CN102278292B - 重力平衡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种重力平衡器，包括支架、摆振子和弹性机构，其特征在于：还包括轨道，所述轨道是位于上方的固定轨道和位于下方的活动轨道，固定轨道固定在支架上不动，活动轨道通过支铰轴铰接在支架上，摆振子与活动轨道刚性连接，弹性机构跨连在上方的固定轨道和下方的活动轨道之间；所述弹性机构的上端和下端与固定轨道和活动轨道为滑动或滚动连接；固定轨道是水平直线或曲线；活动轨道是曲线，曲线形状通过力平衡方程或能量平衡方程或拓扑优化得到。此重力平衡器能消除重力对振动吸能系统的影响，为振动吸能系统形成共振状态提供了条件，从而为实现高效率吸能系统提供了基础。

Description

重力平衡器

技术领域

 本发明涉及一种振动吸能方式的波力发电装置，特别是涉及消除重力对吸能摆振子振动影响的重力平衡器。

背景技术

波力发电是利用海浪的能量实现发电。海浪的能量是以波动形式存在，为了利用海浪的能量，波力发电装置是通过吸收海浪能量，将其转换成机械能，再由机械能装换成其他形式能量实现发电。

在波力发电装置中，吸收海浪能量最直接的方法是利用海浪引起吸能系统振动实现吸能。在吸能系统处于共振状态下，从海浪中吸取的能量最大。由于海浪的周期较长，一般可利用的海浪周期在3秒到15秒之间，为了保证吸能系统在海浪的激励下形成共振，要求系统的刚度较弱，但这样就造成吸能系统的摆振子在重力作用下产生很大的初始变形位移，这个初始位移一般在2米到56米之间（直线振动），或2弧度到56弧度之间（摆式振动），因此，有效的振动系统难以构成；另一方面，由于系统刚度较弱，振动时重力对其影响较大，易产生强非线性，难以建立系统的共振状态。基于上述两方面的考虑，吸能系统中必须消除或尽量减小重力对吸能系统的影响。

现有波力发电装置吸能形式不统一，形式多种多样，吸能效率低。利用海浪上下起伏引起发电装置内吸能系统上下运动产生的振动发电是其中主要形式之一。公知吸能系统处于共振状态时吸能效率最高。但由于海浪的特性时常发生变化，实现吸能系统共振是很困难的。困难之一是大幅度振动时重力引起系统处于强非线性状态，系统难以实现共振。也就是摆振子在上下运动过程中始终受重力作用，没有力来完全或部分平衡重力的作用，使吸能系统的难以形成共振状态，吸能效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种重力平衡器，此重力平衡器能消除重力对吸能系统的影响，为吸能系统形成共振状态提供条件，以提高吸能效率。

为了达到上述目的，本发明的重力平衡器，包括支架、摆振子和弹性机构，其特征在于：还包括轨道，所述轨道是位于上方的固定轨道和位于下方的活动轨道，固定轨道固定在支架上不动，活动轨道通过支铰轴铰接在支架上，摆振子与活动轨道刚性连接，弹性机构跨连在上方的固定轨道和下方的活动轨道之间；

所述弹性机构的上端和下端与固定轨道和活动轨道为滑动或滚动连接；

固定轨道是水平直线或曲线；活动轨道是曲线，轨道的曲线保证固定道轨和活动轨道间弹簧拉力机构随摆振子的运动而运动，实现弹簧拉力机构的恢复力与摆振子的重力随时平衡，曲线形状通过力平衡方程或能量平衡方程或拓扑优化得到，保证其有自治控制能力，即保证轨道间的弹性机构随摆的运动而运动，实现弹性机构提供的恢复力与摆振子的重力随时平衡。

优点是：弹性机构架设在两个轨道之间，在摆振子运动时，连接两个轨道之间的弹性机构随其一起运动，并发生变形。弹性机构的弹性体变形产生的恢复力对支铰轴的力矩与摆振子的重力对支铰轴产生的力矩平衡，从而使重力对摆振子的转动不产生影响，使摆振子处在一种“悬浮”状态。

如上所述的重力平衡器，其特征在于：固定轨道和活动轨道、弹性机构构成一个平衡机构，多个平衡机构平行布置，每个活动轨道的曲线相同。优点是可以用多个弹性机构来分担摆振子的重量力矩，使重力平衡器可以应用于较大的重力平衡需求状态。

如上所述的重力平衡器，其特征在于：固定轨道和活动轨道、弹性机构和变轨器构成一个平衡装置，两个平衡装置反向安装，第一平衡装置中是固定变轨器，第二平衡装置中是活动变轨器，活动变轨器安装在固定变轨器的对面，摆振子刚性连接一个拨动活 动变轨器的拨动件。可将平衡轨道分成多段，通过变轨器实现其工作的连续性。

优点是在摆振子大幅度运动的情况下， 将较长活动轨道分成两段甚至多段，1使得整个重力平衡装置的体积缩小，减少重量；2降低对弹性机构弹性体的大幅度变形的要求。轨道可以设计成一根连续的轨道。但为了放松对弹性体的要求，设计成分段的多根轨道，通过变轨器，分段实现其功能。

所述的支架是整个重力平衡器的支撑与连接件，支铰轴和平衡装置都安装在支架上。

所述的支铰轴为一长轴，支铰轴通过轴承安装在支架上，支铰轴上安装有摆振子、活动轨道和拨动件（如凸轮）。摆振子、活动轨道和拨动件（如凸轮）与支铰轴之间的连接可采用键连接。

所述的弹性机构至少包括与上端固定轨道连接的上端连接件，与下端活动轨道连接的下端连接件，和上端、下端连接件之间的弹性体。

所述的弹性机构的一个方案是：为弹簧拉力机构，弹簧拉力机构由滑轮、轴销、连接杆、拉簧和螺栓组成，两个滑轮通过轴销分别与连接杆连接，螺栓固定在连接杆上，拉簧在两个连接杆之间并与连接杆连接。平衡装置的固定轨道与活动轨道之间用弹簧拉力机构联系在一起，通过弹簧拉力机构联系处固定轨道和活动轨道间距离改变来改变拉簧的拉力，以提供平衡重力的力。

所述的一对变轨器（固定的和活动的），可以有多种结构；固定变轨器可以是个固定在支架上的卡口件；活动变轨器可以是个能转动的卡口件，配以复位弹簧和拨动件。

所述的活动变轨器的一个方案是：由顶簧、拉力弹簧、滑动楔块、推杆、推杆上部滚轮、销轴、曲杆、下支撑架和弹簧座组成，曲杆上端开有凹槽，曲杆通过销轴与下支撑架铰接，滑动楔块安装在弹簧座上端与曲杆下端形成的楔形空隙中，并与弹簧座和曲杆形成滑动连接，，曲杆下部侧面与滑动楔块接触，顶簧在滑动楔块下部方与滑动楔块接触，顶簧安放在弹簧座中，拉力弹簧的一端与曲杆下端连接，另一端与下支架连接，推杆一端通过滚轮与凸轮接触，另一端与滑动楔块接触，弹簧座和下支撑架安装在支架上，曲杆上的凹槽朝向活动轨道。

当采用曲线分段和变轨器后，由于有两个平衡装置，并且两个平衡装置反向安装，在摆振子越过水平位置向下运动时，其中一个平衡装置的活动轨道将弹簧拉力机构下端的滑轮引入活动轨道的下端面轨道，弹簧拉力机构的滑轮与活动轨道的下侧面接触，在弹簧拉力机构的作用下，弹簧拉力机构对支铰轴产生的力矩与摆振子上的摆振子重力对支铰轴产生的力矩相平衡，从而使重力对摆振子的转动不产生影响；在摆振子越过水平位置向上运动时，弹簧拉力机构下端的滑轮滑入变轨器上部的凹槽，由变轨器持住弹簧拉力机构下端的滑轮，使滑轮脱离活动轨道，解除弹簧拉力机构与活动轨道的连接。在解除一个弹簧拉力机构与活动轨道的连接时，另一个弹簧拉力机构来平衡摆振子重力对支铰轴产生的力矩相平衡，两个平衡装置交替作用，在摆振子运动过程中，两平衡装置的固定轨道和活动轨道保证弹簧拉力机构自动移动至预设的位置，时刻保持弹簧拉力机构来平衡摆振子重力对支铰轴产生的力矩相平衡，使整个过程中重力对摆振子的转动不产生影响，为吸能系统能形成共振状态及提高吸能效率提供了条件。

重力平衡器工作时，将安装有本重力平衡器的吸能系统安放在船舱内（或类似摆动物），在摆振子前端安装重物，支铰轴上安放扭簧，摆振子一端由支铰轴支撑，在重力平衡器作用下，另一端则“悬浮”在船舱内，在海浪作用下，船体上下震荡和前后摆动，由于惯性力的作用，“悬浮”在船舱内的重物将与船舱产生很大的相对位移，吸能系统将这种相对位移产生的能量转换为机械能，再将机械能转换电能。

本发明的重力平衡器，此重力平衡器能消除重力对吸能系统的影响，为吸能系统实现共振状态创造了条件，从而保证了高效率吸能。 

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是图1的K向视图。

图5是活动轨道曲线图表一：一个平衡装置，固定轨道平面线，活动轨道曲面线。

图6.1和图6.2是活动轨道曲线图表二：二个平衡装置，固定轨道平面线，活动轨道曲面线。其中图6.1是活动轨道12的曲线，图6.2是第2活动轨道12.2的曲线。

具体实施方式

图1标记的说明：支架1，第1平衡装置2.1，第2平衡装置2.2，第3平衡装置2.3，摆振子3，支铰轴4，键5。

图2标记的说明：滑轮6，轴销7，连接杆8，螺栓9，拉簧10，弹簧拉力机构11，活动轨道12、固定变轨器13、固定道轨14。

图3标记的说明：第2滑轮6.2，第2轴销7.2，第2连接杆8.2，第2螺栓9.2，第2拉簧10.2，第2弹簧拉力机构11.2，第2活动轨道12.2，活动变轨器13.2，第2固定道轨14.2，凸轮15，推杆16，滑动楔块17，拉力弹簧18，顶簧19，曲杆20，销轴21，下支撑架22，弹簧座23，推杆上部滚轮24。

参见图1，本发明重力平衡器的实施例是个有三个平衡装置的典型实施例（表达了多种可能的组合方向），第1平衡装置2.1，第2平衡装置2.2，第3平衡装置2.3。第一平衡装置2.1和第3平衡装置2.3相同，起承受力加倍的作用；第一平衡装置2.1与第2平衡装置2.2反向，起减小整体装置体积和降低弹性体变形能力要求的作用。

本实施例包括支架1、三个平衡装置2.1、2.2、2.3、支铰轴4、摆振子3，支铰轴4通过轴承安装在支架1上，摆振子3固定在支铰轴4上，第1平衡装置2.1由固定道轨14、弹簧拉力机构11、活动轨道12和固定变轨器13组成（参见图2），活动轨道12固定在支铰轴4上，固定道轨14固定安装在支架1上部；弹簧拉力机构11为两端部安装有滑轮6的弹簧拉紧机构，活动轨道12的下端面为光滑面，固定道轨14的上表面为光滑面，固定变轨器13上部侧面开有凹槽（即卡口），弹簧拉力机构11的上下两滑轮6分别与固定道轨14的上表面和活动轨道12的下端面滚动接触，固定变轨器13的凹槽朝向活动轨道12；第2平衡装置2.2反向安装（参见图3），其活动变轨器13.2安装在固定变轨器13对面的支架1上，活动变轨器13.2的曲杆20是个可转动件，上端的凹槽（即卡口）在复位弹簧和凸轮的作用下擒住或释放第2弹簧拉力机构11.2上的第2滑轮6.2。

由于将活动轨道的曲线分段为两段，然后采用两个反向安装的平衡装置2.1和2.2，在摆振子3越过水平位置向下运动时，其中第1平衡装置2.1的活动轨道12将弹簧拉力机构11下端的滑轮6引入活动轨道12的下端面轨道，弹簧拉力机构11的滑轮6与活动轨道12的下侧面接触，在弹簧拉力机构11的作用下，弹簧拉力机构11对支铰轴4产生的力矩与摆振子3上的摆振子重力对支铰轴4产生的力矩相平衡，从而使重力对摆振子3的转动不产生影响；第2平衡装置2.2的第2弹簧拉力机构11.2的滚轮6.2，进入活动变轨器13.2上部的凹槽，使其脱离第2活动轨道12.2的轨道。

在摆振子3越过水平位置向上运动时，由第1平衡装置2.1的固定变轨器13的凹槽持住弹簧拉力机构11的下端的滚轮6，使之脱离活动轨道12，解除弹簧拉力机构11与活动轨道12的连接。第2平衡装置中的活动变轨器13.2，其曲杆20凹槽向上作微小运动，释放第2滚轮6.2，使之进入第2活动轨道12.2的轨道，此时第2活动轨道12.2与其上部的第2弹簧拉力机构11.2连接，第2弹簧拉力机构11.2对支铰轴4产生的力矩与摆振子3上的摆振子重力对支铰轴4产生的力矩相平衡，从而使重力对摆振子3的转动不产生影响。

从本实施例中可以看出，第1活动轨道12与第2活动轨道12.2曲线弯曲方向反向。所谓反向，其标志是曲线在支铰轴4处的线位一低一高。

由于两个平衡装置2.1和2.1反向安装，在解除一个弹簧拉力机构与活动轨道的连接时，另一个弹簧拉力机构来平衡摆振子重力对支铰轴产生的力矩，两个平衡装置交替作用，使整个过程重力对摆振子的转动不产生影响，能使吸能系统能形成共振状态，吸能效率高。

平衡装置的固定道轨上表面为平面或曲面。本实施例选择便于制造的平面。

平衡装置的活动轨道的下端面为曲面。其曲面形状可通过力平衡方程或能量平衡方程或拓扑优化得到，保证固定道轨和活动轨道间弹簧拉力机构随摆振子的运动而运动，实现弹簧拉力机构的恢复力与摆振子的重力随时平衡。具体举例见活动轨道曲面形状图表5-7。

参见图3，本实施例中第2平衡装置2.2的活动变轨器13.2的一种结构，由顶簧19、拉力弹簧18、滑动楔块17、推杆16、推杆上部滚轮24、销轴21、曲杆20、下支撑架22和弹簧座23组成，曲杆20上端开有凹槽，曲杆20通过销轴21与下支撑架22铰接，滑动楔块17安装在弹簧座23上端与曲杆20下端形成的楔形空隙中，并与弹簧座和曲杆形成滑动连接，曲杆20下部侧面与滑动楔块17接触，顶簧19在滑动楔块17下部方与滑动楔块17接触，顶簧19安放在弹簧座23中，拉力弹簧18的一端与曲杆20下端连接，另一端与下支架1连接，推杆16一端通过推杆上部滚轮24与凸轮15接触，另一端与滑动楔块17接触，弹簧座23和下支撑架22安装在支架1上，曲杆20上的凹槽朝向第2活动轨道12.2。凸轮15固定在支铰轴4上。

在顶簧19的作用下，滑动楔块17向上运动，推动曲杆20的凹槽持住第2活动轨道12.2上的第2滑轮6.2。当摆振子3带动支铰轴4转动，支铰轴4转动使凸轮15向下挤压推杆上部滚轮24时，带动推杆16向下运动，推动滑动楔块17向下运动，此时，曲杆20与滑动楔块17间产生空隙，在拉力弹簧18的作用下，曲杆20的凹槽释放第2活动轨道12.2上的第2滚轮6.2；在摆振子3越过水平位置后，滑动楔块17上的推杆16恢复原位，滑动楔块17上移，推动曲杆20使曲杆20上部凹槽处于向下关闭状态。当摆振子3越过水平位置向下运动时，第2活动轨道12.2上的第2滑轮6.2进入活动变轨器13.2上部的凹槽，使其脱离第2活动轨道12.2的轨道；当摆振子3越过水平位置向上运动时，曲杆20上的凹槽向上作微小运动，释放第2滑轮6.2，使之进入第2活动轨道12.2的轨道，此时第2活动轨道12.2与其上部的第2弹簧拉力机构11.2的第2滑轮6.2接触。

参见图2，弹簧拉力机构11的一种结构，由滑轮6、轴销7、连接杆8、拉簧10和螺栓9组成，上下两个滑轮6分别通过轴销7分别与连接杆8连接，螺栓9固定在连接杆8上，拉簧10在两个连接杆8之间并与连接杆8连接。

参见图1，支架1是整个重力平衡器的支撑与连接件，支铰轴4和平衡装置2.1、2.2、2.3都安装在支架1上。

支铰轴4为一长轴，支铰轴4通过轴承安装在支架1上，支铰轴4上安装有摆振子3、活动轨道12和凸轮15，摆振子3、活动轨道12和凸轮15与支铰轴4之间用键5连接。

本发明活动轨道曲面形状图例一、二：

图5是活动轨道曲线图表一：一个平衡装置，固定轨道平面线，活动轨道曲面线。

图6.1和图6.2是活动轨道曲线图表二：二个平衡装置，固定轨道平面线，活动轨道曲面线。其中图6.1是活动轨道12的曲线，图6.2是第2活动轨道12.2的曲线。

图例一：一个平衡装置时，固定轨道为曲线面，活动轨道曲面形状如图表5所示。

图例二：二个平衡装置时，固定轨道为直线平面，活动轨道曲面形状如图表6.1和6.2所示。其中图6.1是活动轨道12的曲线，图6.2是第2活动轨道12.2的曲线。

        [0046]说明：表中坐标单位为mm，点号从左至右顺序排列。

本发明的原理在于：

1.   通过两个轨道，一个与摆振子刚性连接的活动轨道，一个与支架固定连接的固定轨道（其轨道形式可以是直线，也可以是曲线），用弹簧连接，利用力矩平衡原理设计其活动轨道曲线，使摆在绕支铰轴转动时，弹簧在轨道之间的伸长量产生的力对支铰轴提供的力矩与摆振子的重力对支铰轴产生的力矩平衡，从而使重力对摆振子的转动不产生影响。以此使摆振子处于“悬浮”状态，也消除为了使摆振子在低频共振所需弹簧较弱时产生很大的初始位移。

2.      轨道可以设计成一根连续的轨道。但为了放松对弹簧的要求，也可设计成多根轨道分段，通过变轨器，分段实现其功能。

本装置的使用方式例：按图1-4所示装置，在摆臂前端安装重物，将支架安放在船舱内。在重力平衡器作用下，摆振子一端由支铰支撑，另一端则“悬浮”在船舱内。在海浪作用下，船体上下震荡和前后摆动，由于惯性力的作用，“悬浮”在船舱内的水平摆将与船舱产生很大的相对位移，实现将海浪能量转换为机械能。在摆上设置弹簧构成振动系统，在共振时，实现最大吸能状态。例如：设计摆臂长10m，摆重10T，在浪高2m，周期为3s的海浪作用下，可实现2.8Mw以上的能量输出。

本发明的重力平衡器能消除重力对吸能系统的影响，为吸能系统形成共振状态和提供吸能效率提供了基础，它的推广运用，对提高吸能系统的工作效能，提高波力发电的发电效率有就积极的意义。

Claims (7)

1. 重力平衡器，包括支架、摆振子和弹性机构，其特征在于：还包括轨道，所述轨道是位于上方的固定轨道和位于下方的活动轨道，固定轨道固定在支架上不动，活动轨道通过支铰轴铰接在支架上，摆振子与活动轨道刚性连接，弹性机构跨连在上方的固定轨道和下方的活动轨道之间；

所述弹性机构的上端和下端与固定轨道和活动轨道为滑动或滚动连接；

固定轨道是水平直线或曲线；活动轨道是曲线，轨道的曲线保证固定道轨和活动轨道间弹簧拉力机构随摆振子的运动而运动，实现弹簧拉力机构的恢复力与摆振子的重力随时平衡，曲线形状通过力平衡方程或能量平衡方程或拓扑优化得到。

2.如权利要求1所述的重力平衡器，其特征在于：固定轨道和活动轨道、弹性机构构成一个平衡机构，多个平衡机构平行布置，每个活动轨道的曲线相同。

3.如权利要求1所述的重力平衡器，其特征在于：固定轨道和活动轨道、弹性机构和变轨器构成一个平衡装置，两个平衡装置反向安装，第一平衡装置中是固定变轨器，第二平衡装置中是活动变轨器，活动变轨器安装在固定变轨器的对面，摆振子刚性连接一个拨动活 动变轨器的拨动件。

4.如权利要求1所述的重力平衡器，其特征在于：弹性机构至少包括与上端固定轨道连接的上端连接件，与下端活动轨道连接的下端连接件，和上端、下端连接件之间的弹性体。

5.如权利要求1所述的重力平衡器，其特征在于：所述的弹性机构是弹簧拉力机构，弹簧拉力机构由滑轮、轴销、连接杆、拉簧和螺栓组成，两个滑轮通过轴销分别与连接杆连接，螺栓固定在连接杆上，拉簧在两个连接杆之间并与连接杆连接。

6.如权利要求3所述的重力平衡器，其特征在于：所述的固定变轨器是个固定在支架上的卡口件，活动变轨器是个能转动的卡口件，配以复位弹簧和拨动件。

7.如权利要求6所述的重力平衡器，其特征在于：所述的活动变轨器由顶簧、拉力弹簧、滑动楔块、推杆、推杆上部滚轮、销轴、曲杆、下支撑架和弹簧座组成，曲杆上端开有凹槽，曲杆通过销轴与下支撑架铰接，滑动楔块安装在弹簧座上端与曲杆下端形成的楔形空隙中，并与弹簧座和曲杆形成滑动连接，曲杆下部侧面与滑动楔块接触，顶簧在滑动楔块下部方与滑动楔块接触，顶簧安放在弹簧座中，拉力弹簧的一端与曲杆下端连接，另一端与下支架连接，推杆一端通过滚轮与凸轮接触，另一端与滑动楔块接触，弹簧座和下支撑架安装在支架上，曲杆上的凹槽朝向活动轨道。

Images