CN113982809A - 一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置及其控制方法 - Google Patents

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CN113982809A CN202111292514.5A CN202111292514A CN113982809A CN 113982809 A CN113982809 A CN 113982809A CN 202111292514 A CN202111292514 A CN 202111292514A CN 113982809 A CN113982809 A CN 113982809A
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Abstract

本发明公开了一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置及其控制方法，该实验装置包括水轮机、横摇装置、纵摇装置，横摇装置包括横摇固定板、横摇丝杆滑台、横摇驱动装置；水轮机与横摇固定板和横摇丝杆滑台铰接，横摇驱动装置驱动横摇丝杆滑块移动从而带动水轮机左右摇动；纵摇装置包括纵摇固定板、纵摇驱动装置；横摇固定板和纵摇固定板通过轴承座铰接，纵摇驱动装置带动横摇固定板转动从而带动水轮机前后摇动。采用机械装置控制模拟实验，可以更精确完整的模拟波浪、紊流等高频干扰，采用不同驱动机构分别模拟横/纵摇运动，有利于实现驱动力的最优分配。该实验装置空间利用率高，整体结构紧凑。

Description

一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及水轮机运动模拟实验装置，具体是涉及一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置及其控制方法。
背景技术
潮流能作为海洋能之一，近几年受到国内外的强烈关注。沿海具有丰富的潮流能资源，包括潮流能在内的海洋能在未来的一段时间里将陆续被开发和利用，对弥补能源短缺，缓解环境污染起到重要作用。水轮机作为把潮流能转换为电能的重要装置，其安全的工作显得至关重要。水轮机的性能在海域中会因紊流干扰而受到影响，为了确保水轮机安全稳定的工作，需要了解水轮机在受到干扰时的状态。
目前，为了解水轮机受到干扰时状态情况的常用手段为利用实验平台进行模拟实验，让水轮机处于和实际工作海域中类似的运动状态，利用传感器实时测量水轮机的受力情况，通过对实验得到的数据进行对比分析﹐研究水轮机在海域中水流干扰下的受力规律，得到的规律一方面可以用于对水轮机关键零部件的设计校核，评估零部件的可靠性；另一方面可以研究水轮机在不同的运动情况下的受力状况，载体对水轮机的受力影响在哪个自由度下最大，并以此来改进浮式载体的结构，使水轮机工作状况得到改善，同时增加水轮机捕获潮流能的功率。
现有技术中，如中国专利申请CN107762709A公开了一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，该专利申请中的实验平台可以实现对水轮机水动力性能关键参数进行测量，但其并不能实际模拟水轮机在受潮流能驱动过程中的波浪、紊流等干扰。又如中国专利申请CN112161777A公开了一种模拟水轮机运动变化的实验装置，该专利申请利用电机的旋转模拟水轮机的前后摇摆运动，控制水轮机摇摆频率、摇摆振幅，但是此实验装置只能实现水轮机的前后摇摆运动，但水轮机实际在洋流中也会受到左右洋流的干扰，因此该实验装置并不能完整的模拟出水轮机在洋流中的运动。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种能精确完整模拟波浪、紊流等高频干扰的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置。
本发明还提供一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置的控制方法。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，包括水轮机、横摇装置、纵摇装置，所述水轮机设置于横摇装置下端，横摇装置带动水轮机左右摇动，所述纵摇装置带动横摇装置摇动，水轮机随横摇装置的摇动而进行前后摇动；所述横摇装置包括横摇固定板、横摇丝杆滑台、横摇丝杆；所述横摇丝杆设置于横摇固定板上，且横摇丝杆延伸方向垂直于水轮机轴线延伸方向，横摇丝杆转动带动横摇丝杆滑台沿横摇丝杆延伸方向移动，所述水轮机与横摇固定板铰接，且水轮机与横摇丝杆滑台铰接，横摇丝杆滑台移动从而带动水轮机左右摇动；所述纵摇装置包括纵摇固定板、纵摇驱动装置；所述纵摇固定板位于横摇固定板上方，纵摇固定板固定设置有第八轴承座，所述第八轴承座固定连接有纵摇旋转杆，纵摇旋转杆延伸方向平行于横摇丝杆延伸方向，所述横摇固定板固定设置有第六轴承座，横摇固定板通过第六轴承座与纵摇旋转杆铰接，所述纵摇驱动装置带动横摇固定板围绕纵摇旋转杆摇动，从而实现横摇固定板相对纵摇固定板摇动；所述水轮机随横摇固定板的摇动而进行前后摇动。
进一步的，所述纵摇驱动装置包括纵摇伸缩杆，所述纵摇伸缩杆一端铰接横摇固定板，另一端铰接纵摇固定板，纵摇伸缩杆伸缩带动横摇固定板相对纵摇固定板转动从而带动水轮机前后摇动。
进一步的，所述横摇装置还包括横摇储能装置，所述横摇储能装置包括横摇第一旋转杆、横摇第二旋转杆、横摇扭簧，所述横摇第一旋转杆通过轴承设置于所述横摇固定板上，横摇第一旋转杆延伸方向平行于横摇固定板所在平面，且横摇第一旋转杆延伸方向垂直于横摇丝杆延伸方向，横摇第一旋转杆一端通过横摇第二旋转杆与水轮机固定连接，横摇扭簧套设于横摇第一旋转杆上，横摇扭簧一端与横摇第一旋转杆固定连接，另一端与横摇固定板固定连接。
进一步的，所述横摇储能装置还包括横摇角度调节装置，所述横摇角度调节装置包括横摇角度调节电机、横摇蜗轮蜗杆减速器、横摇主动齿轮、横摇从动齿轮，所述横摇角度调节电机固定设置于横摇固定板上，横摇角度调节电机输出轴与横摇蜗轮蜗杆减速器连接，横摇蜗轮蜗杆减速器输出轴与横摇主动齿轮中心连接，且横摇蜗轮蜗杆减速器输出轴延伸方向与横摇主动齿轮中心轴线延伸方向重合，横摇主动齿轮与横摇从动齿轮啮合，横摇从动齿轮套设在横摇第一旋转杆上，且相对横摇第一旋转杆转动，所述横摇从动齿轮与横摇扭簧一端固定连接，横摇扭簧一端与横摇第一旋转杆固定连接，另一端通过与横摇从动齿轮固定连接而与横摇固定板固定连接。
进一步的，所述横摇储能装置包括横摇储能切换装置，所述横摇储能切换装置包括若干横摇电磁铁伸缩杆、若干横摇活动转动板，所述横摇活动转动板套设在横摇第一旋转杆上，且相对横摇第一旋转杆转动，所述横摇第一旋转杆固定连接有横摇固定转动板，所述横摇扭簧一端通过与横摇固定转动板固定连接而与横摇第一旋转杆固定连接，横摇扭簧包括若干横摇扭簧单元，所述横摇扭簧单元通过横摇活动转动板依次固定连接，所述横摇活动转动板设置通孔，两个相邻横摇活动转动板之间固定设置横摇电磁铁伸缩杆，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，横摇电磁铁伸缩杆输出端与横摇活动转动板的通孔连接，所述横摇活动转动板与横摇从动齿轮之间固定设置横摇电磁铁伸缩杆，横摇从动齿轮设置通孔，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，横摇电磁铁伸缩杆输出端与横摇从动齿轮的通孔连接，所述横摇活动转动板与横摇固定转动板之间固定设置横摇电磁铁伸缩杆，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，横摇电磁铁伸缩杆输出端与横摇活动转动板的通孔连接。
进一步的，所述纵摇装置还包括纵摇储能装置，所述纵摇储能装置包括纵摇旋转杆、纵摇扭簧，所述纵摇旋转杆为横摇固定板和纵摇固定板铰接的连接轴，纵摇旋转杆与纵摇固定板固定连接，横摇固定板围绕纵摇旋转杆相对纵摇固定板旋转，纵摇扭簧套设于纵摇旋转杆上，纵摇扭簧一端与纵摇旋转杆固定连接，另一端与横摇固定板固定连接。
进一步的，所述纵摇储能装置还包括纵摇角度调节装置，所述纵摇角度调节装置包括纵摇角度调节电机、纵摇蜗轮蜗杆减速器、纵摇主动齿轮、纵摇从动齿轮，所述纵摇角度调节电机固定设置于横摇固定板上，纵摇角度调节电机输出轴与纵摇蜗轮蜗杆减速器连接，纵摇蜗轮蜗杆减速器输出轴与纵摇主动齿轮中心连接，且横摇蜗轮蜗杆减速器纵摇输出轴延伸方向与纵摇主动齿轮中心轴线延伸方向重合，纵摇主动齿轮与纵摇从动齿轮啮合，纵摇从动齿轮套设在纵摇旋转杆上，且相对纵摇旋转杆转动，所述纵摇从动齿轮与纵摇扭簧一端固定连接，纵摇扭簧一端与纵摇旋转杆固定连接，另一端通过与纵摇从动齿轮固定连接而与横摇固定板固定连接。
进一步的，所述纵摇储能装置包括纵摇储能切换装置，所述纵摇储能切换装置包括若干纵摇电磁铁伸缩杆、若干纵摇活动转动板，所述纵摇活动转动板套设在纵摇旋转杆上，且相对纵摇旋转杆转动，所述纵摇旋转杆固定连接有纵摇固定转动板，所述纵摇扭簧一端通过与纵摇固定转动板固定连接而与纵摇旋转杆固定连接，纵摇扭簧包括若干纵摇扭簧单元，所述纵摇扭簧单元通过纵摇活动转动板依次固定连接，所述纵摇活动转动板设置通孔，两个相邻纵摇活动转动板之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，纵摇电磁铁伸缩杆输出端与纵摇活动转动板的通孔连接，所述纵摇活动转动板与纵摇从动齿轮之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆，纵摇从动齿轮设置通孔，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，纵摇电磁铁伸缩杆输出端与纵摇从动齿轮的通孔连接，所述纵摇活动转动板与纵摇固定转动板之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，纵摇电磁铁伸缩杆输出端与纵摇活动转动板的通孔连接。
本发明还采用一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置的控制方法，包括以下步骤：
S1：根据实验需求确定水轮机横摇摆动角度θ1，从而确定横摇丝杆电机的转速
Figure BDA0003335374130000041
S2：确定横摇储能装置总的扭簧扭矩k1；
S3：选择部分或全部横摇电磁铁伸缩杆进行通电，使横摇储能装置扭簧扭矩为k1；
S4：根据实验需求确定水轮机纵摇摆动角度θ2，从而确定纵摇伸缩杆运动速度
Figure BDA0003335374130000042
S5：确定纵摇储能装置总的扭簧扭矩k2；
S6：选择部分或全部纵摇电磁铁伸缩杆进行通电，使纵摇储能装置扭簧扭矩为k2；
S7：水轮机横摇/纵摇模拟实验装置实验时进行匀速直线运动，根据实验需求确定等效叠加角速度B；
S8：根据角速度B确定纵摇角度调节电机给定水轮机初始角度D；
S9：将水轮机运动模拟实验装置以横摇丝杆的转速
Figure BDA0003335374130000043
纵摇伸缩杆运动速度
Figure BDA0003335374130000044
匀速直线运动等效叠加角速度B为实验条件进行水轮机的横摇和纵摇实验。
进一步的，所述步骤S3中扭簧串联公式：
Figure BDA0003335374130000045
其中c1、c2、c3、c4......cn∈{0，1}，ki'为横摇扭簧单元的扭簧扭矩 i＝1、2、3…n，n为横摇储能装置中横摇扭簧单元总个数，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，对应的c＝1；当横摇电磁铁伸缩杆断开时，对应的c＝0。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用横摇装置和纵摇装置控制模拟实验，可以更精确完整的模拟波浪、紊流等高频干扰，采用丝杠机构和推杆机构的不同驱动机构分别模拟横摇、纵摇运动，有利于实现驱动力的最优分配，更好的模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等干扰。该实验装置空间利用率高，整体结构紧凑。在横摇/纵摇转轴上设置扭簧作为储能元件，可以有效的降低横摇/纵摇过程中的最大驱动力。
附图说明
图1所示为本发明实验装置整体结构示意图；
图2所示为本发明实验装置的左视图；
图3所示为本发明中横摇装置的剖视图；
图4所示为图3中局放大视图Ⅰ；
图5所示为图3中局放大视图Ⅱ；
图6所示为图3中局放大视图Ⅲ；
图7所示为本发明中横摇装置的仰视图；
图8所示为本发明中纵摇装置的结构示意图；
图9所示为图8中C-C的剖视图；
图10所示为本发明中横摇装置的运动简图；
图11所示为本发明中纵摇装置的运动简图；
图12为本发明中横摇装置不带横摇储能装置的机构运动简图；
图13为本发明中横摇装置带横摇储能装置的机构运动简图；
图14为本发明中纵摇装置不带纵摇储能装置的机构运动简图；
图15为本发明中纵摇装置带纵摇储能装置的机构运动简图；
图16为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例中的一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，包括水轮机1、横摇装置2、纵摇装置3；水轮机1的第一舱体4和第二舱体5上均加工有凸台，第一舱体4和第二舱体5的凸台均连接横摇第二旋转杆6，横摇第二旋转杆6一端与水轮机1固定连接，另一端与横摇第一旋转杆8固定连接，两个横摇第一旋转杆8分别位于横摇丝杆36两侧，横摇丝杆36两侧的横摇储能装置外侧设置挡流罩10，利用挡流罩10防水。十字花型横摇固定板可以合理的节省空间，使得整体实验平台的空间利用率大大提高，使得整体结构更加紧凑。
如图4所示，两根横摇第二旋转杆6之间固定连接第一连接杆15，第一连接杆15两端分别通过第一连接固定板13和第二连接固定板14与横摇第二旋转杆6固定连接，第一连接固定板13和第二连接固定板14均通过螺栓与第一连接杆15连接，第一连接杆15延伸方向平行于水轮机1机身中轴线，即平行于水轮机1前进方向。第一连接杆15穿过横摇第三旋转杆18一端，第一连接杆15中间加工有轴肩，用于固定第一连接杆轴承19和第二连接杆轴承20，第一连接杆轴承19通过第一限位板16进行限位，第二连接杆轴承20通过第二限位板17进行限位，第一连接杆轴承19和第二连接杆轴承20用于连接第一连接杆15和横摇第三旋转杆18，横摇第三旋转杆18相对于第一连接杆15转动。
如图5所示，第二连接杆21穿过横摇第三旋转杆18另一端，第二连接杆 21延伸方向平行于第一连接杆15延伸方向，第二连接杆21中间加工有轴肩，用于固定第三连接杆轴承22和第四连接杆轴承23，第三连接杆轴承22左侧通过第一套筒24进行限位，第四连接杆轴承23右侧通过第二套筒25进行限位，第三连接杆轴承22和第四连接杆轴承23用于连接第二连接杆21和横摇第三旋转杆18，横摇第三旋转杆18相对于第二连接杆21转动。第二连接杆21两端分别通过第一轴承座轴承27、第二轴承座轴承28与第一轴承座29、第二轴承座 30连接，第二连接杆21相对于第一轴承座29和第二轴承座30转动，第一套筒 24位于第一轴承座轴承27和第三连接杆轴承22之间，第一轴承座轴承27利用第一套筒24作为轴肩，第二套筒25位于第二轴承座轴承28和第四连接杆轴承 23之间，第二轴承座轴承28利用第二套筒25作为轴肩，第一轴承座轴承27左侧通过第三连接固定板31进行限位，第二轴承座轴承28右侧通过第四连接固定板32进行限位，第三连接固定板31和第四连接固定板32通过螺栓分别固定于第二连接杆21两端。第一轴承座29和第二轴承座30固定于横摇丝杆滑台33 上。横摇装置利用滚珠丝杠机构的滑块移动，带动横摇第三旋转杆摆动，从而带动两根横摇第二旋转杆来回的摆动，使得横摇装置结构更加稳定、运动更加安全。
如图6所示，本实施例以位于横摇丝杆36左侧的横摇储能装置为例，横摇第一旋转杆8通过第三轴承座轴承68、第四轴承座轴承45分别与第三轴承座67、第四轴承座44连接，横摇第一旋转杆8相对于第三轴承座67和第四轴承座44 转动，第三轴承座67和第四轴承座44固定于横摇固定板12上，横摇第一旋转杆8上加工有凹槽，放置卡簧Ⅰ46，卡簧Ⅰ46作为第四轴承座轴承45的左轴肩，第四轴承座轴承45右侧设置横摇固定转动板48，横摇固定转动板48与横摇第一旋转杆8通过螺栓47固定连接，且螺栓47作为第四轴承座轴承45的右轴肩，卡簧Ⅷ66也放置在横摇第一旋转杆8的相应凹槽内，卡簧Ⅷ66作为第三轴承座轴承68的右轴肩，第五固定连接板69利用螺栓固定于横摇第一旋转杆8端部，且作为第三轴承座轴承68的左轴肩。
在本实施例中，横摇储能装置包括三个横摇电磁铁伸缩杆，两个横摇活动转动板，第三轴承座轴承68右侧设置有横摇从动齿轮43，横摇从动齿轮43套设在横摇第一旋转杆8上，横摇从动齿轮43通过第一横摇储能轴承63与横摇第一旋转杆8连接，横摇从动齿轮43相对横摇第一旋转杆8转动，横摇从动齿轮43 里侧加工有凹槽放置卡簧Ⅵ64，卡簧Ⅶ65放置在横摇第一旋转杆8对应的凹槽内，卡簧Ⅵ64与卡簧Ⅶ65形成内外轴肩固定第一横摇储能轴承63，横摇从动齿轮43右侧设置第一横摇活动转动板56，第一横摇活动转动板56套设在横摇第一旋转杆8上，第一横摇活动转动板56通过第二横摇储能轴承59与横摇第一旋转杆8连接，第一横摇活动转动板56相对横摇第一旋转杆8转动，第一横摇活动转动板56里侧加工有凹槽放置卡簧Ⅳ58，卡簧Ⅴ57放置在横摇第一旋转杆8 对应的凹槽内，卡簧Ⅳ58与卡簧Ⅴ57形成内外轴肩固定第二横摇储能轴承59，第一横摇扭簧单元62一端与横摇从动齿轮43固定连接，另一端与第一横摇活动转动板56固定连接，第一横摇活动转动板56左侧固定连接第一横摇电磁铁伸缩杆61，横摇从动齿轮43设置有通孔，第一横摇电磁铁伸缩杆61通电后与横摇从动齿轮43的通孔连接，当第一横摇电磁铁伸缩杆61通电时，横摇从动齿轮 43与第一横摇活动转动板56不发生相对转动，第一横摇扭簧单元62不起作用。
第一横摇活动转动板56右侧设置第二横摇活动转动板51，第二横摇活动转动板51套设在横摇第一旋转杆8上，第二横摇活动转动板51通过第三横摇储能轴承53与横摇第一旋转杆8连接，第二横摇活动转动板51相对横摇第一旋转杆 8转动，第二横摇活动转动板51里侧加工有凹槽放置卡簧Ⅱ52，卡簧Ⅲ54放置在横摇第一旋转杆8对应的凹槽内，卡簧Ⅱ52与卡簧Ⅲ54形成内外轴肩固定第三横摇储能轴承53，第二横摇扭簧单元60一端与第一横摇活动转动板56固定连接，另一端与第二横摇活动转动板51固定连接，第二横摇活动转动板51左侧固定连接第二横摇电磁铁伸缩杆55，第一横摇活动转动板56设置有通孔，第二横摇电磁铁伸缩杆55通电后与第一横摇活动转动板56的通孔连接，当第二横摇电磁铁伸缩杆55通电时，第一横摇活动转动板56与第二横摇活动转动板51不发生相对转动，第二横摇扭簧单元60不起作用。
第三横摇扭簧单元49一端与第二横摇活动转动板51固定连接，另一端与横摇固定转动板48固定连接，横摇固定转动板48左侧固定连接第三横摇电磁铁伸缩杆50，第二横摇活动转动板51设置有通孔，第三横摇电磁铁伸缩杆50通电后与第二横摇活动转动板51的通孔连接，当第三横摇电磁铁伸缩杆50通电时，第二横摇活动转动板51与横摇固定转动板48不发生相对转动，第三横摇电磁铁伸缩杆50不起作用。通过横摇储能切换装置中横摇电磁铁伸缩杆的通断电旋转不同的扭簧实验，以适应不同横摇实验的横摇频率。
如图7所示，横摇固定板12上设置横摇丝杆36，横摇丝杆36延伸方向垂直于第二连接杆21延伸方向，横摇丝杆36一端设置横摇丝杆电机34，横摇丝杆电机34驱动横摇丝杆36转动，横摇丝杆36转动带动横摇丝杆滑台33沿横摇丝杆36延伸方向移动，横摇丝杆36端部还设置有编码器Ⅰ41和接近开关40。
本实施例以横摇丝杆36左侧的横摇储能装置为例，左侧的横摇储能装置包括横摇角度调节装置，横摇角度调节装置包括横摇角度调节电机38、横摇蜗轮蜗杆减速器35、横摇主动齿轮42、横摇从动齿轮43，横摇角度调节电机38固定设置于横摇固定板12上，横摇角度调节电机38装有编码器Ⅱ37，横摇角度调节电机38输出轴与横摇蜗轮蜗杆减速器35连接，横摇蜗轮蜗杆减速器35输出轴通过齿轮连接板39与横摇主动齿轮42中心连接，且横摇蜗轮蜗杆减速器35 输出轴延伸方向与横摇主动齿轮42中心轴线延伸方向重合，横摇主动齿轮42 与横摇从动齿轮43啮合。横摇丝杆36右侧的横摇储能装置与横摇丝杆36左侧的横摇储能装置对称设置。
如图8和图9所示，横摇固定板12固定设置有第五轴承座119和第六轴承座79、纵摇固定板70固定设置有第七轴承座118和第八轴承座80，纵摇旋转杆 127与第七轴承座118和第八轴承座80固定连接，纵摇旋转杆127通过第五轴承座轴承126与第五轴承座119连接，纵摇旋转杆127通过第六轴承座轴承123 与第六轴承座79连接，纵摇旋转杆127两端分别通过螺栓固定挡板Ⅲ120和挡板Ⅱ82，固定挡板Ⅲ120和挡板Ⅱ82分别作为第五轴承座轴承126和第六轴承座轴承123的轴肩，纵摇旋转杆127延伸方向平行于横摇丝杆36的延伸方向，横摇固定板12绕纵摇旋转杆127旋转。横摇固定板12固定设置有第一推杆轴承座 71，纵摇固定板70固定设置有第二推杆轴承座73，纵摇伸缩杆72为电动伸缩杆，纵摇伸缩杆72两端分别与第一推杆轴承座71和第二推杆轴承座73通过轴承连接，纵摇伸缩杆72相对于第一推杆轴承座71和第二推杆轴承座73转动，纵摇伸缩杆72伸缩带动横摇固定板12相对纵摇固定板70转动从而带动水轮机 1前后摇动。
在本实施例中，纵摇储能切换装置包括六个纵摇电磁铁伸缩杆113、五个纵摇活动转动板109，第七轴承座118右侧设置有纵摇从动齿轮74，纵摇从动齿轮 74套设在纵摇旋转杆127上，纵摇从动齿轮74通过第一纵摇储能轴承117与纵摇旋转杆127连接，纵摇从动齿轮74相对纵摇旋转杆127转动，纵摇从动齿轮 74里侧加工有凹槽放置卡簧K115，纵摇旋转杆127上设置有凹槽用于放置卡簧，卡簧L116放置在纵摇旋转杆127对应的凹槽内，卡簧K115与卡簧L116形成内外轴肩固定第一纵摇储能轴承117，纵摇从动齿轮74右侧设置纵摇活动转动板 109，纵摇活动转动板109套设在纵摇旋转杆127上，纵摇活动转动板109通过第二纵摇储能轴承111与纵摇旋转杆127，纵摇活动转动板109相对纵摇旋转杆 127转动，纵摇活动转动板109里侧加工有凹槽放置卡簧I110，卡簧J112放置在纵摇旋转杆127对应的凹槽内，卡簧I110与卡簧J112形成内外轴肩固定第二纵摇储能轴承111，纵摇扭簧单元114一端与纵摇从动齿轮74固定连接，另一端与纵摇活动转动板109固定连接，纵摇活动转动板109左侧固定连接纵摇电磁铁伸缩杆113，纵摇从动齿轮74设置有通孔，纵摇电磁铁伸缩杆113通电后与纵摇从动齿轮74的通孔连接，当纵摇电磁铁伸缩杆113通电时，纵摇从动齿轮 74与纵摇活动转动板109不发生相对转动，纵摇从动齿轮74与纵摇活动转动板 109之间的纵摇扭簧单元114不起作用。
纵摇活动转动板109设置通孔，两个相邻纵摇活动转动板109之间固定连接纵摇扭簧单元114，且两个相邻纵摇活动转动板109之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆113，当纵摇电磁铁伸缩杆113通电时，纵摇电磁铁伸缩杆113输出端与纵摇活动转动板109的通孔连接，当两个相邻纵摇活动转动板109之间的纵摇电磁铁伸缩杆113通电时，所述两个纵摇活动转动板109不发生相对转动，两者之间的纵摇扭簧单元114不起作用。
纵摇活动转动板109与纵摇固定转动板83之间固定连接纵摇扭簧单元114，且纵摇活动转动板109与纵摇固定转动板83之间固定设置，纵摇电磁铁伸缩杆 113固定设置在纵摇固定转动板83上，当纵摇活动转动板109与纵摇固定转动板83之间的纵摇电磁铁伸缩杆通电113时，纵摇电磁铁伸缩杆113输出端与纵摇活动转动板109的通孔连接，当纵摇活动转动板109与纵摇固定转动板83之间的纵摇电磁铁伸缩杆通电113时，纵摇活动转动板109与纵摇固定转动板83 不发生相对转动，两者之间的纵摇扭簧单元114不起作用。
纵摇储能装置包括纵摇角度调节装置，纵摇角度调节装置包括纵摇角度调节电机38、纵摇蜗轮蜗杆减速器、纵摇主动齿轮75、纵摇从动齿轮74，纵摇角度调节电机77固定设置于纵摇固定板70上，纵摇角度调节电机77装有编码器Ⅳ 78，纵摇角度调节电机77输出轴与纵摇蜗轮蜗杆减速器连接，纵摇蜗轮蜗杆减速器输出轴通过齿轮连接板76与纵摇主动齿轮75中心连接，且纵摇蜗轮蜗杆减速器输出轴延伸方向与纵摇主动齿轮75中心轴线延伸方向重合，纵摇主动齿轮 75与纵摇从动齿轮74啮合。
电动推杆和滚珠丝杠机构都可以对纵摇和横摇的方位距离实现精准的控制，纵摇、横摇采用不同的驱动机构，有利于实现驱动力的最优分配，更好的模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等干扰。横/纵摇储能装置通过扭簧和角度调节电机给定扭簧的初始扭矩及初始转角，有效的降低了水轮机在纵摇、横摇过程中最大驱动力。
实施例2
如图10所示，由横摇装置运动简图可知：
Figure BDA0003335374130000101
其中，θ1为水轮机横摇摆动角度，h为水轮机横摇中心距离横摇平台的垂直距离，x1为横摇丝杆滑台33的移动距离，α为横摇第三旋转杆18与横摇第二旋转杆6的夹角减去θ1的角度，L1为横摇第三旋转杆18的长度，L2为横摇第三旋转杆18与横摇第二旋转杆6连接处距离水轮机横摇中心的距离，(sinα)2+(cosα)2＝1；
即
Figure BDA0003335374130000102
得到x1与θ1的关系：
x1 2-2x1L2sinθ1+2hL2cosθ1＝L1 2-h2-L2 2，得到速度关系式：
Figure BDA0003335374130000103
则横摇丝杆电机 34输出轴旋转角度为
Figure BDA0003335374130000104
角速度为
Figure BDA0003335374130000105
其中，I1为横摇丝杆36导程。
如图11所示，由纵摇装置运动简图可知：
(x2+x0)2＝a2+b2-2ab cos(θ2+β)，其中，x0为横摇固定板12与纵摇固定板70平行时纵摇伸缩杆72的长度，x2为横摇固定板12纵摇伸缩杆72的伸长长度，a为纵摇伸缩杆72与纵摇固定板70的连接点到纵摇旋转杆127的距离，b为纵摇伸缩杆72与横摇固定板12的连接点到纵摇旋转杆127的距离，θ2为横摇固定板12的旋转角度，β为初始状态时，纵摇伸缩杆72和纵摇固定板70的连接点、纵摇伸缩杆72和横摇固定板12的连接点与纵摇旋转杆127之间的角度。
纵摇伸缩杆72的伸长长度为
Figure BDA0003335374130000106
则纵摇伸缩杆72伸缩运动的速度
Figure BDA0003335374130000107
为
Figure BDA0003335374130000108
Figure BDA0003335374130000109
一种上述实施例中水轮机横摇/纵摇模拟实验装置的控制方法，如图16所示，包括以下步骤：
根据水轮机横摇运动的实验需求，确定水轮机1的横摇摆动角度θ1，θ1＝A1sinw1t；其中，A1为横摇幅值，w1为横摇频率；根据横摇摆动角度θ1确定横摇丝杆滑台33的移动距离x1，根据横摇丝杆滑台33的移动距离x1确定摇丝杆滑台33的移动速度x1′，从而确定横摇丝杆电机34的转速
Figure BDA0003335374130000111
确定横摇储能装置所需扭簧扭矩k1，k1＝J1w1 2-m1l1g，其中J1为横摇装置的转动惯量，l1为横摇半径，m1为水轮机整体质量，g为重力加速度；
根据扭簧串联公式
Figure BDA0003335374130000112
选择部分或全部横摇电磁铁伸缩杆进行通电，其中 c1、c2、c3、c4......cn∈{0，1}，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，对应的c＝1；当横摇电磁铁伸缩杆断开时，对应的c＝0，得到横摇储能装置所需扭簧扭矩k1；
(4)根据水轮机纵摇运动的实验需求，确定水轮机1的纵摇摆动角度θ2＝A2sinw2t，其中，A2为纵摇幅值，w2为纵摇频率，根据水轮机1的纵摇摆动角度确定纵摇伸缩杆72的伸长长度，
从而确定纵摇伸缩杆72往复伸缩运动的速度
Figure BDA0003335374130000113
(5)确定纵摇储能装置所需扭簧扭矩k2，k2＝J2w2 2-m2l2g，其中，J2为纵摇装置的转动惯量，l2为纵摇半径，m2为横摇装置2和水轮机1的质量之和；
(6)根据扭簧串联公式
Figure BDA0003335374130000114
选择部分或全部纵摇电磁铁伸缩杆进行通电，其中c1、c2、c3、c4......cn∈{0，1｝，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，对应的c＝1；当纵摇电磁铁伸缩杆断电时，对应的c＝0，得到纵摇储能装置所需扭簧扭矩k2；
(7)水轮机横摇/纵摇模拟实验装置实验时进行匀速直线运动，根据实验需求确定运行速度B；
(8)根据运行速度B确定纵摇角度调节电机77给定水轮机1初始角度D，计算公式为Bc+(m2gl2+k2)D＝0；得到需要的
Figure BDA0003335374130000115
(9)将水轮机横摇/纵摇模拟实验装置以横摇丝杆电机转速
Figure BDA0003335374130000121
纵摇伸缩杆运动速度
Figure BDA0003335374130000122
匀速直线运动等效叠加角速度B为实验条件进行水轮机1的横摇和纵摇实验，并采集和存储实验数据。
在实验过程中，横摇装置中的横摇储能装置不起作用时，如图12所示，根据水轮机横摇运动的实验需求确定水轮机横摇摆动角度θ1＝A1sin w1t，其中，w1为横摇频率，A1为横摇幅值，t为运动时间，角速度为θ1′＝A1w1cos w1t，角加速度为θ1″＝-A1w1 2sin w1t；
水轮机横摇运动的微分方程为
Figure BDA0003335374130000123
可化简为：
Figure BDA0003335374130000124
其中J1为横摇装置的转动惯量，c为阻力系数，l1为横摇半径，m1为水轮机整体质量，则横摇丝杆电机34的驱动力：
Figure BDA0003335374130000125
当cos(w1t+λ)＝1时，横摇储能装置不起作用时的理论驱动力最大,为
Figure BDA0003335374130000126
横摇装置的横摇储能装置起作用时，如图13所示，水轮机横摇运动的微分方程为
Figure BDA0003335374130000127
可化简为：
Figure BDA0003335374130000128
则横摇丝杆电机34的驱动力：
Figure BDA0003335374130000129
当cos(w1t+λ)＝1时，横摇储能装置起作用时的理论驱动力最大,为
Figure BDA00033353741300001210
当k1＝J1w1 2-m1l1g时，横摇储能装置起作用时的驱动力峰值为A1w1c小于横摇储能装置不起作用时的最大驱动力
Figure BDA00033353741300001211
纵摇装置中的纵摇储能装置不起作用时，如图14所示，根据水轮机纵摇运动的实验需求确定水轮机1的纵摇摆动角度θ2＝A2sin w2t，其中，w2为纵摇频率，A2为纵摇幅值，t为运动时间，由于装置作匀速直线前进运动，在纵摇装置上，等效叠加角速度B，所以水轮机纵摇摆动的实际角速度为θ2′＝A2w2cos w2t+B，角加速度为θ2″＝-A2w2 2sin w2t；
水轮机纵摇运动的微分方程为
Figure BDA0003335374130000131
可化简为：
Figure BDA0003335374130000132
其中J2为纵摇装置的转动惯量，c为阻力系数，l2为纵摇半径，m2为横摇装置和水轮机的质量之和，则纵摇伸缩杆的驱动力：
Figure BDA0003335374130000133
当cos(w2t+λ)＝1时，纵摇储能装置不起作用时的理论驱动力最大,为
Figure BDA0003335374130000134
纵摇装置中的纵摇储能装置起作用时，如图15所示，水轮机纵摇运动的微分方程为
Figure BDA0003335374130000135
可化简为：
Figure BDA0003335374130000136
则纵摇伸缩杆的驱动力：
Figure BDA0003335374130000137
当cos(w2t+λ)＝1时，纵摇储能装置起作用时的理论驱动力最大,为
Figure BDA0003335374130000138
当k2＝J2w2 2-m2l2g且Bc+(m2gl2+k2)D＝0时，纵摇储能装置起作用时的驱动力峰值为cA2 2w2小于纵摇储能装置不起作用时的驱动力峰值
Figure BDA0003335374130000139

Claims (10)

1.一种水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，包括水轮机、横摇装置、纵摇装置，所述水轮机设置于横摇装置下端，横摇装置带动水轮机左右摇动，所述纵摇装置带动横摇装置摇动，水轮机随横摇装置的摇动而进行前后摇动；所述横摇装置包括横摇固定板(12)、横摇丝杆滑台(33)、横摇丝杆(36)；所述横摇丝杆(36)设置于横摇固定板(12)上，且横摇丝杆(36)延伸方向垂直于水轮机轴线延伸方向，横摇丝杆(36)转动带动横摇丝杆滑台(33)沿横摇丝杆(36)延伸方向移动，所述水轮机与横摇固定板(12)铰接，且水轮机与横摇丝杆滑台(33)铰接，横摇丝杆滑台(33)移动从而带动水轮机左右摇动；所述纵摇装置包括纵摇固定板(70)、纵摇驱动装置；所述纵摇固定板(70)位于横摇固定板(12)上方，纵摇固定板(70)固定设置有第八轴承座(80)，所述第八轴承座(80)固定连接有纵摇旋转杆(127)，纵摇旋转杆(127)延伸方向平行于横摇丝杆(36)延伸方向，所述横摇固定板(12)固定设置有第六轴承座(79)，横摇固定板(12)通过第六轴承座(79)与纵摇旋转杆(127)铰接，所述纵摇驱动装置带动横摇固定板(12)围绕纵摇旋转杆(127)摇动，从而实现横摇固定板(12)相对纵摇固定板(70)摇动；所述水轮机随横摇固定板(12)的摇动而进行前后摇动。
2.根据权利要求1所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述纵摇驱动装置包括纵摇伸缩杆(72)，所述纵摇伸缩杆(72)一端铰接横摇固定板(12)，另一端铰接纵摇固定板(70)，纵摇伸缩杆(72)伸缩带动横摇固定板(12)相对纵摇固定板(70)转动从而带动水轮机前后摇动。
3.根据权利要求2所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述横摇装置还包括横摇储能装置，所述横摇储能装置包括横摇第一旋转杆(8)、横摇第二旋转杆(6)、横摇扭簧，所述横摇第一旋转杆(8)通过轴承设置于所述横摇固定板(12)上，横摇第一旋转杆(8)延伸方向平行于横摇固定板(12)所在平面，且横摇第一旋转杆(8)延伸方向垂直于横摇丝杆(36)延伸方向，横摇第一旋转杆(8)一端通过横摇第二旋转杆(6)与水轮机固定连接，横摇扭簧套设于横摇第一旋转杆(8)上，横摇扭簧一端与横摇第一旋转杆(8)固定连接，另一端与横摇固定板(12)固定连接。
4.根据权利要求3所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述横摇储能装置还包括横摇角度调节装置，所述横摇角度调节装置包括横摇角度调节电机(38)、横摇蜗轮蜗杆减速器(35)、横摇主动齿轮(42)、横摇从动齿轮(43)，所述横摇角度调节电机(38)固定设置于横摇固定板(12)上，横摇角度调节电机(38)输出轴与横摇蜗轮蜗杆减速器(35)连接，横摇蜗轮蜗杆减速器(35)输出轴与横摇主动齿轮(42)中心连接，且横摇蜗轮蜗杆减速器(35)输出轴延伸方向与横摇主动齿轮(42)中心轴线延伸方向重合，横摇主动齿轮(42)与横摇从动齿轮(43)啮合，横摇从动齿轮(43)套设在横摇第一旋转杆(8)上，且相对横摇第一旋转杆(8)转动，所述横摇从动齿轮(43)与横摇扭簧一端固定连接，横摇扭簧一端与横摇第一旋转杆(8)固定连接，另一端通过与横摇从动齿轮(43)固定连接而与横摇固定板(12)固定连接。
5.根据权利要求4所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述横摇储能装置包括横摇储能切换装置，所述横摇储能切换装置包括若干横摇电磁铁伸缩杆、若干横摇活动转动板，所述横摇活动转动板套设在横摇第一旋转杆(8)上，且相对横摇第一旋转杆(8)转动，所述横摇第一旋转杆(8)固定连接有横摇固定转动板(48)，所述横摇扭簧一端通过与横摇固定转动板(48)固定连接而与横摇第一旋转杆(8)固定连接，横摇扭簧包括若干横摇扭簧单元，所述横摇扭簧单元通过横摇活动转动板依次固定连接，所述横摇活动转动板设置通孔，两个相邻横摇活动转动板之间固定设置横摇电磁铁伸缩杆，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，横摇电磁铁伸缩杆输出端与横摇活动转动板的通孔连接，所述横摇活动转动板与横摇从动齿轮(43)之间固定设置横摇电磁铁伸缩杆，横摇从动齿轮(43)设置通孔，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，横摇电磁铁伸缩杆输出端与横摇从动齿轮(43)的通孔连接，所述横摇活动转动板与横摇固定转动板(48)之间固定设置横摇电磁铁伸缩杆，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，横摇电磁铁伸缩杆输出端与横摇活动转动板的通孔连接。
6.根据权利要求5所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述纵摇装置还包括纵摇储能装置，所述纵摇储能装置包括纵摇旋转杆(127)、纵摇扭簧，纵摇扭簧套设于纵摇旋转杆(127)上，纵摇扭簧一端与纵摇旋转杆(127)固定连接，另一端与横摇固定板(12)固定连接。
7.根据权利要求6所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述纵摇储能装置还包括纵摇角度调节装置，所述纵摇角度调节装置包括纵摇角度调节电机(77)、纵摇蜗轮蜗杆减速器、纵摇主动齿轮(75)、纵摇从动齿轮(74)，所述纵摇角度调节电机(77)固定设置于横摇固定板(12)上，纵摇角度调节电机(77)输出轴与纵摇蜗轮蜗杆减速器连接，纵摇蜗轮蜗杆减速器输出轴与纵摇主动齿轮(75)中心连接，且横摇蜗轮蜗杆减速器纵摇输出轴延伸方向与纵摇主动齿轮(75)中心轴线延伸方向重合，纵摇主动齿轮(75)与纵摇从动齿轮(74)啮合，纵摇从动齿轮(74)套设在纵摇旋转杆(127)上，且相对纵摇旋转杆(127)转动，所述纵摇从动齿轮(74)与纵摇扭簧一端固定连接，纵摇扭簧一端与纵摇旋转杆(127)固定连接，另一端通过与纵摇从动齿轮(74)固定连接而与横摇固定板(12)固定连接。
8.根据权利要求7所述的水轮机横摇/纵摇模拟实验装置，其特征在于，所述纵摇储能装置包括纵摇储能切换装置，所述纵摇储能切换装置包括若干纵摇电磁铁伸缩杆、若干纵摇活动转动板，所述纵摇活动转动板套设在纵摇旋转杆(127)上，且相对纵摇旋转杆(127)转动，所述纵摇旋转杆(127)固定连接有纵摇固定转动板(83)，所述纵摇扭簧一端通过与纵摇固定转动板(83)固定连接而与纵摇旋转杆(127)固定连接，纵摇扭簧包括若干纵摇扭簧单元，所述纵摇扭簧单元通过纵摇活动转动板依次固定连接，所述纵摇活动转动板设置通孔，两个相邻纵摇活动转动板之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，纵摇电磁铁伸缩杆输出端与纵摇活动转动板的通孔连接，所述纵摇活动转动板与纵摇从动齿轮(74)之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆，纵摇从动齿轮(74)设置通孔，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，纵摇电磁铁伸缩杆输出端与纵摇从动齿轮(74)的通孔连接，所述纵摇活动转动板与纵摇固定转动板(83)之间固定设置纵摇电磁铁伸缩杆，当纵摇电磁铁伸缩杆通电时，纵摇电磁铁伸缩杆输出端与纵摇活动转动板的通孔连接。
9.一种如权利要求8所述水轮机横摇/纵摇模拟实验装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据实验需求确定水轮机横摇摆动角度θ1，从而确定横摇丝杆(36)的转速
Figure FDA0003335374120000031
52：确定横摇储能装置总的扭簧扭矩k1；
S3：选择部分或全部横摇电磁铁伸缩杆进行通电，使横摇储能装置扭簧扭矩为k1；
S4：根据实验需求确定水轮机纵摇摆动角度θ2，从而确定纵摇伸缩杆(72)运动速度
Figure FDA0003335374120000032
S5：确定纵摇储能装置总的扭簧扭矩k2
S6：选择部分或全部纵摇电磁铁伸缩杆进行通电，使纵摇储能装置扭簧扭矩为k2
S7：水轮机横摇/纵摇模拟实验装置实验时进行匀速直线运动，根据实验需求确定等效叠加角速度B；
S8：根据角速度B确定纵摇角度调节电机(77)给定水轮机初始角度D；
S9：将水轮机运动模拟实验装置以横摇丝杆(36)的转速
Figure FDA0003335374120000033
纵摇伸缩杆(72)运动速度
Figure FDA0003335374120000034
匀速直线运动等效叠加角速度B为实验条件进行水轮机的横摇和纵摇实验。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中扭簧串联公式：
Figure FDA0003335374120000041
其中c1、c2、c3、c4......cn∈{0，1}，ki′为横摇扭簧单元的扭簧扭矩i＝1、2、3…n，n为横摇储能装置中横摇扭簧单元总个数，当横摇电磁铁伸缩杆通电时，对应的c＝1；当横摇电磁铁伸缩杆断开时，对应的c＝0。
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