1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 力學(xué)博士后流動(dòng)站 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001

全方向推進(jìn)器是一種新型的特種推進(jìn)器，其槳葉在旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，葉片螺距角周期性變化，在產(chǎn)生軸向推力的同時(shí)也產(chǎn)生橫向和垂向推力[1]。迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)全方向推進(jìn)器的研究還一直局限在水動(dòng)力性能計(jì)算方面[2-4]。在國(guó)外，該種推進(jìn)器的理論研究是與試驗(yàn)研究同時(shí)展開(kāi)的。以日本三菱重工的難波直愛(ài)、川崎重工技術(shù)研究院渡邊和夫、船舶技術(shù)研究所田村兼吉[5-7]為代表的研究人員分別進(jìn)行了模型試驗(yàn)，對(duì)影響全方向推進(jìn)器性能的一些參數(shù)進(jìn)行了研究，這些參數(shù)主要包括槳葉縱傾角、槳葉螺距角、葉剖面形狀及槳葉輪廓，所公布的測(cè)量數(shù)據(jù)主要是全方向推進(jìn)器的軸向推力以及橫向﹑垂向的單獨(dú)性能，一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)未見(jiàn)發(fā)表。

展開(kāi)全方向推進(jìn)器的試驗(yàn)研究，無(wú)論是對(duì)于理論研究成果的檢驗(yàn)，還是對(duì)于具體使用方面的推廣、應(yīng)用，都有著極其重要的意義。因此，參照國(guó)外各研究單位所作的全方向推進(jìn)器的試驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)全方向推進(jìn)器的葉片調(diào)距機(jī)構(gòu)。

1 按擺線規(guī)律變化的調(diào)距機(jī)構(gòu)

全方向推進(jìn)器調(diào)距機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)是：為了在一個(gè)螺旋槳上產(chǎn)生三個(gè)方向的推力，必須將能產(chǎn)生沿槳軸方向可變推力的調(diào)距螺旋槳和能產(chǎn)生垂直于槳軸方向推力的豎軸直翼推進(jìn)器[8]合二為一。

參照擺線推進(jìn)器的葉片螺距控制機(jī)構(gòu)原理以及日本川崎重工圓盤(pán)連桿調(diào)距機(jī)構(gòu)原理，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 葉片調(diào)距的基本原理

如圖1所示，4個(gè)葉片在圓周上均勻分布，都通過(guò)一個(gè)連桿與一個(gè)偏心機(jī)構(gòu)相連接；通過(guò)偏心機(jī)構(gòu)的平移或者轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變?nèi)~片螺距角，產(chǎn)生推力。偏心機(jī)構(gòu)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以在平面內(nèi)向任意方向平動(dòng)。

圖1 偏心機(jī)構(gòu)調(diào)距的基本原理

圖1中，a)表示偏心機(jī)構(gòu)無(wú)變化，這時(shí)全方向推進(jìn)器4個(gè)葉片螺距角都為零,不產(chǎn)生推力；b)表示偏心機(jī)構(gòu)發(fā)生平移，可以在垂直于軸向的平面上產(chǎn)生任意方向的大小可變的推力，推力的大小由偏心率來(lái)決定，而推力的方向則取決于偏心機(jī)構(gòu)的平移方向；c)表示偏心機(jī)構(gòu)只有轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)平動(dòng)，這時(shí)4個(gè)葉片的螺距角相同，全方向推進(jìn)器只產(chǎn)生軸向推力，推力的大小由螺距角的大小決定，即取決于偏心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；d)表示偏心機(jī)構(gòu)即發(fā)生旋轉(zhuǎn)又有平移，這時(shí)全方向推進(jìn)器可以產(chǎn)生三維可變推力，推力的大小和方向由偏心機(jī)構(gòu)平移的大小、方向以及旋轉(zhuǎn)角度的大小來(lái)決定。

1.2 葉片調(diào)距的機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

基于上述調(diào)距原理，設(shè)計(jì)一種全方向推進(jìn)器的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ脱b配圖見(jiàn)圖2，從圖中可以清楚地看到艇體、電機(jī)以及調(diào)距機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置。

從圖2中可以看到調(diào)距機(jī)構(gòu)包括偏心機(jī)構(gòu)和上、下兩個(gè)雙十字滑道。其中上面的雙十字滑道與艇體固定在一起，而下面的雙十字滑道則通過(guò)定滑塊以及底盤(pán)與槳轂固定在一起。上、下兩個(gè)雙十字滑道通過(guò)一根軸相連。這根軸通過(guò)偏心內(nèi)盤(pán)，通過(guò)一個(gè)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)可以上下移動(dòng)，同時(shí)偏心內(nèi)盤(pán)可以圍繞它進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.1 實(shí)現(xiàn)偏心機(jī)構(gòu)的平動(dòng)

圖2中偏心機(jī)構(gòu)的平動(dòng)是通過(guò)雙十字滑道+滑塊的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3是一個(gè)雙十字滑道的簡(jiǎn)圖。

1-雙十字滑道；2-雙十字滑道支座；3-偏心內(nèi)盤(pán)；4-擺桿；5-擺桿滑塊；6-偏心外盤(pán)；7-圓環(huán)(固定在偏心外盤(pán)上,使內(nèi)外盤(pán)只能相互轉(zhuǎn)動(dòng))；8-雙十字滑道；9-雙十字滑道支座；10-固定盤(pán)(固定在槳轂上,支撐雙十字滑道支座)；11-葉片軸；12-偏心內(nèi)盤(pán)；13-偏心外盤(pán)。圖2 全方向推進(jìn)器的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b配圖(擺線原理)

圖3 雙十字滑

1.2.2 實(shí)現(xiàn)偏心機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)

見(jiàn)圖2所示，將偏心機(jī)構(gòu)分成偏心內(nèi)盤(pán)12和偏心外盤(pán)13，內(nèi)外盤(pán)之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。外盤(pán)與定滑塊固定在一起，并固定于底盤(pán)上，在外盤(pán)上表面與內(nèi)盤(pán)連接處布置一圈斜齒。內(nèi)盤(pán)上固定的斜齒輪與外盤(pán)的斜齒相嚙合，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)盤(pán)將發(fā)生與外盤(pán)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)內(nèi)盤(pán)中間軸的上下移動(dòng)來(lái)帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)

2.1 圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)的調(diào)距原理

4個(gè)葉片通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在槳轂上，軸心與槳主軸有45°傾角。每個(gè)葉片都由連桿一端以某種方式與葉片軸相連，另一端與一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)相連。旋轉(zhuǎn)盤(pán)由兩個(gè)盤(pán)連在一起，兩個(gè)盤(pán)之間僅僅可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。與連桿相連的盤(pán)(A盤(pán))要與槳葉和槳轂一起圍繞槳主軸通角速度旋轉(zhuǎn)。后面的盤(pán)(B盤(pán))則與液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，不可以旋轉(zhuǎn)。液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制B盤(pán)，使之可以前后平動(dòng)，可以傾斜(如果槳葉主軸沿x方向，則傾斜可以在y或者z方向上)，也可以既平動(dòng)又傾斜。

1)旋轉(zhuǎn)盤(pán)有一個(gè)平衡位置，在此位置上，葉片螺距角均為0，全方向推進(jìn)器不產(chǎn)生推力(圖4)；

圖4 中立狀

2)當(dāng)B盤(pán)帶動(dòng)A盤(pán)前后平動(dòng)時(shí)(圖5)，4個(gè)葉片產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)角，即4個(gè)葉片的螺距角相同，從而使全方向推進(jìn)器只產(chǎn)生軸向力；

圖5 前后移

3)當(dāng)B盤(pán)帶動(dòng)A盤(pán)傾斜時(shí)(圖6)，兩個(gè)葉片的螺距角為零，另外兩個(gè)螺距角大小相同，方向相反，根據(jù)前面的分析，螺旋槳產(chǎn)生橫向或垂向側(cè)向力；

圖6 傾

4)當(dāng)B盤(pán)帶動(dòng)A盤(pán)即平動(dòng)又傾斜時(shí)(圖7)，則4個(gè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)角度都不同，螺旋槳產(chǎn)生任意方向推力。這樣通過(guò)液壓系統(tǒng)控制B盤(pán)的傾斜、平移就可以調(diào)節(jié)螺旋槳力的方向，力的大小則由平動(dòng)和傾斜的幅度來(lái)控制。

圖7 平動(dòng)又傾

實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于怎樣通過(guò)連桿的移動(dòng)來(lái)控制葉片軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及A、B盤(pán)之間的連接。

2.2 圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

關(guān)于圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)想來(lái)源于日本川崎重工的模型試驗(yàn)，但需要自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)。

圖8是圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)示意圖。

1-電推缸；2-傳動(dòng)輪；3-拉桿；4-連接桿；5-彎推桿；6-滾動(dòng)軸承；7-滑塊；8-密封圈；9-平面軸承；10-槳葉；11-滾動(dòng)軸承；12-關(guān)節(jié)軸承；13-推桿；14-槳轂；15-軸承；16-主軸；17-滾動(dòng)軸承；18-殼體；19-動(dòng)盤(pán) 20；定盤(pán)；21-減速機(jī)；22-主電機(jī)。圖8 圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)示意

3 兩種調(diào)距機(jī)構(gòu)的比較

采用圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)和偏心機(jī)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)葉片螺距角的周期性變化。兩種調(diào)距機(jī)構(gòu)在理論上都是可行的，原理也簡(jiǎn)單明了，但是在具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1) 葉片螺距角的變化規(guī)律不同。采用圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)時(shí)是按正弦規(guī)律變化，而采用偏心機(jī)構(gòu)時(shí)是按擺線規(guī)律來(lái)變化的。

2) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目傊亓亢屯庑纬叽绮煌?。采用圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，由于控制圓盤(pán)需要采用液壓系統(tǒng)，而液壓系統(tǒng)的尺寸通常比較大，重量也很大。相比而言，偏心機(jī)構(gòu)采用的部件尺寸很小，重量也很輕，因此，更有利于減少潛器的總重量。

3) 造價(jià)不同。由于兩種機(jī)構(gòu)采用的零部件不同，因此造價(jià)也有區(qū)別，從文中給出的模型比較來(lái)看，采用圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)的造價(jià)更高。

4) 實(shí)現(xiàn)的難度不同。采用偏心機(jī)構(gòu)時(shí)，小尺寸零件更多，在零件的加工精度上要求比采用圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)高，對(duì)強(qiáng)度也提出了更高的要求，因而也更加難以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)比較可以看出偏心調(diào)距機(jī)構(gòu)與與圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)相比有重量輕、外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。但由于現(xiàn)階段加工上存在困難，零件的強(qiáng)度要求也難以滿足。因此，偏心調(diào)距機(jī)構(gòu)目前還難以實(shí)現(xiàn)，有待于今后進(jìn)一步改進(jìn)。在將要進(jìn)行的模型試驗(yàn)中，將采用圓盤(pán)連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片螺距角的周期性變化。

[1] 黃 勝．3次元推進(jìn)器.VARIVECプロペラの研究[R]．大阪府立大學(xué)大學(xué)院海洋システム分野，2001：12～25.

[2] 寧至勝.升力面方法預(yù)報(bào)全方向推進(jìn)器的水動(dòng)力性能[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，1997.

[3] 王樂(lè)勝.潛器的全方位推進(jìn)器的水動(dòng)力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002.

[4] 常 欣.潛器全方向推進(jìn)器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

[5] 難波直愛(ài)．全方向推力推進(jìn)器の開(kāi)發(fā)(その1)[R].大阪關(guān)西造船協(xié)會(huì),1988.

[6] 渡邊和夫．3次元推進(jìn)器“バリベックプロペラ”の開(kāi)發(fā)(第2報(bào))[R].東京川崎重工業(yè)株式會(huì)社，1989.

[7] 田村兼吉．バリベックプロペラの研究[R]．東京船舶技術(shù)研究所，1991.

[8] 黃 勝．船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)與特種推進(jìn)器[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998：117～129.