高速艇推进装置的研制

大连理工大学
硕士学位论文
高速艇推进装置的研制
姓名：孟永顺
申请学位级别：硕士
专业：机械工程
指导教师：朱林剑;张福山
20061201
大连理－Ｊ二大学专业学位硕士学位论文
２系统方案及总体规划
当前国内高速艇的推进系统在中小型功率艇上应用较广泛，通常以外挂机的方式居多，表面浆的应用相对较少，但其传递动力的能力要比前者高，这类产品目前在国外应有用较多，特别是在大型游艇和军事运输艇上，是未来高速推进装置的理想发展趋势。

该类装置应用在艇的艉部，根据艇体结构和艇速要求，设计推进装置的具体数量，分单机单桨、双机双桨、三机三桨等系列。

该装置主要由舵机液压系统、纵倾系统、齿轮箱系统、球面推进装置系统等部分组成。

工作方式是主机带动齿轮箱，通过联轴器将动力传递给球面推进装置，带动螺旋桨转动，产生的推力作用在艇艉封板上，推动船艇前进。

它与常规传动系统的区别是：球面推进装置由四支油缸支撑，这样可保证其在一定的角度范围内任意旋转，实现艇的转向和最佳航速状态见图２．１。

图２．１高速艇推进装置结构图
Ｆｉｇ．２．１Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｓｈｉｐｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｒａｗｉｎｇ
发动机装置产生的机械能，通过齿轮箱（在需要之处）、联轴节和轴传递到螺旋桨，而由螺旋桨产生推动船舶前进的推力，则通过推力轴承和底座传送到船体结构。

这些传递动力和推力所必需的机械部件的工作特性，不仅对推进装置在连续工作期间的静态性能，而且也对动态性能（例如：扭振和纵向振动）和非静态工况（例如：倒车和停车机动）也是很重要的。

正因为如此，这些部件的制造厂商正在进行的研究和开发工作，主要集中在针对船舶营运的特殊要求，以进一步优化传动系统。

下面主要介绍各部联接件：
高速艇推进装置的研制
３高速推进装置各关键部件原理及参数分析
根据该套装置的主要功能，系统可以被划分为四部分，每一部分都是一个独立工作单元，能完成特定的功能，组合一起后，协同实现装置功能，达到推动船舶的目的。

四个部分分别是：舵机系统、桨轴纵倾系统、液压离合齿轮箱和球面推力装置及其附件等。

３．１舵机及纵倾系统
转舵油缸与纵倾油缸分别为３０５型高速巡逻艇舵机液压系统与纵倾液压系统中的执行元件，它们均是置于舷外的双作用摆动油缸。

缸体端与活塞杆端分别与船体艉封板及螺旋桨外的桨壳耳环铰接。

在液压油的作用下，转舵油缸活塞杆往复运动，并且其运动方向是相反的，使得推进装置以球头为定点在水平面内左右摆动。

同样纵倾油缸由于活塞杆端固定，其缸体往复运动使得推进装簧以球头为定点在纵剖面内上下摆动。

具体功能原理见三维实体仿真图３．１１１４】。

图３．１悬挂式推进装置
Ｆ逛。

３．１ＨａｒＩｇｉｎｇｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅ
上述两种油缸有着尺寸小、结构合理、密封可靠、工作压力高、耐海水腐蚀等优
人连理』＝火学专业学位硕七学位论文
幽３．４３０５巡逻艇全船模型图
Ｆｉｇ．３．４３０５ｐａｔｒｏｌｂｏａｔｅｎｔｉｒｅｓｈｉｐｍｏｌｄｅｄｒｅｌｉｅｆｍａｐ
从图中可以看出，当转舵。

角度后，对船体的推动力Ｆ１、Ｆ２相对重心Ｇ就产生了ａ这个角度，从以上情况不难看出，作用在船体艉部的四个分力都对重心Ｇ产生了同一方向的转矩，这个回转力矩比单一靠水流作用产生的力矩要大许多，所以当操舵者变换微小角度对，船就立即改变航向，因此如此高的转舵效率就没必要使舵机油缸供油速度太快。

我国舵机转舵速度的要求，可分为三个档，即在转动６５９舵角时对应的时间为２８秒、２０秒和１２秒，即使我国转舵速度最快的才为ｖ国＝６５。

／１２ｓ＝５．４２。

／ｓ，而双环设计的速度为Ｖ双＝２０４／０．８８７ｓ＝２２．５６。

／ｓ，是我国要求的４倍多，对国内国外使用来讲都是不合适的，因此在选定系统流量时，根据我国常规要求选取最快打舵速度时的流量为Ｑ＝Ｖ／４０９／ｖ国（式中Ｑ是流量，Ｌ／ｍｉｎＶ是＋２０・油缸有效容积ｖ计＝８９４．７８４ｃｍ３Ｖ国是国内要求打舵速度）则Ｑ－ｖ计珥０・／ｖ国－－７．２５７５Ｌ／ｍｉｎ［３３．３９１。

３．１．３浆轴纵倾系统原理
桨轴纵倾系统的动力元件、控制元件及辅助元件油箱等组成一体，称为液压动力单元，安装在机舱艉隔壁处。

执行元件油缸置于舷外，油缸活塞杆与安装在艉封板上的球铰接头铰接，缸体端与桨轴上的耳环铰接。

液压动力单元的电机与控制元件电磁阀均为２４伏直流电流。

在驾驶台操纵两桨轴既可以单独控制，也可以用并联开关使其同步运行。

控制元件中的液压锁使两桨不因换向阀内泄而导致桨轴自动下沉。

油缸缸体行程通过软
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３．２船用液压离合齿轮箱
齿轮箱前接主机后接艉轴系，完成正车、倒车、停车、减速传递扭矩功能。

自成恒压、节流调速的液压传动系统。

见图３．６。

齿轮箱输入轴（主动轴）通过弹性联轴器与船舶主机输出轴花键联接。

定转向，逆时针。

主动轴、从动轴上各安装一个动配合的外花键齿轮，它们分别与齿轮箱输出轴上齿轮外啮合。

内花键齿轮与外花键齿轮构成的环筒形空间安装有摩擦片与制动片。

连同装于轴上的活塞、弹簧构成混式液压离含器。

主动轴、从动轴上的液压离合器分别接通，完成船舶主机讵、倒车的功能。

齿轮箱后端盖安装有主阀板，主阀板内装有主阀芯、活塞、小活塞、内弹簧、外弹簧、复位弹簧、阻尼板、单向阀、传动板等，这些零、部件与从动轴带动的齿轮泵构成液压传动系统，实现湿式液压离合器的接通或分离。

驾驶台上的正车或倒车是其手柄通过软轴拉动转动板使主阀心处于左位、中位、右位实现的。

驾驶台面板上有通过母６Ｘ１铜管显示主阀心腔内亦即离合器压力的油压表，用于显示齿轮箱运行的状态。

齿轮箱实体图见图３．６。

图３．６齿轮箱模型图
Ｆｉｇ．３．６Ｇｅａｒｂｏｘｍｏｌｄｅｄｒｅｌｉｅｆｍａｐ
火近理工大学专业学位硕士学位论文
该装置包含的主要零部件：
１、短轴，它在舱内一端通过万向联轴节与齿轮箱输出轴相接，舷外一端与双联万向联轴节相接。

２、座体，它安装在船体艉封板上，螺旋桨产生的推力经其传递至船体上。

３、Ｕ形节ｌ。

４十字头联轴节。

．．５、正车推力环。

６、橡胶护套。

７、倒车推力环
８、Ｕ形节２。

９、球头。

１０、桨壳，它与长轴之间艏部有２只圆锥滚子轴承，艉部有１只滚针轴承，长轴与桨壳两者可相对转动，无轴向移动，并借助圆锥滚子轴承将长轴的轴向力传递到桨壳上。

桨壳为精密铸铜件，自身下部铸有舵板，上部与侧面铸有耳环。

件号８、９、１０构成球面推力副，可相对转动又传递推力。

１１、骨架油封。

１２、长轴（螺旋桨轴）。

在座体、球头内腔及长轴与桨壳之间环形腔内充满润滑油。

图３．７球面推进装置模型图
Ｆｉｇ．３．７Ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｍｏｌｄｅｄｒｅｌｉｅｆｍａｐ
高速艇推进装置的研制
３．３．２主要性能参数
额定转速额定转矩
额定推力纵倾最大转角舵板最大转角
外形尺寸重量３．３．３主要特点
１８２６ｒｐｍ７２３Ｎ・ｍ
７３５８
Ｎ
±７．５０±２００
１２５４Ｘ３１２Ｘ４６５（长×宽×高）ｚｎｍ
－１００
ｋｇ
球面推力装置包括固定在艉封板上的球面推力轴承座、万向联轴节（见图３．８）、球面推力轴、壳（轴壳上有铸成一体的舵板）、传感器、螺旋桨等。

螺旋桨转动后产生的推力通过与其相配的锥面将轴向推力传递到球面推力球壳上，再经过球面推力轴承
座，将螺旋桨推力传递到船体的艉封板上…＿７】。

幽３．８万向联轴制奠型图
Ｆｉｇ．３．８ＲｏｔａｒｙｓｈａＲｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｌｄｅｄ
ｒｅｌｉｅｆｍａｐ
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在空载工况下，转舵油缸与纵倾油缸全行程运行各５次，测量行程值，允许行程误差４－２ｍｍ，将测结果记录于表４．１。

幽４．１缸体行程实验图
Ｆｉｇ．４．１Ｃｙｌｉｎｄｅｒｂｏｄｙｔｒａｖｅｌｉｎｇｓｃｈｅｄｕｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｈａｒｔ
袭４．１试运行及行程试验记录
Ｔａｂ．４．ＩＴｒｉｅｓｔｏｍｏｖｅａｎｄｔｒａｖｅｌｉｎｇｓｃｈｅｄｕｌｅｔｅｓｔｉｎｇｒｅｃｏｒｄ
行（有、无异常现象）（Ⅻ）（咖）
次
理论值实测值理论值实测值
数
ｉ正常１６７１６７．３７６７６．４
２正常１６７１６７．１７６７６．２
３止常１６７１６７．４７６７６．３
４正常１６７１６７．２７６７６．２
５止常１６７１５７．１７６７６．３
２３
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实验结果表明转舵及纵倾油缸无外泄漏，行程误差量在允许误差范围之内，这两方面的性能保证了其在恶劣的环境中仍能达到理想的性能。

４．最低起动压力试验：
将被试缸放在水平安装位置，在空载工况下（卸下加载油缸及拆下液压缸回油管路），从被试缸大腔通入液压油，溢流阀从零开始逐渐升压，观察被试缸大腔压力表如图４．２所示，记录活塞杆起动时的最低起动压力应≤Ｏ．５ＭＰａ，将数据记录于表４．２。

ｌ！｝｜４．２缸体压力实验图
Ｆｉｇ．４．２Ｃｙｌｉｎｄｅｒｂｏｄｙｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｈａｒｔ
５．内泄漏量试验：
将被试缸活塞分别置于行程的两端，调整溢流阀使被试缸内压力为额定工作压力，各历时ｌＯｍｉｎ，测量另一腔油口泄漏量≤Ｏ．０４ｍｌ／ｍｉｎ，测试数据记录于表４．２１６－７１。

６．外渗漏试验：
１）．被试缸在额定压力以ｌＯＯｍｍ／ｓ的速度运行，检查活塞杆不得有外渗漏。

２）．活塞杆动密封处换向１万次，外漏不成滴。

３）．换向１万次后，每移动１００ｍ，外漏量≤０．０５ｍｌ／ｍｉｎ。

将测试结果记录于表４．２。

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剧４．３齿轮箱实验幽
Ｆｉｇ．４．３Ｇｅａｒｂｏｘｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｈａｒｔ
ａ．输入转速为１１５５ｒｐｍ时正车接合、分离３次
ｂ输入转速为１１５５ｒｐｍ时倒车接合、分离３次
上述试验记录油温、油压、噪音数值，冷却水进出口温度、流量于表４．８
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对试制样机做６ｈ额定转矩试验，正、倒车各３ｈ，做２ｈｌ１０％额定转矩的超负荷试验，正、倒车各１ｈ，做１０ｒａｉｎｌ５０％额定转矩的强度试验，Ｊ下、倒车各５ｍｉｎ。

见图４．４
幽４．４悬挂系统实验台
Ｆｉｇ．４．４Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｌａｂｏｒａｔｏｒｙｂｅｎｃｈ
１）系统运行后逐步调高承载油泵（液压马达）回油背压，直至加载系统液压马达进、出口压差为６．４ＭＰａ，即达到额定转矩７２３Ｎ＊ｍ时，开始计时连续运行３ｈ，然后操加载系统手动换向阀倒车运行３ｈ。

在试验过程中应无异常情况记录，加载液压马达进、出１３压力、承载油泵（液压马达）进、出口压力、油箱油温、试验时间记录于表４．１９。

２）超负荷试验
在２．１试验基础上继续调高承载油泵（液压马达）回油背压，使加载液压马达进、出口压差为６．４ＭＰａＸｌ．１＝７．１
Ｍｐａ，即额定转矩的１．１倍，开始计时连续运行１ｈ，然后操加载系统手动换向阀倒车运行１ｈ。