水鳥式無人艇平臺(tái)的能量補(bǔ)充系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

方子帆 覃 琳 徐 浩 鄭小偉 余紅昌 謝哲雨 何孔德

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

無人艇平臺(tái)作為陸地向海洋的延伸，對(duì)于人們進(jìn)行海洋開發(fā)，資源探測，能源補(bǔ)給等活動(dòng)起到了非常大的幫助，而水鳥式無人艇平臺(tái)是一類在海洋環(huán)境下具有一定搭載功能的可移動(dòng)式工程裝備，作為小型化的海洋工程設(shè)備，其具備可移動(dòng)性，長續(xù)航性等特點(diǎn).因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境較為復(fù)雜，無人艇航行狀態(tài)下需要較大的能源提供其動(dòng)力需求，通常這部分能源由蓄電池來提供電能，而在長時(shí)間航行中，能源緊缺問題難以避免，因此長時(shí)間遠(yuǎn)距離航行下的小型無人艇平臺(tái)需要搭載適合其工作環(huán)境的能量補(bǔ)充系統(tǒng)[1].

Mc Kinney和DeLaurier教授[2]首次提出了基于沉浮俯仰耦合撲翼振型實(shí)現(xiàn)能量采集的新概念，撲翼在流場作用下產(chǎn)生沉浮和俯仰運(yùn)動(dòng)，將來流能量流轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量采集.Mohammad-Reza Alam教授[3]根據(jù)泥濘沿岸的波阻效應(yīng)，提出了具有粘彈性的“波-能轉(zhuǎn)換地毯”，通過對(duì)其系統(tǒng)彈性、阻尼系數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能量吸收率達(dá)到6.5 k W/m2.Rico H.

Hansen和M.M.Kramer等教授[4]利用虛擬彈性元件特性，研究了波浪能采集系統(tǒng)反饋控制理論，對(duì)陣列式多浮子采集方式進(jìn)行了海試研究，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到70%.鄧見和戴濱等[5]對(duì)兩自由度全被動(dòng)海流能量采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，最高采集效率接近20%.盛松偉[6]設(shè)計(jì)了一種液壓式和直驅(qū)式組合的鷹式波浪能發(fā)電裝置，通過模型試驗(yàn)優(yōu)化了系統(tǒng)中的參數(shù)配置，提高了能量轉(zhuǎn)換效率.

目前海洋無人艇平臺(tái)的航行動(dòng)力和探測動(dòng)力主要依靠蓄電池提供，電池電量較低時(shí)無人艇平臺(tái)無法自行補(bǔ)充電能，需要返航依靠工作人員維護(hù).為此，對(duì)適用于無人艇平臺(tái)的搭載式波浪能利用技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種水鳥式海上無人艇平臺(tái)的波浪能能量補(bǔ)充系統(tǒng)，利用波浪能采集機(jī)構(gòu)和隨機(jī)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了波浪能的采集、轉(zhuǎn)換、合并以及穩(wěn)定等功能.

1 水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)

1.1 水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)工作原理

此能量補(bǔ)充系統(tǒng)搭載于水鳥式無人艇平臺(tái)上，其能量補(bǔ)充原理為：海洋無人艇平臺(tái)受到波浪的作用力而產(chǎn)生橫搖、縱搖、垂蕩等運(yùn)動(dòng)，利用波浪浮子收集并獲得穩(wěn)定且可利用的機(jī)械能，連桿機(jī)構(gòu)連接液壓缸的活塞桿，通過液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和穩(wěn)定，通過液壓馬達(dá)將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電，最后在蓄電池中存儲(chǔ)或者用于電氣結(jié)構(gòu)的供能.

圖1說明了能量采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)參數(shù)傳遞關(guān)系.水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)的組成部分主要為波浪浮子、連桿機(jī)構(gòu)、液壓缸、溢流閥、蓄能器、液壓馬達(dá)、永磁同步直流發(fā)電機(jī).根據(jù)能量流動(dòng)以及信息傳遞的方向，將波浪能量采集系統(tǒng)與隨機(jī)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)串聯(lián)設(shè)計(jì)，形成波浪能到機(jī)械能再到液壓能的能量流，完成波浪能量的采集與轉(zhuǎn)換過程.

圖1 能量采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)參數(shù)傳遞關(guān)系

1.2 波浪能采集機(jī)構(gòu)

水鳥的翅膀結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的流場中會(huì)得到升力[7]，從而采集能量，撲翼浮子在海水中的運(yùn)動(dòng)與水鳥翅膀在空氣中的運(yùn)動(dòng)情況相似.利用連桿機(jī)構(gòu)模擬水鳥翅膀的運(yùn)動(dòng)方式，使撲翼浮子在海水中上下拍動(dòng).

作為波浪能采集機(jī)構(gòu)的一部分，四連桿機(jī)構(gòu)具備傳遞物體的運(yùn)動(dòng)與傳遞波浪力的作用.四連桿機(jī)構(gòu)作為重要的傳動(dòng)部件，其兩端連接浮子與液壓活塞桿，在幾何空間上對(duì)機(jī)構(gòu)的布置產(chǎn)生影響，并直接關(guān)系液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況.

圖2 波浪能采集機(jī)構(gòu)工作原理

浮子的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿的一端與液壓缸活塞桿相連，帶動(dòng)活塞桿作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng).

1.3 隨機(jī)能量液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

液壓傳動(dòng)方式在海洋裝備中運(yùn)用廣泛，液壓系統(tǒng)布置靈活，相比于機(jī)械結(jié)構(gòu)在空間布局上更為合適，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，同時(shí)可以方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合并以及元件運(yùn)動(dòng)速度的控制.

該液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作時(shí)，信號(hào)來源9是液壓缸活塞桿1的速度信號(hào)和位移信號(hào)，實(shí)際為浮子的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng).液壓缸1的活塞桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，液壓缸向兩側(cè)排出液壓油，另一個(gè)腔體需要補(bǔ)油來平衡液壓缸活塞桿左右的壓力差，液壓油從油箱3中提供，通過單向閥2進(jìn)行補(bǔ)油.液壓缸兩個(gè)腔體排出的液壓油經(jīng)過止回閥4能夠合并到同一液壓管道.根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)，系統(tǒng)需要設(shè)置兩組液壓能量轉(zhuǎn)換裝置，兩組液壓缸受到的力載荷相同，其液壓油的流量和壓力也基本相同，經(jīng)過液壓管道的合并，利用溢流閥5的穩(wěn)壓特性，設(shè)定液壓管道壓力上限，超過額定壓力的液壓油將從溢流閥流向油箱，防止系統(tǒng)壓力過載.結(jié)合蓄能器6對(duì)流量的緩沖，達(dá)到削峰填谷的作用，同時(shí)設(shè)置節(jié)流閥7，使得液壓管道的流量達(dá)到穩(wěn)定，通過液壓馬達(dá)8的轉(zhuǎn)換，液壓能將轉(zhuǎn)換為較為穩(wěn)定的機(jī)械能.

圖3 液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案

1.4 系統(tǒng)總體方案

海洋無人艇平臺(tái)的結(jié)構(gòu)方式有多種.在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，利用Pro/E三維建模軟件，建立水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)的三維模型.波浪能采集機(jī)構(gòu)依靠兩個(gè)支點(diǎn)鉸接于無人艇平臺(tái)內(nèi)腔，浮子在海水的作用下上下升沉運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使連桿機(jī)構(gòu)繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)另一端的液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，水鳥式無人艇平臺(tái)及其能量補(bǔ)充系統(tǒng)三維模型如圖4所示.

圖4 水鳥式無人艇平臺(tái)及其能量補(bǔ)充系統(tǒng)三維模型

2 無人艇平臺(tái)浮子的振動(dòng)模型和波浪力計(jì)算

2.1 無人艇平臺(tái)浮子的振動(dòng)模型

只對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，當(dāng)浮子在波浪繞動(dòng)力FZZ作用下做垂蕩運(yùn)動(dòng)，可以建立振動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

式中，D為浮子的重量；g為重力加速度；λZZ為由水的附加質(zhì)量引起的附加慣性力矩；γ為水的重度；SW為浮子水線面面積.

2.2 海況分析

結(jié)合中國南海釣魚島海域波浪情況[8]，對(duì)3種常見海況波浪環(huán)境下的物體受力進(jìn)行分析.表1表示了2、3、4級(jí)海況的波浪相關(guān)參數(shù).

表1 多級(jí)海況的波浪相關(guān)參數(shù)

2.3 波浪力分析模型

利用Matlab軟件，建立浮子和船體的波浪力計(jì)算模型，計(jì)算不同海況下浮子與船體在不同時(shí)間所受波浪力.船體底部接近半圓形，在計(jì)算波浪力時(shí)可作簡化處理，將船體視為水平圓柱物體進(jìn)行計(jì)算.借助弗汝德—克雷洛夫(Froude-Krylov)假定法[9]，可以計(jì)算出波浪對(duì)浮子的波浪激勵(lì)力，水平圓柱浮體上的垂直波浪力為

式中：

將浮子結(jié)構(gòu)簡化為水平圓柱浮子，其長度L=2 m，半徑R=0.5 m.

在Matlab中建立浮體和船體受力方程.為了方便計(jì)算，將船體等效為水平圓柱進(jìn)行計(jì)算，并且不考慮船體和浮子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng).計(jì)算出2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)海況下波浪對(duì)集中質(zhì)量m1，集中質(zhì)量m2，以及浮子m3的綜合作用力F(t)，F(xiàn)(t)為波浪浮力和物體垂直作用力的總和，詳細(xì)結(jié)果如圖5～7所示.

圖5 2、3、4級(jí)波浪對(duì)船體集中質(zhì)量m 1的作用力F(t)

圖6 2、3、4級(jí)波浪對(duì)船體集中質(zhì)量m 2的作用力F(t)

圖7 2、3、4級(jí)波浪對(duì)浮子m 3的作用力F(t)

3 能量補(bǔ)充系統(tǒng)仿真研究

3.1 虛擬樣機(jī)模型

利用Adams多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，建立水鳥式無人艇平臺(tái)及其能量補(bǔ)充系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖8所示.

圖8 Adams虛擬樣機(jī)模型

定義各零件質(zhì)量參數(shù)，其中浮子質(zhì)量200 kg，船體質(zhì)量3 000 kg，連桿和各連接件質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響較小，可忽略其影響.由于只考慮船的升沉俯仰運(yùn)動(dòng)，把船的前后兩端簡化為集中質(zhì)量m1、m2，在浮子質(zhì)心處設(shè)定集中質(zhì)量m3，在m3以及船體的質(zhì)量點(diǎn)m1和m2處分別建立拉壓彈簧阻尼器單元，設(shè)置其對(duì)應(yīng)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù).Adams模型詳細(xì)剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2.

表2 Adams模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)

將Matlab計(jì)算結(jié)果輸入至Adams波浪采集系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中.在Adams軟件中得到浮子、連桿結(jié)構(gòu)和船體的運(yùn)動(dòng)以及受力情況，提取連桿結(jié)構(gòu)與液壓缸活塞桿相連部位的速度與位移參數(shù)，利用Adams/Contorls接口插件導(dǎo)出Adams數(shù)據(jù)，將兩個(gè)輸出參數(shù)作為AMESim軟件的輸入?yún)?shù)，輸入至AMESim液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型中，利用液壓回路特性實(shí)現(xiàn)能量的換向、合并與穩(wěn)定過程，最終能量通過液壓馬達(dá)輸出，得到液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速與扭矩等參數(shù)，同時(shí)液壓缸活塞桿的推力將反饋?zhàn)饔玫紸dams模型中，對(duì)能量采集機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響[10-12].圖9為水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，表3為AMESim模型相關(guān)參數(shù)設(shè)定情況.

圖9 水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

表3 AMESim相關(guān)參數(shù)設(shè)定

3.2 多級(jí)海況環(huán)境下系統(tǒng)性能分析

為了模擬水鳥式移動(dòng)平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)海浪中的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合我國南海海域常見波浪級(jí)別，研究系統(tǒng)在2級(jí)，3級(jí)以及4級(jí)海況下的響應(yīng)情況，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以較為方便地建立水鳥式移動(dòng)平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)仿真模型.

該聯(lián)合仿真采用Discrete共仿真模型，仿真計(jì)算方式為Interactive交互式運(yùn)行方式，其優(yōu)點(diǎn)時(shí)在聯(lián)合仿真時(shí)能夠?qū)崟r(shí)觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，方便對(duì)仿真計(jì)算進(jìn)行監(jiān)控.為了Adams軟件與AMESim聯(lián)合仿真的誤差盡可能減小，需將仿真步長和終止時(shí)間設(shè)定為與Adams模型中波浪激勵(lì)力的時(shí)間步長相同，設(shè)定仿真終止時(shí)間為30 s，仿真步長設(shè)置為0.1s.圖10為多級(jí)海況下液壓缸活塞桿位移，圖11為多級(jí)海況下液壓缸反饋力.

圖10 多級(jí)海況下液壓缸活塞桿位移

圖11 多級(jí)海況下液壓缸反饋力

在2級(jí)海況下，液壓缸活塞桿位移在400 mm到450 mm之間；液壓缸反饋力在第一個(gè)周期較大，達(dá)到800 N，之后在400 N至-200 N之間往復(fù)變化.

在3級(jí)海況下，液壓缸活塞桿位移在300 mm到560 mm之間；液壓缸反饋力在-600 N至1 300 N之間往復(fù)變化.

在4級(jí)海況下，液壓缸活塞桿位移在120 mm到650 mm之間；液壓缸反饋力在-1 000 N至1 750 N之間往復(fù)變化.

3.3 系統(tǒng)輸出分析和轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算

3.3.1 系統(tǒng)輸出分析

借助Adams/Machinery Motor模塊，根據(jù)輸入電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，即可輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，能夠較為真實(shí)地模擬出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效果.

在2級(jí)海況下，發(fā)電機(jī)扭矩穩(wěn)定在1.7 N·m，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為152 r/min，感應(yīng)電動(dòng)勢平均值為4 V，發(fā)電機(jī)輸出功率平均值為26 W.

圖12 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖13 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)扭矩

圖14 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢

圖15 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出功率

在3級(jí)海況下，發(fā)電機(jī)扭矩穩(wěn)定在4.7 N·m，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為410 r/min，感應(yīng)電動(dòng)勢平均值為11 V，發(fā)電機(jī)輸出功率平均值為210 W.

在4級(jí)海況下，發(fā)電機(jī)扭矩穩(wěn)定在7 N·m，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速5s后較為穩(wěn)定，并在580 r/min至610 r/min之間周期變化.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，感應(yīng)電動(dòng)勢平均值為16 V，發(fā)電機(jī)輸出功率平均值為400 W.

3.3.2 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算

系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率η指的是水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)中電能輸出功率Po與系統(tǒng)的波浪能采集功率Pi之比，它反映了系統(tǒng)內(nèi)部工作效率，是系統(tǒng)在不同海況下工作情況的評(píng)價(jià)指標(biāo).系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率η可由以下公式進(jìn)行計(jì)算

發(fā)電機(jī)的輸出功率Po可由Adams發(fā)電機(jī)模型的仿真結(jié)果得到，通過聯(lián)合仿真模型結(jié)果后處理，可以計(jì)算出波浪浮子的采集功率Pi.波浪采集機(jī)構(gòu)工作時(shí)，波浪能具有的動(dòng)能以及勢能轉(zhuǎn)化為波浪浮子的動(dòng)能以及勢能.在波浪浮子達(dá)到位移最高點(diǎn)的時(shí)刻，其動(dòng)能將全部轉(zhuǎn)換為勢能，因此求解特定海況下一個(gè)周期之中波浪浮子的最大勢能，即可求解出波浪在一個(gè)周期中對(duì)浮子所做的功，在已知波浪周期的情況下，可以求出波浪浮子的采集功率Pi.一個(gè)周期內(nèi)浮子的最大勢能Ep(不考慮浮子與船體之間的相對(duì)位移)可表示為

式中，hmax為單個(gè)周期中浮子的最大位移(m)；h0為單個(gè)周期中浮子的最小位移(m).

浮子獲取最大勢能Ep的時(shí)間為半個(gè)周期，因此浮子的采集功率可表示為

得到不同海況下的浮子位移變化后，便可求出半個(gè)周期內(nèi)浮子獲得的最大勢能，從而計(jì)算出浮子的能量采集功率，進(jìn)而得到水鳥式移動(dòng)平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)的發(fā)電效率.經(jīng)過計(jì)算，多級(jí)海況下的發(fā)電效率見表4.

表4 多級(jí)海況下的系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率

從以上結(jié)果可以分析出，在2級(jí)海況時(shí)，波浪蘊(yùn)含的能量少，浮子采集功率也較低，而此時(shí)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率較低，僅為12.73%，當(dāng)波浪等級(jí)為3級(jí)時(shí)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率有了大幅提升，增加至41.95%，而當(dāng)波浪等級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)小幅下降，降低至36.23%.這說明在低海況時(shí)水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率較低，而在中海況下系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率較高.

4 結(jié) 論

為了解決水鳥式無人艇平臺(tái)在遠(yuǎn)距離長時(shí)間的動(dòng)力供給問題，文章提出了一種水鳥式無人艇平臺(tái)能量補(bǔ)充系統(tǒng)，其中包含兩部分，分別是波浪能采集系統(tǒng)與隨機(jī)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng).文章采用數(shù)值計(jì)算與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展波浪能采集機(jī)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)建模與分析以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析，仿真試驗(yàn)等問題研究，為波浪能發(fā)電技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供積極指導(dǎo)意義.