李 雙，楊 楠

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迅速使得環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻，有限資源的開采不僅造成了能源逐漸短缺的現(xiàn)狀，同時(shí)也對(duì)環(huán)境帶來了一定污染。因此能源開發(fā)開采也逐漸轉(zhuǎn)向可再生自然能源方向，風(fēng)力發(fā)電和海洋能發(fā)電等成為了當(dāng)下的研究重點(diǎn)。但這些可再生自然能源都具有一定的不確定性，導(dǎo)致原動(dòng)力轉(zhuǎn)換和發(fā)電設(shè)備的開發(fā)面臨重重困難。而液壓技術(shù)憑借著輸出功率大、控制實(shí)效性高、體積小等優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，但定量液壓泵多根據(jù)恒定高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)，面對(duì)風(fēng)力發(fā)電存在的不確定性很難確保連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作。風(fēng)能吸功泵是液壓型風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵構(gòu)成，所以基于風(fēng)能吸功泵的柱塞泵或?qū)⒊蔀橐粋€(gè)可行的研究方向。

1 風(fēng)能吸功泵結(jié)構(gòu)及原理分析

1.1 風(fēng)能吸功泵結(jié)構(gòu)

依照風(fēng)能吸功泵的運(yùn)作需要，風(fēng)能吸功泵的液力端選擇數(shù)字閥配流的結(jié)構(gòu)方式，動(dòng)力端則以曲柄連桿結(jié)構(gòu)為主，泵座中每排徑向設(shè)計(jì)4個(gè)雙作用泵缸，而且位置布設(shè)間距一致。曲軸選擇兩支乘三曲拐結(jié)構(gòu)，三個(gè)曲柄等相位設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)方面來看，風(fēng)能吸功泵由連桿、十字頭、活塞桿、曲軸等構(gòu)成，曲軸前后端則通過軸承支承安裝于泵座，連桿大頭利用擋環(huán)和曲軸連接，在曲軸和連桿大頭間具有軸瓦。十字頭兩側(cè)和連桿小頭以及活塞桿連接，十字頭具有傳遞活塞的效果。在風(fēng)能系統(tǒng)泵動(dòng)力端及液力端之間進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，活塞利用鎖緊螺母固定于活塞桿，在活塞桿運(yùn)作過程中將雙作用泵缸分為吸油及排油兩個(gè)腔體，其中的液體流動(dòng)通過配流閥來調(diào)控。

1.2 風(fēng)能吸功泵運(yùn)作原理

在工作瞬時(shí)曲柄連桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，雙作用泵缸無桿腔位置的油液會(huì)進(jìn)行壓縮，壓縮過程中壓力也會(huì)不斷提高，排出閥打開且吸入閥壓緊，油液經(jīng)過排出閥排出，并且有桿腔位置的腔體形成吸空。活塞運(yùn)動(dòng)方向變化過程中，無桿腔位置的排出閥關(guān)閉，轉(zhuǎn)變?yōu)槲蜖顟B(tài)，有桿腔位置的吸入閥關(guān)閉排出閥打開，進(jìn)入排油狀態(tài)。這一系列過程中，數(shù)字配流閥都會(huì)在活塞頻繁運(yùn)作過程中反復(fù)啟停，交替聯(lián)通和截?cái)嗷钊ぷ髑慌c進(jìn)排管間的通道，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能吸功泵的吸進(jìn)和排出[1]。

2 數(shù)字閥配流泵的原理與過程

2.1 數(shù)字閥配流泵原理分析

數(shù)字閥配流徑向柱塞泵的實(shí)現(xiàn)主要利用多個(gè)二位三通高速電磁開關(guān)閥與1個(gè)絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，從而形成一個(gè)配流系統(tǒng)，與液壓泵解耦股銜接。數(shù)字閥配流徑向柱塞泵在運(yùn)作期間，與泵軸銜接的編碼器檢測(cè)泵軸的運(yùn)作信息，之后將信息傳輸?shù)娇刂破?，控制器根?jù)信息中標(biāo)識(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等確定液壓泵柱塞的工作情況，進(jìn)而對(duì)高速電磁開關(guān)閥進(jìn)行控制。若泵軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度不足于36°，那么居中的兩個(gè)二位三通高速電磁開關(guān)閥將會(huì)得電，與此同時(shí)和得電的兩個(gè)二位三通高速電磁開關(guān)閥對(duì)應(yīng)的液壓泵柱塞腔開始排油，其他柱塞腔連通油箱，排油的兩個(gè)柱塞腔在協(xié)同作用之下，液壓泵開始向負(fù)載輸出流量。

2.2 數(shù)字閥配流泵配流過程

泵軸在完成一周運(yùn)作后，柱塞在運(yùn)動(dòng)期間可能會(huì)存在上下死點(diǎn)。由下死點(diǎn)到上死點(diǎn)的過程中，柱塞腔會(huì)進(jìn)行排油，反之則為吸油。液壓泵結(jié)構(gòu)中臨近的柱塞間角度為72°，所以柱塞轉(zhuǎn)角角度便是72°以內(nèi)，若泵軸轉(zhuǎn)角為0°，那么對(duì)應(yīng)的柱塞腔會(huì)處于死點(diǎn)位置[2]。

3 風(fēng)能吸功泵配流閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

風(fēng)能系統(tǒng)泵可以設(shè)計(jì)為容積式往復(fù)泵，配流閥作為泵的關(guān)鍵構(gòu)成，配流閥的運(yùn)作響應(yīng)也會(huì)對(duì)其流量情況起到一定作用。對(duì)此需要結(jié)合風(fēng)能吸功泵配流閥的具體運(yùn)作情況建立仿真模型，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。

3.1 配流閥數(shù)學(xué)模型及假設(shè)條件

在預(yù)期條件下，活塞運(yùn)動(dòng)期間，方向轉(zhuǎn)變的同一時(shí)間排出閥會(huì)馬上關(guān)閉并且開啟吸入閥，相比于活塞運(yùn)動(dòng)來說是同步實(shí)現(xiàn)的。但在實(shí)踐中卻很難實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)作的目標(biāo)，配流閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可能會(huì)被活塞腔中的壓力和配流閥荷載影響，使得配流閥停啟存在一定的延遲，往往需要在活塞運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變后一小段時(shí)間后才能發(fā)生動(dòng)作。同時(shí)導(dǎo)致活塞腔中壓力及配流閥荷載變化的因素較多，比如油液中的含氣量和活塞密封度等都可能會(huì)成為主要因素。

在風(fēng)能吸功泵配流閥運(yùn)動(dòng)過程中難以考慮到所有因素，在建立配流閥數(shù)學(xué)模型時(shí)需要確定以下幾項(xiàng)假定條件：（1）滿足流體連續(xù)性條件時(shí)，可以暫定油液含氣量不足以影響開啟閥和吸入閥的運(yùn)作，而且活塞密封位置與泵閥關(guān)閉過程中不存在泄漏，油液也不會(huì)和活塞脫離；（2）忽略閥芯運(yùn)作過程中存在的摩擦力；（3）忽略泵缸與活塞的變形情況。

因?yàn)榕淞鏖y中的排出閥及吸入閥在動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性方面一致，所以不需要對(duì)無桿腔位置的排出因素進(jìn)行分析。在配流閥的數(shù)學(xué)建模方面，主要方向便是將配流閥口作為分界點(diǎn)，將配流閥中的流場(chǎng)劃分上下兩個(gè)結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)都具有不同的流態(tài)及靜壓力，若閥芯在液壓作用下升起，那么液體會(huì)進(jìn)入管道內(nèi)部，經(jīng)過閥芯的表面時(shí)，其值會(huì)跟隨閥芯的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變。

3.2 配流閥仿真模型

MATLAB/Simulink模塊可以對(duì)非線性的變化進(jìn)行模擬，讓Simulink變?yōu)橐环N動(dòng)態(tài)仿真的有效輔助工具，可以用其建立風(fēng)能吸功泵配流閥的仿真模型。

3.2.1 仿真模型的構(gòu)建

根據(jù)配流閥的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab/Simulink平臺(tái)來建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真模型，仿真期間需要在Matlab的有關(guān)文件中錄入風(fēng)能吸功泵配流閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，之后發(fā)送仿真模型的輸入信號(hào)。同時(shí)還需要在仿真精度方面采取ode45算法，之后點(diǎn)擊Run便可以實(shí)現(xiàn)仿真。在完成仿真模型的構(gòu)建后，在示波器中提出配流閥位移及閥口流量的變量情況，制作動(dòng)態(tài)曲線圖，調(diào)整配流閥參數(shù)后能夠得出各參數(shù)條件下的曲線圖。

3.2.2 仿真結(jié)果

在曲柄轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到180°時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)的方向就會(huì)出現(xiàn)變化，這時(shí)候配流閥未能及時(shí)開啟，相較于活塞運(yùn)動(dòng)大概滯后8°左右。而曲柄轉(zhuǎn)角達(dá)到360°的情況下，活塞運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變但配流閥卻沒有及時(shí)關(guān)閉，相較于活塞滯后大概7°左右。配流閥相較于活塞運(yùn)動(dòng)動(dòng)作滯后的成因可能因?yàn)橐后w流動(dòng)在壓力的影響下壓縮性提高，也可能因配流閥為被動(dòng)壓力敏感法，驅(qū)動(dòng)力來源便是兩側(cè)存在的壓力差，所以閥芯位置的彈簧系統(tǒng)滯后現(xiàn)象較為明顯，只有閥芯兩側(cè)壓力差高于開啟壓力且達(dá)到一定程度的情況下才會(huì)打開。開啟滯后角高于關(guān)閉主要由于在閥芯開啟時(shí)，活塞腔中的油液被壓力影響，同時(shí)閥芯彈簧系統(tǒng)本身也具有滯后性，而關(guān)閉時(shí)則不受活塞腔中的油液壓力因素影響。

配流閥滯后可能會(huì)對(duì)罰扣流量帶來影響，所以也決定了風(fēng)能吸功泵的出口流量，所以需要針對(duì)不同的影響因素以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行分析，降低配流閥在運(yùn)行期間存在的滯后效果，加強(qiáng)配流閥的流通效果[3-4]。

4 結(jié)語

數(shù)字配流徑向柱塞恒流泵在風(fēng)力發(fā)電中已經(jīng)獲得了較為普遍的應(yīng)用，吸收能量后可以轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣髁枯敵龅截?fù)載，但風(fēng)能吸功泵的設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多，也涉及了多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，對(duì)此仍然具有較大的研究空間。但隨著數(shù)字閥配流低速大扭矩徑向柱塞泵的不斷研究，相應(yīng)的技術(shù)也將會(huì)越來越成熟，風(fēng)力發(fā)電和潮汐發(fā)電也會(huì)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。