一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法

本发明涉及海洋工程，具体而言，尤其涉及一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法。

背景技术：

1、圆柱形是海洋浮体结构物的典型主体形式，spar式海上平台、多数海洋监测浮标和大部分浮子式波浪能发电装置，都将圆柱形主体作为其基础结构。圆柱形主体受风/浪等环境载荷方向变化的影响较小，制造加工流程也较为成熟。

2、波浪是海洋浮体结构的主要环境载荷，因此海洋浮体结构(包括海上平台、浮标等)设计要使其主要运动自由度上的共振频率远离所在区域的波浪中心频率，以减小主要运动自由度上的运动响应，降低所受应力。而对于波浪能发电装置而言，需使其有效运动自由度的共振频率接近所在海区的波浪中心频率，以增大有效运动自由度上的运动响应，增加输出功率。可以看出，无论何种海洋结构物，其主要自由度上的共振频率都是设计中的关键指标。

3、海洋结构物建成后就会有确定的设计吃水，其质量、惯性矩、重心、排水体积和排水外形不变，因此其在主要自由度上的共振频率是确定的。但是，所在海区的波浪中心频率随时间是不断变化的，这一方面使得海上平台、浮标等浮体结构物的固有频率总有比较接近波浪中心频率的时段，引发其较大的运动响应和动力载荷；另一方面，波浪中心频率的时变性使得波浪能发电装置等的固有频率难以锁定波浪的中心频率，使其在非设计波浪频率下效率较低。

4、调整浮体结构物运动响应的一种方法是采用相控技术，需要相位补偿装置提供相当大的控制力或控制力矩，使得设备较为复杂昂贵，且相控本身就需要消耗较多能量；另一种方式是通过调整压载水的方式，改变浮体结构物的质量、惯性矩、重心、排水体积和排水外形，从而改变其固有频率，但需要抽排压载水的水泵或液压装置，设备仍比较复杂，且调频过程同样需要大动力做功耗费较多能量。

5、因此需要设计一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法。

技术实现思路

1、根据上述提出现有的改变固有频率的方法存在功耗大的技术问题，而提供一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法。本发明主要利用通过调整压载水来控制浮体结构物的固有频率，从而调整其运动响应；仅需要控制继电器的少量控制电能，利用波浪本身做功完成变载变频的过程，因此实现控载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，包括：浮体、限位系统、活塞系统和电磁铁控制系统，所述浮体包括上舱室、控载舱和下舱室，所述限位系统包括向上限位器和向下限位器，所述控载舱的内壁设有条形凹槽，所述向上限位器和所述向下限位器设置在所述条形凹槽中，所述活塞系统包括活塞和气环，所述气环设置在所述活塞的侧壁上，所述活塞设置在所述控载舱的中心处通过所述气环与所述控载舱内壁接触，所述控载舱的下端设有连通孔；所述电磁铁控制系统包括波浪能发电设备、控制模块、挡杆电磁铁系统和限位器电磁铁系统，所述波浪能发电设备与所述控制模块、挡杆电磁铁系统和所述限位器电磁铁系统之间电性连接，所述波浪能发电设备和所述控制模块设置在所述上舱室内，所述挡杆电磁铁系统设置在所述向上限位器和所述向下限位器的上下两端，所述限位电磁铁系统设置在所述向上限位器和所述向下限位器的背面。

4、进一步的，所述活塞的侧壁上设有双环槽结构，所述气环设置在所述双环槽结构内。

5、进一步的，所述向上限位器的内表面设有上端面为水平面的斜齿结构，所述向下限位器的内表面设有下端面为水平面的斜齿结构。

6、进一步的，所述挡杆电磁铁系统包括继电器、挡杆电磁铁、挡杆和挡杆弹簧，所述继电器与所述挡杆电磁铁电性连接，所述挡杆为四棱柱结构，所述挡杆的末端为斜齿状结构，所述向上限位器和所述向下限位器的上下端设有与所述挡杆相匹配的卡槽。

7、进一步的，所述向上限位器和所述向下限位器的背面设有限位器弹簧。

8、进一步的，所述限位电磁铁系统包括向下限位器的限位器电磁铁、向上限位器的限位器电磁铁和所述继电器，所述继电器与所述向下限位器的限位器电磁铁和所述向上限位器的限位器电磁铁之间电性连接，所述向下限位器的限位器电磁铁设置在所述向下限位器的背面，所述向上限位器的限位器电磁铁设置在所述向上限位器的背面。

9、本发明还提供一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置的工作方法，其特征在于，包括步骤：

10、步骤s1：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞上升时，所述向下限位器的限位器电磁铁和相对应的所述挡杆电磁铁通过所述继电器通电工作，吸附所述向下限位器缩进舱室内壁，所述向下限位器到达既定位置后，所述挡杆电磁铁先行断开，所述挡杆弹簧利用弹力将所述挡杆压入所述向下限位器两端的卡槽内，所述向下限位器的限位器电磁铁断电；此时仅有两个所述向上限位器工作，所述向下限位器均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会推动所述活塞向上移动所述，活塞上端空气可从所述控载舱上端面孔洞流出，维持空间气压约为一个标准大气压，所述向上限位器的斜齿结构可确保所述活塞单向移动性，当所述活塞到达所需高度后，所述浮体共振频率到达既定要求，为防止所述活塞随脉动冲程下降上升，保证所述活塞长期保持所需高度，通过所述继电器对所述挡杆电磁铁通电，使所述挡杆回缩，同时所述向下限位器在所述限位器弹簧作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞移动；

11、步骤s2：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞下降时，所述向上限位器的限位器电磁铁和相对应的所述挡杆电磁铁通过所述继电器通电工作，吸附所述向上限位器缩进舱室内壁，所述向上限位器到达既定位置后，所述挡杆电磁铁先行断开，所述挡杆弹簧利用弹力将所述挡杆压入所述向上限位器两端的卡槽内，所述向上限位器的限位器电磁铁断电；此时仅有两个所述向下限位器工作，所述向上限位器均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会吸附所述活塞向下移动，所述向下限位器的斜齿结构可确保所述活塞单向移动性，当所述活塞到达所需高度后，所述浮体的共振频率到达既定要求，为防止所述活塞随脉动冲程下降上升，保证所述活塞长期保持所需高度，通过所述继电器对所述挡杆电磁铁通电，使所述挡杆回缩，同时所述向上限位器在所述限位器弹簧作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞移动。

12、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

13、1、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，通过调整压载水来控制浮体结构物的固有频率，从而调整其运动响应；仅需要控制继电器的少量控制电能，利用波浪本身做功完成变载变频的过程，因此实现控载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。

14、2、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，由控载舱、联通孔、活塞、继电器、限位器等结构实现半自动控载调频功能，与相控、泵调、液压等方式相比，此发明无需输入较大的控制力或控制力矩，无需消耗大量的控载能量，设备构成也简单很多。

15、3、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，利用联通孔传导外部波浪引起的压载水压力脉动，使其有效冲程推动活塞向控载的目标方向单向移动，改变进入控载舱内的压载水量，从而改变浮体整体质量、惯性矩、重心、排水体积，调节浮体固有频率，保证固有频率远离或接近波浪中心频率，从而减小浮体在主要自由度上的运动响应(海上平台、浮标等)、或增大浮体在主要自由度上的运动响应(波浪能发电装置等)。

16、4、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，使用限位器斜齿结构确保活塞调载时的单向运动性，外界压力脉动通过联通孔传递实现活塞上下行，活塞与斜齿斜面接触克服限位器弹簧推力将斜齿推入内壁槽，而斜齿水平面阻碍活塞反向移动，限制回复冲程将活塞带回原位置，从而实现一个周期内活塞单向移动。使用继电器、弹簧结构将限位器限制于既定区域。

17、5、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，控载舱活塞四周使用环槽结构便于放入气环，气环使用斜切口设计，与普通活塞相比减少热胀冷缩裂纹，延长使用寿命，并将两个气环斜口反向放置，减少滑动伤痕产生，提高密封性。

18、6、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，挡杆结构，在控载舱活塞单向行程内，确保活塞与相配合方向限位器接触，反向限位器由上下挡杆限制于内壁凹槽，利用继电器控制，减少限位器电磁铁工作时间，减少控载单元能量消耗。

19、基于上述理由本发明可在海洋工程技术等领域广泛推广。