毕业设计（论文）-基于涡激振动的电能转换装置设计.doc

分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 基于涡激振动的电能转换装置 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院机电系 专业年级 机械设计制造及其自动化2011级 论文答辩日期 2015 年 06 月 04 日 中 国 海 洋 大 学基于涡激振动的电能转换装置 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要随着社会的发展与人类的进步，人们对能源的需求与日俱增。随之而来的是严峻的能源短缺问题和环境问题。如何在满足人类需求的同时兼顾环境的保护，成为一个重要的研究方向。正是怀着这样的目的，人们开始将目光投向海洋。海洋面积占据地球面积的70%，蕴藏着丰富的资源与能量。如何更好的利用海洋，成为解决现阶段能源短缺和环境污染问题的关键。此类研究也正在如火如荼的进行中，而且也取得了一定的成果。利用涡激振动原理来实现电能的转换与波浪能、潮流能发电等有着同样重要的意义，开发潜力非常大。本次设计的内容是利用涡激振动的原理将能量捕捉并转化成电能。俘能装置的柱体是弹性支撑的，在恒定的流速下在两侧交替地产生脱离圆柱体表面的旋涡，柱体两侧交替发放的旋涡在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。引发俘能装置的周期性振动。俘能装置的机械能通过传动装置的传递驱动发电机发电。设计的主要思路是通过俘能装置将能量捕捉并转换为往复直线运动的机械能形式。俘能装置的机械能通过机械传动机构将俘能装置的往复行程转化为两个较为均匀的方向相反的转动，然后将这两个方向相反的转动合成为一个单向的转动，最后通过传动轴的转动带动发电机发电。关键词： 涡激振动；能量转换；往复运动；机械机构AbstractWith the development of the society and the progress of human beings，the increasing demand for energy.Followed by the severe energy shortage and environmental problems.How to meet human needs, the protection of the environment at the same time,become an important research direction.It is with this objective，people began to look to the sea.Sea area occupies 70% of the area of the earth,that is rich in resources and energy.How to make better use of the ocean,to solve the energy shortage and environmental pollution problems at present stage of a key.Such studies are underway,and it also has obtained certain achievement.Using the vortex-induced vibration principle to implement the conversion of electrical energy and wave energy, tide is equally important significance to power generation,and its development potential is very important.The design of the work done by the use of the principle to capture the energy of vortex-induced vibration.The prisoner of the cylinder can device is the elastic support.Under the constant velocity on the two side alternately from the surface of the cylinder spiral,cylinder on both sides of the alternating distribution of vortex generation in-line and cross flow on the cylinder to the periodic change of fluctuating pressure.Can trigger a captive device of periodic vibration.Prisoner to device the transmission of mechanical energy through the transmission device driven generator to produce electricity.Design of the main idea is through a prisoner can capture and convert the energy of reciprocating linear motion forms of mechanical energy.Prisoner can device through mechanical transmission mechanism of the mechanical power of the prisoner can device of reciprocating stroke into two relatively uniform in the opposite direction of rotation, and then the two direction instead of turning to synthesize into a one-way, finally through the rotation of the shaft drive the generator to produce electricity.Keywords:Vortex-induced vibration;Energy conversion;Reciprocating motion;Mechanical agenciesIII目录1 绪论11.1 课题背景和研究意义11.2 涡激振动的国内外研究现状21.3 课题研究的主要内容41.4 课题的研究方法52 机构的总体设计72.1 机构的装配预览72.2 俘能装置的设计72.3 传动与转换装置的设计92.3.1 动能输入装置的设计92.3.2 传动部分的设计102.3.3 电能转换部分的设计122.4 小结123 零件的设计计算及校核133.1俘能装置的技术参数133.2 微型发电机的选型143.3 齿轮齿条的选型与校核153.3.1 根据转速对齿轮齿条进行选型153.3.2 根据齿根弯曲疲劳强度校核163.3.3 根据齿面接触疲劳强度校核173.4 传动轴的设计及齿轮的固定与安装183.4.1 轴的设计183.4.2 齿轮的固定与安装193.5 键的校核193.6 轴承的设计计算203.7 连接螺栓的校核203.7.1 动能输入部分螺栓的校核203.7.2 柱体连接部分螺栓的校核213.8 支架的设计及安装223.9 本章小结224 机构的UG运动学仿真245 传动部分的研制265.1 零件的采购265.2 总体装配265.3 小结28结论28参考文献30致谢32V1 绪论 1 绪论1.1 课题背景和研究意义社会的进步，经济的发展，生活水平的提高，这一切都导致了一个结果人们对能源的需求越来越大。现阶段无论是人们的日常生活还是工业生产，电能都是不可或缺的一部分。电能的获取方法有很多，包括水力发电、火力发电、原子能发电、风力发电、光电池、化学电池等方法。我国煤电约占总发电量的70，水电约占23，核电2.3%左右，燃气发电占2.1，其他能源占2.6%。这些造成了一个现实，就是我国成为仅次于美国的世界第二大资源消耗国，虽然我国有着广袤的国土面积，并且资源丰富，但是每年利用大量的不可再生资源来发电，对我国的可持续发展战略极为不利。而且像煤，天然气等这一类的化石燃料的燃烧产生非常多的环境污染问题。由于化石燃料的大量消耗，每年有大量的废气被排放到大气中。这打破了光照与自然界的平衡，全球温度开始上升、海平面升高，由此造成的动物植物死亡率也开始上升，地球将会变得越来越不适合人类居住。对于海洋能的利用将会是决定未来能源结构的研究。涡激振动原理和波浪能，潮汐能一样，都可以被人们利用起来，转换成源源不断的电能，缓解能源危机与环境问题。所谓的涡激振动原理，从流体力学的角度来分析就是，所有的非流线型物体在一定的恒定流速下，都会在他的两侧产生交替地脱离其自身表面的旋涡。产生的这种交替的旋会在柱体上产生顺流向和横流向变化的具有周期性的脉动压力。此时的柱体如果是是弹性支撑的，或者说是柔性的管体，管体本身允许发生弹性变形，那么这个脉动流体力就将会引发柱体或管体的周期性振动1。利用涡激振动原理，我们可以将能量捕捉为往复振动的机械能，并通过机械结构将能量转换成发电机的转动，从而产生供人类使用的电能。这将为人类利用海洋能提供了一种新的方式。历史进入二十一世纪，各国之间的所有竞争方式在实质上其实就是科技实力的竞争，而在能源领域方面竞争的焦点，当属新能源和可再生能源的发展和利用。对我国来说，开发利用可再生能源具有特殊的意义。我国长期以来形成的以煤炭为主体的能源消费结构己给环境造成了巨大压力，成为制约我国发展的因素。为了解决这个问题，优化能源结构、提高能源利用效率、开发利用可再生能源，己成为我国实施可持续发展能源战略的重要内容。利用涡激振动实现电能转换不会产生任何的污染物，完全可以清洁的产生电能。我国有300万平方公里的海洋国土面积，拥有18000多千米的绵长海岸线，沿岸地区海况较为平静，这都成为我们利用海洋能的天然的有利条件。并且我国的沿海城市经济发展水平相对更高，对电力的需求也更大。这也就意味着能够就近实现生产与需求的对应。如果能够实现涡激振动对电能转换的大规模应用，将会大大缓解沿海城市的供电压力，并且解放出火力发电，节省下大量的煤炭。这对改善能源系统结构和环境的保护都有十分积极的意义。1.2 涡激振动的国内外研究现状涡激振动的研究内容主要分为三个方面。分别是模型实验研究、经验模型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。对涡激振动的研究最开始是从实验开始的。在过去的近半个世纪里,许多专家学者都曾经研究过弹性支撑柱体的涡激振动特性，主要是对圆柱体的自激振动运动和动力特性进行实验研究。现如今海洋立管涡激振动机理的研究方向主要集中在两个方面:海洋立管的顺流向振动和海洋立管尾流的三维效应对其振动响应的影响2。对涡激振动的研究已经有数十年的时间了,学术界目前还没有完全把握涡激振动的机理。虽然许多学者都集中在涡激振动的研究上，但是我们对这种现象的了解还远远不够充分。这主要是由于它那复杂的控制流体和结构的非线性机制。我们可以从很多地方来回顾对它的研究。Sarpkaya (1979)，Griffin(1982), Parkinson(1989),Pantazopoulos(1994)等都是在这方面有过研究的科学家。实验结果表明，交替旋涡的预测与斯特劳哈尔数的关系为（这里V表示的是流体的流速，即斯特劳哈尔数，D表示的是结构的直径。）即便学术界至今都没有掌握涡激振动的机理，在涡激振动的研究上还是取得了许多阶段性的成果,这些成果构成了当今涡激振动研究的基石。从涡激振动研究方法上来分,研究主要有模型实验研究、经验模 型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究等3。在涡激振动实验研究中影响最为广泛的是 FENG 在风洞中对单自由度弹性支撑的圆柱体所做的实验。紧随其后,更多的研究者在他的启发下在水槽中完成了类似实验,得到了当前工程界更为关注的以海洋立管为代表的低质量比(m)(结构与所排开水的质量之比)和低阻尼比()的圆柱体的涡激振动特性4。近些时间,Khalak、Govardhan 两人对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体做了一系列实验,这一系列实验极其具有代表性，可以说是当前圆柱体结构物涡激振动实验的最高水平。在经验模型研究方面, Hartlen开创性地建立了弹性支撑柱体涡激振动的横流向振动响应以及流体力的经验模型尾流振子模型。随后,Skop对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中。近年,又有学者对其进行了修正与改进5。在国内的研究中,GUO、郭海燕等学者考虑到了立管内流对立管涡激振动的影响,对Hartlen提出的尾流振子模型进行了一些改进。在数值模拟研究方面,按照不同的紊流模型,涡激振动的CFD模拟方法可以大体分为4类:离散涡(DVM)方法、RANS方法 、LES方法以及DNS方法6。绝大多数的研究集中在交叉流（升力方向）圆柱结构响应（刚性或柔性安装的气缸，管道，电缆，等），要么是谐波驱动，要么是自激流体流动。然而同轴运动也可能并存，虽然它们比交叉流小了一个数量级。关于评价交叉流反应的分析和数值模型已经提出了很多了，包括尾流子模型，单自由度模型，随机振动模型，还有在纳威斯托克斯方程的基础上建立的数学模型(Lu & Dalton 1996; Blackburn & Henderson 1996)。相比之下，在同轴结构中，分析模型就很少了。而此类实验就更加稀少。同轴振动频率是交叉流振动的两倍。不同的横流涡激振动，在振动具有两个共振。第一共振起源于对称旋涡脱落，第二共振起源于交叉旋涡脱落。总体来讲，涡激振动原理的理论研究还在起步阶段，但是这并不妨碍我们对该原理的利用。现在已经有许多利用涡激振动原理的研究性发电装置问世。美国密歇根大学的Michael Bernitsas教授研究团队首次提出利用涡激振动开发海洋能的新概念，并制作了第一台原型机VIVACE（Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy）7,如图1-1所示。并利用VIVACE进行试验，得到宝贵的研究数据。图1-1 VIVACE在国内该类装置的设计研发也在如火如荼的展开，在第十二届“挑战者杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛上出现了一个比较成功的作品，如图1-2所示，均匀排布的柱体在恒定流中振动，将动能通过带传动到发电装置进行发电。图1-2 涡激振动发电装置摆动式涡激振动发电装置、涡激振动与升力混合动力型水流发电装置、涡激振动潮流能发电装置、利用涡激振动的风能压电转换发电装置等在该领域都具有先驱性的研究意义。与这些发电装置的设计不同的是，本次基于涡激振动的电能转换装置采用独特的传动设计方法。传动装置选择的是两个齿轮与双面齿条的啮合传动，齿条的往复直线主运动在运动过程中分为两个方向始终不相同的分转动，这两个转动分别通过传动轴与发电机齿轮相配合，在单向轴承的作用下确保发电机转动方向的不变，由此实现两个分转动的合并，充分利用俘能装置的机械能。1.3 课题研究的主要内容该设计旨在通过涡激振动将能量捕捉，并且利用该部分能量带动发电机转子转动，从而实现发电的目的。该设计的主要思路是将能量捕捉并转换为往复直线运动的动能形式。然后通过中间转换装置（机械传动装置）使往复运动转化为较为均匀的转动。最后通过传动轴的转动带动发电机发电。设计的主要任务是对该涡激振动电能转换装置的俘能装置和传动部分进行设计。俘能装置的设计在同类机构中可以说是大同小异，主要是利用非流线型物体在恒定流中的涡激振动来实现能量捕捉的目的。然后利用机械结构将往复的直线运动转换为均匀的单向转动，并且最大程度减少能量损失，提高转换效率。传动部分是该电能转换装置中一个十分重要的环节。如何实现将不规则的往复直线运动转换为规则的单向转动，是首先要解决的问题。传动装置要力求精简，最大程度的减少传动级数，以减少传动过程中的能量损失。如何解决传动过程中不必要的能量损失，也是一个需要解决的问题。最后一个关键问题是如何将之前往复运动转换的两个单向转动再次结合起来，共同驱动发电机发电。如何解决这三个问题是传动部分设计的重中之重。涡激振动造成的浮子震动是垂直方向的往复直线运动，这样的往复运动是不规律的，无法直接驱动发电机转子转动。需要设计一个机构，使这种往复直线运动转换成单向的转动，并且将上升阶段和下降阶段都能利用起来。例如齿条和两个齿轮的啮合，四杆机构等。发电装置为求发电效率的提高，要求尽可能的减少传动级数，将其控制在两到三级传动，并且使用摩擦系数小的传动机构。发电装置要求传动稳定，动作均匀，能够保持一定速率驱动发电机转子。因此在设计传动机构的时候也要考虑这方面的要求。由于发电的要求，前一步由往复直线运动上升与下降分别驱动的两个单向转动需要再次合称为一个运动，以此连续驱动发电机转子转动。这一过程要保证两个分运动啮合过程中互不干涉，最终实现转向一致，转动连续，实现电能的连续转换。1.4 课题的研究方法 首先采用调查法，有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料，了解该项设计项目的研究基础。并对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，从而整合现有的传动机构的形式，为自己的设计提供理论与现实依据。 其次采用构建模型的方法，对设计进行三维造型，模拟机构的运转，在运动仿真的过程中发现机构存在的问题，从而进行优化设计和进一步的改进。 当设计有了一定成果，要利用经验总结法，通过设计中的具体情况，进行归纳与分析，使之系统化、理论化，上升为经验，为后续的设计提供参考作用，避免同样的问题再次发生。设计流程如图1-3所示。 答辩准备论文编写实体装配零件的选型与采购图纸的绘制运动学仿真零件的计算与校核设计方案工作原理图1-3 设计流程图52 机构的总体设计2 机构的总体设计2.1 机构的装配预览该设计的设计内容主要分为俘能装置的设计和能量传递与转换装置的设计两部分。俘能装置包括支架、弹性支撑的非流线型柱体等部分，能量传递与转换装置包括动能输入部分、传动部分和电能转换部分等。装配完成后的效果如图2-1所示，非流线型的柱体在恒定流中产生振动，带动内部铝合金支架的振动。顶部连接的传动装置与铝合金支架由连接座连接，带动齿条往复运动，达到动能输入的目的。图2-1 装配预览2.2 俘能装置的设计俘能装置的作用就是利用涡激振动原理将能量捕捉。非流线型物体采用均匀的圆柱体，由铝合金支架固定，并与外侧支架弹性连接。外侧支架的作用是固定整个装置，采用强度高重量轻的方管焊接。固定用支架如图2-2所示，两支架间采用8个M10螺栓连接。外侧支架固定在平台上，起到固定装置并承担装置重量的作用，由4040mm方管焊接而成。内侧支架与外侧支架刚性连接连接，主要起到与往复运动的铝合金支架配合，为运动提供支撑的作用。图2-2 支架示意图铝合金支架与方管架之间由光轴和滑动轴筒连接，摩擦方式是滑动摩擦。其示意图如下图2-3所示，光轴通过轴座固定在方管架上，轴座与方管架之间采用2个M5螺栓固定。滑动轴筒采用铝合金件，与铝合金支架用2个M5螺栓连接。图2-3 滑动连接示意图2.3 传动与转换装置的设计2.3.1 动能输入装置的设计动能的输入装置采用齿轮与双面齿条的啮合传动。齿条与铝合金架通过连接座连接。齿轮齿条传动的传递动力大，齿轮传动用来传递任意两轴间的齿轮和动力，齿轮齿条传动的寿命长，工作平稳，可靠性高。每一面齿条都与一个齿轮啮合，这样的啮合方式保证了运动的连贯性。并且齿条与齿轮的加工工艺已经十分纯熟，这项技术也已经在现有机械上有了应用，经过了实际应用的考验。齿轮与双面齿条的啮合也是经过验证，是极为可靠的机械传动装置。铝合金支架和齿条的连接示意图如图2-4所示。连接座用铸铁焊接而成，在需要位置打通孔。齿条与连接座由2个M5螺栓固定，连接座与铝合金架由4个M5螺栓固定。图2-4 铝合金架与齿条连接示意图齿轮和双面齿条的啮合关系如图2-5所示，双面齿条的每一面均与一个齿轮啮合，呈对称关系。因此两个齿轮的运动方式也是对称的，在齿条的往复行程中，两齿轮均保持同速反向的转动。图2-5 齿轮齿条啮合图2.3.2 传动部分的设计装置传动部分如图2-6所示：图2-6 传动部分装配图动能的传递环节如图2-6所示。齿轮在齿条的带动下作往复转动，通过连接轴将这种往复转动传递给输出齿轮。输出齿轮与传动轴之间由单向滚针轴承连接。两个单向轴承安装方向相反，这保证了在输入齿轮的正向与反向转动时，两个输出齿轮仅保持相同方向的交替转动，并以此驱动微型发电机的转动。传动部分主要有以下零部件构成：（1）.框架框架是承载所有零件的载体，采用方管焊接工艺。（2）.轴承座、滚珠轴承轴承座是固定在框架上用于承载传动轴。轴承座和框架采用螺栓连接。滚珠轴承与轴采用过盈配合，轴肩定位，锁紧螺丝固定。（3）.传动轴传动轴是该部分十分重要的零件，传动轴将齿轮的转动跨越空间传递到发电机的转动上，与齿轮采用过盈配合。（4）.齿轮输入齿轮与传动轴配合，将齿条传递来的往复运动转换成往复转动传递给输出端齿轮。（5）.单向滚针轴承单向轴承在运动方式的改变上起着至关重要的作用，输入齿轮的往复转动在单向轴承的参与下转换成单向的转动。2.3.3 电能转换部分的设计该部分由发电机与齿轮箱组成。单向轴承与输出齿轮配合，使该级齿轮只能单向转动，通过输出齿轮与减速箱齿轮的啮合，将运动传递给微型发电机。输出齿轮与轴之间通过单向轴承连接，单向轴承保证齿轮只能单向转动，这就保证了微型发电机的单向转动，从而输出稳定的电能。电能转换部分的齿轮装配啮合情况如图2-7所示，两侧的输出齿轮与同一个齿轮箱输入齿轮啮合，将间断的单向转动合成为一个连续的单向转动，通过齿轮箱的加速效果达到微型发电机的额定转速，并驱动发电机发电。图2-7 电能转换部分齿轮啮合图2.4 小结本章主要介绍了总体设计的构造与原理。能量的俘获、输入到能量的机械传递再到最终实现电能的转换，从这三个部分入手对结构进行剖析。方管架支撑下的铝合金架在柱体的带动下进行规律的往复运动，通过动能输入装置将能量输入并进行传递，并改变运动形式进行发电。通过这一章的分析，使整个机构的构造变得更加清晰。113 零件的设计计算及校核3 零件的设计计算及校核3.1俘能装置的技术参数利用涡激振动原理的俘能装置在一定的恒定流速下进行周期振动。振动周期 （3-1）St是构件剖面形状与雷诺数Re的函数，其定义式为。式（3-1）中：V垂直于构件轴线的速度（m/s）；D为圆柱直径或柱体的其他特征长度（m）；T为相关的特征时间（s）。根据实验数据，f=1Hz/s，行程为400mm，平均速度。和分别代表升力和阻力: （3-2） （3-3）式（3-2）与（3-3）中：流体密度，在此取1.02510kg/m；V垂直于柱体中心线的速度，为0.4m/s；D圆柱直径，为0.085m；单位长度柱体会计浮力，；波动升力系数，查表取1；阻力系数，查表取0.9。=122.0N=97.6N因此，俘能机构的总升力为24.4N。3.2 微型发电机的选型输入功率。根据输入功率和传递效率选择微型发电机。首先计算轴承的功率损失。轴承摩擦系数受轴承型式、轴承负荷、转速、润滑方式等的影响较大，取值见下表：表3.1 各类轴承摩擦系数一览表轴承型式摩擦系数深沟球轴承0.0010-0.0015角接触球轴承0.0012-0.0020调心球轴承0.0008-0.0012圆柱滚子轴承0.0008-0.0012满装型滚针轴承0.0025-0.0035带保持架滚针轴承0.0020-0.0030圆锥滚子轴承0.0017-0.0025调心滚子轴承0.0020-0.0025推力球轴承0.0010-0.0015推力调心滚子轴承0.0020-0.0025轴承摩擦力矩：（3-4）式（3-4）中：M摩擦力矩，；摩擦系数；F轴承负荷；D轴承公称内径，mm。由轴承摩擦引起的轴承功率损失可用以下计算公式得出：NR = 1.05 Mn（3-5）式（3-5）中：NR=功率损失，W；M=轴承的总摩擦力矩，； n=转速，此处转速取153r/min。该装置共有深沟球轴承4，满装型滚针轴承2。深沟球轴承摩擦系数取0.0015，滚针轴承摩擦系数取0.0035。轴承负荷由齿轮载荷得出：（3-6）式（3-6）中：作用于齿面接触线上的法向载荷，N；L沿齿面的接触线长，mm。深沟球轴承总摩擦力矩：滚针轴承总摩擦力矩：轴承功率损失：NR = 1.05 Mn=1.8810W输入功率为9.76WNR，因此可以忽略。查表得，齿轮齿条传递效率取0.96，直齿轮间传递效率取0.97；输出功率： 由此选择小功率三相交流手摆发电机，额定转速3000r/min，电压6V-12V，功率3-9W，自带二级加速齿轮箱，总加速倍数20.25倍。3.3 齿轮齿条的选型与校核3.3.1 根据转速对齿轮齿条进行选型已知俘能装置振动频率为1Hz，输入力为24.4N，振幅为100mm，一个周期内行程为400mm。选取微型发电机额定转速3000r/min，加速倍数20.25倍，输入轴齿轮模数1，齿数45。根据微型发电机输入轴齿轮模数为1，选取双面齿条模数1模，厚度12mm，齿距为。一个周期内行程，周期内经过齿数为：根据齿条模数，选择与其配合的齿轮模数为1。通过订购现有齿数齿轮，拟确定一级齿轮齿数为50，一级齿轮转速为：电机输入齿轮转速：由此可以计算出二级齿轮与电机输入齿轮传动比为：因此取二级传动齿轮齿数为45齿。微型发电机实际转速：实际转速是额定转速n的1.03倍，在允许范围内，故可以采用此方案。由此确定齿条与齿轮模数均为1，一级传动齿轮齿数为50，二级传动齿轮齿数为45。3.3.2 根据齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度校核公式：（3-7）式（3-7）中：K载荷系数，取1.1；啮合齿条齿轮副中的齿轮的转矩，；齿形系数，查手册得2.32；应力校正系数，查手册得1.70；齿轮齿宽；分度圆直径；m模数；许用弯曲应力。许用弯曲应力：（3-8）式（3-8）中：试验齿轮齿根弯曲疲劳极限；弯曲安全系数，查表取1.5。由此得出 ，因此，按照齿轮齿根弯曲强度校核，符合要求。3.3.3 根据齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度叫校核公式：（3-9）式（3-9）中：节点区域系数，查表取2.5；弹性影响系数，查表取189.8；接触疲劳许用应力。（3-10）式（3-10）中：实验齿轮齿面接触疲劳极限；齿面接触安全系数，查表取1.25。由此得出。因此，按照齿面接触疲劳强度校核，符合要求。最终确定齿轮参数如下表：表3.2 齿轮的最终参数输入齿轮输出齿轮齿条模数111齿数5045齿宽12mm12mm12mm压力角2020203.4 传动轴的设计及齿轮的固定与安装3.4.1 轴的设计根据齿轮厚度和选定轴承座尺寸，对轴的直径和长度进行设计。齿轮厚度是12mm，轴承座与轴承厚度是12mm，轴承内径8mm。为装配定位，齿轮孔径选择10mm。图3-1 传动轴轴的校核公式：（3-11）式（3-11）中：P轴所传递的功率，kW；n轴的转速，r/min；d计算截面处轴的直径，mm，此处应取轴的最小直径，为8mm。由此得出，符合强度要求。3.4.2 齿轮的固定与安装齿轮与轴的配合采用基孔制过盈配合，定位方式采用轴肩定位，通过平键联接。齿轮与轴的配合方式如图3-2所示。图3-2 齿轮与轴的装配3.5 键的校核根据轴的直径尺寸为10mm，选择键宽b键高hL=338mm。键承受的载荷是均匀分布的，则平键联接的挤压强度条件是：（3-12）式（3-12）中：d轴径，mm；h键的高度，mm；l键的工作长度，如图3-3所示，。图3-3 键的工作长度查表得=100MPa，因此，选用平键符合要求。3.6 轴承的设计计算选择的轴承座带轴承型号是KP08，轴承内径8mm，外径14mm厚度12mm。因齿轮轴主要受扭矩，所以轴向力可以基本忽略。查表得：该型号轴承的基本额定动载荷为C=4.6KN。轴的实际计算载荷为24.4N。 根据滚动轴承的寿命计算公式：（3-13）式（3-13）中：修正额定寿命，h；C基本额定动载荷。 因为选择的轴承为球轴承，所以。 代入数值计算得：由此得出轴承的选择完全满足要求。轴承在安装时，与轴承座的配合为基轴制过盈配合，与轴的配合为基孔制过盈配合。3.7 连接螺栓的校核3.7.1 动能输入部分螺栓的校核俘能装置与齿条的连接选择螺栓连接的方式。选择GB 898-88螺栓为M560，如图3-4所示。 a. 轴向力装配图 b. 径向剪切力装配图图3-4 输入部分螺栓装配图已知俘能装置的输入力为24.4N，如图3-4 a所示，由四个螺栓共同承担轴向拉力。M5螺栓能承受的轴向力最小为2560N，远远大于输入力，因此符合要求。俘能装置与双面齿条的安装由两个螺栓来实现，如图3-4 b所示。其单个螺栓受力为12.2N。 （3-14） 螺栓的连接防脱使用金属垫片，查表得：=0.2。则： 由螺栓危险截面的拉伸强度条件：（3-15）求得截面直径：因此选取M5螺栓符合要求。3.7.2 柱体连接部分螺栓的校核柱体与铝合金支架的固定采用两个M10的螺栓，根据螺栓的安装方式和柱体的运动方式，可以分析螺栓主要受剪切力。其安装方式如下图：图3-5 柱体铝合金架装配图螺栓主要承受由涡激振动引起的升力和恒定流的推力。柱体对水流垂直方向的阻力为：螺栓受力为：由螺栓危险截面的拉伸强度条件：求得截面直径：因此选取M10螺栓符合强度要求。3.8 支架的设计及安装支架的材料选择1212mm的方管焊接，根据俘能装置装置尺寸及传动轴、齿轮的尺寸，最终选定支架尺寸为长宽高=164100144mm。轴承座与支架采用M5螺栓连接，通孔，螺母带垫片固定。3.9 本章小结本章主要讲述设计尺寸的确定和各零件强度的校核。由于俘能装置输入力的大小仅为20N左右，所以根据输入功率的大小先来确定微型发电机的型号，其他齿轮，齿轮轴与轴承等零件的选择根据传动比与装配尺寸要求来选定，然后运用机械设计强度要求对选定零件进行校核，校核完毕，选定零件均符合强度和装配尺寸要求。294 机构的UG运动学仿真4 机构的UG运动学仿真运动仿真是UG中的主要模块。通过运动仿真能对任何一个机构进行运动学分析、动力学分析和设计仿真。在UG三维图纸完成的基础上，对整体结构的运动情况进行运动学仿真。先对运动模块进行连杆设定，固定不运动的连杆以为定位。运动状态相同的零件设为同一个连杆，比如俘能装置的整体运动支架就设为一个连杆，输入齿轮与轴的运动状态相同，也设为同一个连杆。连杆设定完毕后，对要运动的连杆进行运动副命令。俘能装置的往复运动运动副要先约束第一个连杆，并确定其运动原点和方位。然后确定与之啮合的第二个连杆，及齿轮与传动轴的连杆，确定其运动的原点和方位。俘能装置的STEP函数为：STEP( x, 0, 0,0,STEP( x, 0,50, 0.25, STEP( x, 0.25, -50, 0.75,STEP( x, 0.75,0, 1,0)。根据俘能装置运动速度，计算各级齿轮的转速，设定运动副为转动副，根据传动关系输入转速，并确定运动原点方位。运动副设定完成后导入解算方案并求解，此时运动仿真完成，点击运行模拟该装置的运动情况。下图为俘能装置往复运动的位移曲线，横坐标是时间（s），纵坐标是位移量（mm）。图4-1 位移随时间变化曲线从图中可以看出，位移量随着时间呈现往复运动状态，峰值为100mm，一个周期时间为1s。清楚的将俘能装置的运动位移情况表现在图表中。输入齿轮转动角度随时间的变化曲线如下图所示。横坐标是时间（s），纵坐标是角度变化情况。图4-2 输入齿轮转动角度随时间变化曲线图中可以看出输入齿轮转动角度的变化情况是往复的，充分表现出齿轮在俘能装置往复运动的带动下变向旋转的运动情况。图4-3 输入齿轮转动角度随时间变化曲线输出齿轮的角度随时间的变化情况如图4-2所示，角度的变化是连续且持续减小的，在其达到0时会发生瞬变，形象的描述了输出齿轮在单向轴承的参与下呈现持续转动运动特点。经过运动仿真分析，最终确定在往复运动的驱动状态下可以实现机构的运转，为实物的运动状态提供了有利的数据分析。5 传动部份的研制5 传动部分的研制5.1 零件的采购该设计对于零件的选型与校核，安装定位的尺寸选择都已经完成。本次设计的最终任务是将图纸上的设计做成实物，实现其设计最初的功能。双面齿条的采购按照设计装配要求，选购1模1212200mm。齿轮的采购选择在网上直接购买，尼龙齿轮有着标准的模数齿数参数，选取50齿与45齿1模齿轮各两个，为实现要求内孔进行加工，50齿齿轮因为与轴采用基孔制过盈配合，平键装配，所以内孔要求按照装配要求的10尺寸公差进行加工。45齿齿轮要与滚针单向轴承配合，配合方式同样是基孔制过盈配合，内孔按照装配要求14进行加工。齿轮轴的采购需要单独进行加工，按照公差尺寸加工轴的直径，轴与滚动轴承、齿轮和滚针单向轴承的装配均为基孔制过盈配合。支架的焊接要保证整体尺寸的偏差不能太大，轴承座安装孔的定位尺寸要保证精确，以方管架的一边为基准，确定第一个通孔的位置，并以此确定下一通孔的位置。电机与轴承座、滚针轴承、螺栓和键的采购都有标准件。5.2 总体装配首先确定方管架的长度尺寸，选取一条边为基准面，将轴承座安装的螺栓孔打出，注意一定要精确的保证孔距，为后续的轴承座安装和齿轮齿条啮合做好基础。方管架焊接成型的样品如图5-1所示。图5-1 焊接方管架接下来进行齿轮与齿轮轴的装配，50齿齿轮与轴平键装配，45齿齿轮先与滚针轴承装配，然后滚针轴承与传动轴进行装配。轴上零件的装配如图5-2所示。图5-2 轴上零件的装配紧接着进行轴承座与支架的安装。选用M5螺栓将轴承座安装在支架上，此时传动轴与齿轮已经和轴承座装配完成。接下来就是发电机与齿轮箱的装配，在支架的中心杆上用M3的螺栓固定，实现齿轮箱输入齿轮和传动轴输出齿轮的配合。装配完成后的效果如图5-3所示。图5-3 装配效果图5.3 小结从零件的采购到整体的装配，在尺寸和精度上出了些问题，支架上通孔的尺寸出现一点偏差就会造成齿轮之间，齿轮与齿条之间的啮合问题。装配完成后对机构进行试运行，最终也完成了机械能到电能的转换。结论本次毕业设计所做的基于涡激振动的电能转换装置的设计，是大学四年来所学知识的整合。本次设计所做的主要内容是利用涡激振动原理，将柱体的机械振动转换成电能的机械装置的设计。本次设计首先选择机构的工作原理，对传动机构和转换机构进行选型。在经过多种传动方式的对比之后，综合其优缺点及涡激振动俘能装置的运动方式，选择双面齿条与两个齿轮分别啮合，将俘能装置的往复直线运动转换成两个不同向单向的转动，然后再单向轴承的作用下将两个分转动合成为同一个方向不变的转动，从而驱动发电机发电。确定工作原理和机构选型后，接下来对所需零件尺寸进行选择，并校核各零件强度。当各零件尺寸和加工方式确定后，对非标准件进行二维和三维建模，并运用UG运动仿真的运动学仿真对机构的运动情况进行模拟，以此分析机构各部分的运动状态。分析完毕之后，采购标准件，加工所需非标零件。最后进行了实物的装配，并最终实现了功能模拟，将往复运动的机械能转换为电能。本次对基于涡激振动发电装置的设计，完成了从原理到实物的转变。该项研究现如今还处在试验阶段，并没有大批量的应用于实践环节。人们对海洋能的利用主要是潮汐能和波浪能的利用，涡激振动原理与这两项比起来更加不受时间和环境的影响，只要是恒定的流体环境就可以催生出源源不断的电能，而且还可以推广到河流，风等流体上面，应用前景十分广泛。该项研究具有广阔的前景，只要有恒定流动的地方都可以利用涡激振动原理产出电能，一旦研究取得重大进展，人们生活中的所有能源短缺和环境污染问题都将迎刃而解。而对于该项研究未来的研究方向，将会是如何利