基于摆动导杆滑块机构的摆线推进器设计

引言

摆线推进器(Cyc1oida14Porp11pP）可以实现推进方向和推力大小在3e0o范围内的无极变化,具有优异的操纵性能,广泛应用于无人船、扫雷舰、拖船、平台供应船、渡轮、海上平台、潜艇等具有高操纵性能要求的船舶或水上平台[1]。

摆线推进器的工作原理实现机构有很多种,根据偏心率是否可调可将它们分为偏心率不可调和偏心率可调两种类型[2]。齿轮式和凸轮式等偏心率不可调的摆线推进器,不能改变其控制点的偏移大小,因此不能改变偏心率,操纵性能较差。偏心率可调的摆线推进器,比如多连杆式[3]、步进电机式,可在一定范围内无极改变其偏心率,其推力大小调节可通过改变偏心率大小来实现,因此这一类摆线推进器具有优异的操纵性能。然而,以上类型的摆线推进器,为实现偏心率可调,其结构往往较为复杂,降低了可靠性,并且效率较为低下。因此,设计一种偏心率连续可调、简单可靠的摆线推进器具有重要意义。

1基于摆动导杆滑块机构的摆线推进器工作原理实现

摆线推进器的叶片是一种定型直叶片,从船体垂直向下伸向水中。叶片随推进器一同旋转做圆周运动,同时绕自身轴线按规律摆动,其摆动规律为叶片弦线的垂直线始终相交于控制点P,其叶片在空间上的轨迹形成一条摆线,因此称为摆线推进器,如图1所示。通过改变控制点P的位移大小和方向,即可在3e0o范围内连续改变推力大小和推力方向。

图1基于摆动导杆滑块机构的摆线推进器工作原理图

通过应用摆动导杆滑块机构可实现上述摆线推进器叶片摆动规律。如图1所示,假设A、B两点分别是两个叶片的轴线,且两叶片弦线的垂直线相交于点P,即控制点。当叶片绕推进器中心轴线0点逆时针旋转角度a时,可假设叶片与推进器相对静止,控制点P绕中心轴线0顺时针旋转角度a。

应用摆动导杆滑块机构,将控制点P处设计为两个滑块,叶片弦线垂直线AP、BP设计为导杆,并与叶片轴A、B连接,P点处的两个滑块可在平面范围中自由移动,并通过导杆带动叶片绕自身轴线A、B摆动。此时,0P的距离为偏心距,推力随偏心距的增大而增大,通过改变滑块P的位置就可以改变偏心距和推力大小。

2整体结构设计与实现

根据上述分析,设计了一种带有两个叶片的摆线推进器整体结构,如图2和图3所示。所设计的摆线推进器总体结构中包括摆动导杆滑块机构、中心距控制机构和主回转运动机构。驱动电机13通过主动齿轮12、从动齿轮16、主轴18和连接盘9带动回转箱5回转,回转箱5带动叶片1旋转:直线电机14带动控制杆15,控制杆15与导杆e滑动连接,导杆e与叶片轴3相连,通过控制杆15带动导杆e摆动,从而实现控制叶片1按规律摆动。

主回转运动机构,驱动电机13是摆线推进器的动力部件,回转运动通过主动齿轮12和从动齿轮16减速,再通过固连于从动齿轮16的主轴18和回转箱连接盘9,最终带动整个回转箱5及其他部件一同旋转。各传动部件间通过螺栓和螺钉等连接件连接。

图3基于摆动导杆滑块机构的摆线推进器结构俯视图

中心距控制机构,控制杆15以中间点为支点,通过关节轴承17进行固定并连接在主轴18上,两个直线电机14与控制杆15上端连接,可分别控制其在X、y两个方向上的位移大小,从而反向控制控制杆15下端的位移,控制杆15下端带动导杆6和固连在导杆6上的叶片1一同摆动。

3结论

本文根据摆线推进器的工作原理,应用摆动导杆滑块机构,设计了一种新型的摆线推进器叶片摆动规律实现机构,并详细介绍了推进器整体结构。该摆线推进器具有以下优点:

(1）采用摆动导杆滑块机构可完美实现叶片按摆线规律摆动,设备整体结构简单可靠,提高了传动效率,可获得较大的推力和推进效率。

(2）可实现偏心率和偏心方向在360o范围内无极变化,可获得优异的操纵性能。

(3）本设备可作为舵应用于船舶,正常模式下仅改变叶片角度,与常规舵的工作原理类似:主动模式下推进器旋转,可提供主动推进力,提高船舶的操纵性能。