談渦激振動發(fā)電傳動機構優(yōu)化設計

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摘要：渦激振動發(fā)電裝置是一種新型的利用水流發(fā)電的可再生能源裝置，文中對不同類型的能夠將線性運動轉變?yōu)榛剞D運動的機構進行對比，分析其優(yōu)劣性，得出最適合該發(fā)電裝置的機構。同時提出一種新的串聯(lián)裝置，以實現(xiàn)2臺發(fā)電裝置共用1臺發(fā)電機，達到降低成本的目的。對提出的串聯(lián)機構進行了運動仿真，驗證了其運動可行性。該設計旨在通過優(yōu)化渦激振動發(fā)電裝置的部分機構，以提高能量轉換效率。

關鍵詞：渦激振動；發(fā)電裝置；傳動機構；優(yōu)化設計

引言

渦激振動發(fā)電裝置是一種將海流的水動能轉化為振子動能，然后將振子動能轉化為電能的能量轉換裝置，圖1為密歇根大學Bernitsas教授團隊[1]研發(fā)的渦激振動發(fā)電裝置VIVACE(VortexInducedVibrationAquaticCleanEnergy)的實驗模型裝置及發(fā)電原理圖。其中水動能轉化為振子動能的過程是依靠圓柱振子在流體中的流致振動現(xiàn)象來實現(xiàn)的。而振子動能轉換成電能，則需要先將振子的直線往復運動變成永磁發(fā)電機動子的轉動，然后發(fā)電機發(fā)電并將電能儲存。本次優(yōu)化設計主要針對該發(fā)電裝置上幾種不同的能夠將線性運動轉變?yōu)榛剞D運動的機構進行對比，分析其優(yōu)劣性，得出最適合該發(fā)電裝置的機構。并且針對每個發(fā)電裝置都需要配備1臺發(fā)動機的問題，提出一種串聯(lián)機構，以使2個甚至多個裝置可以共用1臺發(fā)電機，達到降低成本的目的。

1傳動機構的選擇

將機構的直線運動轉換為回轉運動或由回轉運動轉換為直線運動，這種對運動形式的改變是工程中經常需要解決的問題。目前解決此類問題的常用機構包括齒輪齒條、凸輪機構、滾珠絲杠及用于發(fā)動機氣缸中的曲柄裝置等。齒輪齒條機構采用螺紋傳動來實現(xiàn)其功能，運行過程中受滑動摩擦阻力影響，會使傳輸效率降低；凸輪頂桿裝置易因其面摩擦作用而損壞，且產生的直線運動行程短，所以也不適用于VIVACE；由文獻[2]知，滾珠絲杠也可以將直線運動轉化為回轉運動，因其擁有較高的精度、效率及較小摩擦阻力的優(yōu)點，所以滾珠絲杠在機械工程領域被廣泛使用。但滾珠絲杠傳動裝置需要有帶螺紋的長螺桿來實現(xiàn)，會使整體結構變復雜，且滾珠絲杠和其它滾動摩擦的傳動元件需要較高的潤滑要求和環(huán)境條件，因此也不適合在情況復雜的海流中使用；曲軸是發(fā)動機中的主要運動機構，發(fā)動機中的連桿對曲軸施加往復力，由曲軸將該往復力轉換為轉矩從而實現(xiàn)發(fā)動機轉動，運轉過程中，曲軸承受彎曲扭轉載荷且其擁有足夠的強度和剛度[3]。基于這些優(yōu)點，本次優(yōu)化設計選用曲軸替代對心曲柄滑塊機構中的曲柄，兩者結合可以實現(xiàn)渦激振動發(fā)電裝置振子直線運動向旋轉運動的轉變。模型結構及工程圖如圖2所示。

2串聯(lián)機構設計

目前實驗用的渦激振動發(fā)電裝置采用每臺裝置配1臺發(fā)電機的安裝形式。若考慮后期投入實際應用，則成本太高。因此本文欲提出一種串聯(lián)機構，使2臺裝置可共用1臺發(fā)電機，以降低成本。本文串聯(lián)機構裝置的設計主要需要解決以下2個問題：1）當2個發(fā)電裝置的振子的運動速度不同或者開始產生振動的時間不同時，會使兩裝置的傳動桿不能同步運動，導致出現(xiàn)位移差。2）2個振子可能開始產生振動的時間不同及受不同振動周期的影響，有時會出現(xiàn)一端上升、一端下降的現(xiàn)象，使機構運動發(fā)生干涉。

2.1模型設計

結構設計方案一如圖3所示，傳動桿與振子相連。當傳動桿同向運動時，曲柄機構將運動并帶動發(fā)電機主軸旋轉。當兩端速度相同時，會發(fā)生連接桿順導桿滑動的現(xiàn)象，從而導致導桿無法完成往復運動。連接桿上設置的擋塊可避免此現(xiàn)象發(fā)生。當兩端傳動桿一端上升、一端下降時，由于連接桿的可伸縮性，從而避免運動干涉現(xiàn)象發(fā)生。Bernitsas等[4]根據實驗與數值模擬綜合分析得知，當兩振子間距比P/D>5時，上游振子的尾流將不再對下游振子產生影響。本次進行優(yōu)化的實驗裝置，其振子直徑為D=90mm，所以選取兩裝置間距為P=500mm。為避免出現(xiàn)死點位置，曲柄機構長度Lqb與曲軸長度Lqz的和要大于連接桿導桿上的鉸鏈中心到電動機主軸的距離和La，且La>180mm。曲柄長度選為Lqb=100mm，曲軸長度Lqz=210mm，La=300mm。Bernitsas團隊[5-8]研究了有關質量比、阻尼比、雷諾數等參數對圓柱渦激振動和能量轉化的影響，一系列試驗結果得出的最優(yōu)參數組合下的最大振幅比可以達到1.9，這也是目前已知的圓柱振子渦激振動發(fā)電裝置（VIVACE）能達到的最大振幅比。因此理論上兩振子的最大位移差為1.9×90mm。假設實際過程中達到最大位移差且等于180mm，此時連接桿伸長至531mm。最大伸長長度為531-500=31mm，所以連接桿導桿長度Lld>31mm,本設計為Lld=100mm。為防止導桿內壓強對伸縮產生影響，在連接桿上設計了通氣槽。此外，通過更換不同的連接桿形式提出方案二，如圖4所示。

2.2運動仿真及分析

使用SolidWorks2016對方案一的機構進行運動仿真，以驗證該串聯(lián)機構是否能夠正常工作。由于實際運動較復雜，將其運動簡化為幾種形式：1）工況一。兩邊等速上升或下降。2）工況二。兩邊不等速上升或下降。3）工況三。一邊上升一邊下降，且等速。4）工況四。一邊上升一邊下降，且不等速。其中：工況二若能正常工作，則工況一亦可正常工作；工況四若能正常工作，則工況三亦可正常工作。所以只需要對工況二和工況四做運動仿真。

2.2.1工況二的仿真起始位置調整為兩端同高，且與發(fā)電機主軸垂直距離為300mm。兩端傳動桿下端分別設置線性馬達1、2。運動以距離為參考值，馬達1從0s開始運動到3s，距離為100mm。馬達2從1s開始運動到3s，距離為80mm。在連接桿擋塊處設置實體接觸條件，由運動仿真結果知，運動可以進行且無干涉發(fā)生。

2.2.2工況四仿真馬達1從0s運動到3s，距離為100mm，運動方向向上。馬達2從0s運動到3s，運動距離為80mm，運動方向向下。其余條件與2.2.1節(jié)相同。由運動仿真結果知，運動可以進行且無干涉發(fā)生。因此，由運動仿真可知4種運動情況都可以順利進行，所以該機構滿足2臺發(fā)電裝置共用1臺發(fā)電機的要求。

3結論

本設計旨在通過優(yōu)化渦激振動發(fā)電裝置的部分機構，以提高能量轉換效率。同時提出了一種新的串聯(lián)裝置，以實現(xiàn)2臺發(fā)電裝置共用1臺發(fā)電機的目的。本文對提出的方案一進行了運動仿真，驗證了其運動可行性。但是該設計仍有不足之處：1）當一端上升、另一端下降時，該裝置的曲軸擺動幅度明顯減小，發(fā)電效率降低；2）由于最大振幅的不確定性，使曲柄滑塊機構的最大行程無法確定，因此機構尺寸的設計只能滿足曲軸做往復擺動，而不能做回轉運動；3）機構為桿類件，若設計成二級結構（2個串聯(lián)機構再串聯(lián)，使4臺裝置共用1臺發(fā)電機）過于復雜，且會降低結構穩(wěn)定性。以后的研究要向多臺裝置的串聯(lián)機構邁進，且同時要考慮如何解決串聯(lián)結構的能量損失問題。

[參考文獻]

[2]孫建華.CDL6136普通車床的經濟型數控化改造[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[3]蘇程,陳世英,張?zhí)?曲軸熱處理控時淬火技術應用[J].熱加工工藝,2012,41(8):206-208,211.

作者：王成龍 李佳冀 王文婷 單位：哈爾濱工程大學