波浪能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

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1、第44卷第4期2014年4月中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)PERl0DICAL0FOCEANUNIVERSITYOFCHINA44(4)：100～103April．2014研究簡(jiǎn)報(bào)波浪能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)8常宗瑜1，戴源1，常東輝2，鄭中強(qiáng)1(1．中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100；2．山東煙臺(tái)利達(dá)木2IL機(jī)械有限公司，山東煙臺(tái)264100)摘要：移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)是海洋環(huán)境立體觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。遙控水下機(jī)器人(ROV)、自治水下機(jī)器人(AUV)等移動(dòng)平臺(tái)由于需要支持船只和能源供給的限制，影響了它們長(zhǎng)時(shí)間和大范

2、圍使用。本文利用波浪垂蕩運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)一種新型波浪能驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，該系統(tǒng)由水上浮體和水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，利用波浪垂蕩運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)葉片的擺動(dòng)，引起水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)在水平方向向前的升力，使水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)以及水上浮體實(shí)現(xiàn)無(wú)外在能源供給的自主運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)制造了波浪驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了海試。實(shí)驗(yàn)表明，在中等海況條件下可以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的無(wú)動(dòng)力前進(jìn)。該設(shè)計(jì)為海洋環(huán)境調(diào)查、海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)和溢油跟蹤等提供了一種有效的移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。關(guān)鍵詞：機(jī)動(dòng)浮標(biāo)；波浪能；垂蕩；水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)中圖法分類號(hào)：P731文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

3、1672—5174(2014)04—100—04海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006--2020)》指出的海洋研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先主題，浮標(biāo)、潛標(biāo)及水下移動(dòng)平臺(tái)、水面調(diào)查船、海底觀測(cè)站以及衛(wèi)星和航空遙感組成了立體海洋觀測(cè)系統(tǒng)，可以獲取的大范圍、全天候、連續(xù)和長(zhǎng)時(shí)間的序列的海洋觀測(cè)資料。在各類立體海洋觀測(cè)系統(tǒng)中，浮標(biāo)系統(tǒng)是重要的海洋環(huán)境觀測(cè)裝備，具有在惡劣的海洋環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間全天候、連續(xù)、自動(dòng)地對(duì)海洋氣象、水文環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是海洋觀測(cè)岸基站、調(diào)查船和調(diào)查飛機(jī)在空間和時(shí)間上的拓展

4、，具有其他調(diào)查方法無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)，在海洋觀測(cè)中發(fā)揮著巨大的作用。但是浮標(biāo)布放之后只能在固定站位開(kāi)展觀測(cè)，得到站位附近的海洋觀測(cè)要素，重新定位布放需要船只、人員大量消耗。建立自主控制的移動(dòng)海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)是海洋學(xué)家深入研究海洋環(huán)境的迫切需求，最近國(guó)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者提出了機(jī)動(dòng)海洋浮標(biāo)的概念。文獻(xiàn)[1]開(kāi)發(fā)了一種用于河流和淺海的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)AutonomousSurfaceMobileVehicle(ASMV)，它可以監(jiān)測(cè)給定的位置和路徑的海洋環(huán)境，并可以根據(jù)指令自主解錨和錨定，如圖1(a)所示；文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)了一種海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)O

5、ASIS(OceanAtmos—phereSensorIntegrationSystem)，具有監(jiān)測(cè)海一氣界面通量、赤藻發(fā)生及其他氣象和水文資料的功能，如圖1(b)所示；文獻(xiàn)[3]開(kāi)發(fā)的Scout浮標(biāo)可以通過(guò)螺旋槳和導(dǎo)航控制實(shí)現(xiàn)給定站點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)，如圖1(c)所示；文獻(xiàn)[4]提出了一種可以追蹤溢油的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)(SpilledOilTrackingAutonomousBuoy)，如圖1(d)。此外還有已廣泛應(yīng)用的ROV和AUV等。這些非漂浮的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)都需要自帶能源供應(yīng)，能量供給的限制大大阻礙了移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)在長(zhǎng)時(shí)間大范

6、圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)。——■霸囊墓鑫渤逸麓*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(051175484)資助收稿日期：2013—04—09；修訂日期：2013—0710作者簡(jiǎn)介：常宗瑜(1973)，男，教授，博導(dǎo)。E-mail：zongyuchang@OUC．edu．cn(c)SCOUT(d)SOTAB圖l典型機(jī)動(dòng)浮標(biāo)Fig．1Thetypicalmobilebuoy4期常宗瑜，等：波浪能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本文提出了一種能夠利用波浪能驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，它可以利用波浪的升沉振蕩轉(zhuǎn)化為向前運(yùn)動(dòng)。文中介紹了該浮標(biāo)的工作原理，給

7、出了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和樣機(jī)，并對(duì)該浮標(biāo)進(jìn)行了海上試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該機(jī)構(gòu)可以JI頃,N在波浪作用下前進(jìn)。1基本原理海洋中的波浪經(jīng)久不息地做著起伏運(yùn)動(dòng)，海水中的每個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)主要以垂蕩運(yùn)動(dòng)為主，輔以小幅度的水平運(yùn)動(dòng)，而且隨著深度的增加波浪的振動(dòng)情況會(huì)大大減少，波浪水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以及與水深的關(guān)系如圖2所示。圖2波浪質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)Fig．2Themotionofthewaveparticle本文敘述的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)就是利用了海洋表面的波浪垂蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)作為推動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的動(dòng)力，其工作機(jī)理如圖3所示。從圖上可以看到，當(dāng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)處于靜水中時(shí)，水下

8、推進(jìn)裝置處于水平狀態(tài)，圖3(a)所示，當(dāng)水面浮體在波浪的作用下向上移動(dòng)的時(shí)候，葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相對(duì)水流垂直向下作用在葉片上，分解為垂直于葉片的法向力和沿著葉片的切向力，其中法向力就會(huì)產(chǎn)生推動(dòng)葉片向前移動(dòng)的一個(gè)推力，如圖3(b)所示。同樣道理，當(dāng)水面浮體在波浪作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，水流作用下垂直向上作用在葉片上，分解為向上的法向力和沿