可發電滾輪導纜器的結構設計與研究

葛江宇， 陳盼， 羅準， 朱邦杰， 林鐘衛， 付宗國

（1.浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山316022；2.舟山市知創科技開發有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

船舶系泊裝置主要包括帶纜樁、導纜孔、滾輪導纜器等裝置，而滾輪導纜器是船舶系泊裝置中的一個最主要的部分，它的作用是改變船舶纜繩的運動方向。當船舶停靠于碼頭時，需要使用絞車纜繩，將船舶牽引至碼頭邊，在牽引的過程中纜繩由于受到的力方向一直發生變化，所以需要通過滾輪導纜器提供導向，改變纜繩的運動方向，節省牽引力并且極大地減少了纜繩的摩擦磨損，提高纜繩使用壽命[1-3]。

導纜器安裝位置為船舶甲板上，并且可以根據不同船舶類型、船舶的功能及船舶內部布線結構，合理設置導纜器的安裝位置，以便達到最高效地發電和提高電力傳輸的效率。

在纜繩牽引的過程中，纜繩與滾輪導纜器之間有著極大的壓力值，本文由此設計一種可發電的滾輪導纜器，通過該裝置將船舶系泊過程中產生的能量轉化為電能，高效環保，具有較好的市場應用價值，對其進行研究和設計具有重要意義[4]。

1 國內外研究現狀

目前國內外對于船舶導纜器裝置的研究設計比較多，有萬向導纜器、羊角單滾輪導纜器等，其研究方向大體為新型機構的設計以提高產品性能和效率，或者在裝置運行過程中進行一些模擬力實驗和模擬分析，亦或是對于導纜器材料的研究。而本文是在導纜器上設計一種可發電裝置，在使用過程中將壓力能轉化為電能，該研究方向值得今后深入研究和探討[5-6]。

2 滾輪導纜器結構組成

本文設計了一種可發電的滾輪導纜器，主要包括外殼底座部分、輥軸部分、滾輪發電部分；主體為滾輪發電部分，其中又可以細分為滾輪外體部分、滾輪內部發電部分，滾輪導纜器具體結構如圖1所示。

圖1 滾輪導纜器組成

2.1 外殼底座部分

底座的上側面垂直固連有若干個安裝軸，安裝軸與底座部分相連接，用于滾輪的安裝定位；外殼部分中的保護欄桿由垂直部分與水平部分組成，在作業過程中若纜繩脫離滾輪，則能保護周圍人員生命安全；外殼部分中還有保護蓋，可用于遮擋雨水對裝置的影響，也避免了太陽暴曬對裝置的長期影響，延長裝置使用壽命。

2.2 輥輪部分

水平部分的護欄上設置輥輪，輥輪位于2個可發電的滾輪之間，起到輔助作用，即當船用纜繩受不同方向的外力作用即將滑出滾輪的作用范圍時，為了防止失去纜繩掉出兩滾輪作用范圍外，起到輔助限位作用，確保纜繩一直處于兩滾輪之間以正常運轉。若大型船只噸位較大，或者使用到多個滾輪時，應該增加輥輪的個數，以便分擔外力的作用，更好地起到限位作用。

2.3 滾輪發電部分

2.3.1 滾輪外體部分

滾輪外體部分主要是滾輪主體，滾輪安裝于外殼底座部分的安裝軸上，與安裝軸的圓柱面連接，減小了絞車拉動纜繩時所用的力，提高了系泊效率[7]。

2.3.2 滾輪內部發電部分

根據梁嘉俊等[8]的設計，本文對滾輪發電裝置進行進一步創新和完善，滾輪的輪面中設計有多個安裝盲孔用于安裝定位，在安裝盲孔內，活動塊沿軸向的滑槽滑動，安裝盲孔的底部裝有若干壓電陶瓷板，當壓電陶瓷板受到一定的壓力時，就會產生電能。壓電陶瓷板與活動塊之間設有多個復位彈簧，復位彈簧的頂部連接于活動塊的底部，活動塊的底部還設有多個限位塊，具體結構如圖2所示。

S.Roundy和P.Kwright[9]發明了一種利用壓電陶瓷材料，用于無線傳感節點自供電的壓電電源，該電源可以依靠環境振動產生電能對無線傳感節點進行供電。電能收集采用電容式存儲方式，并能在2.5 m/s2的加速度、120 Hz頻率和1.6%輸出占空比的情況下，在1 cm3大小的模型上產生375 μW電功率,根據其研究成果和結論，證明利用壓電陶瓷材料而進行的發電能夠用于工程實際應用。

根據齊洪東等[10]的研究，壓電陶瓷能夠滿足環境自適應的供電需求，并且有環保無污染、壽命長、維護維修方便、成本低等特點。根據船舶工作環境下，采用最合適的壓電陶瓷材料以適應環境條件，這樣可以產生最高的發電效率，可以用于工程實際應用。

滾輪導纜器安裝在船體結構上，在具體的工作過程中，纜繩穿過滾輪，當船體靠岸時，岸邊絞車等裝置拉動纜繩，此時纜繩緊繃，纜繩給滾輪的外輪面施加一個壓力，傳遞給活動塊，而通過滑槽導向受力內壓，推向安裝盲孔的內部，由于滑槽的設置及活動塊和滑槽的配合作用下，活動塊只能沿著安裝盲孔的軸向滑動，難以發生轉動，此時彈簧被壓縮，當壓縮到一定程度時，限位塊觸碰到底部，防止復位彈簧進一步壓縮而損壞，限位塊也起到防止活動塊滑出限定滑槽的范圍和安裝盲口的范圍外。

圖2 滾輪內部發電部分

隨著壓力的增大，限位塊受到來自于活動塊的壓力，向內部運動，達到一定壓力時與安裝盲孔底部的壓電陶瓷板觸碰，此時的壓力傳遞到壓電陶瓷板上，壓電陶瓷板受到壓力產生了電能，由此實現了壓力能轉化為電能的過程。

纜繩與滾輪的輪面發生摩擦，帶動滾輪繞安裝軸轉動，活動塊在未受力時受到復位彈簧作用復位，受纜繩壓力時沿滑槽方向運動，由此纜繩可以持續擠壓滾輪輪面上不同位置的若干活動塊，增加活動塊及盲孔底部的壓電陶瓷板的數量可以增加發電量。此外，限位塊除了作為壓力媒介外，也作為限位裝置，防止復位彈簧被過度壓縮而失去復位的能力，保證了裝置的使用壽命[11]。

滾輪的頂部設有與壓電陶瓷板電直接連接蓄電池組，蓄電池組可以將壓電陶瓷板產生的電能儲存起來，在必要時用于自身作業的照明使用，不僅實現裝置電能的自我供應也可為其他裝置提供電力。

外殼底座部分設置有凹槽，凹槽內部裝有LED燈，LED燈的供電系統與蓄電池相連。在夜間或者周圍照明環境弱的時候，可以手動打開LED燈[12-13]，為作業時提供照明保障，方便操作人員的工作，提高了操作安全性。

3 設計優點

與現有技術相比，該設計具有以下優點：

1）活動塊受到作業時的纜繩的壓力后，沿滑槽方向運動，其受到的壓力通過限位塊傳遞到壓電陶瓷板上，將壓力能轉化為電能。

2）由于作業過程中，滾輪圍繞安裝軸轉動，沒有受到纜繩壓力的活動塊受到復位彈簧往外的推力，使活動塊復位，等待下一次擠壓發電，并且每個滾輪上裝有多個活動塊，增加了發電量。

3）防護欄桿及輥輪裝置可以防止纜繩脫離滾輪，避免纜繩受力掉出兩滾輪的工作范圍，減少了重新安裝的工作量，保證了作業人員的安全。

4 結語

針對系泊裝置中的滾輪導纜裝置，設計改進了一款可發電的滾輪導纜裝置，能在船舶系靠于碼頭、浮筒或他船時，將纜繩和滾輪之間產生的壓力能轉化為電能，并且將電能儲存用于自給或者他用，體現綠色能源的高效利用，為今后相關設計和應用提供思路和方法。