波力发电液压PTO系统综合实验平台及其实验方法与流程

本发明属于波力发电领域，具体涉及一种波力发电液压pto系统综合实验平台及其实验方法。

背景技术：

在波力发电领域中，波力发电装置的能量转换系统由捕能系统和pto系统组成，捕能系统俘获波浪能，将波浪能转换成机械能，pto系统将机械能转换成稳定的电能输出。目前的pto系统多采用液压式，波力发电液压pto系统一般包括液压缸、液压马达、发电机、液压油路以及各种用于蓄能、换向、调速和泄压的液压元器件，液压马达与发电机的主轴连接，捕能系统将波浪能转换成机械能并推动液压缸的活塞杆往复运动，活塞杆的往复运动带动液压油在液压油路内运动从而推动液压马达转动，液压马达通过主轴带动发电机转动产生电能。

波力发电液压pto系统的相关技术和物理实验直接影响到波浪能发电技术能否大规模应用，为满足波力发电液压pto系统工程实践的需要，必须对波力发电液压pto系统进行物理实验，以检验波浪能发电技术与设备的可行性与可靠性。目前，虽然有波力发电液压pto系统的物理实验在各研究单位实验室实施，但是缺乏综合性的实验平台，无法统一进行工况模拟、系统能量实验和关键元器件特性实验，实验效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种波力发电液压pto系统综合实验平台及其实验方法，该综合实验平台可以模拟不同海况下传动机构单作用单杆液压缸活塞的复杂双行程运动，可以模拟pto系统不同运行工况，能够进行系统能量实验和关键元器件特性实验。

本发明所采用的技术方案是：

一种波力发电液压pto系统综合实验平台，包括波力发电液压pto系统、波浪往复运动模拟系统、监控系统、数据收集系统和切换元件；

波力发电液压pto系统包括测功机、补油箱、主油路、支油路、双作用双杆液压缸和两个单作用单杆液压缸，两个单作用单杆液压缸的活塞杆分别与双作用双杆液压缸的两个活塞杆连接成一体、无杆腔各自通过两条支油路分别与主油路的进出口端连接，支油路上均设有防止逆流的单向阀，主油路上设有变排量液压马达、蓄能器和比例调速阀，变排量液压马达的主轴与测功机连接，主油路进口端连接有溢流阀，补油箱分别与主油路出口端和溢流阀连接；

波浪往复运动模拟系统包括通过吸油管依次连接的油箱、滤油器和定量泵以及三位四通电液伺服阀、溢流阀、控制电路和用于驱动定量泵的电动机，三位四通电液伺服阀的控制口与控制电路连接、p口通过压油管与定量泵连接、t口通过回油管与油箱连通、a口和b口分别与双作用双杆液压缸的两腔连通，压油管与回油管之间通过溢流阀连接；

数据收集系统包括设在两个单作用单杆液压缸的活塞杆上的拉压力传感器、用于检测活塞杆位移的位移传感器、设在主油路上进口端和变排量液压马达进出口端的压力传感器、测功机自带的转速传感器和转矩传感器以及设在波力发电液压pto系统的溢流阀进口端、变排量液压马达进口端和蓄能器油口处的流量传感器；

切换元件包括设在流量传感器进口端用于控制流量传感器是否接入油路的三通阀以及设在蓄能器进口端和补油箱与主油路出口端之间的截止阀；

监控系统分别与数据收集系统的各传感器以及控制电路、变排量液压马达和与测功机连接，监控系统能够实时显示各传感器数值、计算功率效率和存储实验结果并分别向控制电路、变排量液压马达和与测功机输出参考位移信号、排量信号和机械转矩信号从而实现对单作用单杠液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达排量v和主轴机械转矩t的控制。

进一步地，定量泵出口端、变排量液压马达进出口端、主油路进口端和两个单作用单杆液压缸无杆腔均设有压力表。

进一步地，蓄能器油口处的流量传感器为并联的两路、两路上设有相互反向的单向阀。

进一步地，三通阀为三通球阀。

一种基于上述波力发电液压pto系统综合实验平台的实验方法，包括系统能量实验和工作特性实验，工作特性实验包括蓄能器和补油箱工作特性实验、比例调速阀和溢流阀工作特性实验、变排量液压马达能量特性实验和液压缸能量特性实验。

进一步地，进行系统能量实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀、只将变排量液压马达进口端流量的传感器接入油路，开启截止阀、将蓄能器和补油箱接入油路，使比例调速阀全开；

s2、改变监控系统输出的参考位移信号、改变单作用单杆液压缸活塞往复运动规律，得到某一系统工作流量q；

s3、改变监控系统输出的排量信号、改变变排量液压马达排量v，得到某一转速n；

s4、改变监控系统输出的机械转矩信号、改变主轴机械转矩t，得到某一系统工作压力p；

s5、计算该工况点下系统的输入机械功率pi和输出机械功率po，计算系统运行效率η，系统运行效率η＝输出机械功率po/输入机械功率pi；

s6、重复s1～s5，将各工况点所对的变排量液压马达排量v、主轴机械转矩t及测量和计算得的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、输入机械功率pi、输出机械功率po和运行效率η制成表格。

进一步地，进行蓄能器和补油箱工作特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀、只将变排量液压马达进口端和蓄能器油口处的流量传感器接入油路，开启截止阀、将蓄能器和补油箱接入油路，使比例调速阀全开；

s2、改变单作用单杆液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达排量v和主轴机械转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，监测系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、蓄能器油口油压p0、蓄能器进出油量q和变排量液压马达出口端油压p1随时间的变化；

s3、只关闭蓄能器进口端的截止阀，将蓄能器从油路中切除，监测系统工作流量q、系统工作压力p和转速n随时间的变化；

s4、只关闭补油箱与主油路出口端之间的截止阀，将补油箱从油路中切除，监测系统工作流量q、系统工作压力p、转速n和变排量液压马达出口端油压p1随时间的变化；

s5、比较所述工况下有无蓄能器和补油箱的系统工作流量q、系统工作压力p和转速n随时间变化情况，研究蓄能器和补油箱对系统稳定性的影响；根据蓄能器油口油压p0随时间的变化，研究蓄能器工作时的压力特性；根据蓄能器进出油量q随时间的变化，研究蓄能器工作时的流量特性；对比有无补油箱时变排量液压马达出口端油压p1随时间变化情况，研究补油箱工作时的压力特性。

进一步地，进行比例调速阀和溢流阀工作特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀、只将波力发电液压pto系统的溢流阀进口端、变排量液压马达进口端的流量传感器接入油路，开启截止阀、将蓄能器和补油箱接入油路，使比例调速阀全开；

s2、改变单作用单杆液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达排量v和主轴机械转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，在某一时刻突然减小比例调速阀的开度，监测系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、波力发电液压pto系统的溢流量q0和蓄能器油口油压p0随时间的变化；

s3、根据系统工作流量q、系统工作压力p和转速n，研究比例调速阀关闭过程对系统稳定性的影响；根据蓄能器油口油压p0、系统工作压力p和系统工作流量q，研究比例调速阀工作时的压力流量特性；根据蓄能器油口油压p0和波力发电液压pto系统的溢流量q0，研究波力发电液压pto系统的溢流阀工作时的压力流量特性。

进一步地，进行变排量液压马达能量特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀、只将变排量液压马达进口端的流量传感器接入油路，开启截止阀、将蓄能器和补油箱投入，使比例调速阀全开；

s2、改变单作用单杆液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达排量v和主轴机械转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，测量该工况点的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n，计算系统内部液压功率ph和输出机械功率po，计算液压马达效率ηm，液压马达效率ηm＝输出机械功率po/系统内部液压功率ph；

s3、重复s2，将各工况点所对的变排量液压马达排量v、主轴机械转矩t及测量和计算得的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、系统内部液压功率ph、输出机械功率po和液压马达效率ηm制成表格。

进一步地，进行液压缸能量特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀、只将变排量液压马达进口端的流量传感器接入油路，开启截止阀、将蓄能器和补油箱接入油路，使调速阀全开；

s2、改变单作用单杆液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达排量v和测功器的转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，测量所述工况点的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n，计算系统内部液压功率ph和输入机械功率pi，计算液压缸效率ηc，液压缸效率ηc＝系统内部液压功率ph/输入机械功率pi；

s3、重复s2，将各工况点所对的变排量液压马达排量v、主轴机械转矩t及测量和计算得的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、系统内部液压功率ph、输入机械功率pi和液压缸效率ηc制成表格。

本发明的有益效果是：

该综合实验平台通过监控系统输出不同的参考位移信号(如正弦波、三角波和含有多种不同频率谐波成分的复杂波等)可以模拟不同海况下传动机构单作用单杆液压缸活塞的复杂双行程运动；该综合实验平台通过改变单作用单杆液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达排量v和主轴机械转矩t，可以改变系统工作流量q、系统工作压力p和转速n，从而模拟pto系统不同运行工况；该综合实验平台设置多种传感器，除能进行系统能量实验之外还能进行关键元器件特性实验。

附图说明

图1是本发明实施例中波力发电液压pto系统的液压原理图(将测功机替换为发电机)。

图2是本发明实施例中液压式波浪往复运动模拟器的工作原理图。

图3是本发明实施例中波力发电液压pto系统综合实验平台的液压原理图。

图4是本发明实施例中监控系统的数据流向图。

图中：1-油箱；2-滤油器；3-定量泵；4-电动机；5-单向阀；6-压力表；7-溢流阀；8-蓄能器；9-三位四通电液伺服阀；10-单作用单杆液压缸；11-拉压力传感器；12-双作用双杆液压缸；13-位移传感器；14-压力传感器；15-三通阀；16-比例调速阀；17-流量传感器；18-变排量液压马达；19-测功机；20-截止阀；21-补油箱；22-发电机；23-主油路；24-压油管；25-回油管；26-吸油管；27-控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3所示，一种波力发电液压pto系统综合实验平台，包括波力发电液压pto系统、波浪往复运动模拟系统、监控系统、数据收集系统和切换元件。

如图1和图3所示，波力发电液压pto系统包括测功机19(在图1中，为了便于理解该系统的实际工作情况，将测功机19替换为发电机22)、补油箱21、主油路23、支油路、双作用双杆液压缸12和两个单作用单杆液压缸10，两个单作用单杆液压缸10的活塞杆分别与双作用双杆液压缸12的两个活塞杆连接成一体、无杆腔各自通过两条支油路分别与主油路23的进出口端连接，支油路上均设有防止逆流的单向阀5，主油路23上设有变排量液压马达18、蓄能器8和比例调速阀16，变排量液压马达18的主轴与测功机19连接，主油路23进口端连接有溢流阀7，补油箱21分别与主油路23出口端和溢流阀7连接。

该波力发电液压pto系统能够实现液压缸双行程做功。波力发电液压pto系统的两个单作用单杆液压缸10将往复运动机械能转换为液压能，其活塞双行程运动使液压油在两个单作用单杆液压缸10的无杆腔间往返流动；支油路中四个单向阀5将液压油往返流动转化成主油路23中的单向流动；主油路23中变排量液压马达18将双行程液压能转换成旋转机械能，发电机22将旋转机械能转换成稳定电能输出；蓄能器8作用是蓄能稳压稳流；补油箱21的作用是维持变排量液压马达18出油口相对油压为零，同时给液压缸供油，辅助稳压稳流；溢流阀7和比例调速阀16的作用是，当输入功率或流量大于限定值时，比例调速阀16开度减小，节流调速，溢流阀7排出多余流量，保护系统。该波力发电液压pto系统能够实现变海况下的能量高效提取。波力发电液压pto系统工作时，海况变化导致单作用单杆液压缸10的运动规律变化，波力发电液压pto系统通过改变变排量液压马达18排量v、主轴机械转矩t改变运行工况(系统工作流量q、转速n和系统工作压力p)，使自身工作在高效区，实现变化海况下能量高效提取。(不考虑液压马达的容积效率，转速n和变排量液压马达18排量v的关系可表示为n＝q/v；不考虑液压马达液压机械效率，系统工作压力p和主轴机械转矩t的关系可表示为p＝2πt/v)

在波力发电液压pto系统中，用测功机19代替发电机22，便于实验时改变和测量主轴机械转矩t和测量转速n。

如图2和图3所示，波浪往复运动模拟系统包括通过吸油管26依次连接的油箱1、滤油器2和定量泵3以及三位四通电液伺服阀9、控制电路27和用于驱动定量泵3的电动机4，三位四通电液伺服阀9的控制口与控制电路27连接、p口通过压油管14与定量泵3连接、t口通过回油管25与油箱1连通、a口和b口分别与双作用双杆液压缸12的两腔连通，压油管14与回油管25之间通过溢流阀7连接。

该波浪往复运动模拟系统能够模拟波浪作用下传动两个单作用单杆液压缸10活塞的复杂双行程运动。油箱1中的回油通过滤油器2和定量泵3转变为压油；溢流阀7稳定压油压力使液压源工作在恒压工况；控制电路27接收来自位移传感器13的液压缸活塞实际位移信号和来自监控系统的参考位移信号，将两者的偏差量通过pi模块处理和放大器放大后转化为电流控制信号，并将其送给三位四通电液伺服阀9，控制三位四通电液伺服阀9阀芯运动，进而控制双作用双杆液压缸12两腔的进油量使其活塞做复杂双行程运动，从而实现两个单作用单杆液压缸10活塞的复杂双行程运动。

如图3所示，数据收集系统包括设在两个单作用单杆液压缸10的活塞杆上的拉压力传感器11、用于检测活塞杆位移的位移传感器13、设在主油路23上进口端和变排量液压马达18进出口端的压力传感器14、测功机19自带的转速传感器和转矩传感器以及设在波力发电液压pto系统的溢流阀7进口端、变排量液压马达18进口端和蓄能器8油口处的流量传感器17。

在数据收集系统中，转速传感器用来测量转速n，转矩传感器用来测量主轴机械转矩t，两者结合计算系统各运行工况下的输出机械功率po(已知po＝2πnt)。位移传感器13用来测量作为波浪往复运动模拟系统反馈信号的液活塞杆实际位移信号x，拉压力传感器11用来测量两个单作用单杆液压缸10活塞杆受到的拉压力f1和f2，两者结合计算系统各运行工况下的输入机械功率pi(已知pi＝(f1-f2)x/t，其中t为时间)。变排量液压马达18进口端的压力传感器14用来测量系统工作压力p，变排量液压马达18进口端的流量传感器17用来测量系统工作流量q，两者结合计算系统各运行工况下的内部液压功率ph(已知ph＝pq)。波力发电液压pto系统的溢流阀7油口的流量传感器17用来测量波力发电液压pto系统的溢流量q0，蓄能器8油口处的流量传感器17用来测量蓄能器8进出油量q。主油路23上进口端的压力传感器14用来测量蓄能器8油口处油压p0(即主油路23进口端油压)，变排量液压马达18出口端的压力传感器14用来测量变排量液压马达18出口端油压p1。

如图3所示，切换元件包括设在流量传感器17进口端用于控制流量传感器17是否接入油路的三通阀15以及设在蓄能器8进口端和补油箱21与主油路23出口端之间的截止阀20。截止阀20用来进行有无蓄能器8和补油箱21的对比实验，三通阀15用于在进行系统能量实验时，将流量传感器17从油路中切除从而减小实验误差。

如图4所示，监控系统分别与数据收集系统的各传感器以及控制电路27、变排量液压马达18和与测功机19连接，监控系统能够实时显示各传感器数值、计算功率效率和存储实验结果并分别向控制电路27、变排量液压马达18和与测功机19输出参考位移信号、排量信号和机械转矩信号从而实现对单作用单杠液压缸活塞往复运动规律、变排量液压马达18排量v和主轴机械转矩t的控制。

如图3所示，在本实施例中，定量泵3出口端、变排量液压马达18进出口端、主油路23进口端和两个单作用单杆液压缸10无杆腔均设有压力表6，用来实时显示系统关键位置的压力，并对压力传感器14进行校对。蓄能器8油口处的流量传感器17为并联的两路、两路上设有相互反向的单向阀5，采用两路流量传感器17并设置相互反向的单向阀5可以使蓄能器8进油和出油不在同一油路，减少测量误差。三通阀15为三通球阀。

该综合实验平台通过监控系统输出不同的参考位移信号(如正弦波、三角波和含有多种不同频率谐波成分的复杂波等)可以模拟不同海况下传动机构单作用单杆液压缸10活塞的复杂双行程运动；该综合实验平台通过改变单作用单杆液压缸10活塞往复运动规律、变排量液压马达18排量v和主轴机械转矩t，可以改变系统工作流量q、系统工作压力p和转速n，从而模拟pto系统不同运行工况；该综合实验平台设置多种传感器，除能进行系统能量实验之外还能进行关键元器件特性实验。

基于上述波力发电液压pto系统综合实验平台的实验方法，包括系统能量实验和工作特性实验，工作特性实验包括蓄能器8和补油箱21工作特性实验、比例调速阀16和溢流阀7工作特性实验、变排量液压马达18能量特性实验和液压缸能量特性实验。

进行系统能量实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀15、只将变排量液压马达进口端的流量传感器接入油路，开启截止阀20、将蓄能器8和补油箱21接入油路，使比例调速阀16全开；

s2、改变监控系统输出的参考位移信号、改变单作用单杆液压缸10活塞往复运动规律，得到某一系统工作流量q；

s3、改变监控系统输出的排量信号、改变变排量液压马达18排量v，得到某一转速n；

s4、改变监控系统输出的机械转矩信号、改变主轴机械转矩t，得到某一系统工作压力p；

s5、计算该工况点下系统的输入机械功率pi和输出机械功率po，计算系统运行效率η，系统运行效率η＝输出机械功率po/输入机械功率pi；

s6、重复s1～s5，将各工况点所对的变排量液压马达18排量v、主轴机械转矩t及测量和计算得的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、输入机械功率pi、输出机械功率po和运行效率η制成表格。

进行蓄能器8和补油箱21工作特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀15、只将变排量液压马达18进口端和蓄能器8油口处的流量传感器15接入油路，开启截止阀20、将蓄能器8和补油箱21接入油路，使比例调速阀16全开；

s2、改变单作用单杆液压缸10活塞往复运动规律、变排量液压马达18排量v和主轴机械转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，监测系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、蓄能器8油口油压p0、蓄能器8进出油量q和变排量液压马达18出口端油压p1随时间的变化；

s3、只关闭蓄能器8进口端的截止阀20，将蓄能器8从油路中切除，监测系统工作流量q、系统工作压力p和转速n随时间的变化；

s4、只关闭补油箱21与主油路23出口端之间的截止阀20，将补油箱21从油路中切除，监测系统工作流量q、系统工作压力p、转速n和变排量液压马达18出口端油压p1随时间的变化；

s5、比较所述工况下有无蓄能器8和补油箱21的系统工作流量q、系统工作压力p和转速n随时间变化情况，研究蓄能器8和补油箱21对系统稳定性的影响；根据蓄能器8油口油压p0随时间的变化，研究蓄能器8工作时的压力特性；根据蓄能器8进出油量q随时间的变化，研究蓄能器8工作时的流量特性；对比有无补油箱21时变排量液压马达18出口端油压p1随时间变化情况，研究补油箱21工作时的压力特性。

进行比例调速阀16和溢流阀7工作特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀15、只将波力发电液压pto系统的溢流阀7进口端、变排量液压马达18进口端的流量传感器17接入油路，开启截止阀20、将蓄能器8和补油箱21接入油路，使比例调速阀16全开；

s2、改变单作用单杆液压缸10活塞往复运动规律、变排量液压马达18排量v和主轴机械转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，在某一时刻突然减小比例调速阀16的开度，监测系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、波力发电液压pto系统的溢流量q0和蓄能器8油口油压p0(即主油路23进口端油压)随时间的变化；

s3、根据系统工作流量q、系统工作压力p和转速n，研究比例调速阀16关闭过程对系统稳定性的影响；根据蓄能器8油口油压p0、系统工作压力p和系统工作流量q，研究比例调速阀16工作时的压力流量特性；根据蓄能器8油口油压p0和波力发电液压pto系统的溢流量q0，研究波力发电液压pto系统的溢流阀7工作时的压力流量特性。

进行变排量液压马达18能量特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀15、只将变排量液压马达18进口端的流量传感器17接入油路，开启截止阀20、将蓄能器8和补油箱21投入，使比例调速阀16全开；

s2、改变单作用单杆液压缸10活塞往复运动规律、变排量液压马达18排量v和主轴机械转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，测量该工况点的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n，计算系统内部液压功率ph和输出机械功率po，计算液压马达效率ηm，液压马达效率ηm＝输出机械功率po/系统内部液压功率ph；

s3、重复s2，将各工况点所对的变排量液压马达18排量v、主轴机械转矩t及测量和计算得的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、系统内部液压功率ph、输出机械功率po和液压马达效率ηm制成表格。

进行液压缸能量特性实验时，包括步骤：

s1、旋转三通阀15、只将变排量液压马达18进口端的流量传感器17接入油路，开启截止阀20、将蓄能器8和补油箱21接入油路，使调速阀全开；

s2、改变单作用单杆液压缸10活塞往复运动规律、变排量液压马达18排量v和测功器的转矩t，使波力发电液压pto系统在某一工况下运行，测量所述工况点的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n，计算系统内部液压功率ph和输入机械功率pi，计算液压缸效率ηc，液压缸效率ηc＝系统内部液压功率ph/输入机械功率pi；

s3、重复s2，将各工况点所对的变排量液压马达18排量v、主轴机械转矩t及测量和计算得的系统工作流量q、系统工作压力p、转速n、系统内部液压功率ph、输入机械功率pi和液压缸效率ηc制成表格。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。