畢業(yè)論文終稿-擺式波浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)[購(gòu)買(mǎi)贈(zèng)送配套CAD圖紙 論文答辯優(yōu)秀]

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Conversion technology research focused on different forms of conversion means research and application on.This paper briefly introduces the background research status of wave energy conversion technology and domestic and international stage, in-depth The principle and characteristics of different forms of wave energy conversion device. On this basis, a set of The new design of wave energy conversion device. By the results of the reference made in laboratory, theory Analysis and Calculation of research methods and computer-aided modeling and simulation analysis, carried out and completed the following specific .Several research work:He proposed a set of new wave energy conversion device of the overall design. Determining the means "Machinery -Hydraulic systems "physical models and" wave energy - mechanical energy - hydraulic energy - mechanical energy - energy "4-level energy conversion path. And considering the practical application when manufacturing, transportation, installation and maintenance.And other factors, the program has been the transformation of engineering feasibility, forming - scheme "sub-module of the total device"form.By studying various proposed ocean wave energy characteristics of foreign energy devices, which change the mechanical structure and working principle, most of the theoretical conversion efficiency changes or preliminary design. Through the use of wave energy technology is relatively new, related equipment optimized design is still relatively small, similar research has been leading the significance of optimizing the device's design.Keywords: Tilting power generation device, gear, wave energy金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 課題背景及研究意義 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)的世界石油危機(jī)，使得各國(guó)政府和人民清醒地認(rèn)識(shí)到能源安全在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要地位。為了解決能源問(wèn)題，尋找替代的可再生能源日漸成為全球共識(shí)。在此背景之下，世界許多國(guó)家開(kāi)始著手對(duì)海洋能的研究。地球事實(shí)上是一個(gè)水球，海洋面積占地球總表面積的比例超過(guò) 70%，海洋中儲(chǔ)存著巨大的能量。海水在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生多種可再生的能量，主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、海流能、溫差能以及鹽差能等。這些能量統(tǒng)一稱(chēng)為海洋能，其中又以波浪能為最主要形式。國(guó)際能源組織 1994 年公布的報(bào)告指出：波浪能如果被充分開(kāi)發(fā)，最終可提供當(dāng)前全球電力需求的 10%左右，估計(jì)為 20～ 30 億千瓦。我國(guó)海洋能資源十分豐富，可開(kāi)發(fā)利用量估計(jì)達(dá) 10 億千瓦，其中近海波浪能理論平均功率為 1300 萬(wàn)千瓦。 波浪能作為一種儲(chǔ)量巨大的清潔可再生能源，早在 18 世紀(jì)末，人們就開(kāi)始著手對(duì)其進(jìn)行研究，但當(dāng)時(shí)的波浪能研究主要集中在波浪能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明上。一直到世界石油危機(jī)之后，人們才開(kāi)始認(rèn)真地研究波浪能的實(shí)際利用技術(shù)，此后陸續(xù)有多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了波浪能的利用研究。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，世界各國(guó)相繼建成了 20 個(gè)左右的波浪能轉(zhuǎn)換裝置或電站。對(duì)于波浪能轉(zhuǎn)換裝置，目前各國(guó)研制的多半是用于航標(biāo)燈、浮標(biāo)等電源使用的小型波浪能轉(zhuǎn)換裝置。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界約有數(shù)千座該類(lèi)波浪能轉(zhuǎn)換裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，僅日本就有 1500 多座在使用中，我國(guó)也有 500 臺(tái)左右該類(lèi)裝置已投入到實(shí)際運(yùn)行中。目前，波浪能轉(zhuǎn)換裝置理論基本成熟，研究課題主要集中在幾種較佳的方案上，如漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、沿岸固定式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、近岸固定式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、聚波儲(chǔ)能式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置等。 鑒于波浪能利用在成本及其技術(shù)方面仍難以和常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)，波浪能轉(zhuǎn)換裝置在當(dāng)前還不能得到廣泛推廣。但在某些不便利用常規(guī)能源的地區(qū)，如海島和海上設(shè)施能源供應(yīng)，波浪能就顯示出了其特有的優(yōu)越性和生命力。如今能源缺乏已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)諸多島嶼的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)，因此，波浪能的廣泛應(yīng)用對(duì)這些地區(qū)的資源開(kāi)發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著海洋開(kāi)發(fā)向縱深發(fā)展，波浪能可為將來(lái)的海上工程作業(yè)提供便利的電能，解決離岸用電問(wèn)題。目前，開(kāi)發(fā)波浪能的首要任務(wù)是依靠海岸工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步以大幅度提高波浪能的利用效率和盡可能的降低工程造價(jià)。隨著波浪能利用中某些關(guān)鍵技術(shù)的逐步解決，波浪能必將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 全世界對(duì)波浪能利用研究以英國(guó)投入最大。英國(guó)對(duì)利用波浪能研究的重視使其在 20世紀(jì) 80 年代初就已成為世界波浪能研究中心。英國(guó)于 1990 年及 1994 年分別在蘇格蘭伊斯萊島和奧斯普雷建成 75 千瓦振蕩水柱式波浪能發(fā)電站和 300 千瓦固定式岸基波金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論2浪能發(fā)電站。除此之外，英國(guó)還致力于原型波浪能發(fā)電機(jī)組以及導(dǎo)航浮標(biāo)波浪能透平發(fā)電機(jī)組等的研究，它的波浪能利用技術(shù)居世界領(lǐng)先地位，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。英國(guó)波浪能發(fā)電的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是容量為 2 萬(wàn)千瓦的發(fā)電裝置，并使它與陸地電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)，現(xiàn)已經(jīng)完成這個(gè)研究項(xiàng)目。 挪威也于 1984 年及 1985 年在卑爾根島上相繼建成了振蕩水柱式和聚波能流式兩座不同形式的岸式波浪能電站。其裝機(jī)容量分別為 500 千瓦和 350 千瓦，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，目前運(yùn)行狀況良好。在商業(yè)化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的方向，挪威的岸式波浪能發(fā)電技術(shù)已向商品化發(fā)展并打入國(guó)際市場(chǎng)，印尼、美國(guó)、葡萄牙等國(guó)家均與挪威簽訂了相關(guān)技術(shù)引進(jìn)協(xié)議。 日本的波浪能利用研究與開(kāi)發(fā)也十分活躍。其國(guó)內(nèi)的數(shù)十家研究與開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)既明確分工又互相協(xié)作，取得了一系列非常重要的研究成果。日本重視技術(shù)向生產(chǎn)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，使其在波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)用化方面走在了世界前列。從 20 世紀(jì) 80 年代中期至今，日本已建成 4 座岸基固定式和防波堤式波浪能發(fā)電站，單機(jī)容量為 40～125 千瓦，目前運(yùn)行狀況良好。 國(guó)內(nèi)有組織的對(duì)波浪能轉(zhuǎn)換的研究系自 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始。1975 年，上海進(jìn)行了我國(guó)波浪能轉(zhuǎn)換裝置的海上首次試驗(yàn)，但未取得科學(xué)上和實(shí)用上的收獲。如今，波浪能轉(zhuǎn)換研究已由上海擴(kuò)展到大連、青島、廣州、南京等地，目前，國(guó)內(nèi)許多的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都在進(jìn)行相關(guān)的研究。20 世紀(jì)末期，我國(guó)開(kāi)始研制 30 千瓦和 100 千瓦波浪能轉(zhuǎn)換裝置，目前已經(jīng)成功建成發(fā)電站并投入運(yùn)行。 波浪能轉(zhuǎn)換裝置的形式依照裝置的錨系方式的不同可以分為漂浮式和固定式兩種。漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的典型形式主要有鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置及振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置。固定式波能裝置的典型形式主要有振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、聚波式波浪能轉(zhuǎn)換裝置及擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置。下面分別對(duì)這些典型波浪能轉(zhuǎn)換裝置形式進(jìn)行介紹。 1.2.1 漂浮式波浪能裝置的典型形式 1)鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置 英國(guó) Salter 教授于 1974 年開(kāi)發(fā)出鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，該裝置對(duì)二維正弦波的轉(zhuǎn)換效率接近 90%。如圖 1-1 所示，入射波的運(yùn)動(dòng)使動(dòng)壓力可有效推動(dòng)鴨身繞軸旋轉(zhuǎn)，此外，靜壓力的改變也使接近鴨嘴的浮體做升降運(yùn)動(dòng)。由于兩種壓力產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是同相位的，鴨式能夠?qū)?dòng)能和位能同時(shí)通過(guò)液壓裝置轉(zhuǎn)化出去，然后再轉(zhuǎn)換為電能。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論3圖 1-1 鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖在設(shè)計(jì)鴨式波浪能轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，如果將鴨的質(zhì)量重心位置設(shè)計(jì)成可調(diào)的，就可以使其固有周期與波浪周期相匹配，從而最大程度地利用波浪能。研究結(jié)果表明，理想運(yùn)行條件下，鴨式裝置效率接近 90%；但在不規(guī)則波作用下系統(tǒng)效率則要低很多。鴨式裝置雖然是一種有效的波能轉(zhuǎn)換裝置，但它存在嚴(yán)重的不足：裝置可靠性差，在惡劣的海洋環(huán)境下極易損壞。所以鴨式裝置沒(méi)有得到廣泛推廣。 2)筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置 Cockerell 教授和 Haren 教授同時(shí)提出了采用筏式裝置作為波浪能轉(zhuǎn)換裝置的方法。如圖 1-2 所示，筏通過(guò)鉸鏈相互鉸接在一起，能量轉(zhuǎn)換裝置置于每一鉸鏈處，波浪運(yùn)動(dòng)引起筏產(chǎn)生沿鉸接的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而反復(fù)壓縮液壓活塞以輸出機(jī)械能。三聯(lián)筏裝置是最簡(jiǎn)單的一種筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，研究人員對(duì)該裝置作了較廣泛的理論和試驗(yàn)研究。與鴨式裝置運(yùn)行特性相似，當(dāng)系統(tǒng)固有頻率與波浪頻率一致時(shí)，其輸出效率最高。此外當(dāng)筏式裝置在三維波中運(yùn)行時(shí)，其效率有望超過(guò) 100%。這是由于當(dāng)入射波浪的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，入射波和輻射波之間的相互作用在筏附近的波浪產(chǎn)生了聚集效應(yīng)。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論4圖 1-2 筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖筏式波浪能裝置轉(zhuǎn)換的問(wèn)題主要有兩個(gè)：一是筏的實(shí)體尺寸過(guò)大，尤其是在波浪能密度較小的區(qū)域，所需的筏式系統(tǒng)表面積將更加龐大；另一是在惡劣的海洋環(huán)境下如何系泊的問(wèn)題，對(duì)于如此大的筏式系統(tǒng)，系泊問(wèn)題將是最為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，盡管筏式波浪能裝置的轉(zhuǎn)換效率較高，但由于系泊困難及筏費(fèi)用過(guò)高，致使筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)用性顯著降低。 3)振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置 如圖 1-3 所示，振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置利用一個(gè)放置在波浪中的浮子作為裝置的吸能機(jī)構(gòu)，然后將浮子所吸收的能量通過(guò)一個(gè)放在岸上的機(jī)械裝置或液壓裝置轉(zhuǎn)換出去，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該裝置由浮子、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)以及保護(hù)機(jī)構(gòu)等幾部分構(gòu)成。振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置從原理上來(lái)看是利用附體的運(yùn)動(dòng)發(fā)電，與鴨式轉(zhuǎn)換裝置、筏式轉(zhuǎn)換裝置相類(lèi)似。 圖 1-3 振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖目前，日本和美國(guó)的研究人員已研制出了幾種利用浮子相對(duì)于固定或浮動(dòng)參照點(diǎn)的金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論5運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)電的波浪能轉(zhuǎn)換裝置。我國(guó)的中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所也研制了一種該類(lèi)型的發(fā)電裝置——振蕩浮子式岸基波浪能轉(zhuǎn)換裝置，并已對(duì)這種形式的轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行相關(guān)物理模型試驗(yàn)研究。 1.2.2 固定式波浪能裝置的典型形式 1)振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置 振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置主要由前港、氣室、透平機(jī)及發(fā)電機(jī)等部分組成，如圖1-4 所示。在波浪作用下，氣室內(nèi)的水柱產(chǎn)生振蕩，壓縮其上方的氣體往復(fù)通過(guò)透平機(jī)，將波浪能轉(zhuǎn)換變成透平機(jī)的機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 該裝置可以依靠共振來(lái)加強(qiáng)波浪水柱的運(yùn)動(dòng)。氣室內(nèi)的水柱在波浪的作用下上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)本身有一個(gè)固有頻率，當(dāng)波浪的頻率與氣室內(nèi)水柱的固有頻率相近時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振，從而加大氣室內(nèi)水柱的振幅。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裝置處于共振狀態(tài)時(shí)，波浪與氣室內(nèi)水柱的聯(lián)合作用使得物體在波浪前進(jìn)方向的波高增加，而裝置背部的波高則會(huì)減小，從而增加了波浪能轉(zhuǎn)換裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。 圖 1-4 振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)有：透平機(jī)等相對(duì)脆弱的機(jī)械部分不與波浪接觸，只與往復(fù)流動(dòng)的氣體接觸。因此，相對(duì)比與波浪直接接觸的直接式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的抗惡劣氣候性能較好，故障率較低。裝置的缺點(diǎn)有：建造費(fèi)用貴、轉(zhuǎn)換效率低，裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為電能的效率只有 10%～30%。 2)聚波式波浪能轉(zhuǎn)換裝置 聚波式波浪能轉(zhuǎn)換裝置是一種基于聚波理論的波浪能轉(zhuǎn)換裝置。如圖 1-5 所示，聚波式波浪能裝置是由一個(gè)比海平面高的高位水庫(kù)和一個(gè)聚波的聚波波道構(gòu)成。聚波波道是兩道用鋼筋混凝土筑成的對(duì)數(shù)螺旋正交曲面，從海洋中延伸到高位水庫(kù)里，兩道聚波曲面在高位水庫(kù)內(nèi)相接。當(dāng)波浪進(jìn)入聚波波道時(shí)，由于聚波波道的聚波作用，使波浪的金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論6波高增大，使海水越過(guò)鋼筋混凝土墻進(jìn)入高位水庫(kù)中，水庫(kù)里的水通過(guò)一個(gè)低水位的水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。 圖 1-5 聚波式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖聚波式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)是：因在波浪能轉(zhuǎn)換中沒(méi)有活動(dòng)部件參與，故可靠性好、維護(hù)費(fèi)用低、輸出較穩(wěn)定且能量轉(zhuǎn)換效率較高——其轉(zhuǎn)換效率在 65%～75%之間。裝置的缺點(diǎn)是對(duì)海洋地形的要求極高，在實(shí)際工程應(yīng)用中不容易廣泛推廣。 3)擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置 擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理是利用裝置的擺式機(jī)構(gòu)將波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或勢(shì)能，從而直接對(duì)外做功或轉(zhuǎn)換為電能。如圖 1-6 所示，該裝置由擺子機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及發(fā)配電機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。擺子機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能過(guò)程的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能過(guò)程的機(jī)構(gòu)，發(fā)配電機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)電能傳輸過(guò)程的機(jī)構(gòu)。其中擺子機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)換裝置的關(guān)鍵所在，水動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)研究以及能量轉(zhuǎn)換效率提高的研究是研究工作的重點(diǎn)。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論7圖 1-6 擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置原理示意圖擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置較其他類(lèi)型的裝置有許多優(yōu)勢(shì)：裝置的成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠較好地適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境，波浪能轉(zhuǎn)換效率較高。裝置的缺點(diǎn)是：與振蕩水柱式裝置相比，轉(zhuǎn)換效率受擺板后去流段長(zhǎng)度的影響較大，較不穩(wěn)定。 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文的研究是針對(duì)波浪能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)與仿真研究工作來(lái)開(kāi)展的。通過(guò)深入研究波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及波浪能轉(zhuǎn)換裝置的原理，并借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真分析，完成一套新型的波浪能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)和仿真研究工作。通過(guò)本課題的研究工作，可以為后續(xù)進(jìn)行的實(shí)際工程施工應(yīng)用研究及進(jìn)一步深入優(yōu)化研究工作提供非常有價(jià)值的材料。 因此，本課題擬從以下方面來(lái)進(jìn)行研究： 提出一套新型波浪能轉(zhuǎn)換裝置的總體設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步確定裝置的物理模型及能量轉(zhuǎn)換路徑，并綜合考慮實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)的制造、運(yùn)輸、安裝以及維護(hù)等因素，對(duì)方案進(jìn)行工程應(yīng)用可行性改造。 1.4 設(shè)計(jì)和研究的內(nèi)容和重點(diǎn)本論文主要研究的是點(diǎn)頭鴨波浪能發(fā)電裝置的波能采集以及能量轉(zhuǎn)化裝置，總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)零件進(jìn)行分析驗(yàn)證。本文包含：①波能采集器的設(shè)計(jì)②能量轉(zhuǎn)化裝置，即把擺式往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)③傳動(dòng)裝置，把單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)加速后傳到發(fā)電機(jī)④整體框架的設(shè)計(jì)與固定⑤各零部件的受力分析與校核金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　　第 2 章 擺式波浪能發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)8第 2 章 擺式波浪能發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)2.1 概述擺式波浪能發(fā)電裝置是三大商業(yè)應(yīng)用波浪能發(fā)電裝置之一，其主體是隨著波浪擺動(dòng)的擺體，擺體是擺式裝置的一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。在波浪的作用下，擺體作左右擺動(dòng),將波浪能轉(zhuǎn)換成擺體的動(dòng)能。與擺體相聯(lián)的通常是一套液壓裝置，它將擺體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成液壓裝置的動(dòng)能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。擺體的運(yùn)動(dòng)很適合波浪大推力和低頻的特性，因此擺式裝置的轉(zhuǎn)換效率較高,但機(jī)械和液壓機(jī)構(gòu)的維護(hù)較為困難。擺式裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是可以方便地與相位控制技術(shù)相結(jié)合，相位控制技術(shù)可以使波浪能裝置吸收迎波寬度以外的波浪能，從而大大提高裝置的效率。本課題技術(shù)要求：一般說(shuō)來(lái)，一級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置直接與波浪相互作用，將波浪能轉(zhuǎn)換成裝置的動(dòng)能、或水的位能或中間介質(zhì)如液壓油等的壓力能等；二級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置將一級(jí)能量轉(zhuǎn)換所得到的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)能，如水力透平、空氣透平及液壓馬達(dá)等；三級(jí)能量轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。由此三級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置完成了從波浪能到電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了波浪能發(fā)電。本課題研究的工作要求：擺式波浪發(fā)電裝置，其特征在于：該擺式波浪發(fā)電裝置包含一個(gè)主體框架、多個(gè)成列的單向驅(qū)動(dòng)單元、多個(gè)分別連接所述單向驅(qū)動(dòng)單元的擺動(dòng)單元、多個(gè)分別連接所述擺動(dòng)單元的浮體單元、多個(gè)分別連接所述單向驅(qū)動(dòng)單元的均勻轉(zhuǎn)速單元、一個(gè)傳動(dòng)軸、一個(gè)變速單元，及一個(gè)發(fā)電機(jī)；該主體框架包括一個(gè)延伸入水中的舵板；每一個(gè)單向驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置于該主體框架上，并包括一個(gè)輸入齒輪、一個(gè)輸出轉(zhuǎn)軸，及一個(gè)連接于該輸入齒輪與輸出轉(zhuǎn)軸之間的齒輪傳動(dòng)組，該輸入齒輪的順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都能經(jīng)由該齒輪傳動(dòng)組驅(qū)動(dòng)該輸出轉(zhuǎn)軸朝固定方向旋轉(zhuǎn)；每一個(gè)擺動(dòng)單元連動(dòng)該輸入齒輪；每一個(gè)浮體單元包括兩個(gè)分別連接該擺動(dòng)單元的浮體，所述浮體因波浪而交互浮沈，能使該擺動(dòng)單元連動(dòng)該輸入齒輪朝順時(shí)針與逆時(shí)針?lè)较蚪换バD(zhuǎn)；每一個(gè)均勻轉(zhuǎn)速單元與其中一個(gè)輸出轉(zhuǎn)軸連接，所述均勻轉(zhuǎn)速單元經(jīng)由該傳動(dòng)軸連動(dòng)該變速單元；該發(fā)電機(jī)設(shè)置于該主體框架上并接收該變速單元的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能產(chǎn)生電能。2.2 方案設(shè)計(jì)為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較桂實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的擺式波浪發(fā)電裝置其具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　　第 2 章 擺式波浪能發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)9有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，在以下配合參考圖式的較桂實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中將可清楚的呈現(xiàn)。為了方便說(shuō)明，在以下的實(shí)施例中，相同的元件以相同的編號(hào)表示。下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：如圖 2.1 、圖 2.2，圖 2.3 所示，本發(fā)明擺式波浪發(fā)電裝置 200 的第一較桂實(shí)施例包含一個(gè)主體框架 20 、一個(gè)單向驅(qū)動(dòng)單元 30 、一個(gè)均勻轉(zhuǎn)速單元 80 、一個(gè)變速單元 40 、一個(gè)擺動(dòng)單元 50 、一個(gè)浮體單元 60 ，及一個(gè)發(fā)電機(jī) 70 。該主體框架 20 包括多個(gè)相間陽(yáng)地沿一長(zhǎng)方向 X 延伸的第一杠條 21 、多個(gè)相間陽(yáng)地沿一垂直于該長(zhǎng)方向 X 的橫方向 Y 延伸且連接所述第一杠條 21 的第二杠條 22 、兩個(gè)分別設(shè)置于所述第一杠條 21 末端的舵板 23 ，及一個(gè)矗立于所述第一杠條 21 間的支撐架 24.圖 2.1 是說(shuō)明該第一較桂實(shí)施例中，一個(gè)單向驅(qū)動(dòng)單元、一個(gè)均勻轉(zhuǎn)速單元、一個(gè)致動(dòng)擺臂及一個(gè)發(fā)電機(jī)的連接結(jié)構(gòu)的立體圖。圖 2.1　發(fā)電機(jī)連接結(jié)構(gòu)的立體圖圖中， 30-單向驅(qū)動(dòng)單元；31-輸入轉(zhuǎn)軸；32-輸出轉(zhuǎn)軸；33-齒輪傳動(dòng)組； 40-變速單元；51-致動(dòng)擺臂；52-左連動(dòng)臂；53-右連動(dòng)臂；70-該發(fā)電機(jī)；80-均勻轉(zhuǎn)速單元 84-輸出齒輪；330-輸入齒輪；331-第一齒輪；332-第二齒輪；333-第三齒輪；334-第四齒輪。圖 2.2 是說(shuō)明該第一較桂實(shí)施例中，該單向驅(qū)動(dòng)單元、該致動(dòng)擺臂、一個(gè)輸入轉(zhuǎn)軸，及一個(gè)輸出轉(zhuǎn)軸的連接結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　　第 2 章 擺式波浪能發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)10圖 2.2　連接結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖圖中，30-單向驅(qū)動(dòng)單元；31-輸入轉(zhuǎn)軸；32-輸出轉(zhuǎn)軸；33-齒輪傳動(dòng)組； 40-變速單元；51-致動(dòng)擺臂；52-左連動(dòng)臂；70-該發(fā)電機(jī)；80-均勻轉(zhuǎn)速單元；81-接塊；82-第二連接塊；83-彈性元件；84-輸出齒輪；330-輸入齒輪；331-第一齒輪；332-第二齒輪；333-第三齒輪；334-第四齒輪。圖 2.3 是說(shuō)明該第一較桂實(shí)施例的使用情形的示意圖。圖 2.3　使用情形的示意圖圖中，20-主體框架；20-主體框架；50-擺動(dòng)單元； 51-致動(dòng)擺臂；52-左連動(dòng)臂；53-右連動(dòng)金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　　第 2 章 擺式波浪能發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)11臂；54-兩個(gè)輔助擺臂； 55-擺動(dòng)桿；61-浮體；70-發(fā)電機(jī)；330-輸入齒輪。2.3 整體方案論證根據(jù)以往的研究成果可以在波浪能裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展中找到都不是很成熟，很多缺點(diǎn)，如收縮通道式發(fā)電裝置，轉(zhuǎn)換效率低，并在海邊占用空間大，無(wú)沖擊漂浮電力傳輸推廣;岸式波力意味著更高的環(huán)保要求等。該方案采用純吸收機(jī)械建設(shè)和波浪能，轉(zhuǎn)換效率高，占地面積小，維護(hù)方便，便于電力傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換，使高價(jià)值的研究。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 漂浮系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算設(shè)計(jì)流程：根據(jù)一個(gè)工作環(huán)境是浮在海面上，鹽水腐蝕性，耐腐蝕性強(qiáng)的塑料材料，韌性好，適合于制造浮動(dòng)儲(chǔ)存空間。 3.2 主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)擺式波浪能發(fā)電裝置主要通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電的，把擺式的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪傳動(dòng)，然后傳動(dòng)到發(fā)電機(jī)上面去。3.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使相嚙合齒輪的齒數(shù)之間沒(méi)有公約數(shù)，以便使齒輪在使用過(guò)程中各齒之間都能相互嚙合，以加速磨合，模數(shù) 。3?m3.3.1 第一級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)a) 選材料、確定初步參數(shù)1) 選材料 小齒輪：40Cr 鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS大齒輪：45 鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS2) 初選齒數(shù) 小齒輪的齒數(shù)為 Z1=20，則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=20×2.1=423) 齒數(shù)比即為傳動(dòng)比 1.204?i4) 選擇尺寬系數(shù) ψ d 和傳動(dòng)精度等級(jí)情況，參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》并根據(jù)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)選取 ψ d=0.6小齒輪直徑 d1=60mm，則小齒輪的尺寬為 b=ψ d× d1=0.6×60=20mm5) 齒輪圓周速度為：參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選精度等級(jí)為s/m5.10648061????ππ nv9 級(jí)。6) 計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩 T1 mN10.486.25.95.961 ?????npT7) 確定重合度系數(shù) Zε 、Y ε ：由公式可知重合度為 .120.38?????????ε金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13則由手冊(cè)中相應(yīng)公式可知： 87.03695.14???εεZ2.7.025.?εεY8) 確定載荷系數(shù) KH 、K F確定使用系數(shù) KA：查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取使用系數(shù)為 KA=1.85確定動(dòng)載系數(shù) Kv：查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取動(dòng)載系數(shù) Kv=1.10確定齒間載荷分布系數(shù) KHa、K Fa： m/N10/23.703601.4852*21 ????dbTFAtA則 .7.022εZHa 45.69.εYFa載荷系數(shù) KH、K F 的確定，由公式可知 0.315.08.1??????αβVA423.509.3?HaFb) 齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算1) 確定許用應(yīng)力[σ H]① 總工作時(shí)間 th，假設(shè)該切斷機(jī)的壽命為 10 年，每年工作 300 天，每天工作 8 個(gè)小時(shí)，則： h120835??② 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1、N 2??8 6.6.6.6.3110 304570046?? ???????????hiiihv tTtrn7812 15..uNv③ 壽命系數(shù) Zn1、Z n2 ，查閱相關(guān)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取Zn1=1.0、Z n2=1.15④ 接觸疲勞極限?。害?hlim1=720MPa、σ hlim2=580MPa⑤ 安全系數(shù)?。篠 h=1.0⑥ 許用應(yīng)力 [σ h1]、[σ h2]??MPa72019.62lim1 ???hnHhZσσ 34.52li2hnhSσσ金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)142) 彈性系數(shù) ZE 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 》可選取 MPa190?EZ3) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ZH 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可選取 ZH=2.54) 求所需小齒輪直徑 d1????m34.57208.5194.61.09.23 211? ?????????????????hedhuTkσψ ε與初估大小基本相符。5）分度圓直徑 d1,d2601??z m126432???zd6）確定尺寬：取大齒輪尺寬為 b1=20mm小齒輪尺寬取 b2=20mm3.3.2 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)a) 選材料、確定初步參數(shù)1) 選材料 小齒輪：40Cr 鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS大齒輪：45 鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為 260HBS2) 初選齒數(shù) 取小齒輪的齒數(shù)為 18，則大齒輪的齒數(shù)為 18×2.22=403) 齒數(shù)比即為傳動(dòng)比 2.1840?i4) 選擇尺寬系數(shù) ψ d 和傳動(dòng)精度等級(jí)情況，參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》并根據(jù)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)選取 ψ d=2/3初估小齒輪直徑 d1=54mm，則小齒輪的尺寬為 b=ψ d× d1=2/3×39=26mm齒輪圓周速度為：參照手冊(cè)選精度等級(jí)為 9 級(jí)。s/05m.6078460n1??????5) 計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩 T1 mN10.2796.1.9np5.9T 561 ??6) 確定重合度系數(shù) Zε 、Y ε ：由公式可知重合度為 4.1028.3???????????ε則由手冊(cè)中相應(yīng)公式可知： 68.37.4εεZ1.05.2.0??εεY金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)157) 確定載荷系數(shù) KH 、K F確定使用系數(shù) KA：查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取使用系數(shù)為 KA=1.85確定動(dòng)載系數(shù) Kv：查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取動(dòng)載系數(shù) Kv=1.0確定齒間載荷分布系數(shù) KHa、K Fa： m/N10/6.1956840.2121 ?????dbTFAtA則 3.6.022εZHa 47.8.εYFa載荷系數(shù) KH、K F 的確定，由公式可知 2.3.150.81??????αVA?3.4732?HaFc) 齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算1) 確定許用應(yīng)力[ σ H]①總工作時(shí)間 th，假設(shè)該彎曲機(jī)的壽命為 10 年，每年工作 300 天，每天工作 8 個(gè)小時(shí)，則： h120835??②應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1、N 2??7 6.6.6.6.311035. 3045706?? ???????????hiiihv tTtrn6712 1.253.uNv③壽命系數(shù) Zn1、Z n2 ，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取 Zn1=1.33、Z n2=1.48④接觸疲勞極限取：σ hlim1=760MPa、σ hlim2=760MPa⑤安全系數(shù)?。篠 h=1⑥許用應(yīng)力 [σ h1]、[σ h2]??MPa8.103.762lim1 ???hnHhSZσσ .24.2li2hnhσσ2) 彈性系數(shù) ZE 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 》可選取 a190?EZ3) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ZH 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可選取 ZH=2.54) 求所需小齒輪直徑 d1金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16????m0.7 8.124605953/28.1.3 23 211? ?????????????????hedhZuTkσψ ε與初估大小基本相符。5）分度圓直徑 d1,d20431??z m541832???zd6)確定尺寬：取大齒輪尺寬為 b1=39×2/3=26mm小齒輪尺寬取 b2=26mm3.4 軸的校核3.4.1 一軸的校核軸直徑的設(shè)計(jì)式??89m.2740.61nPC2.0159333T6 ?????d取 d=30軸的剛度計(jì)算a) 按當(dāng)量彎矩法校核1) 設(shè)計(jì)軸系結(jié)構(gòu)，確定軸的受力簡(jiǎn)圖、彎矩圖、合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和當(dāng)量彎矩圖。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17圖 3.2 軸的受力轉(zhuǎn)矩彎矩圖2）求作用在軸上的力如表 3.1，作圖如圖 3.2c金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18表 3.1 作用在軸上的力垂直面（Fv） 水平面（Fh）軸承 1 F2=12N F4=891N齒輪 2 = NBvF1367498NFAH?軸承 3 F1=476N F3=1570N帶輪 4 0Fv?1056N?BHF3） 求作用在軸上的彎矩如表 3.2，作出彎矩圖如圖 3.2d、圖 3.2e表 3.2 作用在軸上的彎矩垂直面（Mv） 水平面（Mh）1308N.m9-Ft1??vM -97101???cHFMN.mm合成彎矩Ⅰ截面 ??97128.m.722??Ⅰ 053410498??Ⅱv 15N.m204367-389H??Ⅱ合成彎矩Ⅱ截面 ???1N..532??ⅡM4）作出轉(zhuǎn)彎矩圖如圖 3.2f5）作出當(dāng)量彎矩圖如圖 3.2g，并確定可能的危險(xiǎn)截面Ⅰ、Ⅱ如圖 3.2a。并算出危險(xiǎn)截面的彎矩如表 3.3。表 3.3 截面的彎矩Ⅰ截面 ??10543N.mTM22????ⅠⅠeⅡ截面 6ⅡⅡ6）確定許用應(yīng)力已知軸材料為 45 鋼調(diào)質(zhì)，查表得 =650MPa。用插入法查表得 =102.5MPa，b???b0?=60MPa。??b1????59.01260?????7）校核軸徑如表 3.4金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19表 3.4 驗(yàn)算軸徑Ⅰ截面 ??m621.0M3be????ⅠⅠdⅡ截面 48.31be?ⅡⅡ結(jié)論：按當(dāng)量彎矩法校核，軸的強(qiáng)度足夠。b) 軸的剛度計(jì)算 ??????7171410 2.90.865 233.57 ipiipinipi ILTIILTG?2I4p1d?50832462Ip?d?170348692I5p?d?4365102I7p?d?648385.012. 164829520834671695270483652079?? ?????? ?????所以軸的剛度足夠求作用在軸上的力如表 3.5，并作圖如圖 3-3c表 3.5 作用在軸上的力垂直面（Fv） 水平面（Fh）1 F3=1627N F1=8362N=2381NBvF 867NFAH?金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)202 F4=754N F3=12619N軸 0Fv?21848N?BHF2）計(jì)算出彎矩如表 6，并作圖如圖 3.3d、圖 3.3e表 3.6 軸上的彎矩垂直面（Mv） 水平面（Mh）.m-314825N9.-Fp1??vM16804793.51??cHFMN.mm合成彎矩Ⅰ截面 ????m640N..607.22??Ⅰ 1897?Ⅱv .5317HⅡ合成彎矩Ⅱ截面 ????60..31546722ⅡM3）作出轉(zhuǎn)彎矩圖如圖 3.2f4）作出當(dāng)量彎矩圖如圖 3.2g，并確定可能的危險(xiǎn)截面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的彎矩如表 3.7表 3.7 危險(xiǎn)截面的彎矩Ⅰ截面 ??m1640N.T22????ⅠⅠeⅡ截面 3.MⅡⅡe6）確定許用應(yīng)力已知軸材料為 45 鋼調(diào)質(zhì)，查表得 =650MPa。用插入法查表得b?=102.5MPa， =60MPa??b0???b1??59.0260???7）校核軸徑如表 3.8表 3.8 校核軸徑Ⅰ截面 ??m846.91.0M3be????ⅠⅠdⅡ截面 0.5.31be?ⅡⅡ結(jié)論：按當(dāng)量彎矩法校核，軸的強(qiáng)度足夠。b) 軸的剛度計(jì)算金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3 章 擺式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21??????7171410 2.90.865 233.57 ipiipinipi ILTIILTG?所以軸的剛度足夠.??附：軸二與軸三的校核與軸一相同。取軸二的直徑為 35，軸三的直徑為 30.經(jīng)檢驗(yàn)，合格。3.5 鍵的校核平鍵的強(qiáng)度校核. a) 鍵的選擇 鍵的類(lèi)型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)使用要求和工作狀況來(lái)選擇。選擇時(shí)應(yīng)考慮傳遞轉(zhuǎn)拒的大小，聯(lián)接的對(duì)中性要求，是否要求軸向固定，聯(lián)接于軸上的零件是否需要沿軸滑動(dòng)及滑動(dòng)距離長(zhǎng)短，以及鍵在軸上的位置等。鍵的主要尺寸為其橫截面尺寸(鍵寬 b 鍵高 h)與長(zhǎng)度 L。鍵的橫截面尺寸 b×h 依軸的直徑 d 由標(biāo)準(zhǔn)中選取。鍵的長(zhǎng)度 L 一般可按輪轂的長(zhǎng)度選定，即鍵長(zhǎng)略短于輪轂長(zhǎng)度，并應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列。故根據(jù)以上所提出的以及該機(jī)工作時(shí)的要求，故選用 A 型普通平鍵。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得：鍵寬 b=16mm 鍵高 h=10mm 鍵長(zhǎng) L=30mmb) 驗(yàn)算擠壓強(qiáng)度.平鍵聯(lián)接的失效形式有：對(duì)普通平鍵聯(lián)接而言，其失效形式為鍵，軸，輪轂三者中較弱的工作表面被壓潰。工程設(shè)計(jì)中，假定壓力沿鍵長(zhǎng)和鍵高均勻分布，可按平均擠壓應(yīng)力進(jìn)行擠壓強(qiáng)度或耐磨性的條件計(jì)算，即：靜聯(lián)接 ppkldT][2???式中 ———— 傳遞的轉(zhuǎn)矩 )mN(?———— 軸的直徑 ———— 鍵與輪轂的接觸高度(mm)，一般取 k 2hk?———— 鍵的接觸長(zhǎng)度(mm).圓頭平鍵 l bLl??———— 許用擠壓應(yīng)力 )p][?MPa(鍵的工作長(zhǎng)度 m1)425(???bLl擠壓面高度 10hk轉(zhuǎn)矩 npT65.9?? N09.587..966 ???許用擠壓應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表， Pa][?p?則 擠壓應(yīng)力金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 　　第 3