CN101549751A - 用于水下推进器的波浪能转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于水下推进器的波浪能转换装置，包括蓄电池、波浪感应部分、运动传递部分、单向运动转换部分和蜗簧扭转发电部分，波浪感应部分包括内框架、横轴、第一纵轴、第二纵轴和重锤，第一纵轴和第二纵轴支承于机身框架上，内框架一端支承于第一纵轴上，另一端与第二纵轴固定连接，横轴与第一纵轴垂直布置，且横轴的两端支承于内框架上，横轴上装设有第二锥齿轮和重锤，第一纵轴上装设有与第二锥齿轮啮合的第一锥齿轮，第一纵轴和第二纵轴分别与运动传递部分相连，运动传递部分通过单向运动转换部分与蜗簧扭转发电部分相连，蜗簧扭转发电部分与蓄电池相连。该用于水下推进器的波浪能转换装置具有可将波浪能转换为电能，支持推进器远距离航行的优点。

Description

用于水下推进器的波浪能转换装置
技术领域
本发明涉及水下推进器，尤其涉及用于水下推进器的波浪能转换装置。
背景技术
水下推进器实际是一种遥控潜水器，它可分为有缆和无缆两种。有缆水下滑翔机器人是通过电缆及通信光缆为潜水器提供动力并对它进行控制，如德国斯特那拉斯(STNAtlas)电子公司研制出“企鹅”B3型遥控潜水器，该类机器人的能源主要采用脐带电缆或电池供给，脐带电缆限止了机器人的活动范围和潜水深度(潜水深度＜7000m)，且容易出现脐带纠缠等现象；无缆水下滑翔机器人是真正意义上的自治水下机器人，其具有自治能力强、航程长、机动性好等优点，该类机器人通常由电池作为其能源供给，电池供给的水下滑翔机器人的续航时间非常有限，目前续航时间最长的为法国的法国舰艇建造局(DCN)公司正在开发的半潜水系统FDS3，仅为74小时。因此，能源供给问题成为制约水下滑翔机器人其应用向深入发展的技术瓶颈。充分利用海洋巨大的能源解决水下滑翔机器人的能源供给问题，成为各个国家研究的重点。在国外，英国爱丁堡大学史蒂芬·沙尔特(Stephen Salter)于1974年发明了“鸭子”(Duck)的发电设备，该装置采用鸭子形的凸轮，当波浪作用于凸轮时它可以绕着固定的中心轴作上下摆动，从而实现把水平方向的动力转变为机械能。英国兰开斯特大学研制的青蛙(Frog)是一种适合于深海使用的具有较小反作用力的波浪发电设备，海浪推动青蛙(Frog)内部安装在弹簧结构上的反力滑动体产生上下运动，即将波浪的运动转换为机械运动并驱动发电机产生电能。在国内，清华大学提出了一种基于永磁振子的漂浮式波浪发电装置，发电装置由一台往复运动的永磁振子发电机构支架中间的重锤会在成，均布在六面体的支架上，波浪力的作用下，在空腔内进行上下摆动，通过缆绳牵引发电机振子做往复运动，从而使发电机定子绕组产生感应电动势。广州海洋能实验室研制的BD型航标灯用波力发电装置能在波高为0.3～2米、周期为3～5秒的波浪下发电，为蓄电池充电。此外，现有水下滑翔机器人受推进技术的限制，还存在着姿态调整难度大、动作灵敏度不高、不能适应水下地形地貌的复杂变化等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可将波浪能转换为电能，支持远距离航行的用于水下推进器的波浪能转换装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于水下推进器的波浪能转换装置，包括蓄电池、波浪感应部分、运动传递部分、单向运动转换部分和蜗簧扭转发电部分，所述波浪感应部分包括内框架、横轴、第一纵轴、第二纵轴和重锤，所述第一纵轴和第二纵轴支承于机身框架上，所述内框架一端支承于第一纵轴上，另一端与第二纵轴固定连接，所述横轴与第一纵轴垂直布置，且横轴的两端支承于内框架上，所述横轴上装设有第二锥齿轮和重锤，所述第一纵轴上装设有与第二锥齿轮啮合的第一锥齿轮，第一纵轴和第二纵轴分别与运动传递部分相连，所述运动传递部分通过单向运动转换部分与蜗簧扭转发电部分相连，蜗簧扭转发电部分与蓄电池相连。
所述运动传递部分包括两组皮带传动机构，所述单向运动转换部分包括第一换向装置和第二换向装置，所述第一换向装置的输出端和第二换向装置的输出端分别连接于蜗簧扭转发电部分的两端，第一换向装置的输入端通过一组皮带传动机构与第一纵轴连接，第二换向装置的输入端通过另一组皮带传动机构与第二纵轴连接。
所述第一换向装置和第二换向装置均包括双向输入轴、单向输出轴、单向离合齿轮、单向离合器、内齿轮轴和行星轮，所述单向离合齿轮和单向离合器的内圈均与双向输入轴固接，并且单向离合齿轮和单向离合器的离合旋向相反，内齿轮轴一端的内齿轮部通过行星轮与单向离合齿轮外圈的齿轮部啮合，内齿轮轴另一端与单向离合器的外圈相接，所述单向输出轴与单向离合器的外圈固定连接。
所述蜗簧扭转发电部分包括蓄能蜗簧、第一电磁离合器、摩擦轮、第二电磁离合器、计数控制器、位移传感器以及与蓄电池连接的发电机，所述第一换向装置的输出端与蓄能蜗簧的内圈连接，第二换向装置的输出端经第一电磁离合器与蓄能蜗簧的外圈飞轮连接，所述摩擦轮与外圈飞轮紧密贴合，摩擦轮输出端经第二电磁离合器与发电机输入端连接，两件位移传感器分别设于第一换向装置和第二换向装置的输出端，计数控制器的数据采集端与两件位移传感器相连，计数控制器的控制端与第一电磁离合器和第二电磁离合器相连。
与现有技术相比，本发明的优点在于：利用波浪能转换装置借助波浪运动产生机械能，并将机械能转换为电能存储于蓄电池中，使蓄电池可以持续为推进器提供能源，实现远距离航行；当波浪运动作用于推进器上时，波浪感应部分的内框架和重锤形成往复摆动，将波浪能转换为机械能，运动传递部分将往复机械运动传递到单向运动转换部分，经单向运动转换部分将往复运动转换成单向转动，使蜗簧扭转发电部分中的蜗簧产生扭转，从而将机械能以弹性势能的形式存储于蜗簧中，当蜗簧扭转到设定量时，集中释放弹性势能，使弹性势能通过发电机动转变为电能，最后将电能存储于畜电池中，用于为推进器提供动力。本发明的用于水下推进器的波浪能转换装置还具有制造成本和维护费用低、可重复利用等特点。
附图说明
图1是本发明波浪能转换装置的结构示意图一；
图2是本发明波浪能转换装置的结构示意图二；
图3是本发明换向装置的结构示意图；
图4是本发明换向装置的剖视结构示意图。
图中各标号表示：
1、机身框架                21、第一换向装置
22、第二换向装置           201、内框架
202、横轴                  204、第二纵轴
203、第一纵轴              205、第一锥齿轮
206、第二锥齿轮            207、重锤
208、蓄能蜗簧              209、第一电磁离合器
210、摩擦轮                211、第二电磁离合器
212、发电机                213、计数控制器
214、位移传感器            215、双向输入轴
216、单向输出轴            217、单向离合齿轮
218、单向离合器            219、内齿轮轴
220、行星轮                221、行星轮架
224、大带轮                225、小带轮
226、传动皮带              2081、内圈
2082、外圈飞轮
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的用于水下推进器的波浪能转换装置，包括蓄电池、波浪感应部分、运动传递部分、单向运动转换部分和蜗簧扭转发电部分。波浪感应部分包括内框架201、横轴202、第一纵轴203和第二纵轴204，第一纵轴203和第二纵轴204通过轴承支承于机身框架1上，第一纵轴203上装设有第一锥齿轮205，内框架201一端通过轴承支承于第一纵轴203上，另一端与第二纵轴204固定连接，横轴202与第一纵轴203垂直布置，且横轴202的两端支承于内框架201上，横轴202上装设有重锤207以及与第一锥齿轮205啮合的第二锥齿轮206，该重锤207由刚性杆、配重箱和配重物组成，刚性杆一端与横轴202固定连接，另一端与配重箱固定连接，配重物装设于配重箱内，本实施例中用蓄电池作为配重物，这样既可利用蓄电池重量大的特点满足配重要求，又可节省空间，便于推进器中其它组件的安装。运动传递部分由两组皮带传动机构组成，各皮带传动机构均包括大带轮224、小带轮225和传动皮带226，大带轮224和小带轮225通过传动皮带226连接。单向运动转换部分包括第一换向装置21和第二换向装置22，第一换向装置21和第二换向装置22均包括双向输入轴215、单向输出轴216、单向离合齿轮217、单向离合器218、内齿轮轴219、行星轮220和通过轴承支承于双向输入轴215上的行星轮架221，单向离合齿轮217和单向离合器218的内圈均与双向输入轴215固接，并且单向离合齿轮217和单向离合器218的离合旋向相反，行星轮220的转轴固定于行星轮架221上，内齿轮轴219一端的内齿轮部通过行星轮220与单向离合齿轮217外圈的齿轮部啮合，内齿轮轴219另一端与单向离合器218的外圈相接，单向输出轴216与单向离合器218的外圈固定连接。第一换向装置21的双向输入轴215通过一组皮带传动机构与第一纵轴203连接，其中大带轮224与第一纵轴203连接，小带轮225与双向输入轴215连接；第二换向装置22的双向输入轴215通过另一组皮带传动机构与第二纵轴204连接，其中大带轮224与第二纵轴204连接，小带轮225与双向输入轴215连接，第一换向装置21和第二换向装置22的单向输出轴216处于同一轴线上，且输出的旋转方向相反。蜗簧扭转发电部分包括蓄能蜗簧208、第一电磁离合器209、摩擦轮210、第二电磁离合器211、计数控制器213、与蓄电池连接的发电机212以及两件位移传感器214，第一换向装置21的单向输出轴216与蓄能蜗簧208的内圈2081连接，第二换向装置22的单向输出轴216经第一电磁离合器209与蓄能蜗簧208的外圈飞轮2082连接，摩擦轮210与外圈飞轮2082紧密贴合，摩擦轮210输出端经第二电磁离合器211与发电机212输入端连接，两件位移传感器214分别设于第一换向装置21和第二换向装置22的输出端，计数控制器213的数据采集端与两件位移传感器214相连，计数控制器213的控制端与第一电磁离合器209和第二电磁离合器211相连。
本发明用于水下推进器的波浪能转换装置的具体工作过程可分为蓄能过程和发电过程两个部分。蓄能过程中，第一电磁离合器209闭合，第二电磁离合器211断开，当波浪作用于机身框架1上时，内框架201和重锤207由于本身的惯性，会产生相对于机身框架1的摆动，内框架201摆动时，带动与其固定连接的第二纵轴204作往复转动，第二纵轴204将这一往复转动经皮带传动机构传递到第二换向装置22的双向输入轴215。当双向输入轴215以图3中箭头所示方向正向输入时，单向离合齿轮217的内圈随双向输入轴215正向转动，内、外圈之间的滚动体处于内、外圈之间的间隙大端，外圈不随内圈转动；同时，单向离合器218的内圈随双向输入轴215正向转动，由于单向离合器218与单向离合齿轮217的离合旋向相反，所以单向离合器218内、外圈之间的滚动体被压迫至内、外圈之间的间隙小端，并且内圈通过滚动体将外圈顶紧，使单向离合器218的外圈随内圈正向转动，与单向离合器218外圈固定连接的单向输出轴216正向输出，并经第一电磁离合器209带动蓄能蜗簧208的外圈飞轮2082正向转动(同时，与单向离合器218外圈固定连接的内齿轮轴219正向转动，并经行星轮220传递给单向离合齿轮217外圈的齿轮部，使单向离合齿轮217外圈相对内圈反向转动，不会对内圈的正向转动造成干涉)。当双向输入轴215反向输入时，单向离合齿轮217的内圈随双向输入轴215反向转动，内、外圈之间的滚动体被压迫至内、外圈之间的间隙小端，内圈通过滚动体将外圈顶紧，使单向离合齿轮217外圈的齿轮部随内圈反向转动，并径行星轮220传递给内齿轮轴219的内齿轮部，使内齿轮轴219正向转动，内齿轮轴219通过单向离合器218外圈将正向转动传递给单向输出轴216，使单向输出轴216正向输出，并经第一电磁离合器209带动蓄能蜗簧208的外圈飞轮2082正向转动(同时，单向离合器218内圈反向转动、外圈正向转动，单向离合器218内、外圈之间的滚动体处于内、外圈之间的间隙大端，不会对单向离合器218内、外圈之间的相对转动造成干涉)。重锤207摆动时，横轴202随之往复转动，并依次经第二锥齿轮206、第一锥齿轮205、第一纵轴203和皮带传动机构传递给第一换向装置21的双向输入轴215，第一换向装置21的工作原理与第二换向装置22的工作原理相同，在此不再赘述，但是第一换向装置21中单向输出轴216的转动方向与第二换向装置22中单向输出轴216的转动方向相反，这样，第一换向装置21中单向输出轴216带动蓄能蜗簧208的内圈2081反向转动，内圈2081与外圈飞轮2082的旋转方向相反，加速能量蓄集，提高波浪能利用效率。在蓄能过程中，第一换向装置21和第二换向装置22输出端的位移传感器214用于收集第一换向装置21和第二换向装置22的输出轴转动圈数，并将该信息传递到计数控制器213，计数控制器213将两者的转动圈数相加，当两者的转动圈数之和达到设定值时，计数控制器213发出控制信号，使第一电磁离合器209断开，第二电磁离合器211闭合，进入发电过程。在发电过程中，蓄能蜗簧208的外圈飞轮2082在弹性势能的作用下旋转，并由外圈飞轮2082带动摩擦轮210高速旋转，摩擦轮210经第二电磁离合器211将转动传递到发电机212，使发电机212开始发电，发电机212产生的电能被存储到蓄电池中。

Claims (4)

1、一种用于水下推进器的波浪能转换装置，其特征在于：包括蓄电池、波浪感应部分、运动传递部分、单向运动转换部分和蜗簧扭转发电部分，所述波浪感应部分包括内框架(201)、横轴(202)、第一纵轴(203)、第二纵轴(204)和重锤(207)，所述第一纵轴(203)和第二纵轴(204)支承于推进器的机身框架(1)上，所述内框架(201)一端支承于第一纵轴(203)上，另一端与第二纵轴(204)固定连接，所述横轴(202)与第一纵轴(203)垂直布置，且横轴(202)的两端支承于内框架(201)上，所述横轴(202)上装设有第二锥齿轮(206)和重锤(207)，所述第一纵轴(203)上装设有与第二锥齿轮(206)啮合的第一锥齿轮(205)，第一纵轴(203)和第二纵轴(204)分别与运动传递部分相连，所述运动传递部分通过单向运动转换部分与蜗簧扭转发电部分相连，蜗簧扭转发电部分与蓄电池相连。
2、根据权利要求1所述的用于水下推进器的波浪能转换装置，其特征在于：所述运动传递部分包括两组皮带传动机构，所述单向运动转换部分包括第一换向装置(21)和第二换向装置(22)，所述第一换向装置(21)的输出端和第二换向装置(22)的输出端分别连接于蜗簧扭转发电部分的两端，第一换向装置(21)的输入端通过一组皮带传动机构与第一纵轴(203)连接，第二换向装置(22)的输入端通过另一组皮带传动机构与第二纵轴(204)连接。
3、根据权利要求2所述的用于水下推进器的波浪能转换装置，其特征在于：所述第一换向装置(21)和第二换向装置(22)均包括双向输入轴(215)、单向输出轴(216)、单向离合齿轮(217)、单向离合器(218)、内齿轮轴(219)和行星轮(220)，所述单向离合齿轮(217)和单向离合器(218)的内圈均与双向输入轴(215)固接，并且单向离合齿轮(217)和单向离合器(218)的离合旋向相反，内齿轮轴(219)一端的内齿轮部通过行星轮(220)与单向离合齿轮(217)外圈的齿轮部啮合，内齿轮轴(219)另一端与单向离合器(218)的外圈相接，所述单向输出轴(216)与单向离合器(218)的外圈固定连接。
4、根据权利要求3所述的用于水下推进器的波浪能转换装置，其特征在于：所述蜗簧扭转发电部分包括蓄能蜗簧(208)、第一电磁离合器(209)、摩擦轮(210)、第二电磁离合器(211)、计数控制器(213)、发电机(212)以及两件位移传感器(214)，所述第一换向装置(21)的输出端与蓄能蜗簧(208)的内圈(2081)连接，第二换向装置(22)的输出端经第一电磁离合器(209)与蓄能蜗簧(208)的外圈飞轮(2082)连接，所述摩擦轮(210)与外圈飞轮(2082)紧密贴合，摩擦轮(210)输出端经第二电磁离合器(211)与发电机(212)输入端连接，两件位移传感器(214)分别设于第一换向装置(21)和第二换向装置(22)的输出端，计数控制器(213)的数据采集端与两件位移传感器(214)相连，计数控制器(213)的控制端与第一电磁离合器(209)和第二电磁离合器(211)相连，发电机(212)与蓄电池连接。
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