一種用於調整風帆角度的裝置及調整方法與流程

2023-05-17 11:45:01 1

本發明涉及一種用於調整風帆角度的裝置及調整方法。
背景技術：
：在船舶航行過程中，風向與航向不斷變化，需及時調整帆角以使風帆得到最大的推進功率；再者，有風帆的船舶航行遇到較低橋梁是，需降低帆面高度，在風速過大時為避免橫向力過大影響船舶穩定需進行收帆，停港靠岸時須收帆以保持穩定等等，這些因素都要求風帆有一個靈活的姿態角控制裝置，而目前對風帆角度進行調整的裝置結構較為複雜，對風帆轉動角度的調整不夠方便。技術實現要素：為解決上述技術問題，本發明的目的在於提供一種用於調整風帆角度的裝置，該用於調整風帆角度的裝置結構簡單，能夠使船舶的風帆的角度轉變更加靈活，從而提高風帆對船舶的推進功率。與此相應，為解決上述技術問題，本是使用新型的另一個目的在於提供一種風帆角度的調整方法，該方法能夠完成對船舶風帆的角度進行精確的調整，且原理簡單可靠。基於此，本發明提出了一種用於調整風帆角度的裝置，包括風帆、第一基座、迴轉機構和液壓杆，所述風帆連接於所述第一基座，所述液壓杆的兩端分別連接所述風帆和所述第一基座，所述迴轉機構包括第一齒輪裝置、傳動軸和第二齒輪裝置，所述第一基座與所述第一齒輪裝置相連接，所述第一齒輪裝置與所述第二齒輪裝置通過所述傳動軸相連接。可選的，所述第一齒輪裝置包括迴轉支承軸承和第一齒輪，所述第一齒輪內嚙合於所述迴轉支承軸承，且所述第一齒輪通過傳動軸與所述第二齒輪裝置相連接。可選的，所述迴轉機構包括用於固定連接於船舶甲板上的第二基座，所述迴轉支承軸承設置於所述第一基座與所述第二基座之間，所述傳動軸穿過所述第二基座與所述第一齒輪相連接。進一步的，所述傳動軸與所述第二基座通過角接觸球軸承相連接。可選的，所述迴轉支承軸承的內側與所述第一基座相連接，所述迴轉支承軸承的外側與所述第二基座固定連接。可選的，所述迴轉支承軸承為三排滾柱式迴轉支承軸承。可選的，所述第二齒輪裝置為用於連接驅動裝置的錐齒輪系。可選的，所述風帆通過鉸鏈可轉動地連接於所述第一基座。為了實現上述目的，本發明還提供了一種調整風帆角度的方法，包括以下步驟：s1、通過對於風帆的空氣動力性能的分析，獲得風向與船舶航向的夾角β；s2、通過以下公式計算所述風帆繞豎直方向的最佳旋轉角度，即調整後所述風帆的帆面與所述船舶航向的夾角θopt：當0°≤β≤45°時，θopt＝2.656×10-4β3-0.009487β2+0.277β+7.575當45°≤β≤145°時，θopt＝β-20當145°≤β≤180°時，θopt＝-5.939×10-5β3+0.02689β2-3.539β+212.9s3、通過以下公式計算所述風帆在水平方向上的傾斜角，即所述風帆與豎直方向的夾角其中，h為太陽高度角，pt為太陽能風帆的發電功率，ps為風帆的風能推進功率。進一步的，s31、通過以下步驟計算得到所述太陽能風帆的發電功率pt：其中，idn為到達地面的光照強度，i為太陽光在水平面的投影與風帆的夾角，η為光電轉化效率，f為綜合效率，t為環境溫度；s32、通過以下步驟計算得到所述風帆的風能推進功率ps：其中，α為所述風帆與風向的夾角，g(α)＝cl、h(α)＝cd，分別為風帆的升阻力係數，ρa為空氣密度，v為相對風速，vs為船舶航速。通過以下公式計算所述風帆的升阻力係數g(α)和h(α)：當-30°≤α≤20°時，g(α)＝1.31sin(0.014α+2.446)+1.5sin(0.054α-0.043)h(α)＝1.568sin(0.05α+1.53)+1.431sin(0.061α-1.48)當20°≤α≤90°時，g(α)＝1.2sin(0.0146α+1.75)+0.14sin(0.076α+3.84)h(α)＝1.38sin(0.0052α+0.532)+0.38sin(0.047α+4.36)。實施本發明實施例，具有如下有益效果：本發明的用於調整風帆角度的裝置包括風帆、第一基座、迴轉機構和液壓杆，所述風帆連接於所述第一基座，所述液壓杆的兩端分別連接所述風帆和所述第一基座，所述迴轉機構包括第一齒輪裝置、傳動軸和第二齒輪裝置，所述第一基座與所述第一齒輪裝置相連接，所述第一齒輪裝置與所述第二齒輪裝置通過所述傳動軸相連接，由第二齒輪裝置通過傳動軸將動力傳遞至第一齒輪裝置，第一齒輪裝置帶動第一基座沿豎直方向做360度的旋轉，風帆連接在第一基座上，故在船舶航行過程中，根據風向和航向的變化，能夠及時調整風帆的角度，從而使得風帆帶給船舶最大的推動力，有效的提高推動效率；當船舶遇到較低的橋梁或者其他緊急情況需要將風帆收起時，由液壓杆的伸縮帶動風帆進行0至90度的傾斜，能夠有效的降低帆面的高度，保證船舶能夠平穩航行或者穩定停靠，整個裝置的結構簡單且船舶的風帆角度轉變非常靈活，便於使用。進一步的，所述第一齒輪裝置包括迴轉支承軸承和第一齒輪，所述第一齒輪內嚙合於所述迴轉支承軸承，由傳動軸將第二齒輪裝置傳遞的動力傳給第一齒輪，能夠便於實現第一齒輪與迴轉支承軸承的同向轉動，對風帆轉動方向的控制更加方便；所述迴轉機構包括用於固定連接於船舶甲板上的第二基座，所述迴轉支承軸承設置於所述第一基座和所述第二基座之間，且所述迴轉支承軸承內側的轉動部件與第一基座相連接，所述迴轉支承軸承的外側與所述第二基座相連接，對迴轉支承軸承進行可靠的安裝後，使得該迴轉支承軸承能夠更加便捷的將獲得的旋轉傳遞給第一基座，帶動風帆改變旋轉角度，整個過程更加有效和可靠，且連接更加簡便；所述第二齒輪裝置為用於連接驅動裝置的錐齒輪系，能夠實現傳動方向的改變，使得驅動裝置的安裝位置的選擇更加靈活，傳動軸穿過所述第二基座與所述第一齒輪相連接，且所述傳動軸與所述第二基座採用角接觸球軸承相連接，以便於承受軸向和徑向的荷載，能夠使得傳動軸的連接更加可靠，迴轉支承軸承採用三排滾柱式迴轉支承軸承，其能夠同時承受第一基座上的風帆及其它裝置產生的軸向荷載、徑向荷載和傾覆力矩，其承壓能力更強，使得整個裝置獲得更大的強度，工作過程有效且可靠。本發明的用於調整風帆角度的裝置涉及一種調整方法，該方法是第二齒輪裝置將動力通過傳動軸傳遞至第一齒輪裝置，由第一齒輪裝置帶動第一基座轉動，從而使風帆實現豎直方向上360度的旋轉；而液壓杆則能夠帶動風帆完成0至90度的傾斜。通過相關的計算能夠使得風帆在任意情況下均能夠獲得精確的豎直方向上的旋轉角度和水平方向上的傾斜角度，並通過該裝置自動對風帆的角度進行快捷的調整，能夠使風帆在豎直方向上的旋轉更加靈活，也能夠使風帆完成傾斜，整個裝置的結構簡單，原理可靠。附圖說明圖1是本實施例所述的用於調整風帆角度的裝置的整體結構示意圖；圖2是本實施例所述的用於調整風帆角度的裝置的迴轉機構的結構示意圖；圖3是本實施例所述的用於調整風帆角度的裝置的第一基座處的正視結構示意圖；圖4是本實施例所述的用於調整風帆角度的裝置的第一基座處的俯視結構示意圖。附圖標記說明：1、風帆，2、第一基座，3、迴轉機構，31、第一齒輪裝置，311、第一齒輪，312、三排滾柱式迴轉支承軸承，32、傳動軸，321、豎直傳動軸，322、水平傳動軸，33、第二齒輪裝置，34、第二基座，35、減速器，36、電動機，4、液壓杆，5、角接觸球軸承，61、第一鉸鏈，62、第二鉸鏈，63、第三鉸鏈，64、第四鉸鏈，7、太陽能電池板。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。實施例一由於船舶在航行過程中，風帆1同時受到光照和風向的作用，本發明中的用於調整風帆角度的裝置主要能夠實現風帆1在三維空間中任意角度的轉換，從而使得船舶能夠獲得最大的推進力，為船舶的航行提供充足的動力，但是船舶在航行過程中，太陽光照角度和風向在不斷的變化，因此風帆需要不斷的進行轉動，以使風帆1的旋轉和傾斜角度能夠獲得及時和準確的調整，這就需要對風帆的最佳旋轉和傾斜角度作出精確的計算，並通過控制器對所述液壓杆4和迴轉機構3進行有效的控制，從而達到實際情況想要的風帆角度的調整效果，以獲得最佳的能源綜合利用率。故而需要通過以下調整方法對風帆1的最佳調整角度進行精確地計算：(s1)繞豎直方向進行旋轉的角度：通過對於所述風帆1的空氣動力性能的分析，得出風向與船舶航向的夾角為β；通過以下公式計算所述風帆繞豎直方向的最佳旋轉角度，即調整後所述風帆的帆面與所述船舶航向的夾角θopt：當0°≤β≤45°時，θopt＝2.656×10-4β3-0.009487β2+0.277β+7.575當45°≤β≤145°時，θopt＝β-20當145°≤β≤180°時，θopt＝-5.939×10-5β3+0.02689β2-3.539β+212.9。(s2)在水平方向上的傾斜角度：通過以下公式計算所述風帆在水平方向上的傾斜角，即所述風帆與豎直方向的夾角其中，h為太陽高度角，pt為太陽能風帆的發電功率，ps為風帆的風能推進功率；通過以下步驟計算得到所述太陽能風帆的發電功率pt：其中，idn為到達地面的光照強度，i為太陽光在水平面的投影與風帆的夾角，η為光電轉化效率，f為綜合效率，t為環境溫度；通過以下步驟計算得到所述風帆的風能推進功率ps：其中，α為所述風帆與風向的夾角，g(α)＝cl、h(α)＝cd，分別為風帆的升阻力係數，ρa為空氣密度，v為相對風速，vs為船舶航速；通過以下公式計算所述風帆的升阻力係數g(α)和h(α)：當-30°≤α≤20°時，g(α)＝1.31sin(0.014α+2.446)+1.5sin(0.054α-0.043)h(α)＝1.568sin(0.05α+1.53)+1.431sin(0.061α-1.48)當20°≤α≤90°時，g(α)＝1.2sin(0.0146α+1.75)+0.14sin(0.076α+3.84)h(α)＝1.38sin(0.0052α+0.532)+0.38sin(0.047α+4.36)。基於以上方法，本優選實施例提供了一種用於調整風帆角度的裝置，對風帆1的旋轉和傾斜作出及時的調整，有效的實現能源綜合利用率的最大化。參見圖1至圖4，本優選實施例所述的用於調整風帆角度的裝置包括風帆1、第一基座2、迴轉機構3和液壓杆4，風帆1連接於第一基座2，且風帆1上安裝有一個或多個太陽能電池板7，本實施例中為一個太陽能電池板7，液壓杆4的兩端分別連接風帆1和第一基座2，迴轉機構3包括第一齒輪裝置31、傳動軸32和第二齒輪裝置33，第一基座2與第一齒輪裝置31相連接，第一齒輪裝置31與第二齒輪裝置33通過所述傳動軸32相連接。基於以上結構，該用於調整風帆角度的裝置通過迴轉機構3來實現風帆1在豎直方向上360度的旋轉，通過液壓杆4來實現風帆1進行0至90度的傾斜，傳動軸32包括豎直傳動軸321和水平傳動軸322，迴轉機構3的第二齒輪裝置33與驅動裝置相連接，所述驅動裝置為電動機36，且第二齒輪裝置33與電動機36之間設有減速器35，減速器35將電動機36的動力傳遞給第二齒輪裝置33，電動機36、減速器35和第二齒輪裝置33通過水平傳動軸322相連接，在水平方向上完成電動機36動力的傳輸，再由第二齒輪裝置33將電動機36的動力通過豎直傳動軸321傳遞給第一齒輪裝置31，使動力的傳遞更加可靠，損失較小，由第一齒輪裝置31直接帶動第一基座2進行旋轉，從而使第一基座2上的風帆1獲得方向的變化，能夠使得風帆1轉動的角度直接由第一齒輪裝置31的轉動角度來確定；通過採用齒輪傳動的傳動形式，使該裝置的整體結構更加緊湊，傳動更加準確且效率更高，因而該第一齒輪裝置31對風帆1的角度變化的控制能夠更加準確和方便。在船舶航行過程中，風向和航向不斷的變化，使用該迴轉機構3對風帆1的帆角作出及時的調整，能夠提高風帆1的推進功率，從而使船舶獲得更大的推進力；風帆1連接於第一基座2，液壓杆4的兩端分別連接風帆1和第一基座2，通過該液壓杆4的伸縮能夠實現風帆1在空間上0至90度的傾斜變化，液壓杆4能夠實現往復運動，且沒有傳動間隙，故而其帶動風帆1進行運動時非常平穩，且液壓杆4的結構比較簡單，其對風帆1的傾斜控制更加方便和可靠；在船舶運行過程中，當遇到較低的橋梁或是遇到大的風浪時，需要調整風帆1的高度，當船舶需要停港靠岸時，需要收帆以保持船體的穩定，這些情況均能夠通過液壓杆4的收縮來實現降低風帆1的高度或使風帆1平躺於船舶甲板上，從而保證船舶能夠順利平穩的航行或停靠。其中，所述風帆1的帆翼內側安裝有一個太陽能電池板7，太陽能電池板7的個數按照實際的需要和風帆1的帆翼面積來確定，只要能夠滿足將船舶行駛過程中收集到的太陽能轉化成電能即可；將太陽能轉化成電能供船舶使用，極大地提高了整個裝置對可再生資源的有效利用，太陽能電池板7受光照強度和方向的影響很大，船舶航行過程中，太陽光照的方向在不斷的變化，迴轉機構3對風帆角度的調整也能夠實現風帆上太陽能電池板7朝向太陽光照射的方向，使得該太陽能電池板7上始終獲得最強的光照，從而實現對太陽能利用率的最大化，太陽能電池板7將獲得太陽能轉化為電能，供為該裝置提供動力的驅動裝置使用，也能夠將多餘的電能進行儲存，供下一次使用，有效地避免船舶消耗過多的石化能源。另外，所述風帆1通過第一鉸鏈61和第二鉸鏈62的配合可轉動的連接於第一基座2，液壓杆4的一端通過第三鉸鏈連接於風帆1，液壓杆4的另一端通過第四鉸鏈64連接於第一基座2，當液壓杆4本身能夠進行伸縮運動，也能夠通過第四鉸鏈64在第一基座2上擺動，當液壓杆4進行伸縮運動時，液壓杆4的收縮端通過第三鉸鏈帶動風帆1運動，能夠使風帆1在液壓杆4收縮時產生的拉力的作用下通過該第一鉸鏈61相對於第二鉸鏈62的運動來實現傾斜。第一齒輪裝置31包括迴轉支承軸承、第一齒輪311和第二基座34，第一齒輪311內嚙合於迴轉支承軸承，且第一齒輪311通過傳動軸32與第二齒輪裝置33相連接。在此需要說明的是，在本實施例中，該迴轉支承軸承採用的是三排滾柱式迴轉支承軸承312，其能夠同時承受風帆1及其他裝置產生的軸向荷載、徑向荷載和傾覆力矩，提高整個裝置的強度，使該裝置的工作更加可靠；所述三排滾柱式迴轉支承軸承312設置於第一基座2和第二基座34之間，第二基座34用於固定連接於船舶甲板上，故第二基座34能夠對三排滾柱式迴轉支承軸承312進行固定，而第一齒輪311將從傳動軸32上獲得的動力傳遞至三排滾柱式迴轉支承軸承312內側的轉動部件上，並使該三排滾柱式迴轉支承軸承312內側的轉動部件進行轉動，且該三排滾柱式迴轉支承軸承312內部的轉動部件與第一基座2相連接，從而能夠帶動第一基座2旋轉；所述三排滾柱式迴轉支承軸承312的外側與第二基座34相連接，傳動軸32穿過該第二基座34與第一齒輪311相連接，為保證傳動軸32的有效轉動，該傳動軸32與第二基座34通過軸承相連接，本實施例中採用的軸承為角接觸球軸承5，其具有承受較大的軸向荷載的能力，使傳動軸的旋轉運動更加可靠。需要說明的是，三排滾柱式迴轉支承軸承312的外側與第二基座34之間、三排滾柱式迴轉支承軸承312的內側與第一基座2之間均採用高強度的螺栓進行固定連接，但其連接方式也不僅限於此，也可以採用其他可靠的固定連接的方式。參見圖1和圖2，用於連接驅動裝置的第二齒輪裝置33為錐齒輪系，故而其能夠方便實現傳動方向的改變，使驅動裝置的安裝位置具有更多的選擇，本實施例中，驅動裝置驅動橫向的轉軸進行轉動，經過錐齒輪系後轉化為豎直方向的轉動，由此將橫向的動力轉化至縱向並進行輸出，從而帶動風帆1實現沿豎直方向的360度的旋轉。需要說明的是，本實施例中，所述風帆1的帆翼為矩形硬質帆，其剖面結構採用的是圓弧形，帆面為矩形，具有很好的空氣動力特性，面積較大，便於安裝更多的太陽能電池板7；但在其他實施例中，風帆1的形狀並不受此實施例的限制，當可按照實際的需要，選擇合適的形狀。為了詳細說明使用本發明的用於調整風帆角度的裝置進行調整風帆角度的方法，參見圖1和圖2，具體步驟如下：(s1)驅動裝置將動力由橫向輸出軸傳遞至錐齒輪系；(s2)由錐齒輪系將橫向的輸出力轉化為豎直方向的動力並通過傳動軸32傳遞至第一齒輪311；(s3)由內嚙合於三排滾柱式迴轉支承軸承312的第一齒輪311帶動三排滾柱式迴轉支承軸承312內側的轉動部件進行轉動，從而使得連接於該轉動部件上的第一基座2旋轉，帶動第一基座2上的風帆1沿豎直方向進行360度的旋轉；(s4)由液壓杆4進行收縮產生拉力，拉動風帆1繞鉸鏈轉動，從而收起風帆1，使其平躺於船舶甲板上。實施例二本實施例中給出一組將所述用於調整風帆角度的裝置運用於實際中的各組件的具體參數，且本實施例中用於調整風帆角度的裝置的結構與調整方法均與實施例一中一致，但是需要說明的是本實施例中的參數並不唯一，在其他實施例中，當可選擇合適的參數。下面表1給出的是運用該所述調整風帆角度的裝置的船舶的參數，其中包括船舶的總長、垂線間長、型寬、型深、設計吃水和載重量：表1運用所述調整風帆角度的裝置的船舶的參數名稱符號數值總長(m)l81垂線間長(m)lpp76型寬(m)b13.6型深(m)d6.8設計吃水(m)ds5.5載重量(t)▽3000下面表2給出的是該用於調整風帆角度的裝置的部分部件的尺寸參數，其中包括帆翼長度、帆翼寬度、翼面拱度、第一基座直徑、第一基座高度、迴轉支承軸承高度、第二基座高度、液壓杆長度、液壓杆數目、鉸鏈長度、鉸鏈數目。表2用於調整風帆角度的裝置的部分部件的尺寸參數名稱尺寸帆翼長度(m)5帆翼寬度(m)3翼面拱度(m)0.375第一基座直徑(m)1第一基座高度(m)0.3迴轉支承軸承高度(m)0.1第二基座高度(m)0.1液壓杆長度(m)2.4(共2節)液壓杆數目2鉸鏈長度(m)0.8鉸鏈數目1下面表3是所述迴轉支承軸承與所述第一齒輪的各部分的參數。表3迴轉支承軸承與第一齒輪的各部分的參數下面表4為所述傳動軸的尺寸。表4傳動軸尺寸下面表5為所述角接觸球軸承的參數。表5角接觸球軸承參數內徑(mm)外徑(mm)厚度(mm)軸向載荷kn徑向載荷kn13020033129137下面表6為所述第二齒輪裝置的尺寸，即錐齒輪系的參數。表6第二齒輪裝置的尺寸下面表7是所述液壓杆的參數。表7液壓杆參數下面表8是所述鉸鏈的參數。表8鉸鏈參數外徑(mm)內徑(mm)長度(mm)375240800本發明的用於調整風帆角度的裝置包括風帆、第一基座、迴轉機構和液壓杆，所述風帆連接於所述第一基座，所述液壓杆的兩端分別連接所述風帆和所述第一基座，所述迴轉機構包括第一齒輪裝置、傳動軸和第二齒輪裝置，所述第一基座與所述第一齒輪裝置相連接，所述第一齒輪裝置與所述第二齒輪裝置通過所述傳動軸相連接，由第二齒輪裝置通過傳動軸將動力傳遞至第一齒輪裝置，第一齒輪裝置帶動第一基座沿豎直方向做360度的旋轉，風帆連接在第一基座上，故在船舶航行過程中，根據風向和航向的變化，能夠及時調整風帆的角度，從而使得風帆帶給船舶最大的推動力，有效的提高推動效率；當船舶遇到較低的橋梁或者其他緊急情況需要將風帆收起時，由液壓杆的伸縮帶動風帆進行0至90度的傾斜，能夠有效的降低帆面的高度，保證船舶能夠平穩航行或者穩定停靠，整個裝置的結構簡單且船舶的風帆角度轉變非常靈活，便於使用。本發明的用於調整風帆角度的裝置涉及一種調整方法，該調整方法過程簡單，原理可靠，且使風帆角度的變化更加靈活。應當理解的是，本發明中採用術語「第一」、「第二」等來描述各種信息，但這些信息不應限於這些術語，這些術語僅用來將同一類型的信息彼此區分開。例如，在不脫離本發明範圍的情況下，「第一」信息也可以被稱為「第二」信息，類似的，「第二」信息也可以被稱為「第一」信息。以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也視為本發明的保護範圍。當前第1頁12