开题报告

本科毕业设计(论文)
开题报告
题目：船用推进器方向控制装置设计
学院：机械工程学院
专业：机械工程及自动化
班级： 2008级 1 班
学号： 200802070121
学生姓名：万家傲
指导老师：欧长劲
提交日期： 2012年 2 月 22 日
船用推进器方向控制装置设计
1 课题的背景及意义
水上资源是人类的财富，人类的发展离不开对水资源的利用，最直接的就是捕捉水生食物，那么渔船就诞生了，如美国研究出得一种通过踏板控制方向的渔船，大大方便渔民，提高了渔民的捕鱼效率，它主要是通过踏板来控制一活动臂，然后反作用于控制电缆，从而能改变电机的运转方向，起到控制的作用[1]。

目前，螺旋桨是海洋工程装备中普遍使用的船舶推进器。

装备螺旋桨推进器的船舶在低速航行时，控制性能下降明显，其原因是船舵产生的横向力的大小与船速有关。

在船舶经过海峡或者返回港口，与其它的船舶靠近的时候都是低速航行，此时舵效往往很差或完全丧失操船能力，船用螺旋桨一般是通过水密轴系安装于船体尾部，推力的方向和幅度不能沿任何线路改变正常的轮毂的旋转轴，从而需要定向舵[2]。

直翼摆线推进器弥补了螺旋桨的不足，无需船舵就能够在360︒方向上快速改变推进力方向和大小，在任意航速下船舶都具有良好的控制力。

优异的操控性能使得直翼摆线推进器非常适合配备在特种船舶上，例如反鱼雷舰艇、灭火船、拖船、动力定位系统等。

直翼摆线推进器相比于喷水推进器、全回转推进器、螺旋桨等推进器，具有操纵灵活方便、动态拖力大、抗风浪能力强、设备故障率低、维修成本低等优点。

直翼摆线推进器应用于动力定位系统，推进器数量大幅减少，有效降低系统成本与能耗。

因此,直翼推进器作为一种船用推进装置,具有操纵性能优良、推进效率较高且可在浅水中使用的优点,具有特殊的应用价值和发展潜力[3]。

二十世纪二十年代Kirston-Boeing推进器和voith-schneider推进器先后问世，直翼摆线推进器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。

各国科研人员一直对直翼摆线推进器进行理论研究和实验研究，并取得了许多重要成果。

目前直翼摆线推进器的理论和实验研究工作主要集中在德国、美国、日本和荷兰，但这些国家对这种产权有很大的保护，拒绝向发展中国家技术支持。

摆线推进器的关键技术被国外所垄断，严重制约着我国摆线推进器的研究与开发，限制了海洋工程装备及配套设备的自主创新。

因此，开发具有自主知识产权的直翼摆线推进器，扩宽直翼摆线推进器的应用领域，加快海洋工程装备发展，对于推动船舶工业调整振兴，保障我国能源资源开发，推进海洋经济快速发展具有重要的理论意义和巨大的经济效益[4]。

2 课题的主要设计技术参数或研究工作要达到的目标
课题的主要设计参数：
1.摇杆最大受力为3000牛；
2.实现摇杆360度全方位控制，使其顶点的运动轨迹始终运行在80mm
φ圆
3.运行速度1.5m/min；
︒︒。

4.叶片摆动范围是：120~240
研究工作要达到的目标：设计出一个用于船用直翼推进器的基本合理、总体方案可行的方向控制装
置。

3 课题研究的主要内容
3.1 船用直翼推进器的工作原理
直翼摆线推进器垂直于船体脊线安装，其水平回转箱的圆周上均匀地分布有一定数量(2一6个)的垂直叶片。

推进器工作时可看成两个运动的合成，回转箱绕推进器轴心线转动，同时叶片以按照一定的规律绕自身轴心线转动，此时叶片运动形成的轨迹即是摆线，如图所示[5] [6] [7]。

直翼摆线推进器的摆线运动分解成推进器的直线运动和绕自身轴的旋转运动。

下图1是摆线运动的分解的示意图。

图1 直翼摆线推进器的摆线运动轨迹
3.2 船用直翼推进器方向控制装置的总体方案
下图2是直翼推进器方向控制总装示意图:
图2 直翼推进器方向控制总装示意图
本设计主要通过伺服电机驱动2个丝杠的运动，从而使摇杆顶端在一特定的范围内运动。

然后利用
中间关节轴承的杠杆作用，通过摇杆控制连杆机构的中心位置，从而调节叶片的偏转角度，使直翼推进器的推力发生变化（即实现叶片的调矩功能），满足直翼推进器的方向控制要求。

3.3 课题的可行性分析
实现直翼摆线推进器的运动学原理就是要保证控制点与叶片轴心的连线始终垂直于叶片的弦线。

叶片随推进器回转箱转动，同时绕自身中心轴转动。

由于控制点位置是可调的，因此控制点与叶片轴心的距离是变化的。

以上是直翼摆线推进器实现的基本要求[8][9]。

3.3.1 常用方向控制机构
直翼摆线推进器的实现机构很多，早期设计的直翼摆线推进器结构相当复杂，多采用齿轮机构实现，这使得推进器体积大，重量重，使用性能和经济性差。

归纳起来主要可分为两种主要类型的直翼摆线推进器，一种是螺距不可调(偏心率不可调)，另一种是螺距可调。

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。

这里介绍两种摆线推进器的实现机构：凸轮式直翼推进器方向控制装置和连杆式直翼摆线推进器方向控制装置。

为了进一步改善推进器桨叶摆角曲线，桨叶自转采用凸轮轨来控制桨叶轴的摇柄，简化了推进器的整体结构,其机构见图3。

动力由输入轴通过伞齿轮带动转盘作均速转动，等间距安装于转盘上的桨叶在作公转的同时，桨叶上部的摇柄轮在凸轮轨中运动并使桨叶按某种规律摆动，以产生方向相同的推力。

凸轮的旋转位置就代表了推力的方向。

凸轮轨可以转动，并由操纵人员控制，如将凸轮轨转动至某个角度可使推力方向随之转动某个角度，即达到操纵船舶的目的。

翼摆线推进器[10][11]。

图3 行星式凸轮直翼摆线推进器控制机构
连杆式直翼推进器是采用连杆机构对桨叶角度变化进行控制的，其机构见图4。

其最大的特点就是可以通过其中心的控制杆控制连杆机构调节桨叶的变化，使推进器产生的推力发生变化(即实现桨的调距功能)，推力方向可以3600旋转(实现桨的操纵功能)。

该推进器具有极好的操纵和变距功能，是目前
船用推进类型中性能优良的舵桨装置[4][5][12]。

图4 连杆式直翼推进器控制机构
一般来说，利用凸轮机构实现直翼摆线推进器叶片的运动规律，方法简单而容易实现。

但是凸轮不能改变偏心率，需要更换不同的凸轮组才能实现偏心率可调，而且在较大偏心率情况下会出现卡死现象。

因此，连杆式直翼推进器的机械传动效率略高于凸轮式直翼推进器。

用机械结构的连杆机构时，在实际应用中存在着结构复杂，磨损严重，噪声大，动态响应慢的缺点。

本文选择船用推进器的方向控制装置是用连杆机构来控制叶片的摆角[13][14][15]。

3.3.2 动力传递
如下图5所示推进器主要由主驱动电机、动力传输轴、执行体和安装座组成。

主驱动电机是直翼摆线推进器的动力源，用于带动回转箱4转动。

连接轴2和主轴3组成了动力传输轴，其作用是将主驱动电机产生的扭矩传输到回转箱。

执行体是直翼摆线推进器的主要运动结构，由回转箱4和2个叶片5、6组成，回转箱内部安装有叶片控制电机。

执行体同时实现了绕推进器轴心的转动和叶片绕自身轴的摆动[14]。

图5 直翼推进器示意图
回转箱内部用来控制叶片的电机，初步选用伺服电机，考虑摇杆的运动范围，这里采用丝杠来控
制摇杆的运动。

同时运用杠杆原理，将电机输出的功率传递到连杆机构上，用来改变叶片的转角。

3.4 课题主要解决的技术关键问题及创新点
3.4.1 技术关键问题
1.连杆机构的设计。

连杆机构是直接与叶片相连的部件，它直接作用于叶片转角的改变，也关系到船的
方向控制问题。

另外，叶片一般在4~6片，也就意味着连杆机构要同时控制叶片的转角。

考虑怎么设计
连杆机构最简单，最节省空间，同时又能满足设计要求，是最需要考虑的问题。

2.怎样控制摇杆的运动。

摇杆是一个纽带，中间环节，通过它的运动，才能控制叶片的转动。

用什么来
完成摇杆的杠杆运动，即需要一个可以回转的支点。

3.怎样保证摇杆能同时带动叶片的同时运动而不发生干涉，即设计怎样的一个机构使得连杆机构在同一
面运动。

4.电机的选择。

这里要选择一个带控制的系统，那么我们可以选伺服电机，或者步进电机。

5.零部件材料的选择。

船只常年在水里，很容易被腐蚀，所以要选择相比较耐腐蚀的材料。

3.4.2 创新点
1. 弥补了螺旋桨的不足，无需船舵就能够在360 方向上快速改变推进力方向和大小，在任意航速下船
舶都具有良好的控制力。

2. 推进器具有极好的操纵和变距功能。

3.5 课题研究工作的技术路线
通过查找期刊,论文等文献资料,了解相关资料，并在导师的指导下进行机构的初步构思与设计。

具体技术路线:
1.绘制直翼推进器总装示意图。

2.根据导师提供的设计参数对直翼推进器的零部件尺寸进行计算并校核，编写设计说明书。

3.通过机械设计手册绘制零件图，最后绘制装配图，并通过请教导师完善毕业设计，完成船用推进
器的方向控制的设计。

4.课题计划进度
时间完成的主要工作
2011年11月1日—2012年2
查阅资料，完成开题报告，完成文献综述月27日
2012年2 月21 日—2012年5
完成各个部分的设计说明书
月5 日
2012年5月 6日—2012年5
完成毕业设计初稿
月15日
2012年5月 15日— 2012年
完成毕业设计终稿
6月4日
参考文献
[1]Roy E.Jones,548 Powahatan,Independence,Mo.64056 DIRECTIONAL CONTROL MECHANISM FOR A TROLLING MOTOR Mar. 4, 1977:1-3.
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