波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计.pdf

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1、第44卷第4期2014年4月中国海洋大学学报PERl0DICAL0FOCEANUNIVERSITYOFCHINA44(4)：100～103April．2014研究简报波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计8常宗瑜1，戴源1，常东辉2，郑中强1(1．中国海洋大学工程学院，山东青岛266100；2．山东烟台利达木2IL机械有限公司，山东烟台264100)摘要：移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制，影响了它们长时间和大范

2、围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标，该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成，利用波浪垂荡运动，推动水下推进机构叶片的摆动，引起水下推进机构在水平方向向前的升力，使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机，并进行了海试。实验表明，在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。关键词：机动浮标；波浪能；垂荡；水下推进机构中图法分类号：P731文献标志码：A文章编号：

3、1672—5174(2014)04—100—04海洋生态环境监测技术和设备是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006--2020)》指出的海洋研究的重点领域和优先主题，浮标、潜标及水下移动平台、水面调查船、海底观测站以及卫星和航空遥感组成了立体海洋观测系统，可以获取的大范围、全天候、连续和长时间的序列的海洋观测资料。在各类立体海洋观测系统中，浮标系统是重要的海洋环境观测装备，具有在恶劣的海洋环境下，长时间全天候、连续、自动地对海洋气象、水文环境进行观测等优点，是海洋观测岸基站、调查船和调查飞机在空间和时间上的拓展

4、，具有其他调查方法无法替代的优点，在海洋观测中发挥着巨大的作用。但是浮标布放之后只能在固定站位开展观测，得到站位附近的海洋观测要素，重新定位布放需要船只、人员大量消耗。建立自主控制的移动海洋监测平台是海洋学家深入研究海洋环境的迫切需求，最近国外研究机构和学者提出了机动海洋浮标的概念。文献[1]开发了一种用于河流和浅海的机动浮标AutonomousSurfaceMobileVehicle(ASMV)，它可以监测给定的位置和路径的海洋环境，并可以根据指令自主解锚和锚定，如图1(a)所示；文献[2]开发了一种海洋机动浮标O

5、ASIS(OceanAtmos—phereSensorIntegrationSystem)，具有监测海一气界面通量、赤藻发生及其他气象和水文资料的功能，如图1(b)所示；文献[3]开发的Scout浮标可以通过螺旋桨和导航控制实现给定站点的环境监测任务，如图1(c)所示；文献[4]提出了一种可以追踪溢油的机动浮标(SpilledOilTrackingAutonomousBuoy)，如图1(d)。此外还有已广泛应用的ROV和AUV等。这些非漂浮的机动浮标都需要自带能源供应，能量供给的限制大大阻碍了移动监测平台在长时间大范

6、围内的监测活动。——■霸囊墓鑫渤逸麓*基金项目：国家自然科学基金项目(051175484)资助收稿日期：2013—04—09；修订日期：2013—0710作者简介：常宗瑜(1973)，男，教授，博导。E-mail：zongyuchang@OUC．edu．cn(c)SCOUT(d)SOTAB图l典型机动浮标Fig．1Thetypicalmobilebuoy4期常宗瑜，等：波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计本文提出了一种能够利用波浪能驱动的机动浮标，它可以利用波浪的升沉振荡转化为向前运动。文中介绍了该浮标的工作原理，给

7、出了该机构的设计方案和样机，并对该浮标进行了海上试验，试验表明该机构可以JI顷,N在波浪作用下前进。1基本原理海洋中的波浪经久不息地做着起伏运动，海水中的每个水质点的运动主要以垂荡运动为主，辅以小幅度的水平运动，而且随着深度的增加波浪的振动情况会大大减少，波浪水质点的运动以及与水深的关系如图2所示。图2波浪质点的运动Fig．2Themotionofthewaveparticle本文叙述的机动浮标就是利用了海洋表面的波浪垂荡运动来作为推动机动浮标的动力，其工作机理如图3所示。从图上可以看到，当机动浮标处于静水中时，水下

8、推进装置处于水平状态，图3(a)所示，当水面浮体在波浪的作用下向上移动的时候，叶片顺时针旋转，相对水流垂直向下作用在叶片上，分解为垂直于叶片的法向力和沿着叶片的切向力，其中法向力就会产生推动叶片向前移动的一个推力，如图3(b)所示。同样道理，当水面浮体在波浪作用下向下运动时，叶片逆时针转动，水流作用下垂直向上作用在叶片上，分解为向上的法向力和沿