塔式太陽能熱發(fā)電站用定日鏡電動推桿研究

□ 郭 慶 □ 褚 俊

揚州電力設備修造廠有限公司 江蘇揚州 225003

1 研究背景

塔式太陽能熱發(fā)電站利用定日鏡場將低能流密度的太陽輻射匯聚到位于塔頂的吸熱器,完成聚光。吸熱器中的吸熱工質被加熱后,通過換熱過程間接或直接推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站的重要組成部分,定日鏡的跟蹤準確度直接影響塔式太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電效率和吸熱器的安全運行。電動推桿是定日鏡的重要組成部分,將電機的旋轉運動轉換為推桿的直線往復運動,可作為執(zhí)行機械,實現(xiàn)遠距離控制。筆者針對塔式太陽能熱發(fā)電站用定日鏡設計了一種電動推桿。

2 結構與參數

筆者設計的電動推桿用于使定日鏡水平轉動或者豎直轉動,主要由電機、自鎖裝置、磁環(huán)、機械限位、滾珠絲杠、外殼、推桿、耳軸、輔助支撐等組成,結構如圖1所示。

電動推桿的主要技術參數如下:質量不小于43 kg,額定推力和拉力為55 kN,額定行程為993 mm,行程速度為0.15～1.5 mm/s,精度等級為0.1 mm,外形尺寸為1 558 mm長、137 mm寬、124 mm高,防護等級為IP66。

▲圖1 電動推桿結構

3 材料

定日鏡主要應用于西北等地區(qū)的戶外環(huán)境,使用條件相對惡劣,所以電動推桿需要滿足耐高低溫、耐腐蝕等性能。電動推桿外殼采用鋁合金材質,對外殼進行陽極氧化處理。推桿選擇含有適量鉬元素和較高鉻元素的奧氏體不銹鋼。在推桿和外殼間設計兩道密封,第一道密封用于防沙塵,第二道密封用于防水。在外殼和電機間采用毛氈密封。所有密封設計可防雨、防沙、防塵、防輕微結冰等。電動推桿主體部分在高低溫、腐蝕等嚴酷環(huán)境下能夠保證性能穩(wěn)定。

4 工作原理

所設計的電動推桿是一種直行程機構,通過內部的減速機構減速,輸出較大的轉矩和較低的轉速。電機輸出軸帶動滾珠絲杠旋轉,并帶動絲杠螺母進行軸向移動。絲杠螺母與推桿之間為螺紋連接,并且固定。絲杠螺母的軸向移動帶動推桿實現(xiàn)伸出和縮回運動。電動推桿內置磁環(huán),當磁環(huán)回到起始運動位置時,將位移信號傳遞至電動推桿外殼上安裝的接近開關,并輸送至控制系統(tǒng)。電機后端設置的霍爾傳感器檢測滾珠絲杠的旋轉角度,旋轉角度與滾珠絲杠導程的乘積為絲杠螺母的位移。霍爾傳感器與接近開關配合,控制電動推桿的行程。

5 性能試驗

性能試驗的目的是驗證電動推桿樣機在實際工況載荷下能否正常工作,同時對電動推桿的推力、行程速度、推桿精度等性能參數進行測試。性能試驗時,將電動推桿輸出端與測試設備的液壓推桿連接,由測試系統(tǒng)向電動推桿和測試設備發(fā)送啟動信號,對電動推桿進行測試,從而得到性能參數。

測試設備能夠檢測的推力和拉力范圍為1 kN～100 kN,能夠檢測的推力和拉力精度為1 N,能夠檢測的位移精度為0.005 mm,測試電壓為直流24 V。電動推桿測試在高低溫及濕熱環(huán)境下進行,電動推桿測試設備如圖2所示。

▲圖2 電動推桿測試設備

電動推桿推力和拉力測試曲線如圖3所示。測試過程中,采用電動推桿測試設備的輪輻式拉壓力傳感器實時采集推力和拉力。由圖3可以看出,電動推桿的推力和拉力在行程速度0.15 mm/s和1.5 mm/s的情況下滿足55 kN的要求。

電動推桿伸出方向和縮回方向的行程速度測試曲線如圖4所示。測試過程中,采用電動推桿測試設備的光柵尺實時采集伸出方向和縮回方向的坐標數值和運行時間,進而得到行程速度。由圖4可以看出,電動推桿在伸出方向的最小行程速度為0.138 mm/s,最大行程速度為1.6 mm/s,伸出方向和縮回方向電動推桿的行程速度略有差異,主要是由電動推桿主傳動部分滾珠絲杠加工工藝引起。

▲圖3 電動推桿推力和拉力測試曲線

▲圖4 電動推桿行程速度測試曲線

電動推桿伸出方向和縮回方向的精度等級測試曲線如圖5所示。測試過程中,采用電動推桿測試設備的光柵尺采集伸出方向和縮回方向的坐標數值,進而得到精度等級。由圖5可以看出,伸出方向電動推桿的最低精度等級為0.087 mm,最高精度等級為0.017 mm,縮回方向電動推桿的最低精度等級為0.074 mm,最高精度等級為0.011 mm,伸出方向和縮回方向五次測試值都高于精度等級0.1 mm的要求。

▲圖5 電動推桿精度等級測試曲線

根據性能試驗結果,電動推桿樣機滿足額定推力和拉力55 kN、精度等級0.1 mm、輸出行程速度穩(wěn)定于0.15～1.5 mm/s的要求。

6 結束語

筆者針對塔式太陽能熱發(fā)電站用定日鏡設計了一種電動推桿。建立了電動推桿模型,介紹了其基本結構與主要參數。對電動推桿的工作原理進行分析,并對電動推桿進行性能試驗。所設計的電動推桿輸出推力和拉力恒定,輸出行程速度穩(wěn)定,精度等級高。對電動推桿的推力和拉力進行測試,電動推桿推力和拉力在行程速度0.15 mm/s和1.5 mm/s的情況下,滿足55 kN的要求。對電動推桿的行程速度進行測試,伸出方向和縮回方向電動推桿的行程速度最小為0.138 mm/s,最大為1.6 mm/s,能夠穩(wěn)定于0.15～1.5 mm/s。對電動推桿的精度等級進行檢測,伸出方向和縮回方向電動推桿精度等級均高于理論精度等級。