CN113071645B - 一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，具体涉及船舶与海洋工程的技术领域。一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，包括壳体，壳体上连接有第一齿条，壳体内连接有第一桅杆和第一液压杆，第一桅杆连接有第一转动齿轮；第一桅杆内设有第二液压杆和第二桅杆，第二桅杆连接有第一转动轴，第二桅杆连接有第二转动轴，第一桅杆连接有第三转动轴，第一转轴、第二转动轴和第三转动轴均包覆有收纳盒，收纳盒连接有第四转动轴，第四转动轴缠绕有帆布，第四转动轴上设有电机，第二桅杆设有用驱动机构。采用本发明技术方案解决了现有的柴油机船舶会造成大气污染和大量的能源消耗的问题，可用于降低船舶的能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程的技术领域，特别涉及一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆。
背景技术
我国作为航运大国，随着能源的日益枯竭，我们不得不拓展可再生能源等在船舶上的应用。同时，随着人们环境保护意识、大气污染防治意识的提高，如何在减少能源消耗的同时控制温室气体、有害气体的排放，同样受到人们关注。绿色船舶成为我们船舶领域所要研究的重要课题之一。而风帆助航正是绿色船舶课题中一种较为合理的应对措施。
据IMO国际海事组织统计表明：全球以柴油机为动力的船舶每年向大气中排放约1000万吨的NOX和850万吨SOX，2008年国际航运排放温室气体（包括CO2、CH4和N2O等）9.4亿吨。航运业在消耗大量不可再生燃油的同时向大气中排放温室气体、有害气体，加重了大气污染与温室效应，若能将可再生能源如：风能利用于船舶，可减缓航运业对于能源的消耗和温室气体的排放。
发明内容
本发明意在提供一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，解决了现有的柴油机船舶会造成大气污染和大量的能源消耗的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，包括一侧设有开口的壳体，所述壳体的两侧壁上对称滑动连接有第一齿条，所述壳体内转动连接有内部中空的第一桅杆和与第一桅杆转动连接的第一液压杆，所述第一桅杆的两侧均转动连接有与第一齿条相啮合的第一转动齿轮，每个所述第一转动齿轮均转动连接在壳体上；所述第一桅杆内设有分隔板，所述分隔板一侧的第一桅杆内设有第二液压杆和与第二液压杆连接的第二桅杆，所述第二桅杆与第一桅杆的内壁滑动连接，所述第二桅杆的上侧对称转动连接有第一转动轴，所述第二桅杆的下侧转动连接有第二转动轴，所述分隔板另一侧的第一桅杆内转动连接有第三转动轴，两个所述第一转轴、第二转动轴和第三转动轴上均包覆有收纳盒，相邻的所述收纳盒上相对的一侧均转动连接有第四转动轴，位于上侧相对的三个所述第四转动轴之间、以及位于下侧相对的两个第四转动轴之间均共同缠绕有帆布，最上侧的两个和最下侧的一个所述第四转动轴上均设有电机，靠近最下侧所述收纳盒的第四转动轴与对应的收纳槽之间设有扭簧，所述第二转动轴上的两个收纳盒位于两个第一转动轴上收纳盒之间的中心线上；所述第二桅杆上还设有用于驱动第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴转动的驱动机构。
进一步的，所述驱动机构包括嵌设在第一桅杆内左侧壁上的第二齿条和穿射在第二桅杆上的提升块，所述第二齿条位于第一桅杆左侧壁的中上部，所述提升块转动连接在第二桅杆上且与分隔板与垂直设置，所述第二桅杆内转动连接有第五转动轴，所述第五转动轴上包覆有与第二齿条相啮合的第二转动齿轮和位于第二转动齿轮一侧的两个第三转动齿轮，两个所述第三转动齿轮分别位于两个第一转动轴下方，所述第二转动轴上包覆有与第二转动齿轮相啮合的第四转动齿轮，每个所述第一转动轴上均包覆有从动齿轮，每个所述从动齿轮均与对应的第三转动齿轮之间连接有齿链条所述分隔板上开有供提升块移动的通槽，所述分隔板上还滑动连接有第三齿条，所述第三齿条上开有与提升块滑动连接的卡槽，所述第三齿条与第一桅杆的顶部连接有弹簧，所述第三转动轴上包覆有与第三齿条相啮合的第五转动齿轮。
通过上述设置，在第二液压杆推动第二桅杆升降时，可借助第二齿条、提升块、第二转动齿轮、第三转动齿轮、第四转动齿轮、第五转动齿轮和第三齿条来实现三个收纳槽的展开与回收，从而可减小本方案所占用的空间，可提高船舶的夹板的利用率。
进一步的，两个所述第一转动轴之间设有角度调节机构，所述角度调节机构用于调节两个第一转动轴之间的水平夹角。
进一步的，所述角度调节机构包括四个第一滚球和气缸，四个所述第一滚球分别设置在两个第一转动轴的两端，两个所述第一转动轴上相对远离一端的第一滚球均与第二桅杆内壁滚动连接，位于中间的两个所述第一滚球之间共同滚动连接有第二滚球，所述气缸设置在第二桅杆内，所述气缸的活塞杆与第二滚球连接。
通过上述设置，利用气缸、第二滚球和第一滚球来实现两个第一转动轴相邻的一端相互靠近或远离，从而实现两个第一转动轴之间水平夹角的调节，从而可配合海面上风的不同情况，提高了本方案的实用性。
进一步的，每个所述帆布的左右两侧均穿设有引导绳。
通过上述设置，利用引导绳可实现风帆的拉紧，便于风帆对风力的应用，提高了能量的转化效果。
进一步的，所述帆布均采用碳纤维布。
通过上述设置，可使本方案中的帆布制成硬质帆，使得本风帆处于逆风情况下，同样可以为船舶提供推进力，更加充分的使用风能。
与现有技术相比，本方案的有益效果：
1、本方案通过上下两侧帆布来模拟蝙蝠翅膀对风能的利用，提高了风能的利用效果。
2、本方案可利用不同的风速和风向，同时在遭遇恶劣海况、极端风浪情况时，可将桅杆降低高度，以提高船舶稳性和抗风浪能力。
附图说明
图1是本发明一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆完全展开状态下的结构示意图；
图2是本实施例中第二桅杆的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：壳体1、第一齿条2、第一桅杆3、第一液压杆4、支架5、分隔板6、第二液压杆7、第二桅杆8、第一转动轴9、第一滚球10、气缸11、第二滚球12、第二转动轴13、第三转动轴14、收纳盒15、帆布16、扭簧17、第二齿条18、提升块19、第五转动轴20、第二转动齿轮21、第四转动齿轮22、从动齿轮23、齿链条24、第三齿条25、弹簧26、第五转动齿轮27、第四转动轴28。
实施例
如附图1和图2所示：一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，包括右侧设有开口的壳体1，壳体1的前后两侧壁上均对称开设有滑槽，每个滑槽内均滑动连接有第一齿条2。壳体1内转动连接有内部中空的第一桅杆3和与第一桅杆3转动连接的第一液压杆4，第一桅杆3位于壳体1的右侧，第一桅杆3的前后两侧均转动连接有与对应的第一齿条2相啮合的第一转动齿轮，每个第一转动齿轮上均穿设有转动连接在壳体1上的转轴。第一液压杆4左侧的活塞杆上穿设有销轴，销轴的前后两端均转动连接在壳体1内；第一液压杆4的右侧穿设有与左侧相同的销轴，销轴的前后两端转动连接有焊接在第一桅杆3左侧的支架5，支架5采用“凹”字形。
第一桅杆3内部的中心焊接有分隔板6，分隔板6左侧的第一桅杆3底部螺栓连接有第二液压杆7和与第二液压杆7的活塞杆连接的第二桅杆8。第二桅杆8与第一桅杆3的内壁滑动连接，第二桅杆8的上侧对称设有第一转动轴9，两个第一转动轴9之间设有角度调节机构，角度调节机构包括四个第一滚球10和气缸11，四个第一滚球10分别设置在两个第一转动轴9的前后两端，两个第一转动轴9上相对远离一端的第一滚球10均与第二桅杆8内壁滚动连接，第二桅杆8的前后两侧壁均开有球形的凹槽，第一滚球10嵌设在凹槽内，位于中间的两个第一滚球10之间共同滚动连接有第二滚球12，第二滚球12的直径至少是第一滚球10直径的1.5倍，第二滚球12上开有与第二桅杆8上相同的凹槽，该处的第一滚球10同样嵌设在对应的凹槽内。气缸11螺栓连接在第二桅杆8的左侧壁上，气缸11的活塞杆与第二滚球12连接。
第二桅杆8的下侧转动连接有第二转动轴13，第二转动轴13位于第一转动轴9的正下方，分隔板6右侧的第一桅杆3内转动连接有第三转动轴14，两个第一转轴、第二转动轴13和第三转动轴14上均包覆有收纳盒15，相邻的收纳盒15上相对的一侧均转动连接有第四转动轴28，位于上侧相对的三个第四转动轴28之间、以及位于下侧相对的两个第四转动轴28之间均共同缠绕有帆布16，帆布16均采用碳纤维布，从而可使帆布16形成硬质帆，便于提高帆布16对风能的利用率；每个帆布16的左右两侧均穿设有引导绳，利用引导绳的张紧力可使帆布16将风兜住，从而提高风能的转化率；位于上侧帆布16内的引导绳长度不小于展开状态下两倍的第一转动轴9与第二转动轴13之间的间距，位于下侧帆布16内的引导绳长度不小于展开状态下第二转动轴13与第三转动轴14之间的间距。最上侧的两个和最下侧的一个第四转动轴28上均同轴连接有电机，每个电机均螺栓连接在对应的收纳槽内，靠近最下侧收纳盒15的第四转动轴28与收纳槽之间连接有扭簧17，第二转动轴13上的收纳盒15位于两个第一转动轴9上收纳盒15之间的中心线上。
第二桅杆8上还设有用于驱动第一转动轴9、第二转动轴13和第三转动轴14转动的驱动机构。驱动机构包括嵌设在第一桅杆3内左侧壁上的第二齿条18和穿射在第二桅杆8上的提升块19，第二齿条18位于第一桅杆3的中上侧且第二齿条18的顶部超出第二桅杆8，提升块19穿射在第二桅杆8的右侧壁上，提升块19转动连接在第二桅杆8上且与分隔板6垂直设置。第二桅杆8内还转动连接有第五转动轴20，第五转动轴20上包覆有与第二齿条18相啮合的第二转动齿轮21和两个位于第二转动齿轮21后侧的第三转动齿轮，第二转动齿轮21均穿过第二桅杆8左侧壁，两个第三转动齿轮分别位于两个第一转动轴9的下方。第二转动轴13上包覆有与第二转动齿轮21相啮合的第四转动齿轮22。每个第一转动轴9上均包覆有从动齿轮23，每个从动齿轮23均与对应的第三转动齿轮之间连接有齿链条24，分隔板6上开有供提升块19移动的通槽，通槽还滑动连接有与提升块19啮合的第三齿条25，第三齿条25与第一桅杆3的顶部连接有弹簧26，第三转动轴14上包覆有与第三齿条25相啮合的第五转动齿轮27，第五转动齿轮27位于第二齿轮的运动轨迹上，第五转动齿轮27位于收纳槽外。
本方案的工作过程：在本方案中，第三齿条25在工作过程中始终与第五转动齿轮27相啮合。本方案处于常规状态时，第一桅杆3位于壳体1内，而第一液压杆4处于收缩状态，同时第二桅杆8的大部分位于第一桅杆3内，此时本方案的桅杆风帆全部收缩在壳体1了，从而减小了本方案的空间占用率，增强了船舶抵抗风浪的能力。此时位于上侧的帆布16缠绕在位于后侧第一转动轴9处的收纳盒15内，而位于下侧的帆布16缠绕在位于第三转动轴14处的收纳盒15内，同时扭簧17处于扭转状态。
当需要利用风能为船舶提供动力时，首先开启第一液压杆4，第一液压杆4的活塞杆伸展后借助销轴和第一齿条2来转动第一桅杆3，当第一桅杆3与壳体1处于相互垂直时停止第一液压杆4的伸展。然后启动第二液压杆7，第二液压杆7的活塞杆带动第二桅杆8向上移动，当第五转动轴20移动至第二齿条18处时，第二齿条18带动第二转动齿轮21转动，第二转动齿轮21转动后带动第四转动齿轮22转动，从而利用第四转动齿轮22带动第二转动轴13转动，此时第二转动轴13带动其上的收纳盒15向外展开；在第五转动轴20转动时，两个第三转动齿轮还分别通过齿链条24带动对应第一转动轴9上的第一转动齿轮转动，从而利用第一转动齿轮带动第一转动轴9和其上的收纳盒15转动，实现了同时展开第一转动轴9和第二转动轴13上的收纳盒15。
当第二桅杆8上的提升块19滑动至卡槽的顶部后带动第三齿条25向上移动，此时弹簧26被压缩升，而第三齿条25带动第五转动齿轮27转动，第五转动齿轮27转动后带动第三转动轴14处的收纳盒15展开。在两个第一转动轴9、第二转动轴13和第三转动轴14完全展开后开启对应处的电机，位于最上侧的两个电机在展开反向转动位于前侧的电机、正向转动位于后侧的电机，此时上侧的帆布16由位于后侧的第四转动轴28上展开，经过位于第二转动轴13处的第四转动轴28后缠绕在位于前侧的第一转动轴9处的第四转动轴28上。收卷时两个电机的转动方向反转即可。位于最下侧的电机开启后电机带动帆布16展开，而扭簧17处的第四转动轴28在扭簧17的作用下开始缠绕帆布16。
当海面上的风速和风向发生变化时，还可以利用气缸11活塞杆的伸缩来带动第二滚球12前后移动，从而利用第二滚球12推动两个第一滚球10移动，最终实现两个第一转动轴9水平夹角的调节，以提高上侧帆布16对风能的利用率。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，其特征在于：包括一侧设有开口的壳体，所述壳体的两侧壁上对称滑动连接有第一齿条，所述壳体内转动连接有内部中空的第一桅杆和与第一桅杆转动连接的第一液压杆，所述第一桅杆的两侧均转动连接有与第一齿条相啮合的第一转动齿轮，每个所述第一转动齿轮均转动连接在壳体上；所述第一桅杆内设有分隔板，所述分隔板一侧的第一桅杆内设有第二液压杆和与第二液压杆连接的第二桅杆，所述第二桅杆与第一桅杆的内壁滑动连接，所述第二桅杆的上侧对称转动连接有第一转动轴，所述第二桅杆的下侧转动连接有第二转动轴，所述分隔板另一侧的第一桅杆内转动连接有第三转动轴，两个所述第一转动 轴、第二转动轴和第三转动轴上均包覆有收纳盒，相邻的所述收纳盒上相对的一侧均转动连接有第四转动轴，位于上侧相对的三个所述第四转动轴之间、以及位于下侧相对的两个第四转动轴之间均共同缠绕有帆布，最上侧的两个和最下侧的一个所述第四转动轴上均设有电机，靠近最下侧所述收纳盒的第四转动轴与对应的收纳槽之间设有扭簧，所述第二转动轴上的两个收纳盒位于两个第一转动轴上收纳盒之间的中心线上；所述第二桅杆上还设有用于驱动第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴转动的驱动机构。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，其特征在于：所述驱动机构包括嵌设在第一桅杆内左侧壁上的第二齿条和穿射在第二桅杆上的提升块，所述第二齿条位于第一桅杆左侧壁的中上部，所述提升块转动连接在第二桅杆上且与分隔板与垂直设置，所述第二桅杆内转动连接有第五转动轴，所述第五转动轴上包覆有与第二齿条相啮合的第二转动齿轮和位于第二转动齿轮一侧的两个第三转动齿轮，两个所述第三转动齿轮分别位于两个第一转动轴下方，所述第二转动轴上包覆有与第二转动齿轮相啮合的第四转动齿轮，每个所述第一转动轴上均包覆有从动齿轮，每个所述从动齿轮均与对应的第三转动齿轮之间连接有齿链条，所述分隔板上开有供提升块移动的通槽，所述分隔板上还滑动连接有第三齿条，所述第三齿条上开有与提升块滑动连接的卡槽，所述第三齿条与第一桅杆的顶部连接有弹簧，所述第三转动轴上包覆有与第三齿条相啮合的第五转动齿轮。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，其特征在于：两个所述第一转动轴之间设有角度调节机构，所述角度调节机构用于调节两个第一转动轴之间的水平夹角。
4.根据权利要求3所述的一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，其特征在于：所述角度调节机构包括四个第一滚球和气缸，四个所述第一滚球分别设置在两个第一转动轴的两端，两个所述第一转动轴上相对远离一端的第一滚球均与第二桅杆内壁滚动连接，位于中间的两个所述第一滚球之间共同滚动连接有第二滚球，所述气缸设置在第二桅杆内，所述气缸的活塞杆与第二滚球连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，其特征在于：每个所述帆布的左右两侧均穿设有引导绳。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于仿生蝙蝠理念的可伸缩桅杆风帆，其特征在于：所述帆布均采用碳纤维布。
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