本科毕业设计(论文)船用推进器方向控制装置设计学 院： 机 电 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 5 月 28 日 浙江工业大学毕业设计（论文） 船用推进器方向控制装置设计学生姓名：万家傲 指导教师：欧长劲浙江工业大学机械工程学院摘要直翼摆线推进器(Cycloidal Propelle)作为一种性能优异的船舶推进器，被广泛应用于拖船、扫雷舰艇、浮吊、动力定位等高控制要求的场合。本文简述了船用直翼推进器的基本概念和研究意义，以及国内外直翼推进器方向控制机构的研究现状，此外介绍了船用推进器的工作原理以及它的运动规律，总结两种常用方向控制装置：凸轮式和连杆式。给出了船用推进器方向控制机构的总体设计方案，设计控制机构的关键部件，还有绘制出装配总图。关键字：直翼摆线推进器 连杆机构 伺服电机 全方向推进器The Design of Propeller Direction Dontrol DeviceStudent: Jiaao Wan Advisor: Dr.Changjing OuCollege of Engineering Zhejiang University of Technology AbstractCycloidal propeller is a performance ship propulsion,and the demand of offshore drilling platforms, semi-submersible vessels, lifeboats, platform supply vessels,cabling ships and other marine engineering equipment is increasing sharply.This paper presented the basic concepts of cycloidal propeller and the importance of cycloidal propeller sudy and analyzed the present research situation of cycloidal propeller. This paper introduced cycloidal propellers working principle and law of motion,and summarized the two commom direction control device:cam-tape and link-tape.It proposed the overall design of marine propulsion direction and control institutions,designed the key components of control institutions and drawed the assembly drawing.Keywords: Cycloidal propeller; Linkage; Servo motor; Omni-directional thrusters目录摘 要iAbstractii目录iii第一章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 直翼摆线推进器研究现状11.3 本课题研究的内容4第二章 直翼摆线推进器分析52.1 直翼摆线推进器工作原理分析52.2本章小结7第三章 直翼摆线推进器控制机构83.1传统直翼摆线推进器控制机构分析83.1.1凸轮式直翼推进器的机构及特点83.1.2连杆式直翼推进器的机构及特点83.2 控制机构的设计10 3.2.1 总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.2.2 丝杠结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.2.3 连杆机构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113. 2 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11第四章 控制机构的设计与校核. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1主要设计参数124.2滑动丝杠轴设计124.2.1 材料与螺纹的选择124.2.2 螺杆的设计124.2.3 螺母设计与计算154.3 摇杆的设计计算164.3.1摇杆示意图164.3.2 计算与校核174.4 连杆机构的设计18 4.4.1 连杆机构184.4.2 连杆机构的设计计算194.5 伺服电机的选择224.6本章总结24第五章 全文的总结与展望255.1 设计总结255.2 工作展望25参考文献26致 谢27iii第一章 绪论1.1 研究背景与意义 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生物，那么渔船就诞生了，如美国研究出得一种踏板控制方向的渔船，大大方便渔民。但船舶的核心是它的方向控制机构，现在最常用的控制机构有：螺旋桨推进器、直翼推进器等，而直翼推进器对方向的控制是螺旋桨推进器不能比拟的1。 直翼推进器在国外早有使用，但国内对其研究还较少，更无使用先例。由于直翼推进器有着普通螺旋桨无法比拟的优点，加之国内开发制造的成本较低，因此，只要其技术可靠、经济合理，其应用前景是很广阔的。 由于内河航道窄、弯道多、吃水浅，这就要求航行船舶应具有良好的操纵性来保证航行安全。我国极浅水河流众多，这些河流的弯多流急，有些地段河道坡度较大。普通螺旋桨船舶在这些地区的推进效率较低，操纵性能不佳，导致上滩能力不强，流急弯多处不易操纵，给水路运输带来了极大的困难。这些地区水路运输的客观现实迫切需要开发一种适合这些地区的性能较好的船用推进装置。因此，直翼推进器在内河运输船舶上的应用具有广阔的前景2。 此外，直翼推进器还可以在诸如港作拖船、工程船舶、车客渡船、海洋工程、游览船以及扫雷舰艇等一些具有特殊用途的船舶上得到应用。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，此时船舵产生的横向力变小，导致船舶控制力不足。直翼摆线推进器弥补了螺旋桨的不足，无需船舵就能够在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3。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。1.2 直翼摆线推进器研究现状 直翼摆线推进器，是由一组从船体伸向水中并绕某一垂直于船体的轴线作圆周运动的叶片组成。该推进器的水力剖面面积为矩形(螺旋桨推进器为圆形)，在相同吃水情况下，其水力剖面面积一般较普通螺旋桨大，有利于降低推进器的负荷。直翼推进器与螺旋桨推进器旋转尾流相比,横向尾流损失较小。另外,直翼推进器可在范围内快速改变推力方向及大小，获得优良的操纵性和机动性。一般螺旋桨船舶在停航或以极低航速运动时，舵效往往很差或完全丧失操船能力，而直翼推进器在上述工况下仍可具有灵活的操纵力。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、推进效率较高的优点。国外的摆线推进器理论与实验研究以德国、美国、日本取得的成果最为突出。德国Voith公司的Voith Schneider Propeller利用CFD和FEM分析优化了摆线推进器结构，使其具有更加出众的操控性能。在国内，摆线推进器研究主要集中在理论研究上，哈尔滨船舶工程学院在20世纪80年代率先开展了摆线推进器的理论研究，朱典明、苏玉民、张洪雨等教授的研究完善了摆线推进器的理论模型4。 目前直翼推进器多采用广义摆线机构和改善的摆线机构，但由于其机构比较复杂以及受机构本身的运动限制,桨叶摆动规律不能很好地满足水动力的要求,限制了其推进性能，特别是推进效率的进一步提高。这也是直翼推进器难以推广应用的主要原因之一。现在直翼推进器主要应用于航海领域、航空领域以及能源资源领域。 直翼摆线推进器最早应用于航海领域，解决了螺旋桨推进器控制性能不足的问题。直翼摆线推进器在航海器上主要有两种安装方式，一种垂直船舶脊线安装于船底，可以提供水平面上推进力，应用于普通船舶，另一种垂直船体侧面对称安装，提供垂直面上的推进力，作为潜水器的动力与控制系统，如反鱼雷舰艇、灭火船、拖船上的应用，如图1.1所示4。 (a) 拖船 (b)摆渡船 （c）反鱼雷舰艇 （d）浮吊 图1.1 Voith Schneider Propeller的各种应用 直翼摆线推进器在航空器领域的应用与直翼摆线推进器在潜水器上应用原理相同，同样垂直航空器侧面对称安装，改变两侧推进器的推进力可以得到空间任意方向大小的推进力。二十世纪三十年代，Kirsten提出将直翼摆线推进器应用到航空器，并建造了第一架应用直翼摆线推进器作为动力的飞机，同时申请了专利，如图1.2所示4。 图1.2 Krsten装备摆线推进器的飞机 随着研究的深入，直翼摆线推进器的应用范围也在不断地扩大。除了应用于航空器、航海器之外，