一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构及实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构及实现方法，针对直翼推进器的叶片攻角控制机构较为复杂，限制了其使用性能和经济性能的问题，提出一套双滑块连杆机构构成的叶片控制机构。双滑块为控制点控制机构，连杆连接控制点和叶片，建立垂直所有叶片弦线并通过叶片转轴的直线方程，求其交点即为偏心点，从而实现控制机构。这套装置主要为连杆机构，减轻装置质量和降低复杂程度；双滑块又使得控制点控制输入简单，同时实现了螺距可调，并使得推进效率得到提高。
【专利说明】
一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构及实现方法
技术领域
[0001] 本发明为船用直翼推进器的改进，主要是采用双滑块和多连杆机构代替原有的凸 轮机构实现偏心控制机构及实现方法。涉及连杆机构设计和连杆运动学分析，主要实现控 制控制点运动轨迹来达到对叶片摆角的控制从而确定偏心点位置和偏心率大小的过程。
【背景技术】
[0002] 直翼推进器是一种特殊形式的船舶推进器。在叶片随转轮绕转轮圆心转动的同 时，又绕自身的轴摆动。叶片在转动过程中，它的弦线始终垂直于叶片轴与偏心点的连线。 直翼推进器的设计思想产生于十九世纪，灵感来源于海豚灵活的尾鳍。它独特的工作特点 逐渐受到人们的关注，应用范围不断扩大，现在内河船、军用船、海洋平台动力定位及一些 特殊场所都装备有直翼摆线推进器。
[0003]普通螺旋桨是一种普遍使用的船舶推进器，其结构简单、成本低，但其操纵性能不 足等问题严重制约了其在海洋工程装备及动力定位系统上的应用。目前，海洋工程装备和 动力定位系统大多釆用船用侧推器及全回转推进器等，因其具有较高的操纵性，但其也存 在效率低下、动态响应特性差、航向稳定性差和易损坏等问题。相比于船用侧推器以及全回 转推进器等船舶推进器，直翼推进器具有操纵性能优良、响应速度快、抗风浪能力强等优 点。将直翼推进器应用于海洋工程装备和动力定位系统，无论在正常还是应急运行状态中， 均能保证精确操纵和快速响应，这一点对在严峻天气状态下工作的海洋工程装备及高操纵 要求的动力定位系统是至关重要的。另外，直翼推进器因其不会产生侧向推力矢量而保证 整个推进装置的冗余，即在其他动力推进装置发生故障无法工作而仅剩一路动力的情况 下，船舶仍能得到完全控制，保证船舶的安全。因此，研发高性能的直翼推进器是刻不容缓 的。
[0004] 针对直翼推进器的控制机构主要集中在两个方面，分别是螺距可调和螺距不可 调。螺距不可调直翼摆线推进器，其控制点的偏心率是常数，相当于控制点放置在一圆上， 通过改变该点在圆上的相位角从而改变推进力方向，改变推进器转速改变推进力大小。螺 距可调直翼摆线推进器，其控制点的偏心率是可连续改变的，因而推进力大小可通过改变 偏心率和调节推进器转速两种方式得到调节。目前国内针对螺距可调的控制机构主要有 "行星式凸轮机构"、"偏心盘-滑块-连杆机构"，但是凸轮和偏心盘机构需较大安装空间，增 大转盘重量。限制了直翼推进器的实用性。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种螺距可调直翼推进器 偏心控制机构及实现方法。本发明考虑了传统凸轮控制结构复杂，提出双滑块连杆机构的 设计方案，使得机构实用性更强。
[0006] 本发明技术解决方案:一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构，包括转动圆盘和 叶片，其特征在于还包括双滑块机构和多连杆;双滑块机构包括第一滑块和第二滑块，第二 滑块也称为控制点，连接形式为:第一个滑块与第一个滑槽为平动副连接;第二个滑块与第 二个滑槽为平动副连接;第二个滑槽与第一个滑块为转动副连接;将第二个滑块运动分解， 第一个滑块在滑槽1内平动;第二个滑槽以第一个滑块为圆心转动，第二个滑块在第二个滑 槽内平动；多连杆机构以第二个滑块的运动为输入，控制第二个滑块通过连杆机构来控制 叶片摆动，叶片与圆盘安装在一起并可绕圆盘转动，构成整体控制机构，连接形式为:第一 个滑槽的中心为圆盘转动中心，现设定转动中心和第二个滑块为第一个连杆，为可变杆长， 第一个连杆通过第二个滑块与多连杆机构的第二个连杆铰接，其它连杆铰接，第二个连杆 末端与第七个连杆始端之间的连杆均铰接，多连杆机构中的第七个连杆末端与桨叶固定约 束，建立垂直所有叶片的弦线并通过叶片的转轴直线方程，求所有叶片弦线垂线的交点即 为偏心点，通过控制第二个滑块的运动轨迹一控制叶片摆角一偏心点运动轨迹，从而实现 螺距可调直翼推进器偏心控制机构。
[0007] 所述偏心点通过叶片的转轴直线方程求解过程为:针对桨叶数目，分别建立垂直 叶片弦线并通过转轴的直线方程，该方程的斜率与叶片的转角有关;联立各个叶片的直线 方程，求解，即得到偏心点的运动轨迹，偏心点运动轨迹到圆盘旋转中心的距离为定值即为 螺距不可调;反之，即为螺距可调的控制机构。
[0008] 一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构实现方法，实现步骤如下：
[0009] 第一步：输入第二个滑块的运动方程，通过多连杆机构，得到叶片摆动的运动方 程；
[0010]第二步:根据叶片数目和叶片的摆角，建立偏心点运动轨迹方程；
[0011] 第三步:联立步骤一、二得到第二个滑块运动方程与偏心点运动轨迹方程之间的 函数关系，以此实现螺距可调直翼推进器偏心控制机构。
[0012] 本发明的优点在于:本发明首先直翼推进器与传统螺旋桨相比，直翼推进器具有 操纵性能优良、响应速度快、抗风浪能力强等优点。将其应用于海洋工程装备和动力定位系 统，无论在正常还是应急运行状态中，均能保证精确操纵和快速响应。本发明与传统的直 翼推进器的控制机构相比，减小控制机构的安装空间、减轻转盘的总重量、实现螺距可调并 降低其控制系统复杂程度，提高性能的同时增强系统的实用性。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明针对螺距可调直翼推进器偏心控制机构的实现方法设计流程图；
[0014] 图2是直翼推进器控制机构示意图；
[0015] 图3是本发明提出的双滑块机构示意图；
[0016] 图4是本发明提出的双滑块机构运动轨迹轮廓示意图
[0017] 图5是本发明针对双滑块机构简化为连杆机构示意图；
[0018] 图6是本发明针对直翼推进器单个叶片简化的连杆机构示意图；
[0019] 图7是本发明连杆运动学分析的四连杆机构示意图；
[0020] 图8是本发明连杆机构运动学分析剩余连杆机构示意图；
[0021 ]图9是本发明针对图8连杆机构进行拆分的三杆机构示意图；
[0022] 图10是本发明针对图8连杆机构进行拆分的四连杆机构示意图；
[0023] 图11是本发明针对5叶片直翼推进器安装双滑块机构的控制装置示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图进一步说明本发明。
[0025] 如图1所示，本发明提出了一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构的实现方法，包 括以下步骤：
[0026] (1)根据双滑块的运动形式，如图3所示。双滑块机构包括滑块1、滑块2和滑槽1和 滑槽2，其连接形式为:滑块1与滑槽1为平动副连接;滑块2与滑槽2为平动副连接;滑槽2与 滑块1为转动副连接。假定滑块2的运动轨迹如图4所示。滑槽1和滑槽2的长度分别为2^和 2r 2。滑槽1是固定不动的，滑槽中心0即为转盘的圆心。滑块1沿滑槽1滑动，运动轨迹用向量 i表示;滑块2沿滑槽2滑动，运动轨迹用向量；{表示，滑槽2以滑块1为轴可以转动，设夹角为 Q。则滑块2的运动轨迹为：
[0027] r ~ fx +
[0028] 式中：^表示滑块2在X中方向的向量分量；
[0029] 表不滑块2在Y中方向的向量分量。
[0030] (2)现假设控制点与圆心的双滑块机构假设为一个可变杆长的连杆，并与多连杆 机构连接。如图6所示，可简化为一个多连杆机构。连杆12为第一个连杆、连杆23为第二个连 杆、连杆3为第三个连杆、连杆35为第四个连杆、连杆15为第五个连杆、连杆46为第六个连 杆、连杆67为第七个连杆、连杆57为第八个连杆。分析可知，此为一个6连杆机构。将此6连杆 机构进行拆分为两个四连杆机构，分别进行运动学分析。
[0031] (3)如图7，连杆23即第二个连杆和连杆34即第三个连杆为一条直线，在3点处与连 杆35即第四个连杆铰接。并建立一个直角坐标系，各构件与x轴正向所夹的角度为0^1 = 1， 2，3，4，5)，逆时针为正
?是各构件的角速度，单位为rad/s是各构件 角加速度。
[0032] (4)建立四连杆运动分析的数学模型，据图7所示:写出闭环矢量方程：
[0033] ( + /2 =匕 + /5.
[0034] 建立四连杆机构的位置方程，即角位移方程：由闭环矢量方程可写出两个分量形 式的代数式，即角位移方程式的分量形式为：
[0035] ll COS01+12 COS02=l5+l4 COS04
[0036] li sin9i+l2 sin02 = l4 sin04
[0037] 式中4为各杆件的向量;各构件与x轴正向所夹的角度为0i(i = l，2,3,4,5)，逆时 针为正。
[0038] 建立四连杆机构的角速度方程，闭环矢量方程分量形式，即位置方程分量形式对 时间t求一阶导数的矩阵形式，即角速度方程为： -/, sin 6. sin 6,1 \〇.\ ) 1
[0039] 1 1 1 - 1 = 44 4 /, cos /, cos 0, \ (0, J [ coJ4 cos 04 I
[0040]
是各构件的角速度。
[0041] 建立四连杆机构的角加速度方程，闭环矢量方程分量形式即位置方程分量形式对 时间t求二阶导数的矩阵形式，即角加速度方程为：
-是各构件角加速度。
[0044] (5)四连杆机构运动分析的求解方法：
[0045] 首先在角位移方程分量形式中，根据建立的直角坐标系，连杆15与x轴重合，则有 非线性超越方程：
[0046] fl(01，02) = ll COS01+12 COS02-14 COS04-15
[0047] f2(9i，92) = li sin9i+l2 sin02-l4 sin04
[0048] 可以借助牛顿-辛普森数值解法求解杆12的转角02和杆14的转角0 4。
[0052] 然后，求解具有n个未知量b = (bi，b2，…，bn)T(i = 1，2，3，…，n)的线性方程组： anxi+axix2+--- + au,xn =bi
[0053] < V2+**- + ?2,rT? =%. + =K
[0054]式中，系数矩阵A是一个n Xn阶方阵，它的逆矩阵表示为f1: 乂 ％ … r A G.21: %2 ain
[0055] A=. . \anl ^nn J
[0056] 常数项b是一个n维矢量，
[0057] b = (bi,b2,-'-,bn)T
[0058]因此，线性方程组的解的矢量为：
[0059] x = (x1 ,x2, ??? ,xn)T = a_1b
[0060] 上式是求解连杆2第二个连杆和连杆4第四个连杆的角速度《2、和角加速度a 2、 a4的依据。
[0061 ] (6)将图6所示的6连杆机构除去一个四连杆机构，剩下的连杆如图8所示，对该剩 余连杆机构进行分析，将其进行拆分两个连杆组合。连接如图9所示的4、5点，假设存在虚拟 连杆145，其为可变杆长，如图9，则组成新的连杆机构如图10所示。
[0062]对图9所示连杆进行分析，由第三、四、五步可以求得杆12的转角02和杆1 4的转角 04,因02和03角度相同，其闭环矢量方程为：
[0063] T4 + T5=~Q
[0064] 建立两个分量形式：
[0065] 13COS03+14 COS04=l45 COS045
[0066] I3sin03+l4 sin04=l45 sin045
[0067] 根据三角函数关系可求得：
[0070] 因此杆145便为已知量。叶片安装在转动圆盘上，其弦线与连杆/"；的夹角供的大小为 固定的，因此求得连杆I；的转角07的运动学方程就可确定控制点与叶片摆角的函数关系。
[0071] 对如图10所示的四连杆机构进行运动学分析，将摆角045作为输入条件，按照第三、 四五步的计算顺序，便可连杆^的角06的连杆I；的转角07的运动学方程，则可确定控制点与 叶片摆角的函数关系。
[0074] 其中，五二-/45 sin6>45 F = D: + E: + /,.:-/(,:
[0075] (7)直翼推进器的叶片数z为可变的，针对多叶片的控制机构，分别进行连杆机构 的运动学分析，分别建立垂直每个叶片弦线并过叶片转轴中心的直线，求其交点则为偏心 点，并求得轨迹。得到控制点-叶片转动-偏心点的函数关系。得到螺距可调直翼推进器偏心 控制机构的设计方案。
[0076] 实施例：
[0077] 为了更充分地了解该发明的特点及其对工程实际的适用性，本发明针对5片桨叶 的直翼推进器的双滑块连杆偏心控制机构进行验证，将机构进行简化图11所示。由于叶片 与连杆h之间夹角为固定值如图6所示。因此，找出控制点与连杆1 7之间的函数关系即可。
[0078] 由于结构的对称性，仅对一个叶片的连杆机构进行分析，可以得到多连杆机构各 杆摆角关于杆长的解析解：
[0085] 其中，02 = 03，
[0086] A=l5-li cos9i
[0087] B = -li sin9i
[0089] D=l8-l45 COS045
[0090] E = -l45 sin045
[0091] F = D2+E2+l72-le2
[0092] 式中：各构件与x轴正向所夹的角度为0:，逆时针为正； 是各构件的角速 度，单位为rad/s;
?是各构件角加速度。
[0093] 以上为一组叶片的连杆机构，以此为基础，可以建立5组叶片的控制点相对圆心位 置与叶片摆角的方程，联立求得交点，即为偏心点。得到控制点-叶片转动-偏心点的函数关 系。验证螺距可调直翼推进器偏心控制机构的设计方案可行。
[0094] 以上仅是本发明的具体步骤，对本发明的保护范围不构成任何限制;凡采用等同 变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
[0095] 本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种螺距可调直翼推进器偏心控制机构，包括转动圆盘和叶片，其特征在于:还包括 双滑块机构和多连杆;双滑块机构包括第一滑块和第二滑块，第二滑块也称为控制点，连接 形式为:第一个滑块与第一个滑槽为平动副连接;第二个滑块与第二个滑槽为平动副连接； 第二个滑槽与第一个滑块为转动副连接;将第二个滑块运动分解，第一个滑块在第一滑槽 内平动;第二个滑槽以第一个滑块为圆心转动，第二个滑块在第二个滑槽内平动;多连杆机 构以第二个滑块的运动为输入，控制第二个滑块通过连杆机构来控制叶片摆动，叶片与圆 盘安装在一起并可绕圆盘转动，构成整体控制机构，连接形式为:第一个滑槽的中心为圆盘 转动中心，现设定圆盘转动中心和第二个滑块为第一个连杆，为可变杆长，第一个连杆通过 第二个滑块与多连杆机构的第二个连杆铰接，其它连杆铰接，第二个连杆末端与第七个连 杆始端之间的连杆均铰接，多连杆机构中的第七个连杆末端与桨叶固定约束，建立垂直所 有叶片的弦线并通过叶片的转轴直线方程，求所有叶片弦线垂线的交点即为偏心点，通过 控制第二个滑块的运动轨迹一控制叶片摆角一偏心点运动轨迹，从而实现螺距可调直翼推 进器偏心控制机构。2. 根据权利要求1所述的螺距可调直翼推进器偏心控制机构，其特征在于:所述偏心点 通过叶片的转轴直线方程求解过程为:针对桨叶数目，分别建立垂直叶片弦线并通过转轴 的直线方程，该方程的斜率与叶片的转角有关;联立各个叶片的直线方程，求解，即得到偏 心点的运动轨迹，偏心点运动轨迹到圆盘旋转中心的距离为定值即为螺距不可调；反之，即 为螺距可调的控制机构。3. -种权利要求1所述的螺距可调直翼推进器偏心控制机构实现方法，其特征在于步 骤如下： 第一步:输入第二个滑块的运动方程，通过多连杆机构，得到叶片摆动的运动方程； 第二步:根据叶片数目和叶片的摆角，建立偏心点运动轨迹方程； 第三步：联立步骤一、二得到第二个滑块运动方程与偏心点运动轨迹方程之间的函数 关系，以此实现螺距可调直翼推进器偏心控制机构。
【文档编号】B63H1/08GK105882928SQ201610238125
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】王晓军, 田靖军, 王磊, 耿新宇, 马雨嘉
【申请人】北京航空航天大学