可發(fā)電滾輪導(dǎo)纜器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

葛江宇， 陳盼， 羅準(zhǔn)， 朱邦杰， 林鐘衛(wèi)， 付宗國(guó)

（1.浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山316022；2.舟山市知?jiǎng)?chuàng)科技開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

船舶系泊裝置主要包括帶纜樁、導(dǎo)纜孔、滾輪導(dǎo)纜器等裝置，而滾輪導(dǎo)纜器是船舶系泊裝置中的一個(gè)最主要的部分，它的作用是改變船舶纜繩的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)船舶?？坑诖a頭時(shí)，需要使用絞車?yán)|繩，將船舶牽引至碼頭邊，在牽引的過(guò)程中纜繩由于受到的力方向一直發(fā)生變化，所以需要通過(guò)滾輪導(dǎo)纜器提供導(dǎo)向，改變纜繩的運(yùn)動(dòng)方向，節(jié)省牽引力并且極大地減少了纜繩的摩擦磨損，提高纜繩使用壽命[1-3]。

導(dǎo)纜器安裝位置為船舶甲板上，并且可以根據(jù)不同船舶類型、船舶的功能及船舶內(nèi)部布線結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置導(dǎo)纜器的安裝位置，以便達(dá)到最高效地發(fā)電和提高電力傳輸?shù)男省?/p>

在纜繩牽引的過(guò)程中，纜繩與滾輪導(dǎo)纜器之間有著極大的壓力值，本文由此設(shè)計(jì)一種可發(fā)電的滾輪導(dǎo)纜器，通過(guò)該裝置將船舶系泊過(guò)程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，高效環(huán)保，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)具有重要意義[4]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于船舶導(dǎo)纜器裝置的研究設(shè)計(jì)比較多，有萬(wàn)向?qū)Ю|器、羊角單滾輪導(dǎo)纜器等，其研究方向大體為新型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以提高產(chǎn)品性能和效率，或者在裝置運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行一些模擬力實(shí)驗(yàn)和模擬分析，亦或是對(duì)于導(dǎo)纜器材料的研究。而本文是在導(dǎo)纜器上設(shè)計(jì)一種可發(fā)電裝置，在使用過(guò)程中將壓力能轉(zhuǎn)化為電能，該研究方向值得今后深入研究和探討[5-6]。

2 滾輪導(dǎo)纜器結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)了一種可發(fā)電的滾輪導(dǎo)纜器，主要包括外殼底座部分、輥軸部分、滾輪發(fā)電部分；主體為滾輪發(fā)電部分，其中又可以細(xì)分為滾輪外體部分、滾輪內(nèi)部發(fā)電部分，滾輪導(dǎo)纜器具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滾輪導(dǎo)纜器組成

2.1 外殼底座部分

底座的上側(cè)面垂直固連有若干個(gè)安裝軸，安裝軸與底座部分相連接，用于滾輪的安裝定位；外殼部分中的保護(hù)欄桿由垂直部分與水平部分組成，在作業(yè)過(guò)程中若纜繩脫離滾輪，則能保護(hù)周圍人員生命安全；外殼部分中還有保護(hù)蓋，可用于遮擋雨水對(duì)裝置的影響，也避免了太陽(yáng)暴曬對(duì)裝置的長(zhǎng)期影響，延長(zhǎng)裝置使用壽命。

2.2 輥輪部分

水平部分的護(hù)欄上設(shè)置輥輪，輥輪位于2個(gè)可發(fā)電的滾輪之間，起到輔助作用，即當(dāng)船用纜繩受不同方向的外力作用即將滑出滾輪的作用范圍時(shí)，為了防止失去纜繩掉出兩滾輪作用范圍外，起到輔助限位作用，確保纜繩一直處于兩滾輪之間以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。若大型船只噸位較大，或者使用到多個(gè)滾輪時(shí)，應(yīng)該增加輥輪的個(gè)數(shù)，以便分擔(dān)外力的作用，更好地起到限位作用。

2.3 滾輪發(fā)電部分

2.3.1 滾輪外體部分

滾輪外體部分主要是滾輪主體，滾輪安裝于外殼底座部分的安裝軸上，與安裝軸的圓柱面連接，減小了絞車?yán)瓌?dòng)纜繩時(shí)所用的力，提高了系泊效率[7]。

2.3.2 滾輪內(nèi)部發(fā)電部分

根據(jù)梁嘉俊等[8]的設(shè)計(jì)，本文對(duì)滾輪發(fā)電裝置進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新和完善，滾輪的輪面中設(shè)計(jì)有多個(gè)安裝盲孔用于安裝定位，在安裝盲孔內(nèi)，活動(dòng)塊沿軸向的滑槽滑動(dòng)，安裝盲孔的底部裝有若干壓電陶瓷板，當(dāng)壓電陶瓷板受到一定的壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電能。壓電陶瓷板與活動(dòng)塊之間設(shè)有多個(gè)復(fù)位彈簧，復(fù)位彈簧的頂部連接于活動(dòng)塊的底部，活動(dòng)塊的底部還設(shè)有多個(gè)限位塊，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

S.Roundy和P.Kwright[9]發(fā)明了一種利用壓電陶瓷材料，用于無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)自供電的壓電電源，該電源可以依靠環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生電能對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。電能收集采用電容式存儲(chǔ)方式，并能在2.5 m/s2的加速度、120 Hz頻率和1.6%輸出占空比的情況下，在1 cm3大小的模型上產(chǎn)生375 μW電功率,根據(jù)其研究成果和結(jié)論，證明利用壓電陶瓷材料而進(jìn)行的發(fā)電能夠用于工程實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)齊洪東等[10]的研究，壓電陶瓷能夠滿足環(huán)境自適應(yīng)的供電需求，并且有環(huán)保無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、維護(hù)維修方便、成本低等特點(diǎn)。根據(jù)船舶工作環(huán)境下，采用最合適的壓電陶瓷材料以適應(yīng)環(huán)境條件，這樣可以產(chǎn)生最高的發(fā)電效率，可以用于工程實(shí)際應(yīng)用。

滾輪導(dǎo)纜器安裝在船體結(jié)構(gòu)上，在具體的工作過(guò)程中，纜繩穿過(guò)滾輪，當(dāng)船體靠岸時(shí)，岸邊絞車等裝置拉動(dòng)纜繩，此時(shí)纜繩緊繃，纜繩給滾輪的外輪面施加一個(gè)壓力，傳遞給活動(dòng)塊，而通過(guò)滑槽導(dǎo)向受力內(nèi)壓，推向安裝盲孔的內(nèi)部，由于滑槽的設(shè)置及活動(dòng)塊和滑槽的配合作用下，活動(dòng)塊只能沿著安裝盲孔的軸向滑動(dòng)，難以發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)彈簧被壓縮，當(dāng)壓縮到一定程度時(shí)，限位塊觸碰到底部，防止復(fù)位彈簧進(jìn)一步壓縮而損壞，限位塊也起到防止活動(dòng)塊滑出限定滑槽的范圍和安裝盲口的范圍外。

圖2 滾輪內(nèi)部發(fā)電部分

隨著壓力的增大，限位塊受到來(lái)自于活動(dòng)塊的壓力，向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一定壓力時(shí)與安裝盲孔底部的壓電陶瓷板觸碰，此時(shí)的壓力傳遞到壓電陶瓷板上，壓電陶瓷板受到壓力產(chǎn)生了電能，由此實(shí)現(xiàn)了壓力能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。

纜繩與滾輪的輪面發(fā)生摩擦，帶動(dòng)滾輪繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，活動(dòng)塊在未受力時(shí)受到復(fù)位彈簧作用復(fù)位，受纜繩壓力時(shí)沿滑槽方向運(yùn)動(dòng)，由此纜繩可以持續(xù)擠壓滾輪輪面上不同位置的若干活動(dòng)塊，增加活動(dòng)塊及盲孔底部的壓電陶瓷板的數(shù)量可以增加發(fā)電量。此外，限位塊除了作為壓力媒介外，也作為限位裝置，防止復(fù)位彈簧被過(guò)度壓縮而失去復(fù)位的能力，保證了裝置的使用壽命[11]。

滾輪的頂部設(shè)有與壓電陶瓷板電直接連接蓄電池組，蓄電池組可以將壓電陶瓷板產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在必要時(shí)用于自身作業(yè)的照明使用，不僅實(shí)現(xiàn)裝置電能的自我供應(yīng)也可為其他裝置提供電力。

外殼底座部分設(shè)置有凹槽，凹槽內(nèi)部裝有LED燈，LED燈的供電系統(tǒng)與蓄電池相連。在夜間或者周圍照明環(huán)境弱的時(shí)候，可以手動(dòng)打開(kāi)LED燈[12-13]，為作業(yè)時(shí)提供照明保障，方便操作人員的工作，提高了操作安全性。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）活動(dòng)塊受到作業(yè)時(shí)的纜繩的壓力后，沿滑槽方向運(yùn)動(dòng)，其受到的壓力通過(guò)限位塊傳遞到壓電陶瓷板上，將壓力能轉(zhuǎn)化為電能。

2）由于作業(yè)過(guò)程中，滾輪圍繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有受到纜繩壓力的活動(dòng)塊受到復(fù)位彈簧往外的推力，使活動(dòng)塊復(fù)位，等待下一次擠壓發(fā)電，并且每個(gè)滾輪上裝有多個(gè)活動(dòng)塊，增加了發(fā)電量。

3）防護(hù)欄桿及輥輪裝置可以防止纜繩脫離滾輪，避免纜繩受力掉出兩滾輪的工作范圍，減少了重新安裝的工作量，保證了作業(yè)人員的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)系泊裝置中的滾輪導(dǎo)纜裝置，設(shè)計(jì)改進(jìn)了一款可發(fā)電的滾輪導(dǎo)纜裝置，能在船舶系靠于碼頭、浮筒或他船時(shí)，將纜繩和滾輪之間產(chǎn)生的壓力能轉(zhuǎn)化為電能，并且將電能儲(chǔ)存用于自給或者他用，體現(xiàn)綠色能源的高效利用，為今后相關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供思路和方法。