基于擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)的擺線推進器設(shè)計

引言

擺線推進器(Cyc1oida14Porp11pP）可以實現(xiàn)推進方向和推力大小在3e0o范圍內(nèi)的無極變化,具有優(yōu)異的操縱性能,廣泛應(yīng)用于無人船、掃雷艦、拖船、平臺供應(yīng)船、渡輪、海上平臺、潛艇等具有高操縱性能要求的船舶或水上平臺[1]。

擺線推進器的工作原理實現(xiàn)機構(gòu)有很多種,根據(jù)偏心率是否可調(diào)可將它們分為偏心率不可調(diào)和偏心率可調(diào)兩種類型[2]。齒輪式和凸輪式等偏心率不可調(diào)的擺線推進器,不能改變其控制點的偏移大小,因此不能改變偏心率,操縱性能較差。偏心率可調(diào)的擺線推進器,比如多連桿式[3]、步進電機式,可在一定范圍內(nèi)無極改變其偏心率,其推力大小調(diào)節(jié)可通過改變偏心率大小來實現(xiàn),因此這一類擺線推進器具有優(yōu)異的操縱性能。然而,以上類型的擺線推進器,為實現(xiàn)偏心率可調(diào),其結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜,降低了可靠性,并且效率較為低下。因此,設(shè)計一種偏心率連續(xù)可調(diào)、簡單可靠的擺線推進器具有重要意義。

1基于擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)的擺線推進器工作原理實現(xiàn)

擺線推進器的葉片是一種定型直葉片,從船體垂直向下伸向水中。葉片隨推進器一同旋轉(zhuǎn)做圓周運動,同時繞自身軸線按規(guī)律擺動,其擺動規(guī)律為葉片弦線的垂直線始終相交于控制點P,其葉片在空間上的軌跡形成一條擺線,因此稱為擺線推進器,如圖1所示。通過改變控制點P的位移大小和方向,即可在3e0o范圍內(nèi)連續(xù)改變推力大小和推力方向。

圖1基于擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)的擺線推進器工作原理圖

通過應(yīng)用擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)可實現(xiàn)上述擺線推進器葉片擺動規(guī)律。如圖1所示,假設(shè)A、B兩點分別是兩個葉片的軸線,且兩葉片弦線的垂直線相交于點P,即控制點。當葉片繞推進器中心軸線0點逆時針旋轉(zhuǎn)角度a時,可假設(shè)葉片與推進器相對靜止,控制點P繞中心軸線0順時針旋轉(zhuǎn)角度a。

應(yīng)用擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu),將控制點P處設(shè)計為兩個滑塊,葉片弦線垂直線AP、BP設(shè)計為導(dǎo)桿,并與葉片軸A、B連接,P點處的兩個滑塊可在平面范圍中自由移動,并通過導(dǎo)桿帶動葉片繞自身軸線A、B擺動。此時,0P的距離為偏心距,推力隨偏心距的增大而增大,通過改變滑塊P的位置就可以改變偏心距和推力大小。

2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)上述分析,設(shè)計了一種帶有兩個葉片的擺線推進器整體結(jié)構(gòu),如圖2和圖3所示。所設(shè)計的擺線推進器總體結(jié)構(gòu)中包括擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)、中心距控制機構(gòu)和主回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)。驅(qū)動電機13通過主動齒輪12、從動齒輪16、主軸18和連接盤9帶動回轉(zhuǎn)箱5回轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)箱5帶動葉片1旋轉(zhuǎn):直線電機14帶動控制桿15,控制桿15與導(dǎo)桿e滑動連接,導(dǎo)桿e與葉片軸3相連,通過控制桿15帶動導(dǎo)桿e擺動,從而實現(xiàn)控制葉片1按規(guī)律擺動。

主回轉(zhuǎn)運動機構(gòu),驅(qū)動電機13是擺線推進器的動力部件,回轉(zhuǎn)運動通過主動齒輪12和從動齒輪16減速,再通過固連于從動齒輪16的主軸18和回轉(zhuǎn)箱連接盤9,最終帶動整個回轉(zhuǎn)箱5及其他部件一同旋轉(zhuǎn)。各傳動部件間通過螺栓和螺釘?shù)冗B接件連接。

圖3基于擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)的擺線推進器結(jié)構(gòu)俯視圖

中心距控制機構(gòu),控制桿15以中間點為支點,通過關(guān)節(jié)軸承17進行固定并連接在主軸18上,兩個直線電機14與控制桿15上端連接,可分別控制其在X、y兩個方向上的位移大小,從而反向控制控制桿15下端的位移,控制桿15下端帶動導(dǎo)桿6和固連在導(dǎo)桿6上的葉片1一同擺動。

3結(jié)論

本文根據(jù)擺線推進器的工作原理,應(yīng)用擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu),設(shè)計了一種新型的擺線推進器葉片擺動規(guī)律實現(xiàn)機構(gòu),并詳細介紹了推進器整體結(jié)構(gòu)。該擺線推進器具有以下優(yōu)點:

(1）采用擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)可完美實現(xiàn)葉片按擺線規(guī)律擺動,設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡單可靠,提高了傳動效率,可獲得較大的推力和推進效率。

(2）可實現(xiàn)偏心率和偏心方向在360o范圍內(nèi)無極變化,可獲得優(yōu)異的操縱性能。

(3）本設(shè)備可作為舵應(yīng)用于船舶,正常模式下僅改變?nèi)~片角度,與常規(guī)舵的工作原理類似:主動模式下推進器旋轉(zhuǎn),可提供主動推進力,提高船舶的操縱性能。