涡激振动发电装置传动机构优化设计

王成龙，李佳冀，王文婷

（1.哈尔滨工程大学，哈尔滨150001；2.中国船舶集团有限公司 第703研究所，哈尔滨150036）

0 引 言

涡激振动发电装置是一种将海流的水动能转化为振子动能，然后将振子动能转化为电能的能量转换装置，图1为密歇根大学Bernitsas教授团队[1]研发的涡激振动发电装置VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)的实验模型装置及发电原理图。其中水动能转化为振子动能的过程是依靠圆柱振子在流体中的流致振动现象来实现的。而振子动能转换成电能，则需要先将振子的直线往复运动变成永磁发电机动子的转动，然后发电机发电并将电能储存。本次优化设计主要针对该发电装置上几种不同的能够将线性运动转变为回转运动的机构进行对比，分析其优劣性，得出最适合该发电装置的机构。并且针对每个发电装置都需要配备1台发动机的问题，提出一种串联机构，以使2个甚至多个装置可以共用1台发电机，达到降低成本的目的。

图1 VIVACE发电装置

1 传动机构的选择

将机构的直线运动转换为回转运动或由回转运动转换为直线运动，这种对运动形式的改变是工程中经常需要解决的问题。目前解决此类问题的常用机构包括齿轮齿条、凸轮机构、滚珠丝杠及用于发动机气缸中的曲柄装置等。齿轮齿条机构采用螺纹传动来实现其功能，运行过程中受滑动摩擦阻力影响，会使传输效率降低；凸轮顶杆装置易因其面摩擦作用而损坏，且产生的直线运动行程短，所以也不适用于VIVACE；由文献[2]知，滚珠丝杠也可以将直线运动转化为回转运动，因其拥有较高的精度、效率及较小摩擦阻力的优点，所以滚珠丝杠在机械工程领域被广泛使用。但滚珠丝杠传动装置需要有带螺纹的长螺杆来实现，会使整体结构变复杂，且滚珠丝杠和其它滚动摩擦的传动元件需要较高的润滑要求和环境条件，因此也不适合在情况复杂的海流中使用；曲轴是发动机中的主要运动机构，发动机中的连杆对曲轴施加往复力，由曲轴将该往复力转换为转矩从而实现发动机转动，运转过程中，曲轴承受弯曲扭转载荷且其拥有足够的强度和刚度[3]。基于这些优点，本次优化设计选用曲轴替代对心曲柄滑块机构中的曲柄，两者结合可以实现涡激振动发电装置振子直线运动向旋转运动的转变。模型结构及工程图如图2所示。

2 串联机构设计

目前实验用的涡激振动发电装置采用每台装置配1台发电机的安装形式。若考虑后期投入实际应用，则成本太高。因此本文欲提出一种串联机构，使2台装置可共用1台发电机，以降低成本。本文串联机构装置的设计主要需要解决以下2个问题：1）当2个发电装置的振子的运动速度不同或者开始产生振动的时间不同时，会使两装置的传动杆不能同步运动，导致出现位移差。2）2个振子可能开始产生振动的时间不同及受不同振动周期的影响，有时会出现一端上升、一端下降的现象，使机构运动发生干涉。

2.1 模型设计

结构设计方案一如图3所示，传动杆与振子相连。当传动杆同向运动时，曲柄机构将运动并带动发电机主轴旋转。当两端速度相同时，会发生连接杆顺导杆滑动的现象，从而导致导杆无法完成往复运动。连接杆上设置的挡块可避免此现象发生。当两端传动杆一端上升、一端下降时，由于连接杆的可伸缩性，从而避免运动干涉现象发生。

图2 曲轴滑块机构

图3 方案一：串联机构模型

Bernitsas等[4]根据实验与数值模拟综合分析得知，当两振子间距比P/D>5时，上游振子的尾流将不再对下游振子产生影响。本次进行优化的实验装置，其振子直径为D=90 mm，所以选取两装置间距为P=500 mm。为避免出现死点位置，曲柄机构长度Lqb与曲轴长度Lqz的和要大于连接杆导杆上的铰链中心到电动机主轴的距离和La，且La>180 mm。曲柄长度选为Lqb=100 mm，曲轴长度Lqz=210 mm，La=300 mm。

Bernitsas团队[5-8]研究了有关质量比、阻尼比、雷诺数等参数对圆柱涡激振动和能量转化的影响，一系列试验结果得出的最优参数组合下的最大振幅比可以达到1.9，这也是目前已知的圆柱振子涡激振动发电装置（VIVACE）能达到的最大振幅比。因此理论上两振子的最大位移差为1.9×90 mm。假设实际过程中达到最大位移差且等于180 mm，此时连接杆伸长至531 mm。最大伸长长度为531-500=31 mm，所以连接杆导杆长度Lld>31 mm,本设计为Lld=100 mm。为防止导杆内压强对伸缩产生影响，在连接杆上设计了通气槽。

此外，通过更换不同的连接杆形式提出方案二，如图4所示。

图4 方案二：连接杆

2.2 运动仿真及分析

使用SolidWorks2016对方案一的机构进行运动仿真，以验证该串联机构是否能够正常工作。由于实际运动较复杂，将其运动简化为几种形式：1）工况一。两边等速上升或下降。2）工况二。两边不等速上升或下降。3）工况三。一边上升一边下降，且等速。4）工况四。一边上升一边下降，且不等速。

其中：工况二若能正常工作，则工况一亦可正常工作；工况四若能正常工作，则工况三亦可正常工作。所以只需要对工况二和工况四做运动仿真。

2.2.1 工况二的仿真

起始位置调整为两端同高，且与发电机主轴垂直距离为300 mm。两端传动杆下端分别设置线性马达1、2。运动以距离为参考值，马达1从0 s开始运动到3 s，距离为100 mm。马达2从1 s开始运动到3 s，距离为80 mm。在连接杆挡块处设置实体接触条件，由运动仿真结果知，运动可以进行且无干涉发生。

2.2.2 工况四仿真

马达1从0 s运动到3 s，距离为100 mm，运动方向向上。马达2从0 s运动到3 s，运动距离为80 mm，运动方向向下。其余条件与2.2.1节相同。由运动仿真结果知，运动可以进行且无干涉发生。

因此，由运动仿真可知4种运动情况都可以顺利进行，所以该机构满足2台发电装置共用1台发电机的要求。

3 结 论

本设计旨在通过优化涡激振动发电装置的部分机构，以提高能量转换效率。同时提出了一种新的串联装置，以实现2台发电装置共用1台发电机的目的。本文对提出的方案一进行了运动仿真，验证了其运动可行性。但是该设计仍有不足之处：1）当一端上升、另一端下降时，该装置的曲轴摆动幅度明显减小，发电效率降低；2）由于最大振幅的不确定性，使曲柄滑块机构的最大行程无法确定，因此机构尺寸的设计只能满足曲轴做往复摆动，而不能做回转运动；3）机构为杆类件，若设计成二级结构（2个串联机构再串联，使4台装置共用1台发电机）过于复杂，且会降低结构稳定性。以后的研究要向多台装置的串联机构迈进，且同时要考虑如何解决串联结构的能量损失问题。