CN114109697A - 一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法，包括水轮机、位于水轮机上方的横荡运动平台、位于横荡运动平台上方的纵荡运动平台，横荡/纵荡运动平台包括框架、丝杆滑块、运动丝杆、驱动电机；设置于框架上的驱动电机驱动运动丝杆转动，运动丝杆转动带动与其螺纹连接的丝杆滑块移动，水轮机与横荡丝杆滑块连接进行横向移动，横荡框架与纵荡丝杆滑块连接进行纵向移动，从而实现水轮机的横荡纵荡模拟。通过电机驱动丝杆从而模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等的干扰，通过控制电机参数控制模拟实验，可以更精确的模拟波浪、紊流等高频干扰。且采用两个丝杆分段控制横荡/纵荡实验，实验装置结构简单、体积小。
Description
技术领域
本发明涉及水轮机实验装置，具体是涉及一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法。
背景技术
随着当今社会经济的不断发展、科技不断的进步，人们的各种物质需求也在不断地提升，世界对于能源的需求也在飞速的增长。然而能源过度消耗所导致传统能源的枯竭以及环境污染越来越严重，我们面临资源枯竭的危机。因此怎样实现经济社会与环境的可持续发展成为需要迫切解决的问题。可再生能源中的太阳能和风能受到外部条件的制约，不能连续供电，而绝大多数海洋能储量庞大且稳定，可以实现连续供电。不仅如此，海洋可再生能源的开发利用对土地资源的占用较少，可避免土地资源的限制，因而越来越受到人们的青睐。
当前通过漂浮式载体来作为实验装置研究潮流能能量转换被国际广泛使用，漂浮式载体潮流能装置的主要缺陷是浮式载体在风、波浪和海流综合作用下呈现出复杂的摇荡运动。载体具有横荡、纵荡与垂荡三个移动自由度和纵摇、横摇与艏摇三个转动自由度共6方向的运动。载体的摇荡运动对水轮机影响甚大，特别是工作状态下的水轮机。因此通过实验装置模拟水轮机在波浪、紊流干扰下产生的横荡、纵荡运动十分重要。
现有技术中，如专利CN104865525A公开了一种水平轴海流发电水轮机实验平台，该专利申请设计了一个实验平台，此实验平台只能实现水轮机的安装与拆卸以及随意调整安装位置，并不能实际模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等干扰。再如专利CN202010842014.3公开了一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，该专利申请设计了一个水轮机实验装置，模拟水轮机在工作过程中的潮流能对水轮机的干扰。但是此实验装置高度为振幅的两倍，使得实验装置体积较大，且实验装置所需驱动力峰值也较大。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种能精确模拟波浪、紊流等高频干扰且体积较小的漂浮式水轮机运动模拟实验装置。
本发明还提供一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置的控制方法。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置，包括水轮机、横荡运动平台、纵荡运动平台，所述水轮机设置于横荡运动平台下端，横荡运动平台带动水轮机横荡运动，所述横荡运动平台位于纵荡运动平台下端；所述横荡运动平台包括横荡框架、横荡丝杆滑块、横荡运动丝杆、横荡驱动电机；横荡运动丝杆设置于横荡框架上，横荡驱动电机固定于横荡框架，且横荡驱动电机驱动横荡运动丝杆转动，横荡运动丝杆转动带动横荡丝杆滑块沿横荡运动丝杆延伸方向移动，所述水轮机与横荡丝杆滑块连接而与横荡丝杆滑块共同横向移动；所述纵荡运动平台包括纵荡框架、纵荡丝杆滑块、纵荡运动丝杆、纵荡驱动电机；纵荡运动丝杆设置于纵荡框架上，纵荡驱动电机固定于纵荡框架，且纵荡驱动电机驱动纵荡运动丝杆转动，纵荡运动丝杆转动带动纵荡丝杆滑块沿纵荡运动丝杆延伸方向移动，所述横荡框架与纵荡丝杆滑块连接而与纵荡丝杆滑块共同纵向移动；所述横荡运动丝杆的延伸方向垂直于纵荡运动丝杆的延伸方向。
进一步的，所述横荡运动平台还包括横荡滑块连接板、横荡被动滑块、横荡导轨，所述横荡滑块连接板与横荡丝杆滑块固定连接，所述横荡滑块连接板还固定设置若干横荡被动滑块，所述横荡被动滑块在横荡导轨上滑动，横荡导轨固定设置于横荡框架上，横荡导轨延伸方向平行于横荡运动丝杆延伸方向。
进一步的，所述横荡运动平台还包括横荡储能装置，所述横荡储能装置包括若干横荡储能单元，所述横荡储能单元包括横荡滑杆、横荡储能滑块、横荡弹簧，所述横荡滑杆固定设置于横荡框架上，且横荡滑杆延伸方向平行于横荡运动丝杆延伸方向，所述横荡储能滑块在横荡滑杆上移动，所述横荡弹簧套设在横荡滑杆上，且横荡弹簧一端与横荡框架固定连接，横荡弹簧另一端与横荡储能滑块连接，横荡储能滑块与横荡滑块连接板连接，横荡滑块连接板移动带动横荡储能滑块共同移动。
进一步的，所述横荡储能单元包括横荡储能切换装置，所述横荡储能切换装置包括第一电磁铁伸缩杆和第二电磁铁伸缩杆，所述第一电磁铁伸缩杆固定端固定于横荡框架，第二电磁铁伸缩杆固定端固定于横荡滑块连接板，所述横荡储能滑块设置第一连接孔和第二连接孔，所述第一电磁铁伸缩杆通电时，第一电磁铁伸缩杆输出端与横荡储能滑块的第一连接孔连接；所述第二电磁铁伸缩杆通电时，第二电磁铁伸缩杆输出端与横荡储能滑块的第二连接孔连接；第一电磁铁伸缩杆和第二电磁铁伸缩杆不同时通电。
进一步的，所述纵荡运动平台还包括纵荡滑块连接板、纵荡被动滑块、纵荡导轨，所述纵荡滑块连接板与纵荡丝杆滑块固定连接，所述纵荡滑块连接板还固定设置若干纵荡被动滑块，所述纵荡被动滑块在纵荡导轨上滑动，纵荡导轨固定设置于纵荡框架上，纵荡导轨延伸方向平行于纵荡运动丝杆延伸方向。
进一步的，所述纵荡运动平台还包括纵荡储能装置，所述纵荡储能装置包括若干纵荡储能单元，所述纵荡储能单元包括纵荡滑杆、纵荡储能滑块、纵荡弹簧，所述纵荡滑杆固定设置于纵荡框架上，且纵荡滑杆延伸方向平行于纵荡运动丝杆延伸方向，所述纵荡储能滑块在纵荡滑杆上移动，所述纵荡弹簧套设在纵荡滑杆上，且纵荡弹簧一端与纵荡框架固定连接，纵荡弹簧另一端与纵荡储能滑块连接，纵荡储能滑块与纵荡滑块连接板连接，纵荡滑块连接板移动带动纵荡储能滑块共同移动。
进一步的，所述纵荡储能单元包括纵荡储能切换装置，所述纵荡储能切换装置包括第三电磁铁伸缩杆和第四电磁铁伸缩杆，所述第三电磁铁伸缩杆固定端固定于纵荡框架，第四电磁铁伸缩杆固定端固定于纵荡滑块连接板，所述纵荡储能滑块设置第三连接孔和第四连接孔，所述第三电磁铁伸缩杆通电时，第三电磁铁伸缩杆输出端与纵荡储能滑块的第三连接孔连接；所述第四电磁铁伸缩杆通电时，第四电磁铁伸缩杆输出端与纵荡储能滑块的第四连接孔连接；第三电磁铁伸缩杆和第四电磁铁伸缩杆不同时通电。
进一步的，所述纵荡储能装置包括调节装置，所述调节装置包括调节丝杆、调节电机、螺母滑块、若干初始滑块，所述调节电机固定设置于纵荡框架上，调节电机带动调节丝杆转动，调节丝杆上设置螺母滑块，所述螺母滑块与调节丝杆螺纹连接，调节丝杆转动带动螺母滑块沿调节丝杆延伸方向平移，每个所述纵荡滑杆设置一个初始滑块，所述初始滑块沿纵荡滑杆滑动，所有初始滑块与螺母滑块固定连接，所述纵荡弹簧一端连接纵荡储能滑块，另一端通过连接初始滑块而与纵荡框架连接。
进一步的，所述纵荡导轨端部设置固定设置纵荡挡板，所述纵荡挡板用于对纵荡被动滑块的滑动范围进行限位。
本发明还采用一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，包括以下步骤：
S1：根据实验需求确定横荡运动规律，从而确定横荡驱动电机的转速
S2：确定横荡储能装置总的弹性系数k1；
S3：选择部分或全部第二电磁铁伸缩杆进行通电，使横荡储能装置弹性系数为k1；
S4：根据实验需求确定横荡运动规律，从而确定纵荡驱动电机转速
S5：确定纵荡储能装置总的弹性系数k2；
S6：选择部分或全部第四电磁铁伸缩杆进行通电，使纵荡储能装置弹性系数为k2；
S7：漂浮式水轮机运动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；
S8：根据运行速度B确定初始滑块相对初始位置的移动距离D，计算公式为 Bc+Dk2＝0；
S9：将漂浮式水轮机运动模拟实验装置以横荡驱动电机转速
纵荡驱动电机转速
运行速度B为实验条件进行水轮机的横荡和纵荡实验。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过电机驱动丝杆从而模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等的干扰，通过控制电机参数控制模拟实验，可以更精确的模拟波浪、紊流等高频干扰。且采用两个丝杆分段控制横荡/纵荡实验，实验装置结构简单、体积小。
利用滑块连接板连接被动滑块和丝杆滑块，使得驱动机构的被动滑块承受滑动连接板的压力，而滚珠丝杠模组的丝杠滑块驱动时不承受水轮机与滑动连接板相连产生的拉力。在横荡/纵荡实验运动轨道上设置弹簧作为储能元件，可以有效的降低横荡/纵荡运动中驱动力的峰值。且通过选择不同的弹簧，可以构造不同的弹性系数，从而适用于不同频率的振荡运动
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所示为本发明中横荡运动平台的剖视图；
图4所示为本发明中横荡运动平台内部结构的俯视图；
图5所示为图4中A-A的剖视图，即横荡储能单元的结构示意图；
图6所示为本发明实验装置的主视图；
图7所示为本发明中纵荡运动平台的剖视图；
图8所示为纵荡储能单元的结构示意图；
图9所示为本发明中纵荡储能装置与纵荡运动丝杆连接的结构示意图；
图10为本发明中横荡运动平台不带横荡储能装置的机构运动简图；
图11为本发明中横荡运动平台带横荡储能装置的机构运动简图；
图12为本发明中纵荡运动平台不带纵荡储能装置的机构运动简图；
图13为本发明中纵荡运动平台带纵荡储能装置的机构运动简图。
图14为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例中的一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置，包括水轮机1、横荡运动平台2、纵荡运动平台3。如图2所示，水轮机1的舱体4上面加工有凸台，凸台上面上有螺纹孔，凸台与第一塔架5一端螺纹连接，第一塔架 5另一端与第二塔架6一端通过螺栓固定，第二塔架6另一端与第三塔架7的一端也利用螺栓固定，第三塔架7另一端与横荡滑块连接板10固定连接。采用分段式塔架连接水轮机和载体运动平台，使得安装和拆卸简单、方便，使得实验装置便于移动。
如图2至图4所示，横荡运动平台2包括横荡储能装置、横荡框架8、横荡丝杆滑块9、横荡运动丝杆20、横荡驱动电机19、横荡滑块连接板10、横荡被动滑块11、横荡导轨12；横荡框架8内水平设置有横荡运动丝杆20，横荡驱动电机19驱动横荡运动丝杆20转动，横荡运动丝杆20上螺纹连接有横荡丝杆滑块9，横荡运动丝杆20转动带动横荡丝杆滑块9沿横荡运动丝杆20延伸方向移动，横荡丝杆滑块9与横荡滑块连接板10固定连接，横荡丝杆滑块9移动带动横荡滑块连接板10移动从而带动水轮机1移动，实现水轮机1横荡模拟运动。横荡运动丝杆20端部设置有横荡接近开关14，并通过横荡编码器固定架16将横荡编码器15固定在丝杆上。横荡滑块连接板10上固定连接有横荡被动滑块 11，在本实施例中，横荡滑块连接板10在横荡运动丝杆20两侧对称设置横荡被动滑块11，横荡框架8内水平设置横荡导轨12，横荡导轨12延伸方向平行于横荡运动丝杆20延伸方向，横荡被动滑块11在横荡导轨12上滑动，横荡导轨12 两端固定有横荡挡板13，用于对横荡被动滑块11进行限位，横荡框架8通过铝型材Ⅰ18增加结构强度。利用横荡滑块连接板10连接横荡被动滑块11和横荡丝杆滑块9，使得驱动机构只承受压力而不承受拉力，且横荡框架8采用双侧导轨承重，使得横荡结构更加稳定。
横荡储能装置包括横荡储能切换装置、若干横荡储能单元57，在本实施例中，横荡运动丝杆20两侧对称设置有两个横荡储能单元57，横荡储能单元57 与横荡运动丝杆20位于同一平面，如图5所示，横荡储能单元57包括横荡滑杆 22、横荡储能滑块25、横荡弹簧26，横荡滑杆22通过横荡固定座21固定设置于横荡框架8上，且横荡滑杆22延伸方向平行于横荡运动丝杆20延伸方向，横荡储能滑块25在横荡滑杆22上移动，横荡弹簧26套设在横荡滑杆22上，且横荡弹簧26一端通过横荡固定座21固定连接而与横荡框架8连接，横荡弹簧26另一端与横荡储能滑块25连接。
横荡储能切换装置包括第一电磁铁伸缩杆23和第二电磁铁伸缩杆24，第一电磁铁伸缩杆23利用端面法兰固定在横荡框架8上，横荡框架8加工有通孔，第一电磁铁伸缩杆23通电时伸出横荡框架8的通孔，第二电磁铁伸缩杆24利用端面法兰固定在横荡滑块连接板10上，且横荡滑块连接板10对应位置加工有通孔，第二电磁铁伸缩杆24通电时伸出横荡滑块连接板10的通孔，横荡储能滑块设置第一连接孔和第二连接孔，当第一电磁铁伸缩杆23通电时，第一电磁铁伸缩杆输出端伸出横荡框架8与横荡储能滑块的第一连接孔连接，此时第二电磁铁伸缩杆24缩回，横荡弹簧26与横荡滑块连接板10断开，当第二电磁铁伸缩杆 24通电时，第二电磁铁伸缩杆24输出端伸出横荡滑块连接板10与横荡储能滑块25的第二连接孔连接，此时第一电磁铁伸缩杆23缩回，横荡弹簧26与横荡滑块连接板10连接，横荡滑块连接板10移动带动横荡储能滑块25共同移动。
横荡弹簧26在初始状态下处于原长，当横荡储能滑块25由原长状态向左运动时，横荡弹簧26受到压缩，长度变短，此时当横荡储能滑块25转向向右运动时，横荡弹簧26会逐步恢复原长，节省能量；当横荡储能滑块25由原长状态向右运动时，横荡弹簧26受到拉伸，长度变长，此时当横荡储能滑块25转向向左运动时，横荡弹簧26会逐步恢复原长，节省能量。利用横荡储能单元57，可以有效的降低在横荡模拟运动中驱动力的最大值。利用电磁铁伸缩杆作为连接弹簧的切换装置，可以灵活切换工作的储能单元，据此也可以选择不同的弹簧，构造多种弹性系数进行实验，可以提供多种频率的横荡运动。
如图6和图7所示，纵荡运动平台3包括纵荡储能装置、纵荡框架27、纵荡丝杆滑块30、纵荡运动丝杆35、纵荡驱动电机28、纵荡滑块连接板29、纵荡被动滑块34、纵荡导轨31；纵荡框架27内水平设置有纵荡运动丝杆35，横荡运动丝杆的延伸方向垂直于纵荡运动丝杆的延伸方向，纵荡驱动电机28驱动纵荡运动丝杆35转动，纵荡运动丝杆35上螺纹连接有纵荡丝杆滑块30，纵荡运动丝杆35转动带动纵荡丝杆滑块30沿纵荡运动丝杆35延伸方向移动，纵荡丝杆滑块30与纵荡滑块连接板29固定连接，纵荡滑块连接板29通过铝型材Ⅱ17 与横荡框架8固定连接，纵荡丝杆滑块30移动带动纵荡滑块连接板29移动从而带动横荡运动平台2移动，水轮机1随着横荡运动平台2的移动而移动，从而实现水轮机1纵荡模拟运动。纵荡滑块连接板29上固定连接有纵荡被动滑块34，在本实施例中，纵荡滑块连接板29在纵荡运动丝杆35两侧对称设置纵荡被动滑块34，纵荡框架27内水平设置纵荡导轨31，纵荡导轨31延伸方向平行于纵荡运动丝杆35延伸方向，纵荡被动滑块34在纵荡导轨31上滑动，纵荡导轨31 两端固定有纵荡挡板32，用于对纵荡被动滑块34进行限位，纵荡框架27通过铝型材Ⅲ33增加结构强度。利用纵荡滑块连接板29连接纵荡被动滑块34和纵荡丝杆滑块30，纵荡框架27采用双侧导轨承重，使得纵荡结构更加稳定。
如图9所示，纵荡储能装置包括纵荡储能切换装置、调节装置、若干纵荡储能单元58，在本实施例中，纵荡运动丝杆35两侧对称设置有两个纵荡储能单元58，纵荡储能单元58与纵荡运动丝杆35位于同一平面，如图8所示，纵荡储能单元58包括纵荡滑杆40、纵荡储能滑块39、纵荡弹簧38，纵荡滑杆40通过纵荡固定座36固定设置于纵荡框架27上，且纵荡滑杆40延伸方向平行于纵荡运动丝杆35延伸方向，纵荡储能滑块39在纵荡滑杆40上移动，纵荡弹簧38套设在纵荡滑杆40上，且纵荡弹簧38一端通过与初始滑块37固定连接而与纵荡框架27连接，纵荡弹簧38另一端与纵荡储能滑块39连接。
纵荡储能切换装置包括第三电磁铁伸缩杆41和第四电磁铁伸缩杆42，第三电磁铁伸缩杆41利用端面法兰固定在纵荡框架27上，纵荡框架27加工有通孔，第三电磁铁伸缩杆41通电时伸出纵荡框架27的通孔，第四电磁铁伸缩杆42利用端面法兰固定在纵荡滑块连接板29上，且纵荡滑块连接板29对应位置加工有通孔，第四电磁铁伸缩杆42通电时伸出纵荡滑块连接板29的通孔，横荡储能滑块设置第三连接孔和第四连接孔，当第三电磁铁伸缩杆41通电时，第三电磁铁伸缩杆输出端伸出纵荡框架27与纵荡储能滑块的第三连接孔连接，此时第四电磁铁伸缩杆42缩回，纵荡弹簧38与纵荡滑块连接板29断开，当第四电磁铁伸缩杆42通电时，第四电磁铁伸缩杆42输出端伸出纵荡滑块连接板29与纵荡储能滑块39的第四连接孔连接，此时第三电磁铁伸缩杆41缩回，纵荡弹簧38与纵荡滑块连接板29连接，纵荡滑块连接板29移动带动纵荡储能滑块39共同移动。
如图9所示，在本实施例中，纵荡运动丝杆35两侧对称设置有两个调节装置，分别用于调节纵荡运动丝杆35两侧的纵荡储能单元58，一侧为第一调节装置，另一侧为第二调节装置，第一调节装置包括第一调节丝杆48、第一调节电机49、第一螺母滑块45、若干第一初始滑块43，第一调节丝杆48端部设置有第一接近开关46和第一编码器47，第一调节电机49带动第一调节丝杆48转动，第一调节丝杆48上设置第一螺母滑块45，第一螺母滑块45与第一调节丝杆48 螺纹连接，第一调节丝杆48转动带动第一螺母滑块45沿第一调节丝杆48延伸方向平移，与第一调节装置位于同一侧的纵荡储能单元58均设有第一初始滑块 43，第一初始滑块43与纵荡弹簧38一端连接，且沿纵荡滑杆40滑动，所有第一初始滑块43通过第一连杆44与第一螺母滑块45固定连接。通过第一调节电机49转动，带动第一调节丝杆48转动，第一螺母滑块45沿第一调节丝杆移动，从而带动与第一螺母滑块45连接的多个初始滑块43移动。第二调节装置包括第二调节丝杆55、第二调节电机56、第二螺母滑块50、若干第二初始滑块52，第二调节丝杆55端部设置有第二接近开关53和第二编码器54，第二调节电机56 带动第二调节丝杆55转动，第二调节丝杆55上设置第二螺母滑块50，第二螺母滑块50与第二调节丝杆55螺纹连接，第二调节丝杆55转动带动第二螺母滑块50沿第二调节丝杆55延伸方向平移，与第二调节装置位于同一侧的纵荡储能单元58均设有第二初始滑块52，第二初始滑块52与纵荡弹簧38一端连接，且沿纵荡滑杆40滑动，所有第二初始滑块52通过第二连杆51与第二螺母滑块50 固定连接。通过第二调节电机56转动，带动第二调节丝杆55转动，第二螺母滑块50沿第二调节丝杆55移动，从而带动与第二螺母滑块50连接的多个初始滑块52移动。
纵荡弹簧38在初始状态下处于原长，当纵荡储能滑块39由原长状态向左运动时，纵荡弹簧38受到压缩，长度变短，此时当纵荡储能滑块39转向向右运动时，纵荡弹簧38会逐步恢复原长，节省能量；当纵荡储能滑块39由原长状态向右运动时，纵荡弹簧38受到拉伸，长度变长，此时当纵荡储能滑块39转向向左运动时，纵荡弹簧38会逐步恢复原长，节省能量。利用纵荡储能单元58，可以有效的降低在横荡模拟运动中驱动力的最大值。利用电磁铁伸缩杆作为连接弹簧的切换装置，可以灵活切换工作的储能单元，据此也可以选择不同的弹簧，构造多种弹性系数进行实验，可以提供多种频率的横荡运动。设置调节装置给定纵荡弹簧38的初始位移，调节弹簧的初始位置，从而降低纵荡运动中驱动力的最大值，通过编码器可知初始滑块的位移。
实施例2
一种上述实施例中漂浮式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)根据水轮机横荡运动的实验需求确定横荡丝杆滑块9/横荡被动滑块11 的运动规律，从而确定横荡驱动电机的转速
(2)确定横荡储能装置总的弹性系数k1，k1＝m1w1 2，其中，m1为水轮机的质量，w1为横荡频率；
(3)根据弹簧并联公式k1＝b1k1′+b2k2′+b3k3′+b4k4′+......+bnkn′，选择部分或全部第二电磁铁伸缩杆进行通电，其中b1、b2、b3、b4......bn∈{0，1}，当横荡储能单元的横荡储能滑块25通过第二电磁铁伸缩杆24与横荡滑块连接板 10连接时，对应的b＝1；当横荡储能单元的横荡储能滑块25通过第二电磁铁伸缩杆24与横荡滑块连接板10断开时，对应的b＝0，得到横荡储能装置总的弹性系数为k1；
(4)根据水轮机纵荡运动的实验需求确定纵荡丝杆滑块30/横荡被动滑块 34的运动规律，从而确定横荡驱动电机的转速
(5)确定纵荡储能装置总的弹性系数k2，k2＝m2w2 2，其中，m2为水轮机1和横荡运动平台2的总质量，w2为纵荡频率；
(6)根据弹簧并联公式k2＝b1k1′+b2k2′+b3k3′+b4k4′+......+bnkn′，选择部分或全部第四电磁铁伸缩杆进行通电，其中b1、b2、b3、b4......bn∈{0，1}，当纵荡储能单元的纵荡储能滑块39通过第四电磁铁伸缩杆42与纵荡滑块连接板 29连接时，对应的b＝1；当纵荡储能单元的纵荡储能滑块39通过第四电磁铁伸缩杆42与纵荡滑块连接板29断开时，对应的b＝0，得到纵荡储能装置弹性系数为k2；
(7)漂浮式水轮机运动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确定初始滑块相对初始位置的移动距离D，计算公式为Bc+Dk2＝0；得到需要的
(9)将漂浮式水轮机运动模拟实验装置以横荡驱动电机转速
纵荡驱动电机转速
运行速度B为实验条件进行水轮机的横荡和纵荡实验，并采集和存储实验数据。
在实验过程中，横荡运动平台不与横荡储能装置连接时，如图10所示，以横荡导轨12延伸方向的中间位置为坐标原点，X轴水平向右为正方向，根据水轮机横荡运动的实验需求确定横荡丝杆滑块9/横荡被动滑块11的运动规律为 x1＝A1sinw1t，其中，w1为横荡频率，A1为横荡幅值，t为运动时间，x1为横荡丝杆滑块9/横荡被动滑块11的移动位移，则横荡丝杆滑块9/横荡被动滑块11 的速度为x1′＝A1w1cosw1t，加速度为x1″＝-A1w1 2sinw1t，横荡运动丝杆20的丝杠导程为I1，则横荡驱动电机19的角位置为
角速度为
角加速度为
水轮机横荡运动的微分方程为
其中c为阻力系数， m1为水轮机的质量，y为驱动力，x为水轮机的位移，则横荡驱动电机19的驱动力：
当cos(w1t+λ)＝1时，横荡运动平台不与横荡储能装置连接时的理论驱动力最大，为
横荡运动平台与横荡储能装置连接时，如图11所示，横荡驱动电机19的驱动力：
当cos(w1t+λ)＝1时，横荡运动平台与横荡储能装置连接时的理论驱动力最大，为
当k1＝m1wi 2时，横荡运动平台与横荡储能装置连接时的驱动力峰值为 A1w1c小于不与横荡储能装置连接时的最大驱动力
纵荡运动平台不与纵荡储能装置连接时，如图12所示，纵荡导轨31延伸方向的中间位置为坐标原点，X轴水平向右为正方向，根据水轮机纵荡运动的实验需求确定纵荡丝杆滑块30/纵荡被动滑块34的运动规律为x2＝A2sinw2t，其中， w2为纵荡频率，A2为纵荡幅值，t为运动时间，x2为纵荡丝杆滑块30/纵荡被动滑块34的移动位移，由于装置以速度B作匀速直线前进运动，则纵荡丝杆滑块 30/纵荡被动滑块34的实际速度为x2′＝A2w2cosw2t+B，加速度为 x2″＝-A2w2 2sinw2t，纵荡运动丝杆35的丝杠导程为I2，则纵荡驱动电机28的角位置为
角速度为
角加速度为
水轮机纵荡运动的微分方程为
其中c为阻力系数， m2为水轮机和横荡机构总质量，y为驱动力，x为水轮机的位移，则横荡驱动电机19的驱动力：
当cos(w2t+λ)＝1时，纵荡运动平台不与纵荡储能装置连接时的理论驱动力最大，为
纵荡运动平台与纵荡储能装置连接时，如图13所示，纵荡驱动电机28的驱动力：
当cos(w2t+λ)＝1时，纵荡运动平台与纵荡储能装置连接时的理论驱动力最大，为
当k2＝m2w2 2且Bc+Dk2＝0时，纵荡运动平台与纵荡储能装置连接时的驱动力峰值为cA2 2w2小于纵荡运动平台不与纵荡储能装置连接时的驱动力峰值
Claims (10)
1.一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置，包括水轮机(1)、横荡运动平台(2)、纵荡运动平台(3)，其特征在于，所述水轮机(1)设置于横荡运动平台(2)下端，横荡运动平台(2)带动水轮机(1)横荡运动，所述横荡运动平台(2)位于纵荡运动平台(3)下端；所述横荡运动平台(2)包括横荡框架(8)、横荡丝杆滑块(9)、横荡运动丝杆(20)、横荡驱动电机(19)；横荡运动丝杆(20)设置于横荡框架(8)上，横荡驱动电机(19)固定于横荡框架(8)，且横荡驱动电机(19)驱动横荡运动丝杆(20)转动，横荡运动丝杆(20)转动带动横荡丝杆滑块(9)沿横荡运动丝杆(20)延伸方向移动，所述水轮机(1)与横荡丝杆滑块(9)连接而与横荡丝杆滑块(9)共同横向移动；所述纵荡运动平台(3)包括纵荡框架(27)、纵荡丝杆滑块(30)、纵荡运动丝杆(35)、纵荡驱动电机(28)；纵荡运动丝杆(35)设置于纵荡框架(27)上，纵荡驱动电机(28)固定于纵荡框架(27)，且纵荡驱动电机(28)驱动纵荡运动丝杆(35)转动，纵荡运动丝杆(35)转动带动纵荡丝杆滑块(30)沿纵荡运动丝杆(35)延伸方向移动，所述横荡框架(8)与纵荡丝杆滑块(30)连接而与纵荡丝杆滑块(30)共同纵向移动；所述横荡运动丝杆(20)的延伸方向垂直于纵荡运动丝杆(35)的延伸方向。
2.根据权利要求1所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述横荡运动平台(2)还包括横荡滑块连接板(10)、横荡被动滑块(11)、横荡导轨(12)，所述横荡滑块连接板(10)与横荡丝杆滑块(9)固定连接，所述横荡滑块连接板(10)还固定设置若干横荡被动滑块(11)，所述横荡被动滑块(11)在横荡导轨(12)上滑动，横荡导轨(12)固定设置于横荡框架(8)上，横荡导轨(12)延伸方向平行于横荡运动丝杆(20)延伸方向。
3.根据权利要求2所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述横荡运动平台(2)还包括横荡储能装置，所述横荡储能装置包括若干横荡储能单元(57)，所述横荡储能单元(57)包括横荡滑杆(22)、横荡储能滑块(25)、横荡弹簧(26)，所述横荡滑杆(22)固定设置于横荡框架(8)上，且横荡滑杆(22)延伸方向平行于横荡运动丝杆(20)延伸方向，所述横荡储能滑块(25)在横荡滑杆(22)上移动，所述横荡弹簧(26)套设在横荡滑杆(22)上，且横荡弹簧(26)一端与横荡框架(8)固定连接，横荡弹簧(26)另一端与横荡储能滑块(25)连接，横荡储能滑块(25)与横荡滑块连接板(10)连接，横荡滑块连接板(10)移动带动横荡储能滑块(25)共同移动。
4.根据权利要求3所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述横荡储能单元(57)包括横荡储能切换装置，所述横荡储能切换装置包括第一电磁铁伸缩杆(23)和第二电磁铁伸缩杆(24)，所述第一电磁铁伸缩杆(23)固定端固定于横荡框架(8)，第二电磁铁伸缩杆(24)固定端固定于横荡滑块连接板(10)，所述横荡储能滑块(25)设置第一连接孔和第二连接孔，所述第一电磁铁伸缩杆(23)通电时，第一电磁铁伸缩杆(23)输出端与横荡储能滑块(25)的第一连接孔连接；所述第二电磁铁伸缩杆(24)通电时，第二电磁铁伸缩杆(24)输出端与横荡储能滑块(25)的第二连接孔连接；第一电磁铁伸缩杆(23)和第二电磁铁伸缩杆(24)不同时通电。
5.根据权利要求4所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述纵荡运动平台(3)还包括纵荡滑块连接板(29)、纵荡被动滑块(34)、纵荡导轨(31)，所述纵荡滑块连接板(29)与纵荡丝杆滑块(30)固定连接，所述纵荡滑块连接板(29)还固定设置若干纵荡被动滑块(34)，所述纵荡被动滑块(34)在纵荡导轨(31)上滑动，纵荡导轨(31)固定设置于纵荡框架(27)上，纵荡导轨(31)延伸方向平行于纵荡运动丝杆(35)延伸方向。
6.根据权利要求5所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述纵荡运动平台(3)还包括纵荡储能装置，所述纵荡储能装置包括若干纵荡储能单元(58)，所述纵荡储能单元(58)包括纵荡滑杆(40)、纵荡储能滑块(39)、纵荡弹簧(38)，所述纵荡滑杆(40)固定设置于纵荡框架(27)上，且纵荡滑杆(40)延伸方向平行于纵荡运动丝杆(35)延伸方向，所述纵荡储能滑块(39)在纵荡滑杆(40)上移动，所述纵荡弹簧(38)套设在纵荡滑杆(40)上，且纵荡弹簧(38)一端与纵荡框架(27)固定连接，纵荡弹簧(38)另一端与纵荡储能滑块(39)连接，纵荡储能滑块(39)与纵荡滑块连接板(29)连接，纵荡滑块连接板(29)移动带动纵荡储能滑块(39)共同移动。
7.根据权利要求6所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述纵荡储能单元(58)包括纵荡储能切换装置，所述纵荡储能切换装置包括第三电磁铁伸缩杆(41)和第四电磁铁伸缩杆(42)，所述第三电磁铁伸缩杆(41)固定端固定于纵荡框架(27)，第四电磁铁伸缩杆(42)固定端固定于纵荡滑块连接板(29)，所述纵荡储能滑块(39)设置第三连接孔和第四连接孔，所述第三电磁铁伸缩杆(41)通电时，第三电磁铁伸缩杆(41)输出端与纵荡储能滑块(39)的第三连接孔连接；所述第四电磁铁伸缩杆(42)通电时，第四电磁铁伸缩杆(42)输出端与纵荡储能滑块(39)的第四连接孔连接；第三电磁铁伸缩杆(41)和第四电磁铁伸缩杆(42)不同时通电。
8.根据权利要求7所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述纵荡储能装置包括调节装置，所述调节装置包括调节丝杆、调节电机、螺母滑块、若干初始滑块，所述调节电机固定设置于纵荡框架(27)上，调节电机带动调节丝杆转动，调节丝杆上设置螺母滑块，所述螺母滑块与调节丝杆螺纹连接，调节丝杆转动带动螺母滑块沿调节丝杆延伸方向平移，每个所述纵荡滑杆(40)设置一个初始滑块，所述初始滑块沿纵荡滑杆(40)滑动，所有初始滑块与螺母滑块固定连接，所述纵荡弹簧(38)一端连接纵荡储能滑块(39)，另一端通过连接初始滑块而与纵荡框架(27)连接。
9.根据权利要求8所述的漂浮式水轮机运动模拟实验装置，其特征在于，所述纵荡导轨(31)端部设置固定设置纵荡挡板(32)，所述纵荡挡板(32)用于对纵荡被动滑块(34)的滑动范围进行限位。
10.一种如权利要求8或9所述漂浮式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据实验需求确定横荡运动规律，从而确定横荡驱动电机(19)的转速
S2：确定横荡储能装置总的弹性系数k1；
S3：选择部分或全部第二电磁铁伸缩杆(24)进行通电，使横荡储能装置弹性系数为k1；
S4：根据实验需求确定横荡运动规律，从而确定纵荡驱动电机(28)转速
S5：确定纵荡储能装置总的弹性系数k2；
S6：选择部分或全部第四电磁铁伸缩杆(42)进行通电，使纵荡储能装置弹性系数为k2；
S7：漂浮式水轮机运动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；
S8：根据运行速度B确定初始滑块相对初始位置的移动距离D，计算公式为Bc+Dk2＝0；
S9：将储能式水轮机(1)运动模拟实验装置以横荡驱动电机(19)转速
纵荡驱动电机(28)转速
运行速度B为实验条件进行水轮机(1)的横荡和纵荡实验。
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| CN202111292515.XA CN114109697B (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 一种漂浮式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN101246515A (zh) * | 2008-03-03 | 2008-08-20 | 哈尔滨工程大学 | 基于cfd软件的数字船模平面运动机构实验方法 |
| CN202756167U (zh) * | 2012-09-07 | 2013-02-27 | 陈大千 | 浮动平台波浪能储能系统和波浪能发电系统 |
| CN206381925U (zh) * | 2016-11-22 | 2017-08-08 | 商洛学院 | 一种化学实验震荡装置 |
| WO2018101413A1 (ja) * | 2016-11-30 | 2018-06-07 | フクダ電子株式会社 | 心電波形表示方法及び心電図解析装置 |
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2021
- 2021-11-03 CN CN202111292515.XA patent/CN114109697B/zh active Active
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