可发电滚轮导缆器结构设计

　　针对船舶系泊装置中的滚轮导缆器，设计一种新型可发电的滚轮导缆器，将发电装置内置于该滚轮导缆器中，将在使用过程中的压力能通过该装置转化为电能，并且储存在蓄电池中，体现能源的高利用率，安全绿色环保，为今后可实际化应用研究打下基础。

　　关键词：可发电；滚轮导缆器；系泊装置

　　船舶系泊装置主要包括带缆桩、导缆孔、滚轮导缆器等装置，而滚轮导缆器是船舶系泊装置中的一个最主要的部分，它的作用是改变船舶缆绳的运动方向。当船舶停靠于码头时，需要使用绞车缆绳，将船舶牵引至码头边，在牵引的过程中缆绳由于受到的力方向一直发生变化，所以需要通过滚轮导缆器提供导向，改变缆绳的运动方向，节省牵引力并且极大地减少了缆绳的摩擦磨损，提高缆绳使用寿命[1-3]。导缆器安装位置为船舶甲板上，并且可以根据不同船舶类型、船舶的功能及船舶内部布线结构，合理设置导缆器的安装位置，以便达到最高效地发电和提高电力传输的效率。在缆绳牵引的过程中，缆绳与滚轮导缆器之间有着极大的压力值，本文由此设计一种可发电的滚轮导缆器，通过该装置将船舶系泊过程中产生的能量转化为电能，高效环保，具有较好的市场应用价值，对其进行研究和设计具有重要意义[4]。

　　1国内外研究现状

　　目前国内外对于船舶导缆器装置的研究设计比较多，有万向导缆器、羊角单滚轮导缆器等，其研究方向大体为新型机构的设计以提高产品性能和效率，或者在装置运行过程中进行一些模拟力实验和模拟分析，亦或是对于导缆器材料的研究。而本文是在导缆器上设计一种可发电装置，在使用过程中将压力能转化为电能，该研究方向值得今后深入研究和探讨[5-6]。

　　2滚轮导缆器结构组成

　　本文设计了一种可发电的滚轮导缆器，主要包括外壳底座部分、辊轴部分、滚轮发电部分；主体为滚轮发电部分，其中又可以细分为滚轮外体部分、滚轮内部发电部分，滚轮导缆器具体结构如图1所示

　　2.1外壳底座部分

　　底座的上侧面垂直固连有若干个安装轴，安装轴与底座部分相连接，用于滚轮的安装定位；外壳部分中的保护栏杆由垂直部分与水平部分组成，在作业过程中若缆绳脱离滚轮，则能保护周围人员生命安全；外壳部分中还有保护盖，可用于遮挡雨水对装置的影响，也避免了太阳暴晒对装置的长期影响，延长装置使用寿命。

　　2.2辊轮部分

　　水平部分的护栏上设置辊轮，辊轮位于2个可发电的滚轮之间，起到辅助作用，即当船用缆绳受不同方向的外力作用即将滑出滚轮的作用范围时，为了防止失去缆绳掉出两滚轮作用范围外，起到辅助限位作用，确保缆绳一直处于两滚轮之间以正常运转。若大型船只吨位较大，或者使用到多个滚轮时，应该增加辊轮的个数，以便分担外力的作用，更好地起到限位作用。

　　2.3滚轮发电部分

　　2.3.1滚轮外体部分滚轮外体部分主要是滚轮主体，滚轮安装于外壳底座部分的安装轴上，与安装轴的圆柱面连接，减小了绞车拉动缆绳时所用的力，提高了系泊效率[7]。2.3.2滚轮内部发电部分根据梁嘉俊等[8]的设计，本文对滚轮发电装置进行进一步创新和完善，滚轮的轮面中设计有多个安装盲孔用于安装定位，在安装盲孔内，活动块沿轴向的滑槽滑动，安装盲孔的底部装有若干压电陶瓷板，当压电陶瓷板受到一定的压力时，就会产生电能。压电陶瓷板与活动块之间设有多个复位弹簧，复位弹簧的顶部连接于活动块的底部，活动块的底部还设有多个限位块，具体结构如图2所示。S.Roundy和P.Kwright[9]发明了一种利用压电陶瓷材料，用于无线传感节点自供电的压电电源，该电源可以依靠环境振动产生电能对无线传感节点进行供电。电能收集采用电容式存储方式，并能在2.5m/s2的加速度、120Hz频率和1.6%输出占空比的情况下，在1cm3大小的模型上产生375μW电功率,根据其研究成果和结论，证明利用压电陶瓷材料而进行的发电能够用于工程实际应用。根据齐洪东等[10]的研究，压电陶瓷能够满足环境自适应的供电需求，并且有环保无污染、寿命长、维护维修方便、成本低等特点。根据船舶工作环境下，采用最合适的压电陶瓷材料以适应环境条件，这样可以产生最高的发电效率，可以用于工程实际应用。滚轮导缆器安装在船体结构上，在具体的工作过程中，缆绳穿过滚轮，当船体靠岸时，岸边绞车等装置拉动缆绳，此时缆绳紧绷，缆绳给滚轮的外轮面施加一个压力，传递给活动块，而通过滑槽导向受力内压，推向安装盲孔的内部，由于滑槽的设置及活动块和滑槽的配合作用下，活动块只能沿着安装盲孔的轴向滑动，难以发生转动，此时弹簧被压缩，当压缩到一定程度时，限位块触碰到底部，防止复位弹簧进一步压缩而损坏，限位块也起到防止活动块滑出限定滑槽的范围和安装盲口的范围外。随着压力的增大，限位块受到来自于活动块的压力，向内部运动，达到一定压力时与安装盲孔底部的压电陶瓷板触碰，此时的压力传递到压电陶瓷板上，压电陶瓷板受到压力产生了电能，由此实现了压力能转化为电能的过程。缆绳与滚轮的轮面发生摩擦，带动滚轮绕安装轴转动，活动块在未受力时受到复位弹簧作用复位，受缆绳压力时沿滑槽方向运动，由此缆绳可以持续挤压滚轮轮面上不同位置的若干活动块，增加活动块及盲孔底部的压电陶瓷板的数量可以增加发电量。此外，限位块除了作为压力媒介外，也作为限位装置，防止复位弹簧被过度压缩而失去复位的能力，保证了装置的使用寿命[11]。滚轮的顶部设有与压电陶瓷板电直接连接蓄电池组，蓄电池组可以将压电陶瓷板产生的电能储存起来，在必要时用于自身作业的照明使用，不仅实现装置电能的自我供应也可为其他装置提供电力。外壳底座部分设置有凹槽，凹槽内部装有LED灯，LED灯的供电系统与蓄电池相连。在夜间或者周围照明环境弱的时候，可以手动打开LED灯[12-13]，为作业时提供照明保障，方便操作人员的工作，提高了操作安全性。

　　3设计优点

　　与现有技术相比，该设计具有以下优点：1）活动块受到作业时的缆绳的压力后，沿滑槽方向运动，其受到的压力通过限位块传递到压电陶瓷板上，将压力能转化为电能。2）由于作业过程中，滚轮围绕安装轴转动，没有受到缆绳压力的活动块受到复位弹簧往外的推力，使活动块复位，等待下一次挤压发电，并且每个滚轮上装有多个活动块，增加了发电量。3）防护栏杆及辊轮装置可以防止缆绳脱离滚轮，避免缆绳受力掉出两滚轮的工作范围，减少了重新安装的工作量，保证了作业人员的安全。

　　4结语

　　针对系泊装置中的滚轮导缆装置，设计改进了一款可发电的滚轮导缆装置，能在船舶系靠于码头、浮筒或他船时，将缆绳和滚轮之间产生的压力能转化为电能，并且将电能储存用于自给或者他用，体现绿色能源的高效利用，为今后相关设计和应用提供思路和方法。

　　[参考文献]

　　[1]倪伟平,江晓玲.船舶系泊属具标准梳理分析[J].船舶设计通讯,2014(2):82-86.

　　[2]陈宇泉.海船系泊系统的设计与安装研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

　　[3]赵任张,龚爱军,王小峰,等.浅谈系泊设备安装拉线定位工艺[J].船舶标准化工程师,2020,53(3):52-54,87.

　　作者：葛江宇 陈盼 罗准 朱邦杰 林钟卫 付宗国