 2 T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f wa v e e n e r g y c o n v e rsi o n a n d I mi t a t i o n s y s t e m S i mu l a t i o n p a r a me t e r s a r c s e t a c c o r d i n g t o t h e e x p e rime n t a l s y s t e m． Ma i n c o mp o ne n t s’ p a r a me t e r s a r e s ho wn i n Ta b． 1 a n d c o n t r o l mo d u l e’ s p a r a me t e r s a r e s h o wn i n Ta b． 2． 2． 2． S i mul a t i o n a na l ys i s T he h y d r a u l i c wa v e e n e r g y c o n v e r s i o n a n d i mi t a t i o n s y s t e m i nc l u d e s mo t o r s p e e d c l o s e d l o o p c o nt r o l a n d h y d r a u l i c c y l i nd e r p o s i t i o n c l o s e d- l o o p c o n t r o 1 ． The p r e c i s i o n o f p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m i s a s s u r a n c e t o s t u d y o n wa v e mo t i o n s i mu l a t i o n a c c u r a t e l y，a n d t h e s t e a d y s pe e d c o n t r o l s y s t e m i s p r e c o n di t i o n for g rid c o n n e c t e d p o we r g e n e r a t i o n r e q u i r e me n t s ．I n a d d i t i o n，b e c a u s e o f t h e r a n d o m o f wa v e e n e r gy ，h y - d r a u l i c e n e r gy s t o r a g e u n i t i s r e q u i r e d t o s t a b i l i z e s y s t e rn ’s p o we r ．Tha t i s t o s a y， r e a s o n a b l y s e l e c t i n g a n d s e t t i n g t h e p a r a me t e r s o f t h e a c c u mu l a t o r i s t h e k e y t o a c hi e v e mo t o r s t e a d y s p e e d o pe r a t i o n a n d t h e n g e n e r a t e a s t a b l e c u r r e n t ． 1 0 6 y d r 0 me c ha t mn i c s En g i n e e r i n g T a b ， 2 Co n t r o l mo d u l e’ S p a r a me t e r s o f t h e s imu la t i o n L o a d s i g n a l To r q u e 4 ．28 N m T h e p o s i t i o n r e s p o n s e s i mul a t i o n c u r v e ，t h e a c ． c u mu l a t o r o u t l e t fl o w s i mu l a t i o n c u r v e ，t h e a c c u mu l a ． t o r o u t l e t p r e s s u r e s i mu l a t i o n c u r v e a n d t h e mo t o r r o ． t a t i o n a l s p e e d s i mu l a t i o n c u r v e o f h y d r a u l i c wa v e e n - e r g y c o n v e r s i o n a n d i mi t a t i o n s y s t e m a r e s ho wn i n Fi g ． 3 t o Fi g ． 6． F i g ． 3 s h o ws t h a t wh e n s i n u s o i da l s i g n a l i s i n p ut t o p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e c o n t r o l s e rvo ． c y l i n d e r p o we r s o ur c e i mi t a t i o n s y s t e m ，t h e c y l i nd e r p o s i t i o n r e s p o n s e c u rve c a n a c c u r a t e l y t r a c k t h e s i n u s o i d a l i n p u t s i g n a l ，t h u s i t h a s g o o d s t a t i c a n d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s，a n d t h i s r e s e a r c h e s t a b l i s h e d t h e f o u nd a t i o n f o r t h e p o we r s o ur c e o f wa v e e n e r g y c o n v e r s i o n s y s t em ． T h e o u t l e t fl o w a n d p i e s s u r e c u r v e o f a c e u mu l a ． t o r a n d t h e mo t o r r o t a t i o n a l s p e e d s i mu l a t i o n C ur v e s ho w t h a t ．a s t h e po we r s o ur c e i S i n a s i n u s o i d a l n l o t i o n，t h e s p e e d o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i S r e a 1 ． t i me c h a n g e i n t h e c o s i n e f o F i n． t h e n t h e flo w a n d t h e p r e s s u r e o f t h e wa v e e n e r g y c o n v e r s i o n s y s t e m wh i c h a r e p r o v i d e d b y t h i s k i n d o f mo t i o n a r e un s t a b l e ． Wi t h t h e g r a d u a l r i s e o f t h e h y d r a u l i c mo t o r s p e e d a s we l l a s t h e g r a d ua l r e l e a s e o f t h e p r e s s u r e a n d r i o W o f t h e a c c u mu l a t o r ，t he h y d r a u l i c mo t o r s p e e d i S s t a b l e a t 72 0 r ／mi n a f t e r 5 s e c o nd s ． Th e a c c u mu l a t 0 r pr e s - s ur e flu c t u a t e s a t 2 2b a r u p a n d d o wn ，a n d t h e a c c u ． mu l a t o r fl o w fl uc t u a t e s b e t we e n 1 0 L／mi n a nd 2 5 L／ mi n wi t h s i n us o i d a l i n p u t ． Th a t i S． wh e n p o we r s o u r c e o u t p u t s p e e d i s g r e a t e r t h a n t h e m o t o r a d j u s t a b l e s p e e d。 t h e a c c u mu l a t o r flu i d wi l l be f i l l e d a n d t h e n i t s p r e s s u r e wi l l r a i s e，o n t h e c o n t r a r y c o n di t i o n ． t h e a c c u mu l a t o r r e l e a s e s flo w t o s u p p l e me n t t h e p o we r s o ur c e o f e n e r g y t o s t a b i l i z e t h e mo t o r s pe e d a n d i m． p r o v e t h e c o n v e r s i o n e f fic i e n c y． g 皇 0 0 F i g ． 3 P os i t i o n r e s po n s e s i mu l a t i o n c ur v e o f p o we r s o u r c e s i mu l a t i o n s y s t e m YAO J i n g ，e t a l S i mu l a t i o n a n d E x p e r i me n t o f Hy d r a u l i c Wa v e E n e r g y C o n v e i o n a n d I mi t a t i o n S y s t e m 1 0 7 l 00 80 60 40 2O O ．20 ．40 ．60 ． 8 0 0 1 5 20 25 3 0 t ／ s F i g ． 4 Ac c u mu l a t o r o u t l e t fl o w s s i mu l a t i o n c u r v e 0 1 5 2O 2 5 30 t | S F i g ． 5 Ac c u mu l a t o r o u t l e t p r e s s u r e s i mu l a t i o n C H I V e 7 5O 7 00 6 50 6 00 5 50 5 00 4 50 4 00 3 50 3 00 2 50 2 00 l 50 l 0O 50 0 O 1 5 2 0 25 3 0 t ／ s F i g ． 6 S i mu l a t i o n c u r v e o f mo t o r r o t a t i o n a l s p e e d 3． Ex p e r i me nt s t ud y 3． 1． Ex pe r i m e n t s y s t e m Th e h y d r a u l i c wa v e e n e r gy c o n v e r s i o n a n d i mi t a t i o n s y s t e m b e n c h i s s ho wn i n Fi g． 7． Ma i n c o mp o n e n t s ’ p a r a me t e r