基于擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)的擺線(xiàn)推進(jìn)器設(shè)計(jì)

引言

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

擺線(xiàn)推進(jìn)器的工作原理實(shí)現(xiàn)機(jī)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(lèi)型[2]。齒輪式和凸輪式等偏心率不可調(diào)的擺線(xiàn)推進(jìn)器,不能改變其控制點(diǎn)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(xiàn)推進(jìn)器,比如多連桿式[3]、步進(jìn)電機(jī)式,可在一定范圍內(nèi)無(wú)極改變其偏心率,其推力大小調(diào)節(jié)可通過(guò)改變偏心率大小來(lái)實(shí)現(xiàn),因此這一類(lèi)擺線(xiàn)推進(jìn)器具有優(yōu)異的操縱性能。然而,以上類(lèi)型的擺線(xiàn)推進(jìn)器,為實(shí)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(jì)一種偏心率連續(xù)可調(diào)、簡(jiǎn)單可靠的擺線(xiàn)推進(jìn)器具有重要意義。

1基于擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)的擺線(xiàn)推進(jìn)器工作原理實(shí)現(xiàn)

擺線(xiàn)推進(jìn)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(jìn)器一同旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng),同時(shí)繞自身軸線(xiàn)按規(guī)律擺動(dòng),其擺動(dòng)規(guī)律為葉片弦線(xiàn)的垂直線(xiàn)始終相交于控制點(diǎn)P,其葉片在空間上的軌跡形成一條擺線(xiàn),因此稱(chēng)為擺線(xiàn)推進(jìn)器,如圖1所示。通過(guò)改變控制點(diǎn)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(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)的擺線(xiàn)推進(jìn)器工作原理圖

通過(guò)應(yīng)用擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上述擺線(xiàn)推進(jìn)器葉片擺動(dòng)規(guī)律。如圖1所示,假設(shè)A、B兩點(diǎn)分別是兩個(gè)葉片的軸線(xiàn),且兩葉片弦線(xiàn)的垂直線(xiàn)相交于點(diǎn)P,即控制點(diǎn)。當(dāng)葉片繞推進(jìn)器中心軸線(xiàn)0點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度a時(shí),可假設(shè)葉片與推進(jìn)器相對(duì)靜止,控制點(diǎn)P繞中心軸線(xiàn)0順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度a。

應(yīng)用擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu),將控制點(diǎn)P處設(shè)計(jì)為兩個(gè)滑塊,葉片弦線(xiàn)垂直線(xiàn)AP、BP設(shè)計(jì)為導(dǎo)桿,并與葉片軸A、B連接,P點(diǎn)處的兩個(gè)滑塊可在平面范圍中自由移動(dòng),并通過(guò)導(dǎo)桿帶動(dòng)葉片繞自身軸線(xiàn)A、B擺動(dòng)。此時(shí),0P的距離為偏心距,推力隨偏心距的增大而增大,通過(guò)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析,設(shè)計(jì)了一種帶有兩個(gè)葉片的擺線(xiàn)推進(jìn)器整體結(jié)構(gòu),如圖2和圖3所示。所設(shè)計(jì)的擺線(xiàn)推進(jìn)器總體結(jié)構(gòu)中包括擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)、中心距控制機(jī)構(gòu)和主回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)13通過(guò)主動(dòng)齒輪12、從動(dòng)齒輪16、主軸18和連接盤(pán)9帶動(dòng)回轉(zhuǎn)箱5回轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)箱5帶動(dòng)葉片1旋轉(zhuǎn):直線(xiàn)電機(jī)14帶動(dòng)控制桿15,控制桿15與導(dǎo)桿e滑動(dòng)連接,導(dǎo)桿e與葉片軸3相連,通過(guò)控制桿15帶動(dòng)導(dǎo)桿e擺動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)控制葉片1按規(guī)律擺動(dòng)。

主回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)電機(jī)13是擺線(xiàn)推進(jìn)器的動(dòng)力部件,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)主動(dòng)齒輪12和從動(dòng)齒輪16減速,再通過(guò)固連于從動(dòng)齒輪16的主軸18和回轉(zhuǎn)箱連接盤(pán)9,最終帶動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)箱5及其他部件一同旋轉(zhuǎn)。各傳動(dòng)部件間通過(guò)螺栓和螺釘?shù)冗B接件連接。

圖3基于擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)的擺線(xiàn)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)俯視圖

中心距控制機(jī)構(gòu),控制桿15以中間點(diǎn)為支點(diǎn),通過(guò)關(guān)節(jié)軸承17進(jìn)行固定并連接在主軸18上,兩個(gè)直線(xiàn)電機(jī)14與控制桿15上端連接,可分別控制其在X、y兩個(gè)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(dòng)導(dǎo)桿6和固連在導(dǎo)桿6上的葉片1一同擺動(dòng)。

3結(jié)論

本文根據(jù)擺線(xiàn)推進(jìn)器的工作原理,應(yīng)用擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種新型的擺線(xiàn)推進(jìn)器葉片擺動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu),并詳細(xì)介紹了推進(jìn)器整體結(jié)構(gòu)。該擺線(xiàn)推進(jìn)器具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1）采用擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)可完美實(shí)現(xiàn)葉片按擺線(xiàn)規(guī)律擺動(dòng),設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,提高了傳動(dòng)效率,可獲得較大的推力和推進(jìn)效率。

(2）可實(shí)現(xiàn)偏心率和偏心方向在360o范圍內(nèi)無(wú)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(lèi)似:主動(dòng)模式下推進(jìn)器旋轉(zhuǎn),可提供主動(dòng)推進(jìn)力,提高船舶的操縱性能。