一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸及控制方法

1.本发明涉及波浪能液压发电技术领域及流体压力执行机构技术领域，具体涉及一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸及控制方法。


背景技术：

2.波浪能属于一种清洁无污染的海洋可再生能源，并且具有储量丰富、能量密度大等优点，波浪能利用技术成为了世界各个沿海国家积极研发的热点。波浪具有往复、低频和出力大等特点，而带有蓄能环节的液压系统可以很好的缓冲由于波浪的这些特性带来的冲击，使最终的能量输出平稳，达到并网的要求。因此液压式的能量转换系统成为当前波浪能装置能量转换方式的主流选择。
3.在液压式的波浪能能量转换系统中液压缸是将波浪能转换为液压能的动力部件，而传统液压缸的用途刚好相反，主要作为执行元件使用，将机械能转换为液压能，并且波浪能装置液压缸长期工作在海水(或海汽)中，工作环境恶劣，因此，液压缸是波浪能发电装置中较易出故障的部件。目前，液压缸在波浪能装置上的做功方式主要有两种，以双浮体点吸收式做功为例，如图1所示，吸波浮体受到波浪力相对于主体向上运动做功，向下运动主要靠吸波浮体自身重力，一般只利用波浪力做功，也即是将浮体向上运动做功的能量进行利用。
4.第一种做功形式是将液压缸安装在吸波浮体的下方，置于海水中，液压缸一端连接吸波浮体，一端连接主体的下部位置，如图1所示，当吸波浮体在波浪作用下向上运动时，液压缸杆在吸波浮体的带动下，向上拉动，液压缸有杆腔充满高压液压油，属于拉缸做功，此种做功方式液压缸的有效做功面积是s1-s2，，s1是活塞的面积，s2是活塞杆的面积，出力是f＝p
×
(s1-s2)，其中p是蓄能器的压力。拉缸做功的优点是液压缸长期在受拉情况下做功，不存在压杆稳定性(只有液压杆在受压的时候存在)的问题，液压缸的活塞杆不容易机械损坏。但是缺点更多且目前很难解决，主要有：(1)在液压缸安装在水下，活塞杆防腐问题较为严重；(2)防污问题同样严重，活塞杆表面有大量的海生物附着，在活塞杆频繁的运动下，非常容易损坏液压缸密封圈；(3)液压缸安装在水下，平时维护检修的便利性非常差；(4)一旦液压缸密封圈失效，液压油全部泄露至海水中，对环境影响较大；(5)液压缸密封圈失效后，海水将会进入到整个液压系统，对系统将造成严重的损坏；(6)在大浪情况下行程极限的问题，当活塞杆运动幅度超过液压缸行程极限时，液压缸会装机液压缸筒，造成损毁。这六个缺点使波浪能装置液压缸以拉缸的形式做功目前很难大规模使用。
5.另一种做功形式是将液压缸安装在浮体的上方，置于海面之上，如图2所示，浮体向上运动做功，一端连接吸波浮体，一端连接主体的顶部，液压缸在浮体向上运动时，受压做功，液压缸无杆腔充满液压油，属于压缸做功，此种做功方式液压缸的有效做功面积是s1，也即是活塞的截面面积，出力是f＝p
×
s1，在相同的波浪力和蓄能器压力的情况下，液压缸需要做的更细，否则，相同的波浪力下，驱动不了液压缸运动。此种做功方式改善了拉缸做功形式(2)、(3)、(4)、(5)的缺点，因此，目前大多数液压缸采用此种形式。于此同时压
缸做功也产生了其他的问题，主要有(1)液压缸活塞杆直径设计相对困难，设计的太细，液压缸的压杆稳定性较差(压杆稳定性与活塞杆的直径相关)，杆容易折弯，导致失效；设计太粗，做功面积较大，小波浪下推动不了液压缸做功，导致做功效率很低；(2)液压缸处在海汽中，杆表面的腐蚀也同样严重，腐蚀后容易导致密封圈失效，导致液压缸失压；(3)无论拉升做功还是压缸做功，都存在行程极限的问题，如何在行程极限时对油缸进行缓冲，防止油缸运动超过行程极限。因此，欲使波浪能装置液压缸可以稳定可靠的工作，提出一种合理的液压缸设计方式能有效解决上述问题就显得至关重要。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的不足，本发明提供一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸及控制方法，在传动的液压缸内部设置空心杆，极大的减少液压缸在运行中油液泄露的可能性，解决了压缸做功下液压缸压杆稳定性问题，提高了波浪能液压缸的可靠性和稳定性。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸，用于与波浪能发电装置连接，所述波浪能发电装置包括主体和吸波浮体，其包括：
9.缸筒，其两端具有后端盖和前端盖且所述缸筒与所述主体连接；
10.内置固定杆，其同轴设置在所述缸筒内且所述内置固定杆具有空心腔体，所述内置固定杆的右端部延伸至前端盖且安装有副活塞；
11.活塞杆，其同轴套设在所述内置固定杆上且所述活塞杆具有空心腔体，所述活塞杆的左端部安装有主活塞且所述活塞杆的右端部与所述吸波浮体连接，缸筒、活塞杆与内置固定杆组成多级缸，其中，
12.所述内置固定杆的空心内腔为固定杆内腔，所述固定杆内腔的左端部连通有主油口；所述内置固定杆的外壁、所述活塞杆的内壁、所述主活塞和所述副活塞围成的腔体为密封腔；所述活塞杆的空心腔体除去所述密封腔的部分为活塞杆内腔；所述缸筒的内壁、所述后端盖、所述内置固定杆的外壁和所述主活塞围成的腔体为主腔，所述主腔连通有后油口；所述缸筒的内壁、所述前端盖、所述活塞杆的外壁和所述主活塞围成的腔体为主有杆腔，所述主有杆腔连通有前油口；所述固定杆内腔与所述活塞杆内腔连通；
13.所述主体和所述浮体在波浪作用下存在相对运动，从而驱动活塞杆在在缸筒内部往复运动。
14.如上所述的波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸，进一步地，还包括油箱和蓄能器，其中，所述主油口通过带有第一单向阀的管路从所述油箱吸油，所述主油口通过带有第二单向阀的管路将液压油泵入所述蓄能器，所述后油口和所述前油口连通所述油箱。
15.如上所述的波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸，进一步地，靠近所述前端盖的内壁上安装有前缓冲弹簧，靠近所述后端盖的内壁上安装有后缓冲弹簧。
16.如上所述的波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸，进一步地，所述活塞杆与所述前端盖之间设有第一密封圈；所述主活塞与所述缸筒的内壁之间设有第二密封圈；所述内置固定杆外壁与所述主活塞之间设有第三密封圈；所述副活塞与所述活塞杆的内壁之间设有第四密封圈。
17.如上所述的波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸，进一步地，所述密封腔冲入
有惰性气体。
18.一种多级可缓冲液压控制方法，其利用如上所述的波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸，其包括：
19.第一控制模式，其用于当吸波浮体相对于主体做向上运动时，
20.第二控制模式，其用于当吸波浮体相对于主体做向下运动时，
21.第三控制模式，其用于所述第一控制模式的极限浪况下；以及，
22.第四控制模式，其用于所述第二控制模式的极限浪况下。
23.如上所述的多级可缓冲液压控制方法，进一步地，所述第一控制模式包括如下控制过程：
24.在波浪驱动下，吸波浮体相对于主体做向上运动时，液压缸的活塞杆也同步向上运动，液压缸的主有杆腔通过前油口从油箱中吸油，液压缸的主腔通过后油口将液压油排进油箱；活塞杆内腔和固定杆内腔充满液压油，在活塞杆向上运动时，挤压活塞杆内腔和固定杆内腔的液压油，通过主油口以及第二单向阀泵入蓄能器组，进行蓄能稳压，进而发电；此过程中，密封腔的气体处于膨胀过程。
25.如上所述的多级可缓冲液压控制方法，进一步地，所述第二控制模式包括如下控制过程：
26.在波浪作用下，吸波浮体相对于主体做向下运动时，液压缸的活塞杆也同步向下运动，液压缸的主有杆腔通过前油口将液压油排进油箱，液压缸的主腔通过后油口从油箱中吸油；在活塞杆向下运动时，活塞杆内腔和固定杆内腔通过主油口以及第一单向阀从油箱吸油；此过程中，密封腔的气体处于压缩过程。
27.如上所述的多级可缓冲液压控制方法，进一步地，所述第三控制模式包括如下控制过程：
28.在极限波浪下，吸波浮体相对于主体做向上运动时，活塞杆也同步向上运动，当主活塞运动到离后端盖有一定距离时，主活塞开始压缩后缓冲弹簧，压缩弹簧的过程将吸波浮体的机械能转换为了弹簧势能，并最终产生热能，主腔通过后油口吸入和排出液压油进入油箱，利用液压油的流动将热量带走。
29.如上所述的多级可缓冲液压控制方法，进一步地，所述第四控制模式包括如下控制过程：
30.在极限波浪下，吸波浮体相对于主体向下运动时，活塞杆也同步向下运动，当主活塞运动到离前端盖有一定距离时，主活塞开始压缩前缓冲弹簧，压缩弹簧的过程将吸波浮体的机械能转换为了弹簧势能，并最终产生热能，主有杆腔通过前油口吸入和排出液压油进入油箱，利用液压油的流动将热量带走。
31.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
32.1、本液压缸用做于波浪能装置的动力转换部件时，高压部分的液压油主要通过固定杆内腔与活塞杆内腔中流动，其密封作用的是副活塞与活塞杆之间的第四密封圈，该密封圈完全置于活塞杆内壁，并且通过密封腔隔绝外界，因此密封圈得到了很好的保护，提高了液压缸的密封性能。
33.2、本液压缸解决了压缸做功情况下，活塞杆直径设计的难题，本发明液压缸有效做功面积是活塞杆内腔截面面积，其等于活塞杆截面面积减去活塞杆壁截面面积，因此可
以增加活塞杆的壁厚来增加活塞杆的直径，而不增加液压缸的有效做功面积。增加了活塞杆直径，有效的提高了在压缸做功情况下，液压缸活塞杆的压杆稳定性。
34.3、本液压缸在前端盖和后端盖设置了缓冲弹簧，在大浪情况下，可以给液压缸活塞杆运动提供缓冲，防止活塞杆超过运动行程极限，有效避免主活塞撞击前端盖和后端盖，从而损坏液压缸，并且压缩弹簧产生的热能由前后油口流动的液压油冷却并流出。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是点吸收式波浪能装置拉伸做功时液压缸安装图；
37.图2是点吸收式波浪能装置压缸做功时液压缸安装图；
38.图3一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸的结构示意图；
39.图4一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸活塞杆向上示意图；
40.图5一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸活塞杆向上压缩缓冲弹簧示意图；
41.图6一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸活塞杆向下示意图；
42.图7一种波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸活塞杆向下压缩缓冲弹簧示意图；
43.其中：1、缸筒；2、后端盖；3、主油口；4、后油口；5、前油口；6、第一单向阀；7、第二单向阀；8、前端盖；9、活塞杆；10、主活塞；11、内置固定杆；12、副活塞；13、前缓冲弹簧；14、后缓冲弹簧；15、主有杆腔；16、主腔；17、活塞杆内腔；18、固定杆内腔；19、密封腔；20、第一密封圈；21、第二密封圈；22、第三密封圈；23、第四密封圈。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.实施例：
46.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
47.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
50.本发明在液压缸筒内部设置了一内置固定杆，嵌入在活塞杆内，利用固定杆和活塞杆内腔作为高压工作腔，在减小了有效做功面积的同时，还可以增大活塞杆直径，确保了液压缸不仅在小浪下可以启动，同时还可以使在压缸做功条件下，满足压杆稳定性的要求。并且在液压缸的前端盖和后端盖设置了缓冲弹簧，用于缓冲在极限浪况下由于活塞杆行程过大而导致的撞击问题，通过合理的设置弹簧刚度，使液压缸可以缓冲在大浪情况下，主活塞撞击不到前后端盖。此外，在液压缸内设置了4道密封圈，很大程度上保证了高压工作腔的密封圈失效问题。
51.参见图3，图3展示了波浪能发电装置用的多级可缓冲液压缸的结构示意图，多级可缓冲液压缸包括缸筒1，缸筒后部有后端盖2，后端盖2和缸筒1可以使用螺栓连接，便于拆装，后端盖2开有主油口3。主油口3连通第一单向阀6和第二单向阀7，通过第一单向阀6可以从油箱吸油，通过第二单向阀7可以将液压缸的油泵入蓄能器，实现机械能转换成液压能的过程。液压缸的缸筒1上设有后油口4和前油口5，后油口4和前油口5直接连通油箱。液压缸的缸筒1设有前端盖8，前端盖8与缸筒1使用螺栓连接，便于拆装。
52.进一步地，液压缸缸筒1中设计有一空心活塞杆9，活塞杆9的左端部安装有主活塞10，主活塞10与缸筒1内壁配合，之间设有第二密封圈21，活塞杆9可以沿着缸筒往复运动。活塞杆9与前端盖8之间设有第一密封圈20，由活塞杆9、主活塞10、缸筒1内壁和前端盖8围成主有杆腔15，主有杆腔15中的液压油通过后油口4吸入和排出液低压压油。
53.进一步地，前端盖8内壁上安装有一段前缓冲弹簧13，用于恶劣波况下缓冲活塞杆9，防止活塞杆9运动行程超过前极限位置。后端盖2内壁上也安装有一段后缓冲弹簧14，用于恶劣波况下缓冲活塞杆9，防止活塞杆9运动行程超过后极限位置。
54.进一步地，后端盖2内壁设有一内置固定杆11，内置固定杆11外壁与主活塞10配合，之间设有第三密封圈22。内置固定杆11为一空心圆杆，内部设置有固定杆内腔18。内置固定杆11的长度延伸至前端盖8边缘，内置固定杆11前端部安装有副活塞12，副活塞12与活塞杆9内壁面配合，之间安装有第四密封圈23。副活塞12将活塞杆9空心内腔分成两部分，分别是活塞杆内腔17和密封腔19。
55.进一步地，内置固定杆11的后端部与主油口3连通，使固定杆内腔18的液压油可以从后端主油口3流出和流入。内置固定杆11的固定杆内腔18与活塞杆内腔17连通，液压缸做功时高压部分的液压油主要在固定杆内腔18与活塞杆内腔17中流动。
56.进一步地，密封腔19中可以冲入适当压力的氮气或其他惰性气体气，用于保护第四密封圈23。
57.参见图4-图7，图4-图7展示了多级可缓冲液压缸在不同波浪的情况下的运动过程。
58.液压缸的活塞杆9与波浪能发电装置的吸波浮体连接，液压缸的缸筒1与波浪能发电装置的主体连接，在波浪作用下，吸波浮体与主体之间有相对运动，驱动活塞杆9在缸筒1内部往复运动。
59.在正常浪况下，当波浪能装置在波浪驱动下，吸波浮体相对于主体做向上运动时，液压缸的活塞杆9也同步向上运动，如图4所示。液压缸的主有杆腔15通过前油口5从油箱中吸油，液压缸的主腔16通过后油口4将液压油排进油箱。活塞杆9是一个内部空心的圆杆，活塞杆内腔17充满液压油。在缸筒1的后端盖2上焊接有一个内置固定杆11，内置固定杆11的固定杆内腔18前端与活塞杆内腔17连通，内置固定杆11后腔与主油口3连通，工作时，固定杆内腔18也充满液压油。在活塞杆9向上运动时，挤压活塞杆内腔17和固定杆内腔18的液压油，通过主油口3以及第二单向阀泵入蓄能器组，进行蓄能稳压，进而发电。此过程中，密封腔19的气体处于膨胀过程。根据设计，在正常浪况下，活塞杆9向上运动时，一般运动不到后缓冲弹簧14的位置。
60.在正常浪况下，当波浪能装置在波浪作用下，吸波浮体相对于主体做向下运动时，液压缸的活塞杆9也同步向下运动，如图6所示。液压缸的主有杆腔15通过前油口5将液压油排进油箱，液压缸的主腔16通过后油口4从油箱中吸油。在活塞杆9向下运动时，活塞杆内腔17和固定杆内腔18通过主油口3以及第一单向阀从油箱吸油。此过程中，密封腔19的气体处于压缩过程。根据设计，在正常浪况下，活塞杆9向下运动时，一般运动不到前缓冲弹簧13的位置。
61.在极限浪况下，当波浪能装置在波浪驱动下，吸波浮体相对于主体做向上运动时，活塞杆9也同步向上运动，如图5所示，但是，不同于正常浪况下，此时活塞杆9左端部的主活塞10在极限大浪的驱动下，由于吸波浮子受到的波浪力非常大，使主活塞10会时常撞击液压缸的后端盖2，如不采取措施，液压缸将在撞击中损坏。为缓冲撞击产生的破坏，在后端盖2设置了一圈后缓冲弹簧14，当主活塞10运动到离后端盖2有一定距离时，主活塞10开始压缩后缓冲弹簧14，后缓冲弹簧14根据极限波浪力的大小进行刚度设置，确保主活塞10在极限波浪的作用下不至于撞到后端盖。整个压缩弹簧的过程是将吸波浮体的机械能转换为了弹簧势能，并最终产生热能，为了将缓冲过程中产生的热量带走，主腔16中会通过后油口4吸入和排出液压油进入低压油箱，利用液压油的流动将热量带走。
62.在极限浪况下，当波浪能装置在波浪作用下，吸波浮体相对于主体向下运动时，活塞杆9也同步向下运动，如图7所示，同样，由于极限大浪的作用，主活塞10也会时常撞击液压缸的前端盖8。为缓冲主活塞10向下运动的幅度，在液压缸的前端盖8上也同样安装了一圈前缓冲弹簧13，当主活塞10运动到离前端盖8有一定距离时，主活塞10开始压缩前缓冲弹簧13，前缓冲弹簧13根据极限波浪力的大小进行刚度设置。为了冷却缓冲压缩弹簧的过程
中产生的热能，主有杆腔15中会通过前油口5吸入和排出液压油进入低压油箱，利用液压油的流动将热量带走。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
64.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。