塔式太阳能热发电站用定日镜电动推杆研究

□ 郭 庆 □ 褚 俊

扬州电力设备修造厂有限公司 江苏扬州 225003

1 研究背景

塔式太阳能热发电站利用定日镜场将低能流密度的太阳辐射汇聚到位于塔顶的吸热器,完成聚光。吸热器中的吸热工质被加热后,通过换热过程间接或直接推动汽轮发电机组发电。定日镜是塔式太阳能热发电站的重要组成部分,定日镜的跟踪准确度直接影响塔式太阳能热发电站的发电效率和吸热器的安全运行。电动推杆是定日镜的重要组成部分,将电机的旋转运动转换为推杆的直线往复运动,可作为执行机械,实现远距离控制。笔者针对塔式太阳能热发电站用定日镜设计了一种电动推杆。

2 结构与参数

笔者设计的电动推杆用于使定日镜水平转动或者竖直转动,主要由电机、自锁装置、磁环、机械限位、滚珠丝杠、外壳、推杆、耳轴、辅助支撑等组成,结构如图1所示。

电动推杆的主要技术参数如下:质量不小于43 kg,额定推力和拉力为55 kN,额定行程为993 mm,行程速度为0.15～1.5 mm/s,精度等级为0.1 mm,外形尺寸为1 558 mm长、137 mm宽、124 mm高,防护等级为IP66。

▲图1 电动推杆结构

3 材料

定日镜主要应用于西北等地区的户外环境,使用条件相对恶劣,所以电动推杆需要满足耐高低温、耐腐蚀等性能。电动推杆外壳采用铝合金材质,对外壳进行阳极氧化处理。推杆选择含有适量钼元素和较高铬元素的奥氏体不锈钢。在推杆和外壳间设计两道密封,第一道密封用于防沙尘,第二道密封用于防水。在外壳和电机间采用毛毡密封。所有密封设计可防雨、防沙、防尘、防轻微结冰等。电动推杆主体部分在高低温、腐蚀等严酷环境下能够保证性能稳定。

4 工作原理

所设计的电动推杆是一种直行程机构,通过内部的减速机构减速,输出较大的转矩和较低的转速。电机输出轴带动滚珠丝杠旋转,并带动丝杠螺母进行轴向移动。丝杠螺母与推杆之间为螺纹连接,并且固定。丝杠螺母的轴向移动带动推杆实现伸出和缩回运动。电动推杆内置磁环,当磁环回到起始运动位置时,将位移信号传递至电动推杆外壳上安装的接近开关,并输送至控制系统。电机后端设置的霍尔传感器检测滚珠丝杠的旋转角度,旋转角度与滚珠丝杠导程的乘积为丝杠螺母的位移。霍尔传感器与接近开关配合,控制电动推杆的行程。

5 性能试验

性能试验的目的是验证电动推杆样机在实际工况载荷下能否正常工作,同时对电动推杆的推力、行程速度、推杆精度等性能参数进行测试。性能试验时,将电动推杆输出端与测试设备的液压推杆连接,由测试系统向电动推杆和测试设备发送启动信号,对电动推杆进行测试,从而得到性能参数。

测试设备能够检测的推力和拉力范围为1 kN～100 kN,能够检测的推力和拉力精度为1 N,能够检测的位移精度为0.005 mm,测试电压为直流24 V。电动推杆测试在高低温及湿热环境下进行,电动推杆测试设备如图2所示。

▲图2 电动推杆测试设备

电动推杆推力和拉力测试曲线如图3所示。测试过程中,采用电动推杆测试设备的轮辐式拉压力传感器实时采集推力和拉力。由图3可以看出,电动推杆的推力和拉力在行程速度0.15 mm/s和1.5 mm/s的情况下满足55 kN的要求。

电动推杆伸出方向和缩回方向的行程速度测试曲线如图4所示。测试过程中,采用电动推杆测试设备的光栅尺实时采集伸出方向和缩回方向的坐标数值和运行时间,进而得到行程速度。由图4可以看出,电动推杆在伸出方向的最小行程速度为0.138 mm/s,最大行程速度为1.6 mm/s,伸出方向和缩回方向电动推杆的行程速度略有差异,主要是由电动推杆主传动部分滚珠丝杠加工工艺引起。

▲图3 电动推杆推力和拉力测试曲线

▲图4 电动推杆行程速度测试曲线

电动推杆伸出方向和缩回方向的精度等级测试曲线如图5所示。测试过程中,采用电动推杆测试设备的光栅尺采集伸出方向和缩回方向的坐标数值,进而得到精度等级。由图5可以看出,伸出方向电动推杆的最低精度等级为0.087 mm,最高精度等级为0.017 mm,缩回方向电动推杆的最低精度等级为0.074 mm,最高精度等级为0.011 mm,伸出方向和缩回方向五次测试值都高于精度等级0.1 mm的要求。

▲图5 电动推杆精度等级测试曲线

根据性能试验结果,电动推杆样机满足额定推力和拉力55 kN、精度等级0.1 mm、输出行程速度稳定于0.15～1.5 mm/s的要求。

6 结束语

笔者针对塔式太阳能热发电站用定日镜设计了一种电动推杆。建立了电动推杆模型,介绍了其基本结构与主要参数。对电动推杆的工作原理进行分析,并对电动推杆进行性能试验。所设计的电动推杆输出推力和拉力恒定,输出行程速度稳定,精度等级高。对电动推杆的推力和拉力进行测试,电动推杆推力和拉力在行程速度0.15 mm/s和1.5 mm/s的情况下,满足55 kN的要求。对电动推杆的行程速度进行测试,伸出方向和缩回方向电动推杆的行程速度最小为0.138 mm/s,最大为1.6 mm/s,能够稳定于0.15～1.5 mm/s。对电动推杆的精度等级进行检测,伸出方向和缩回方向电动推杆精度等级均高于理论精度等级。