渦激振動發(fā)電裝置傳動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王成龍，李佳冀，王文婷

（1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001；2.中國船舶集團(tuán)有限公司 第703研究所，哈爾濱150036）

0 引 言

渦激振動發(fā)電裝置是一種將海流的水動能轉(zhuǎn)化為振子動能，然后將振子動能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，圖1為密歇根大學(xué)Bernitsas教授團(tuán)隊[1]研發(fā)的渦激振動發(fā)電裝置VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)的實驗?zāi)Ｐ脱b置及發(fā)電原理圖。其中水動能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電能，則需要先將振子的直線往復(fù)運(yùn)動變成永磁發(fā)電機(jī)動子的轉(zhuǎn)動，然后發(fā)電機(jī)發(fā)電并將電能儲存。本次優(yōu)化設(shè)計主要針對該發(fā)電裝置上幾種不同的能夠?qū)⒕€性運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)進(jìn)行對比，分析其優(yōu)劣性，得出最適合該發(fā)電裝置的機(jī)構(gòu)。并且針對每個發(fā)電裝置都需要配備1臺發(fā)動機(jī)的問題，提出一種串聯(lián)機(jī)構(gòu)，以使2個甚至多個裝置可以共用1臺發(fā)電機(jī)，達(dá)到降低成本的目的。

圖1 VIVACE發(fā)電裝置

1 傳動機(jī)構(gòu)的選擇

將機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動或由回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，這種對運(yùn)動形式的改變是工程中經(jīng)常需要解決的問題。目前解決此類問題的常用機(jī)構(gòu)包括齒輪齒條、凸輪機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠及用于發(fā)動機(jī)氣缸中的曲柄裝置等。齒輪齒條機(jī)構(gòu)采用螺紋傳動來實現(xiàn)其功能，運(yùn)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(chǎn)生的直線運(yùn)動行程短，所以也不適用于VIVACE；由文獻(xiàn)[2]知，滾珠絲杠也可以將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因其擁有較高的精度、效率及較小摩擦阻力的優(yōu)點(diǎn)，所以滾珠絲杠在機(jī)械工程領(lǐng)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(jié)構(gòu)變復(fù)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(fù)雜的海流中使用；曲軸是發(fā)動機(jī)中的主要運(yùn)動機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)中的連桿對曲軸施加往復(fù)力，由曲軸將該往復(fù)力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷且其擁有足夠的強(qiáng)度和剛度[3]。基于這些優(yōu)點(diǎn)，本次優(yōu)化設(shè)計選用曲軸替代對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)渦激振動發(fā)電裝置振子直線運(yùn)動向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)變。模型結(jié)構(gòu)及工程圖如圖2所示。

2 串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)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(jī)的安裝形式。若考慮后期投入實際應(yīng)用，則成本太高。因此本文欲提出一種串聯(lián)機(jī)構(gòu)，使2臺裝置可共用1臺發(fā)電機(jī)，以降低成本。本文串聯(lián)機(jī)構(gòu)裝置的設(shè)計主要需要解決以下2個問題：1）當(dāng)2個發(fā)電裝置的振子的運(yùn)動速度不同或者開始產(chǎn)生振動的時間不同時，會使兩裝置的傳動桿不能同步運(yùn)動，導(dǎo)致出現(xiàn)位移差。2）2個振子可能開始產(chǎn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動發(fā)生干涉。

2.1 模型設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計方案一如圖3所示，傳動桿與振子相連。當(dāng)傳動桿同向運(yùn)動時，曲柄機(jī)構(gòu)將運(yùn)動并帶動發(fā)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩端速度相同時，會發(fā)生連接桿順導(dǎo)桿滑動的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致導(dǎo)桿無法完成往復(fù)運(yùn)動。連接桿上設(shè)置的擋塊可避免此現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)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(yùn)動干涉現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 曲軸滑塊機(jī)構(gòu)

圖3 方案一：串聯(lián)機(jī)構(gòu)模型

Bernitsas等[4]根據(jù)實驗與數(shù)值模擬綜合分析得知，當(dāng)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(chǎn)生影響。本次進(jìn)行優(yōu)化的實驗裝置，其振子直徑為D=90 mm，所以選取兩裝置間距為P=500 mm。為避免出現(xiàn)死點(diǎn)位置，曲柄機(jī)構(gòu)長度Lqb與曲軸長度Lqz的和要大于連接桿導(dǎo)桿上的鉸鏈中心到電動機(jī)主軸的距離和La，且La>180 mm。曲柄長度選為Lqb=100 mm，曲軸長度Lqz=210 mm，La=300 mm。

Bernitsas團(tuán)隊[5-8]研究了有關(guān)質(zhì)量比、阻尼比、雷諾數(shù)等參數(shù)對圓柱渦激振動和能量轉(zhuǎn)化的影響，一系列試驗結(jié)果得出的最優(yōu)參數(shù)組合下的最大振幅比可以達(dá)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(dá)到的最大振幅比。因此理論上兩振子的最大位移差為1.9×90 mm。假設(shè)實際過程中達(dá)到最大位移差且等于180 mm，此時連接桿伸長至531 mm。最大伸長長度為531-500=31 mm，所以連接桿導(dǎo)桿長度Lld>31 mm,本設(shè)計為Lld=100 mm。為防止導(dǎo)桿內(nèi)壓強(qiáng)對伸縮產(chǎn)生影響，在連接桿上設(shè)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。

圖4 方案二：連接桿

2.2 運(yùn)動仿真及分析

使用SolidWorks2016對方案一的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，以驗證該串聯(lián)機(jī)構(gòu)是否能夠正常工作。由于實際運(yùn)動較復(fù)雜，將其運(yùn)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(yùn)動仿真。

2.2.1 工況二的仿真

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

2.2.2 工況四仿真

馬達(dá)1從0 s運(yùn)動到3 s，距離為100 mm，運(yùn)動方向向上。馬達(dá)2從0 s運(yùn)動到3 s，運(yùn)動距離為80 mm，運(yùn)動方向向下。其余條件與2.2.1節(jié)相同。由運(yùn)動仿真結(jié)果知，運(yùn)動可以進(jìn)行且無干涉發(fā)生。

因此，由運(yùn)動仿真可知4種運(yùn)動情況都可以順利進(jìn)行，所以該機(jī)構(gòu)滿足2臺發(fā)電裝置共用1臺發(fā)電機(jī)的要求。

3 結(jié) 論

本設(shè)計旨在通過優(yōu)化渦激振動發(fā)電裝置的部分機(jī)構(gòu)，以提高能量轉(zhuǎn)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(jī)的目的。本文對提出的方案一進(jìn)行了運(yùn)動仿真，驗證了其運(yùn)動可行性。但是該設(shè)計仍有不足之處：1）當(dāng)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(jī)構(gòu)的最大行程無法確定，因此機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計只能滿足曲軸做往復(fù)擺動，而不能做回轉(zhuǎn)運(yùn)動；3）機(jī)構(gòu)為桿類件，若設(shè)計成二級結(jié)構(gòu)（2個串聯(lián)機(jī)構(gòu)再串聯(lián)，使4臺裝置共用1臺發(fā)電機(jī)）過于復(fù)雜，且會降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。以后的研究要向多臺裝置的串聯(lián)機(jī)構(gòu)邁進(jìn)，且同時要考慮如何解決串聯(lián)結(jié)構(gòu)的能量損失問題。