用于解决液压PTO系统终端碰撞问题的波浪能转换装置

用于解决液压pto系统终端碰撞问题的波浪能转换装置
技术领域
1.本发明涉及一种波浪能转换装置，具体涉及一种用于解决液压pto系统终端碰撞问题的波浪能转换装置。


背景技术：

2.在能源危机和环境污染的背景下，开发清洁资源是走出当前困境的必由之路。海洋覆盖了地球面积的70％以上，提供了大量的波浪能。据估计，全球海浪势约为10太瓦，年海浪能约为9.3万太瓦。波浪能有望为未来的电力供应做出突出贡献。然而，提取这种能量在技术上和经济上都具有挑战性，因为波浪的不规则性和漂浮体的缓慢、双向运动，设备的开发仍处于初级阶段，目前的技术还远没有商业可行性。根据装置的工作原理，波浪能电装置可大体分为三类，包括振荡水柱式、振荡体式和越浪式，而各大类又可以拆分为固定式、漂浮式、浸没式等小类。
3.能量俘获(power take off,pto)系统是一种将波驱动体吸收的能量转换成可用电能的机制。pto系统直接关系到吸收的波浪能转化为可用的电能，是波浪能发电装置的重要组成部分。目前，研究人员和开发人员已经提出了多种pto系统，如液压、空气透平、水轮机、水力透平、线性发电机等。其中，液压pto系统具有显著的优势，因为它具有优良的特性，即很好地适应低频、大功率密度的波浪能。在典型的点吸收器wecs中，液压pto系统的效率可达到90％，可以说，液压pto系统是将波浪能转化为可用电能的最合适的pto机构。
4.然而，液压活塞杆具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在其行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部位时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声，也就是液压缸的终端碰撞问题。这一问题必然会严重影响液压缸的强度和降低液压系统的工作性能，甚至会出现卡死或液压杆断裂的现象。此外，现有液压pto系统不能进行折叠式运输和吊装，使得该过程需开展拆装工作，为装置的海上施工作业带来不便。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，解决液压pto系统中的终端碰撞问题及运输、吊装不够方便的问题，本发明提出了一种用于解决液压pto系统终端碰撞问题的波浪能转换装置。
6.本发明的技术方案是：
7.本发明波浪能转换装置包括第一连接体、第二连接体和若干液压pto系统，每个液压pto系统包括铰接模块和发电模块，铰接模块连通发电模块；各个液压pto系统的铰接模块安装在第一连接体和第二连接体之间并铰接第一连接体和第二连接体；各个液压pto系统的发电模块安装在第一连接体内。
8.铰接模块包括第一连接座、第二连接座、液压缸和液压缸安装座，第一连接座和第二连接座分别安装在第二连接体和第一连接体的侧面并正对布置；第二连接体的中部通过液压缸安装座安装有液压缸，液压缸的液压杆铰接第一连接座；液压缸连通发电模块。
9.液压pto系统终端碰撞问题指液压缸的液压杆和液压缸的缸体之间的碰撞问题。
10.所述的第一连接座包括底座板和两个耳座，底座板的一侧板面固定安装在第二连接体的侧面，底座板的另一侧板面上的对称两侧固定焊接有两个耳座，两个耳座均与第二连接座铰接。
11.第一连接座上还安装有连杆支座、两个第一连杆和两个第二连杆，连杆支座的一端安装在两个耳座之间的底座板的板面中部，连杆支座的另一端的对称两侧分别铰接两个第一连杆的一端，两个第一连杆的另一端均铰接液压缸的液压杆。
12.两个第一连杆的中部分别通过两个第二连杆铰接第二连接座。
13.所述的第一连杆的两端和中部分别开设有第三铰接孔、第五铰接孔和第四铰接孔，第二连杆的两端分别开设有第六铰接孔和第七铰接孔，连杆支座的另一端的对称两侧分别通过第五铰接轴铰接两个第一连杆的一端的两个第五铰接孔；第一连杆的另一端的第六铰接孔通过第三铰接轴铰接液压缸的液压杆的一端；第一连杆的中部的第四铰接孔通过第四铰接轴铰接第二连杆的第六铰接孔。
14.所述的第二连接座包括安装法兰盘和两个轭爪，安装法兰盘的一侧盘面固定安装在第一连接体的侧面，安装法兰盘的另一侧盘面上的对称两侧固定焊接有两个轭爪，两个轭爪均与第一连接座铰接。
15.安装法兰盘的中部开设有安装孔，安装孔中安装有液压缸，液压缸的缸体一端穿入第一连接体的内部，并通过安装在安装法兰盘的一侧盘面上的液压缸安装座铰接安装在安装法兰盘上；液压缸的缸体另一端中伸出液压杆，液压杆伸出的一端铰接在两个第一连杆之间；
16.两个轭爪均直接铰接第一连接座的两个耳座，两个轭爪同时分别铰接两个第二连杆。
17.液压缸安装座安装在安装法兰盘上，液压缸的缸体一端通过第二铰接轴铰接在液压缸安装座上。
18.所述的第二连接座的每个轭爪的一端固定焊接在安装法兰盘上，每个轭爪的另一端开设有第一铰接结构，每个第一铰接结构铰接第一连接座的一个耳座。
19.两个第一铰接结构正对的一侧还分别设有一个第二铰接结构，每个第二铰接结构铰接一个第二连杆的一端，每个第二连杆的另一端铰接一个第一连杆的中部。
20.每个第一铰接结构包括两个对称的铰接块，两个铰接块均同轴开设有一个第一铰接孔，两个第一铰接孔之间通过第一铰接轴铰接第一连接座的一个耳座。
21.每个第二铰接结构上开设有第二铰接孔，第二铰接孔通过一个第六铰接轴铰接第二连杆的第七铰接孔。
22.每个铰接轴的外侧面均套装有自润滑轴承，每个铰接轴的两端均通过螺钉固接有挡圈，挡圈防止铰接轴动过程中的松脱。自润滑轴承的材料为铜合金或工程塑料合金，自润滑轴承与所在的铰接孔过盈配合。
23.所述的安装法兰盘的安装孔和液压缸的缸体之间留有间隙，留下缓冲区域。
24.所述的第一连接座和第二连接座之间的各个铰接处均绕自身的轴向方向旋转，第一连接座和第二连接座之间的各个铰接处的轴向均平行于第一连接座的底座板的板面方向。
25.所述的液压缸和两个第二连杆之间的铰接处以及液压缸和液压缸安装座之间的铰接处均绕自身的轴向方向旋转，液压缸和两个第二连杆之间的铰接处的轴向以及液压缸和液压缸安装座之间的铰接处的轴向均平行于第一连接座的底座板的板面方向。
26.所述的第一连接体和第二连接体分别为漂浮在海面上的浮体或固定在海面的平台，其中第一连接体和第二连接体不均为固定在海面上的平台。
27.第一连接体和第二连接体在海面上由于风浪作用引起的相对运动驱动铰接模块进行波浪能的转换。为了达到一定规模的发电量，可采用多个第一连接体和第二连接体形成本波浪能发电装置的阵列扩展；另外，多个浮体之间装设多套铰接模块还可实现装置多个浮体在多个自由度上进行波浪能的采集，从而提高波浪能采集效率。
28.所述的发电模块包括液压马达、变速器和发电机，液压马达的传输轴和变速器的输入轴通过联轴器同步连接，变速器的输出轴和发电机的传输轴通过联轴器同步连接。
29.所述的液压缸通过铜质硬管或橡胶软管连通发电模块，即液压缸出油口连通发电模块的液压马达的进油口，液压缸进油口连通发电模块的液压马达的出油口。
30.液压缸的液压杆在波浪的作用下往复伸缩，使得液压缸将波浪能转换为动能，液压缸将液压压力油通过出油口输送到发电模块中的液压马达中驱动液压马达旋转从而驱动发电机发电，传输至液压马达中的液压压力油会回流至液压缸中进行下一次的发电过程。
31.所述的第一连接体和第二连接体在波浪的作用下随波浪运动，铰接模块的第一连接座和第二连接座产生相对运动，即第一连接座的两个耳座和第二连接座的两个轭爪绕两者间的铰接处往复旋转，带动两个第二连杆的一端分别绕与两个第二铰接结构的铰接处往复旋转，两个第二连杆的另一端分别绕与两个第一连杆中部的铰接处往复旋转，两个第一连杆的一端绕与连杆支座的铰接处往复旋转，两个第一连杆的另一端绕与液压缸的液压杆的铰接处往复旋转。
32.进而带动液压缸的液压杆在两个第一连杆的带动下往复伸缩，液压缸将波浪能转换为动能，液压缸将液压压力油通过液压缸的出油口输送到发电模块的液压马达的进油口中，驱动液压马达通过变速器驱动发电机发电，传输至液压马达中的液压压力油再从液压马达的出油口处回流至液压缸的进油口中以完成一次输油回油过程，重复输油回油过程使得波浪能转换装置持续发电。
33.所有产生的旋转运动的轴向均平行于第一连接座的底座板的板面；在合理设计参数的情况下，即使第一连接座和第二连接座之间可能发生旋转时，液压缸也不发生终端碰撞的问题，并使得液压缸的有效行程尽可能充分利用。假如没有第一连杆和第二连杆，液压缸直接铰接在第一连接座和第二连接座上，第一连接座和第二连接座在发生任意角度旋转时，液压缸的行程限制需要通过第一连接座和第二连接座的机械结构限位来限定，这将带来第一连接座和第二连接座的结构强度破坏，结构撞击也将产生整个波浪能转换装置的振动，不利于波浪能转换装置的稳定运行。
34.本发明的有益效果是：
35.(1)波浪能转换装置可解决液压pto系统终端碰撞问题，避免卡死或液压杆断裂等现象，保障液压缸的强度，提高液压pto系统的工作可靠性。
36.(2)通过优化设计可充分利用液压缸的有效行程，实现更高的波浪能转换效率。
37.(3)波浪能转换装置的可扩展性能高，易将若干浮体通过本发明的铰接模块阵列成一个具有多自由度且超高柔性的波浪能发电场。
38.(4)铰接模块两端的物体可转动的角度为任意角度，这为波浪能转换装置进行折叠式运输和吊装提供了方便，可降低波浪能转换装置的维护管理难度。
附图说明
39.图1是本发明波浪能转换装置示意图；
40.图2是铰接模块示意图；
41.图3是第二连接座示意图；
42.图4是第一连杆示意图；
43.图5是第二连杆示意图；
44.图6是铰接轴装配示意图；
45.图7是铰接模块机构运动示意图；
46.图8是液压缸的行程优化设计结果示意图；
47.图9是铰接模块机构再生运动链的机构运动实施例示意图。
48.图中：1、第一连接体，2、第二连接体，3、铰接模块，300a、第一铰接轴，300b、第二铰接轴，300c、第三铰接轴，300d、第四铰接轴，300e、第五铰接轴，300f、第六铰接轴，301、第一连接座，302、第二连接座，302a、第一铰接孔，302b、第二铰接孔，302c、安装法兰盘，303、液压缸，304、液压缸安装座，305、第一连杆，305a、第三铰接孔，305b、第四铰接孔，305c、第五铰接孔，306、第二连杆，306a、第六铰接孔，306b、第七铰接孔，307、连杆支座，308、自润滑轴承，309、挡圈，4、发电模块。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地详细描述。
51.如图1和图2所示，本发明波浪能转换装置包括第一连接体1、第二连接体2和若干液压pto系统，每个液压pto系统包括铰接模块3和发电模块4，铰接模块3连通发电模块4；各个液压pto系统的铰接模块3安装在第一连接体1和第二连接体2之间并铰接第一连接体1和第二连接体2；各个液压pto系统的发电模块安装在第一连接体1内。
52.铰接模块3包括第一连接座301、第二连接座302、液压缸303和液压缸安装座304，第一连接座301和第二连接座302分别安装在第二连接体2和第一连接体1的侧面并正对布置；第二连接体2的中部通过液压缸安装座304安装有液压缸303，液压缸303的液压杆铰接第一连接座301；液压缸303连通发电模块4。
53.第一连接体1和第二连接体2分别为漂浮在海面上的浮体或固定在海面的平台，其中第一连接体1和第二连接体2不均为固定在海面上的平台。第一连接体1和第二连接体2在
海面上由于风浪作用引起的相对运动驱动铰接模块3进行波浪能的转换。为了达到一定规模的发电量，可采用多个第一连接体1和第二连接体2形成本波浪能发电装置的阵列扩展；另外，多个浮体之间装设多套铰接模块3还可实现装置多个浮体在多个自由度上进行波浪能的采集，从而提高波浪能采集效率。液压pto系统终端碰撞问题指液压缸303的液压杆和液压缸303的缸体之间的碰撞问题。
54.第一连接座301包括底座板和两个耳座，底座板的一侧板面固定安装在第二连接体2的侧面，底座板的另一侧板面上的对称两侧固定焊接有两个耳座，两个耳座均与第二连接座302铰接。
55.第一连接座301上还安装有连杆支座307、两个第一连杆305和两个第二连杆306，连杆支座307的一端安装在两个耳座之间的底座板的板面中部，连杆支座307的另一端的对称两侧分别铰接两个第一连杆305的一端，两个第一连杆305的另一端均铰接液压缸303的液压杆。两个第一连杆305的中部分别通过两个第二连杆306铰接第二连接座302。
56.如图4和图5所示，第一连杆305的两端和中部分别开设有第三铰接孔305a、第五铰接孔305c和第四铰接孔305b，第二连杆306的两端分别开设有第六铰接孔306a和第七铰接孔306b，连杆支座307的另一端的对称两侧分别通过第五铰接轴300e铰接两个第一连杆305的一端的两个第五铰接孔305c；第一连杆305的另一端的第六铰接孔306a通过第三铰接轴300c铰接液压缸303的液压杆的一端；第一连杆305的中部的第四铰接孔305b通过第四铰接轴300d铰接第二连杆306的第六铰接孔306a。
57.如图3所示，第二连接座302包括安装法兰盘302c和两个轭爪，安装法兰盘302c的一侧盘面固定安装在第一连接体1的侧面，安装法兰盘302c的另一侧盘面上的对称两侧固定焊接有两个轭爪，两个轭爪均与第一连接座301铰接。
58.安装法兰盘302c的中部开设有安装孔，安装孔中安装有液压缸303，液压缸303的缸体一端穿入第一连接体1的内部，并通过安装在安装法兰盘302c的一侧盘面上的液压缸安装座304铰接安装在安装法兰盘302c上；液压缸303的缸体另一端中伸出液压杆，液压杆伸出的一端铰接在两个第一连杆305之间；两个轭爪均直接铰接第一连接座301的两个耳座，两个轭爪同时分别铰接两个第二连杆306。安装法兰盘302c的安装孔和液压缸303的缸体之间留有间隙，留下缓冲区域。
59.液压缸安装座304安装在安装法兰盘302c上，液压缸303的缸体一端通过第二铰接轴300b铰接在液压缸安装座304上。
60.第二连接座302的每个轭爪的一端固定焊接在安装法兰盘302c上，每个轭爪的另一端开设有第一铰接结构，每个第一铰接结构铰接第一连接座301的一个耳座。
61.两个第一铰接结构正对的一侧还分别设有一个第二铰接结构，每个第二铰接结构铰接一个第二连杆306的一端，每个第二连杆306的另一端铰接一个第一连杆305的中部。
62.每个第一铰接结构包括两个对称的铰接块，两个铰接块均同轴开设有一个第一铰接孔302a，两个第一铰接孔302a之间通过第一铰接轴300a铰接第一连接座301的一个耳座。
63.每个第二铰接结构上开设有第二铰接孔302b，第二铰接孔302b通过一个第六铰接轴300f铰接第二连杆306的第七铰接孔306b。
64.如图6所示，每个铰接轴的外侧面均套装有自润滑轴承308，每个铰接轴的两端均通过螺钉固接有挡圈309，挡圈309防止铰接轴动过程中的松脱。自润滑轴承308的材料为铜
合金或工程塑料合金，自润滑轴承308与所在的铰接孔过盈配合。
65.第一连接座301和第二连接座302之间的各个铰接处均绕自身的轴向方向旋转，第一连接座301和第二连接座302之间的各个铰接处的轴向均平行于第一连接座301的底座板的板面方向。
66.液压缸303和两个第二连杆306之间的铰接处以及液压缸303和液压缸安装座304之间的铰接处均绕自身的轴向方向旋转，液压缸303和两个第二连杆306之间的铰接处的轴向以及液压缸303和液压缸安装座304之间的铰接处的轴向均平行于第一连接座301的底座板的板面方向。
67.发电模块4包括液压马达、变速器和发电机，液压马达的传输轴和变速器的输入轴通过联轴器同步连接，变速器的输出轴和发电机的传输轴通过联轴器同步连接。液压缸303通过铜质硬管或橡胶软管连通发电模块4，即液压缸303出油口连通发电模块4的液压马达的进油口，液压缸303进油口连通发电模块4的液压马达的出油口。
68.液压缸303的液压杆在波浪的作用下往复伸缩，使得液压缸303将波浪能转换为动能，液压缸303将液压压力油通过出油口输送到发电模块4中的液压马达中驱动液压马达旋转从而驱动发电机发电，传输至液压马达中的液压压力油会回流至液压缸303中进行下一次的发电过程。
69.第一连接体1和第二连接体2在波浪的作用下随波浪运动，铰接模块3的第一连接座301和第二连接座302产生相对运动，即第一连接座301的两个耳座和第二连接座302的两个轭爪绕两者间的铰接处往复旋转，带动两个第二连杆306的一端分别绕与两个第二铰接结构的铰接处往复旋转，两个第二连杆306的另一端分别绕与两个第一连杆305中部的铰接处往复旋转，两个第一连杆305的一端绕与连杆支座307的铰接处往复旋转，两个第一连杆305的另一端绕与液压缸303的液压杆的铰接处往复旋转。
70.进而带动液压缸303的液压杆在两个第一连杆305的带动下往复伸缩，液压缸303将波浪能转换为动能，液压缸303将液压压力油通过液压缸303的出油口输送到发电模块4的液压马达的进油口中，驱动液压马达通过变速器驱动发电机发电，传输至液压马达中的液压压力油再从液压马达的出油口处回流至液压缸303的进油口中以完成一次输油回油过程，重复输油回油过程使得波浪能转换装置持续发电。
71.所有产生的旋转运动的轴向均平行于第一连接座301的底座板的板面；在合理设计参数的情况下，即使第一连接座301和第二连接座302之间可能发生360旋转时，液压缸303也不发生终端碰撞的问题，并使得液压缸303的有效行程尽可能充分利用。假如没有第一连杆305和第二连杆306，液压缸303直接铰接在第一连接座301和第二连接座302上，第一连接座301和第二连接座302在发生任意角度旋转时，液压缸303的行程限制需要通过第一连接座301和第二连接座302的机械结构限位来限定，这将带来第一连接座301和第二连接座302的结构强度破坏，结构撞击也将产生整个波浪能转换装置的振动，不利于波浪能转换装置的稳定运行。
72.具体实施例如下：
73.波浪能转换装置的铰接模块3的机构运动简图如图7所示，假设第二连接座302所固接的第一连接体1为固定在海面的平台，则第二连接座302为机架，第一连接座301所固接的第二连接体2为漂浮在海面上的浮体，其可作为主动件，铰接模块3存在多个自由度。
74.假设液压缸303的有效行程tr
ce
为180mm，为充分利用其有效行程进行发电，假设液压缸303的行程不超过180mm，即液压缸不出现终端碰撞问题；同时，第一连接座301和第二连接座302发生旋转转动的角度为任意可转动的角度，设定为360度，这也将为第一连接体1和第二连接体2进行折叠式运输和吊装提供了方便；液压缸303在第二连接座302中运动具有一定的空间适应性要求，并考虑液压缸303摆动稳定性、安全性和高传动效率等要求，采用adams虚拟样机进行参数化建模。
75.在给定主动件第一连接座301绕第一铰接轴300a旋转时转动的方程为：η(t)＝-360
°×
sin(0.2πt)，其中，t为第一连接座301的转动时长，在adams虚拟样机中计算转动时长为5s，即第一连接座301绕第一铰接轴300a顺时针和逆时针各转一周，从图8的计算结果可知，逆时针旋转时，液压缸303先从初始位置压缩了63mm，然后回到初始位置又开始拉伸了117mm，之后再压缩回初始时刻的位置，顺时针旋转时为逆时针相反的运动姿态。因此，在本铰接模块3的设计时，完全可以控制液压缸303的行程，使其不超过或小于液压缸303的有效行程，从而解决液压pto系统的终端碰撞问题。
76.可对铰接模块3的机构进行运动链再生得到如图9所示的机构运动简图，第二连杆306的一端不再铰接于第二连接座302的第二铰接孔302b上，而是铰接在固定于第一连接座301上的连杆支座307的铰接孔上，铰接在连杆支座307铰接孔上的第一连杆305的第五铰接孔305c，变为铰接在第二连接座302的第二铰接孔302b上。
77.由此，本发明波浪能转换装置可解决液压pto系统终端碰撞问题，并充分利用液压缸303的有效行程实现更高的波浪能转换效率；波浪能转换装置的可扩展性能高，易将若干浮体通过本发明的铰接模块3阵列成一个具有多自由度且超高柔性的波浪能发电场；铰接模块3中第一连接座301和第二连接座302发生转动的角度可为任意角度，这为第一连接体1和第二连接体2进行折叠式运输和吊装提供了方便，可降低装置的维护管理难度，具有突出显著的技术效果。
78.本发明波浪能转换装置可通过液压缸一端连接的两种形式的连杆，将液压缸的直线运动限制在其有效行程范围内，并通过优化设计可使液压缸在有限空间内摆动一定范围的角度，且充分利用有效行程吸收波浪能，不仅避免了液压缸的卡死或液压杆断裂等现象，还保障了液压缸的强度，提高液压系统的工作可靠性和俘能效率；铰接模块两端所连接的连接座可转动的角度为任意角度设计，这为装置进行折叠式运输和吊装，解决了现有波浪能发电装置运输需要拆装，吊装需要专门工装等不便；此外，若干浮体可通过本发明的铰接模块阵列成一个具有多自由度且超高柔性的波浪能发电场，各液压pto系统可进行独立发电后汇集，单个铰接模块故障不影响整个波浪能发电场的运行，解决了运行阶段的维护代价。
79.最后，需要说明的是：基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。为了利用第一连接体与第一连接体之间的相对运动来发电，在任何具有相对运动的若干个体之间，如陆上相对运动的多个物体之间，均可装设本发明中的铰接模块3，并配上相应的发电模块4，而不仅限于波浪中若干连接体在波浪作用下的相对运动。只需要将铰接模块3进行相应连接位置或连接形式的修改，既可实现连接体之间的连接，从而利用任何具有相对转动物体的动能。