CN209761619U - 一种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置 - Google Patents
一种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，包括支座、转轴、转盘和弹簧装置，支座包括封装筒及其支架，封装筒水平布置，转轴连接于转盘的轴向中心，转轴的两端穿过封装筒两端的盖板，弹簧装置的弹簧处于压缩状态，多组弹簧装置沿转盘的径向铰接于转盘外缘和封装筒的内壁之间。将本装置加装在点吸收式波能转换器中，在一定的波浪激励力作用下，由于双稳态装置的双井间跳跃特性，能有效地拓宽波能转换装置的波能转换频带，提高波能捕获效率，另一方面由于弹簧装置对转轴的转动提供负刚度，可有效的降低波能转换器的固有频率，提高波能转换器在低频区的波能捕获效率，提升波能转换器在复杂海况下的实用性。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋工程可再生能源技术领域，具体涉及一种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置。
背景技术
浩瀚的海洋蕴含着丰富的能源，波浪能是其最常见的形式之一。相比于风能和太阳能等可再生清洁能源，波浪能具有能量密度高的特点。然而在实际开发利用波浪能过程中存在波能装置转换效率不高、安装维修成本高和普适性较差等问题，导致目前仍未大规模应用于实践。
自提出波浪能利用以来，已有数百种波浪能转换器被发明。然而传统的线性波能转换器需要在波能转换器发生共振时才具有较好的波能转换效率，当波浪激励频率偏离共振频率时波能转换效率下降明显，有效波能转换频带非常窄。同时由于真实的波浪环境呈现谱的特性，线性波能转换器难以捕获不同频率下的波浪能，导致波能转换效率极低。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种转换效率高、实用性强的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置。
本实用新型提供的这种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，该装置包括支座、转轴、转盘和弹簧装置，支座包括封装筒及其支架，封装筒水平布置，转轴连接于转盘的轴向中心，转轴的两端穿过封装筒两端的盖板，弹簧装置的弹簧处于压缩状态，多组弹簧装置沿转盘的径向铰接于转盘外缘和封装筒的内壁之间。
所述封装筒为柱状，包括筒体和连接于筒体端部的盖板。
所述筒体内壁沿周向均布铰接用凸台。
所述盖板通过紧固件连接于筒体上。
所述支架为鞍式支架。
所述转盘有中心圆孔，转盘外缘有铰接用凸台。
所述弹簧装置为活塞式结构，包括套筒、活塞杆和弹簧，套筒底部和活塞杆顶部有铰接座，弹簧封装于套筒内，活塞杆底部挤压弹簧。
所述铰接座为双耳座，铰接座通过销轴铰接凸台。
所述弹簧为一根，活塞杆底部插接于弹簧中段；所述弹簧为二根，活塞杆底部挤压上方弹簧。
本实用新型的弹簧双稳态装置的势能曲线具有双稳态特性，即存在两个势能井。当弹簧装置过转轴中心时弹簧装置为压缩状态，转轴为系统的平衡位置，弹簧双稳态装置处于不稳定平衡点。当转轴在外力作用下发生转动时，弹簧装置的压缩量将逐渐减小，当转轴转过一个设定角度时，弹簧装置将由压缩状态变为原长，此时弹簧双稳态装置处于稳定平衡点。在此过程中，由于弹簧装置的压缩状态导致弹簧装置对转轴呈现出负刚度特性。当转轴继续转动时，弹簧装置将由原长变为拉伸状态，在此过程中弹簧扭转双稳态装置又表现为正刚度特性。
当转轴上的载荷大于一定值时，转轴将在双势能井中做往复运动，由于双井中往复运动的跳跃特性可有效的增大转轴的转动角度。
将弹簧扭转双稳态装置加装在点吸收式波能转换器中，在一定的波浪激励力作用下，由于双稳态装置的双井间跳跃特性，能有效的放大波能转换器中浮子系统的运动位移和速度，提高波能捕获效率，另一方面由于弹簧装置对转轴的转动提供负刚度的作用，可有效的降低波能转换器的固有频率，提高波能转换器在低频区的波能捕获效率，提升波能转换器在复杂海况下的实用性。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。
图2为图1中支座的结构示意图(图中未画出盖板)。
图3为图1中转盘安装于转轴上的结构示意图。
图4为图1中弹簧装置的结构示意图。
图5为图4的剖面图。
图6为本实施例的不稳定平衡点位置示意图。
图7为本实施例的稳定平衡点位置示意图。
图8为本实施例的势能函数曲线示意图。
图9为本装置应用于点吸收式波浪能转换器的结构示意图。
图中：
1-支座，11-支架，12-封装筒，121-筒体，122-盖板；
2-转轴；
3-转盘；
ZC-轴承；
4-弹簧装置，41-套筒，411-圆筒,412-限位盖,42-活塞杆，43-弹簧，44-铰接座；
ZHQ-点吸收式波能转换器；
5-浮子系统,51-发电机,52a-联轴器,52b-联轴器,53-滑轮,54-钢性连杆,55-齿轮变速箱,56-浮球壳、57-球铰和弹簧扭转双稳态装置；
6-锚泊线；
7-柔性绳。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的这种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，包括支座1、转轴2、转盘3和弹簧装置4。
如图2和图3所示，支座1包括支架11和水平固定于支架上的封装筒12，其中支架为鞍式支架。
封装筒12为柱状包括筒体121和可拆卸连接于筒体上的盖板122。
筒体121为带后端封板的筒体，封板的中心有圆孔，筒体内壁周向均布有三块带孔的耳板EB，耳板用作铰接凸台，筒体前端面均布有螺孔。
盖板122为中心开孔的圆板，盖板上有匹配筒体螺孔的安装孔。
转轴2的前后端装有轴承ZC，轴承的外圈分别固定于封装筒12前后端的圆孔内。
转盘3为行星轮状圆盘，包括中心圆盘、外圈板和沿径向均布于两者之间的三组连接杆，中心圆盘有圆孔，外圈板对应连接杆的外缘有带孔的凸出接头，转盘垂直固定于转轴2的中间段。
如图4和图5所示，弹簧装置4为活塞式机构，包括套筒41、活塞杆42、弹簧43和铰接座44。
套筒41包括带底封面的圆筒411和螺纹连接于筒口的限位盖412，圆筒顶部的外壁有螺纹,圆筒底部平行固定有铰接用耳板EB，耳板用作铰接凸台。限位盖412有中心圆孔，其盖口内壁有匹配圆筒的螺纹。
活塞杆42底部垂直固定有圆形卡板，卡板的横截面大于弹簧外径小于圆筒内径。
弹簧42有两个，上下叠置于圆筒411内，活塞杆42的圆形卡板挤压上方弹簧。
铰接座44为双耳座，固定于活塞杆42的顶部。
如图6所示，三个弹簧装置的中心线交于圆盘的圆心处时，弹簧装置需为压缩状态。
如图7所示，当圆盘转动±α角度时(转角α的大小应保证弹簧装置与圆盘不发生硬干涉为宜)，弹簧装置处于未变形状态。
当转轴21处于图6所示状态时为系统的平衡位置，此时弹簧双稳态装置处于不稳定平衡点，当转轴在外力作用下发生转动时，弹簧装置的压缩量将逐渐减小，当转轴转过±α角度时，弹簧装置将由压缩状态变为原长，此时弹簧双稳态装置处于稳定平衡点。在此过程中，由于弹簧装置的压缩状态导致弹簧装置对转轴呈现出负刚度特性。当转轴继续转动时，弹簧装置将由原长变为拉伸状态，在此过程中弹簧扭转双稳态装置又表现为正刚度特性。
如图8所示，弹簧双稳态装置的势能曲线具有双稳态特性，即存在两个势能井。当转轴上的载荷大于一定值时，转轴将在双势能井中做往复运动，由于双井中往复运动的跳跃特性可有效的增大转轴的转动角度。
如图9所示，将本装置应用于点吸收式波能转换器ZHQ中，点吸收式波能转换器ZHQ由浮子系统5和锚泊线6组成，浮子系统内部由发电机51、联轴器52a、联轴器52b、滑轮53、钢性连杆54、齿轮变速箱55、浮球壳56、球铰57和弹簧扭转双稳态装置组成。
锚泊线6一端与浮子系统中的刚性连杆铰接，另一端与海底固定；滑轮54固定在转轴2上，通过柔性绳7、球铰57与刚性连杆54的另一端铰接；
当浮子系统处于静水面时，弹簧扭转双稳态装置处于如图5所示的不稳定平衡状态，此时系统的势能与位移间关系为图7所示的原点位置。
当波能转换器受到波浪作用时，浮球壳56将出现垂荡运动，由于钢性连杆54的锚泊线6的一端与海底锚固，故浮子系统的垂荡运动带动转轴2转动；转轴的转动特性经过扭转双稳态装置的放大，再通过联轴器52a的联动作用，齿轮变速箱55将转轴的转速提高，经过联轴器52b传动给发电机51实现波浪能向电能的有效转化。
通过引入双稳态负刚度装置，可以有效地拓宽波能转换装置的波能转换频带，提升波能转换装置在低频波浪激励下的波能转换能力，提高波能捕获效率。
Claims (9)
1.一种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：该装置包括支座、转轴、转盘和弹簧装置，支座包括封装筒及其支架，封装筒水平布置，转轴连接于转盘的轴向中心，转轴的两端穿过封装筒两端的盖板，弹簧装置的弹簧处于压缩状态，多组弹簧装置沿转盘的径向铰接于转盘外缘和封装筒的内壁之间。
2.根据权利要求1所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述封装筒为柱状，包括筒体和连接于筒体端部的盖板。
3.根据权利要求2所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述筒体内壁沿周向均布铰接用凸台。
4.根据权利要求2所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述盖板通过紧固件连接于筒体上。
5.根据权利要求1所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述支架为鞍式支架。
6.根据权利要求1所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述转盘有中心圆孔，转盘外缘有铰接用凸台。
7.根据权利要求1所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述弹簧装置为活塞式结构，包括套筒、活塞杆和弹簧，套筒底部和活塞杆顶部有铰接座，弹簧封装于套筒内，活塞杆底部挤压弹簧。
8.根据权利要求7所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述铰接座为双耳座，铰接座通过销轴铰接凸台。
9.根据权利要求7所述的用于波浪能转换器的扭转双稳态装置，其特征在于：所述弹簧为一根，活塞杆底部插接于弹簧中段；所述弹簧为二根，活塞杆底部挤压上方弹簧。
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| CN201920372323.1U CN209761619U (zh) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | 一种用于波浪能转换器的扭转双稳态装置 |
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| CN115199712A (zh) * | 2022-07-20 | 2022-10-18 | 湖南大学 | 一种自调节双稳态波能转换器 |
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| CN115199712B (zh) * | 2022-07-20 | 2024-04-26 | 湖南大学 | 一种自调节双稳态波能转换器 |
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