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CN104314736B - 一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置 - Google Patents

一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置 Download PDF

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CN104314736B
CN104314736B CN201410564164.7A CN201410564164A CN104314736B CN 104314736 B CN104314736 B CN 104314736B CN 201410564164 A CN201410564164 A CN 201410564164A CN 104314736 B CN104314736 B CN 104314736B
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胡金鹏
梁富琳
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明公开了一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，包括具有封闭内腔的浮体、设置于浮体上部的受风翼和连接所述浮体下端的锚链，所述浮体通过所述锚链与海底锚固，所述浮体的内腔由上而下依次固定有相连接的弹簧振子、四组摇杆装置、传动机构和发电机，所述弹簧振子通过弹簧连接在所述浮体的内壁上且能左右、前后、上下摆动，所述摇杆装置吸收弹簧振子的振荡能量并通过传动机构将弹簧振子朝各个方向摆动时的动能输出为单向转动动能驱动发电机发电。本发明能同时利用任何方向的波浪能和风能进行发电，发电主体机构不接触海水，防腐能力强、抗破坏能力好，现场安装投放方便，能够适应任意潮位、地形和海况条件。

Description

一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置
技术领域
本发明涉及一种海洋波浪能和风能的发电装置，特别是涉及一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，属于新型可再生能源技术领域。
背景技术
随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人类对能源的需求日益增长。为了解决能源的日益紧缺和环境日趋严峻等问题，各国都争相发展可再生能源。波浪发电就是一个刚起步比较热门的项目，但目前的波浪发电装置在利用波浪能的同时很少考虑到兼顾利用风能的作用，另一方面，现有的波浪发电装置其核心部件都是直接浸泡在海水中，很难克服海水的腐蚀和风暴的袭击。目前，波浪发电技术还不够成熟，还没有能长时间投入实际使用的有效装置，究其原因，其根本在于需要解决现有波浪发电装置易腐蚀、难维护、对环境波浪条件适应性差、易受风暴破坏等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可同时利用任意角度和方向的波浪能和风能的全封闭型发电装置。
本发明要解决的问题是现有波浪发电装置在利用波浪能的同时很少考虑到兼顾利用风能的作用，另一方面，现有的波浪发电装置其核心部件都是直接浸泡在海水中，很难克服海水的腐蚀和风暴的袭击，并且对潮位、地形和海况等条件适应性差。本发明通过全封闭型外壳内部安装弹簧振子，可同时吸收任意角度和方向的波浪能和风能，由于其发电主体部件不与海水接触，大大提高工作寿命，降低维护成本。该装置具有强耐久性和高可靠性，现场安装投放方便，能够适应不同的地形和海况条件。
本发明采用的技术方案是：
一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，包括具有封闭内腔的浮体、设置于浮体上部的受风翼和连接所述浮体下端的锚链，所述浮体通过所述锚链与海底锚固，所述浮体的内腔由上而下依次固定有相连接的弹簧振子、四组摇杆装置、传动机构和发电机，所述弹簧振子通过弹簧连接在所述浮体的内壁上且能左右、前后、上下摆动，所述摇杆装置吸收弹簧振子的振荡能量并通过传动机构将弹簧振子朝各个方向摆动时的动能输出为单向转动动能驱动发电机发电。本方案通过设置弹簧振子及传动机构，将浮体受波浪能和/或风能作用下的各种形式的运动转化为轴的单一方向的转动，从而驱动发电机发电，实现对波浪能和风能的综合高效利用。
进一步地，所述弹簧振子包括重球、对称地水平连接于重球和浮体内壁之间的四根水平弹簧、沿重球竖直中心线方向设置的上弹簧和下弹簧，所述上弹簧连接设置于重球顶部和浮体内腔顶壁之间，所述下弹簧连接设置于重球底部和浮体内腔底部之间，所述四根水平弹簧呈十字形布置在同一空间水平面上且每根水平弹簧的轴线均指向重球的球心。所述弹簧振子通过采用设置多个弹簧，将重球置于内腔中部的机构，波浪能和风能使浮体左右摇摆或上下沉浮时，使弹簧振子产生振荡动能，作为摇杆装置摇摆的动力。
进一步地，四组摇杆装置以浮体的垂直中心轴为对称轴对称地竖直设置在重球与浮体内壁之间，每组摇杆装置均包括垂直摇杆轴、水平摇杆轴、差动齿轮箱、单向超越离合器组、可伸缩摇杆、万向接头、轴承和轴承座、弧形连杆，所述单向超越离合器组包括第一单向超越离合器、第二单向超越离合器、第三单向超越离合器，所述差动齿轮箱内设有定轴圆锥齿轮组和行星圆锥齿轮组，所述定轴圆锥齿轮组包括竖直相对的第一定轴圆锥齿轮和第二定轴圆锥齿轮，所述行星圆锥齿轮组包括水平相对的第一行星圆锥齿轮和第二行星圆锥齿轮，每个定轴圆锥齿轮均和两个行星圆锥齿轮同时啮合，所述垂直摇杆轴包括上垂直摇杆轴和下垂直摇杆轴，所述上垂直摇杆轴的下端与第一定轴圆锥齿轮相连接，同时其上部通过轴承和轴承座固定在浮体的内壁上，所述下垂直摇杆轴上端与第二定轴圆锥齿轮相连接，其下端通过第三单向超越离合器与传动机构相连接，所述水平摇杆轴包括第一水平摇杆轴和第二水平摇杆轴，所述第一水平摇杆轴一端与第一行星圆锥齿轮相连接，另一端与第一单向超越离合器相连接，所述第二水平摇杆轴一端与第二行星圆锥齿轮相连接，另一端与第二单向超越离合器相连接，所述弧形连杆连接于第一单向超越离合器和第二单向超越离合器之间，所述可伸缩摇杆的一端通过万向接头与重球相连接，另一端与弧形连杆中部固定连接。通过设置单向超越离合器组及摇杆装置和差动齿轮箱等，无论浮体在波浪能和风能的单独作用或混合作用下如何有规律或无规律的左右摆动和/或上下沉浮，摇杆装置都能将弹簧振子各个方向的摆动动能转化为单一方向的转动动能提供给传动系统以驱动发电机按固定转向转动发电，实现对波浪能和风能的充分利用。
进一步地，所述传动机构包括四个角传动齿轮箱、四根水平传动轴、位于重球正下方且具有四个输入端和一个输出端的四轴输入齿轮箱、总传动轴、变速箱、四根垂直传动轴，每根垂直传动轴上端连接第三单向超越离合器，下端依次通过角传动齿轮箱、水平传动轴与四轴输入齿轮箱的一个输入端相连接，所述四轴输入齿轮箱的输出端通过总传动轴依次连接变速箱、发电机。
进一步地，所述四轴输入齿轮箱内部设有四个对称设置的小锥齿轮和一个大锥齿轮，四个小锥齿轮的旋转中心位于同一水平面且呈十字形分布，所述大锥齿轮同时与四个小锥齿轮相啮合且与各个小锥齿轮的旋转中心所在平面垂直。四个小锥齿轮将来自不同摇杆装置的机械能传至大锥齿轮，无论弹簧振子朝哪个方向摆动，摇杆装置获取的机械能均能由小锥齿轮推动大锥齿轮按固定转向转动。
进一步地，所述垂直传动轴上部还设置有轴承，所述轴承通过轴承座固定在浮体内壁上，以提高垂直传动轴的刚性和稳定性。
进一步地，所述浮体的内腔由上而下包括摇杆腔、发电腔，所述摇杆腔和发电腔之间设置有用于固定四轴输入齿轮箱的第一带孔隔板，所述发电腔内还设置用于固定变速箱的第二带孔隔板，从而起到简化结构复杂度、便于安装的目的。
进一步地，所述变速箱与发电机之间的连接轴上还设置有惯性轮，利用所述惯性轮的转动惯量大来吸收储存所述浮体受大风浪冲击时产生的多余能量，使所述发电机转速更稳定，从而降低电力输出的波动。
进一步地，所述受风翼为四片，呈辐射状对称设置于浮体上部，可有效收集来自各个方向的风能，以驱动浮体摆动发电。
进一步地，所述重球表面、浮体内壁、四轴输入齿轮箱顶面均设置有用于安装弹簧的挂环，便于弹簧的安装及更换。
本发明相对于现有技术而言具有以下优点：
（1）本发明既可以利用波浪的扰动进行发电，也可以利用风的扰动进行发电。
（2）本发明能吸收任意角度和方向的波浪能和风能，不管装置里面的重球做上下左右还是前后的运动都能驱动发电机往同一方向旋转发电。
（3）本发明通过全封闭外壳把发电主体部件密封起来与海水隔离，提高抗腐蚀和抗风暴破坏能力，大大提高工作寿命，降低维护成本。
（4）本发明集强耐久性与高可靠性为一体，现场安装投放方便，能够适应任意潮位、地形和海况条件。
附图说明
图1为本发明实施例的外部结构示意图。
图2为本发明实施例的剖视结构示意图。
图3为图2中B处放大示意图。
图4为图2中A-A向剖视示意图。
图5为本发明实施例去掉外壳的内部立体结构示意图。
图6为本发明实施例的其中一组摇杆装置结构示意图。
图7为本发明实施例的差动齿轮箱内部结构示意图。
图8为本发明实施例的四轴输入齿轮箱内部结构示意图。
图中所示为：1-浮体；2-受风翼；3-锚链；4-弹簧振子；5-摇杆装置；6-角传动齿轮箱；7-水平传动轴；8-四轴输入齿轮箱；9-总传动轴；10-变速箱，11-惯性轮；12-发电机；13-重球；14-水平弹簧；15-上弹簧；16-下弹簧；17-垂直摇杆轴；171-上垂直摇杆轴；172-下垂直摇杆轴；18-垂直传动轴；19-水平摇杆轴；191-第一水平摇杆轴；192-第二水平摇杆轴；20-差动齿轮箱；21-单向超越离合器组；211-第一单向超越离合器；212-第二单向超越离合器；213-第三单向超越离合器；22-可伸缩摇杆；23-万向接头；24-轴承；25-轴承座；26-定轴圆锥齿轮组；261-第一定轴圆锥齿轮；262-第二定轴圆锥齿轮；27-行星圆锥齿轮组；271-第一行星圆锥齿轮；272-第二行星圆锥齿轮；28-小锥齿轮；29-大锥齿轮；30-弧形连杆；31-第一带孔隔板；32-第二带孔隔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1至图4所示，一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，包括具有封闭内腔的浮体1、设置于浮体1上部的受风翼2和连接所述浮体下端的锚链3，所述浮体1通过所述锚链3与海底锚固，本实施例中，所述受风翼2为四片，呈辐射状对称设置于浮体1上部，所述浮体1的内腔由上而下依次固定有相连接的弹簧振子4、四组摇杆装置5、传动机构和发电机12，所述弹簧振子4通过弹簧连接在所述浮体1的内壁上且能左右、前后、上下摆动，所述摇杆装置5吸收弹簧振子4的振荡能量并通过传动机构将弹簧振子4朝各个方向摆动时的动能输出为单向转动动能驱动发电机12发电。
具体地，如图4、图5所示，所述弹簧振子4包括重球13、对称地水平连接于重球13和浮体1内壁之间的四根水平弹簧14、沿重球13竖直中心线方向设置的上弹簧15和下弹簧16，所述上弹簧15连接设置于重球13顶部和浮体1内腔顶壁之间，所述下弹簧16连接设置于重球13底部和浮体1内腔底部之间，所述四根水平弹簧14呈十字形布置在同一空间水平面上且每根水平弹簧14的轴线均指向重球13的球心。
如图5至7所示，四组摇杆装置5以浮体1的垂直中心轴为对称轴对称地竖直设置在重球13与浮体1内壁之间，每组摇杆装置5均包括垂直摇杆轴17、水平摇杆轴19、差动齿轮箱20、单向超越离合器组21、可伸缩摇杆22、万向接头23、轴承24和轴承座25、弧形连杆30，所述单向超越离合器组21包括第一单向超越离合器211、第二单向超越离合器212、第三单向超越离合器213，所述差动齿轮箱20内设有定轴圆锥齿轮组26和行星圆锥齿轮组27，所述行星圆锥齿轮组27不但可以绕水平摇杆轴19自转，还可以绕垂直摇杆轴17公转，所述定轴圆锥齿轮组26包括竖直相对的第一定轴圆锥齿轮261和第二定轴圆锥齿轮262，所述行星圆锥齿轮组27包括水平相对的第一行星圆锥齿轮271和第二行星圆锥齿轮272，每个定轴圆锥齿轮均和两个行星圆锥齿轮同时啮合，所述垂直摇杆轴17包括上垂直摇杆轴171和下垂直摇杆轴172，所述上垂直摇杆轴171的下端与第一定轴圆锥齿轮261相连接，同时其上部通过轴承24和轴承座25固定在浮体1的内壁上，所述下垂直摇杆轴172上端与第二定轴圆锥齿轮262相连接，其下端通过第三单向超越离合器213与传动机构相连接，所述水平摇杆轴19包括第一水平摇杆轴191和第二水平摇杆轴192，所述第一水平摇杆轴191一端与第一行星圆锥齿轮271相连接，另一端与第一单向超越离合器211相连接，所述第二水平摇杆轴192一端与第二行星圆锥齿轮272相连接，另一端与第二单向超越离合器212相连接，所述弧形连杆30连接于第一单向超越离合器211和第二单向超越离合器212之间，所述可伸缩摇杆22的一端通过万向接头23与重球13相连接，另一端与弧形连杆30中部固定连接。
具体地，所述传动机构包括四个角传动齿轮箱6、四根水平传动轴7、位于重球13正下方且具有四个输入端和一个输出端的四轴输入齿轮箱8、总传动轴9、变速箱10、惯性轮11、四根垂直传动轴18，每根垂直传动轴18上端连接第三单向超越离合器213，下端依次通过角传动齿轮箱6、水平传动轴7与四轴输入齿轮箱8的一个输入端相连接，所述四轴输入齿轮箱8的输出端通过总传动轴9依次连接变速箱10、惯性轮11及发电机12，所述惯性轮11具有缓冲和蓄能的作用，利用其转动惯量大来吸收储存所述浮体1受大风浪冲击时产生的多余能量，使所述发电机12转速更稳定，从而降低电力输出的波动。
同时，所述垂直传动轴18上部还设置有轴承24，所述轴承24通过轴承座25固定在浮体1内壁上，以提高垂直传动轴18刚性和稳定性。
具体地，如图8所示，所述四轴输入齿轮箱8内部设有四个小锥齿轮28和一个大锥齿轮29，四个小锥齿轮28的旋转中心位于同一水平面且呈十字形分布，所述大锥齿轮29同时与四个小锥齿轮28相啮合且与各个小锥齿轮28的旋转中心所在平面垂直。
所述浮体1的内腔由上而下包括摇杆腔、发电腔，所述摇杆腔和发电腔之间设置有用于固定四轴输入齿轮箱8的第一带孔隔板31，所述发电腔内还设置用于固定变速箱10的第二带孔隔板32，从而起到简化结构复杂度、便于安装的目的。
为便于安装，所述重球13表面、浮体1内壁、四轴输入齿轮箱8顶面均设置有用于安装弹簧的挂环，安装时，将弹簧挂于相应的挂环之间即可，方便快捷。
总体说来，本实施例既可以利用波浪的扰动进行发电，也可以利用风的扰动进行发电，本实施例通过吸收任意角度和方向的波浪能和风能，使浮体1内部弹簧振子4做上下、前后、左右运动，并通过前后左右布置的四组摇杆装置5吸收弹簧振子4的振荡能量，使弹簧振子4的上下、左右、前后运动都转化为发电机12的同一方向转动，从而发电。
所述第一单向超越离合器211、第二单向超越离合器212的作用是：当所述重球13带动所述可伸缩摇杆22向上运动时，第一单向超越离合器211合紧传动，第二单向超越离合器212分离不传动；当所述可伸缩摇杆22向下运动时，则相反，第一单向超越离合器211分离不传动，第二单向超越离合器212合紧传动。上述不管哪种情况，经过所述差动齿轮箱20的传动后，输出轴也就是所述下垂直摇杆轴172始终做顺时针转动（由上往下看）。另外，在所述下垂直摇杆轴172和所述垂直传动轴18连接部位处安装的所述第三单向超越离合器213的作用是：当摇杆装置5做左右前后运动使所述可伸缩摇杆22做水平面运动时，特别当所述可伸缩摇杆22通过所述水平摇杆轴19牵动所述行星圆锥齿轮组27做顺时针公转时（由上往下看），所述行星圆锥齿轮组27也带动所述定轴圆锥齿轮组26做顺时针旋转，此时，所述第三单向超越离合器213合紧传动，使所述垂直传动轴18还是始终做顺时针旋转；反之，所述行星圆锥齿轮组27逆时针公转并带动所述定轴圆锥齿轮组26逆时针转动时，所述第三单向超越离合器213分离不传动，不影响所述垂直传动轴18原来的顺时针转动。因此不管所述可伸缩摇杆22在水平面往哪个方向摇摆，只会驱动所述垂直传动轴18始终做顺时针旋转。由于具有四个相同的所述摇杆装置5，它们以浮体1的垂直中心轴为对称轴对称地竖直设置在重球13与浮体1内壁之间，故它们对于所述重球13的动力吸收具有互补性和轴对称性，因此不管所述重球13往上下左右前后哪个方向运动，总能驱动一组或多组所述摇杆装置5，使各个所述摇杆装置5对应的所述垂直传动轴18始终做顺时针转动，驱使发电机12始终处于发电状态，实现风能和波浪能的充分利用。
所述总传动轴9把动力输送到固定安装在所述浮体1内的第二带孔隔板32上的所述变速箱10，经所述变速箱10提速后，把动力输出到所述惯性轮11，再输送到固定安装在所述浮体1内腔底部的所述发电机12，使所述发电机12转动发电。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，包括具有封闭内腔的浮体(1)、设置于浮体(1)上部的受风翼(2)和连接所述浮体下端的锚链(3)，其特征在于：所述浮体(1)的内腔由上而下依次固定有相连接的弹簧振子(4)、四组摇杆装置(5)、传动机构和发电机(12)，所述弹簧振子(4)通过弹簧连接在所述浮体(1)的内壁上且能左右、前后、上下摆动，所述摇杆装置(5)吸收弹簧振子(4)任意角度和方向的振荡能量并通过传动机构将弹簧振子(4)朝各个方向摆动时的动能输出为单向转动动能驱动发电机(12)发电；
所述弹簧振子(4)包括重球(13)、对称地水平连接于重球(13)和浮体(1)内壁之间的四根水平弹簧(14)、沿重球(13)竖直中心线方向设置的上弹簧(15)和下弹簧(16)，所述上弹簧(15)连接设置于重球(13)顶部和浮体(1)内腔顶壁之间，所述下弹簧(16)连接设置于重球(13)底部和浮体(1)内腔底部之间，所述四根水平弹簧(14)呈十字形布置在同一空间水平面上且每根水平弹簧(14)的轴线均指向重球(13)的球心；
四组摇杆装置(5)以浮体(1)的垂直中心轴为对称轴对称地竖直设置在重球(13)与浮体(1)内壁之间，每组摇杆装置(5)均包括垂直摇杆轴(17)、水平摇杆轴(19)、差动齿轮箱(20)、单向超越离合器组(21)、可伸缩摇杆(22)、万向接头(23)、轴承(24)和轴承座(25)、弧形连杆(30)，所述单向超越离合器组(21)包括第一单向超越离合器(211)、第二单向超越离合器(212)、第三单向超越离合器(213)，所述差动齿轮箱(20)内设有定轴圆锥齿轮组(26)和行星圆锥齿轮组(27)，所述定轴圆锥齿轮组(26)包括竖直相对的第一定轴圆锥齿轮(261)和第二定轴圆锥齿轮(262)，所述行星圆锥齿轮组(27)包括水平相对的第一行星圆锥齿轮(271)和第二行星圆锥齿轮(272)，每个定轴圆锥齿轮均和两个行星圆锥齿轮同时啮合，所述垂直摇杆轴(17)包括上垂直摇杆轴(171)和下垂直摇杆轴(172)，所述上垂直摇杆轴(171)的下端与第一定轴圆锥齿轮(261)相连接，同时其上部通过轴承(24)和轴承座(25)固定在浮体(1)的内壁上，所述下垂直摇杆轴(172)上端与第二定轴圆锥齿轮(262)相连接，其下端通过第三单向超越离合器(213)与传动机构相连接，所述水平摇杆轴(19)包括第一水平摇杆轴(191)和第二水平摇杆轴(192)，所述第一水平摇杆轴(191)一端与第一行星圆锥齿轮(271)相连接，另一端与第一单向超越离合器(211)相连接，所述第二水平摇杆轴(192)一端与第二行星圆锥齿轮(272)相连接，另一端与第二单向超越离合器(212)相连接，所述弧形连杆(30)连接于第一单向超越离合器(211)和第二单向超越离合器(212)之间，所述可伸缩摇杆(22)的一端通过万向接头(23)与重球(13)相连接，另一端与弧形连杆(30)中部固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述传动机构包括四个角传动齿轮箱(6)、四根水平传动轴(7)、位于重球(13)正下方且具有四个输入端和一个输出端的四轴输入齿轮箱(8)、总传动轴(9)、变速箱(10)、四根垂直传动轴(18)，每根垂直传动轴(18)上端连接第三单向超越离合器(213)，下端依次通过角传动齿轮箱(6)、水平传动轴(7)与四轴输入齿轮箱(8)的一个输入端相连接，所述四轴输入齿轮箱(8)的输出端通过总传动轴(9)依次连接变速箱(10)、发电机(12)。
3.根据权利要求2所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述四轴输入齿轮箱(8)内部设有四个小锥齿轮(28)和一个大锥齿轮(29)，四个小锥齿轮(28)的旋转中心位于同一水平面且呈十字形分布，所述大锥齿轮(29)同时与四个小锥齿轮(28)相啮合且与各个小锥齿轮(28)的旋转中心所在平面垂直。
4.根据权利要求2所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述垂直传动轴(18)上部还设置有轴承(24)，所述轴承(24)通过轴承座(25)固定在浮体(1)内壁上。
5.根据权利要求2所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述浮体(1)的内腔由上而下包括摇杆腔、发电腔，所述摇杆腔和发电腔之间设置有用于固定四轴输入齿轮箱(8)的第一带孔隔板(31)，所述发电腔内还设置用于固定变速箱(10)的第二带孔隔板(32)。
6.根据权利要求2至5任一项所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述变速箱(10)与发电机(12)之间的连接轴上还设置有惯性轮(11)。
7.根据权利要求1所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述受风翼(2)为四片，呈辐射状对称设置于浮体(1)上部。
8.根据权利要求6所述的一种同时利用波浪能和风能的全封闭型发电装置，其特征在于：所述重球(13)表面、浮体(1)内壁、四轴输入齿轮箱(8)顶面均设置有用于安装弹簧的挂环。
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