全方向推进器叶片调距机构设计

1.哈尔滨工业大学 力学博士后流动站 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨 150001

全方向推进器是一种新型的特种推进器，其桨叶在旋转一周的过程中，叶片螺距角周期性变化，在产生轴向推力的同时也产生横向和垂向推力[1]。迄今为止，国内对全方向推进器的研究还一直局限在水动力性能计算方面[2-4]。在国外，该种推进器的理论研究是与试验研究同时展开的。以日本三菱重工的难波直爱、川崎重工技术研究院渡边和夫、船舶技术研究所田村兼吉[5-7]为代表的研究人员分别进行了模型试验，对影响全方向推进器性能的一些参数进行了研究，这些参数主要包括桨叶纵倾角、桨叶螺距角、叶剖面形状及桨叶轮廓，所公布的测量数据主要是全方向推进器的轴向推力以及横向﹑垂向的单独性能，一些关键的数据未见发表。

展开全方向推进器的试验研究，无论是对于理论研究成果的检验，还是对于具体使用方面的推广、应用，都有着极其重要的意义。因此，参照国外各研究单位所作的全方向推进器的试验，自行设计全方向推进器的叶片调距机构。

1 按摆线规律变化的调距机构

全方向推进器调距机构的开发难点是：为了在一个螺旋桨上产生三个方向的推力，必须将能产生沿桨轴方向可变推力的调距螺旋桨和能产生垂直于桨轴方向推力的竖轴直翼推进器[8]合二为一。

参照摆线推进器的叶片螺距控制机构原理以及日本川崎重工圆盘连杆调距机构原理，进行设计。

1.1 叶片调距的基本原理

如图1所示，4个叶片在圆周上均匀分布，都通过一个连杆与一个偏心机构相连接；通过偏心机构的平移或者转动来带动叶片转动，从而改变叶片螺距角，产生推力。偏心机构可以转动，也可以在平面内向任意方向平动。

图1 偏心机构调距的基本原理

图1中，a)表示偏心机构无变化，这时全方向推进器4个叶片螺距角都为零,不产生推力；b)表示偏心机构发生平移，可以在垂直于轴向的平面上产生任意方向的大小可变的推力，推力的大小由偏心率来决定，而推力的方向则取决于偏心机构的平移方向；c)表示偏心机构只有转动无平动，这时4个叶片的螺距角相同，全方向推进器只产生轴向推力，推力的大小由螺距角的大小决定，即取决于偏心机构转动的角度；d)表示偏心机构即发生旋转又有平移，这时全方向推进器可以产生三维可变推力，推力的大小和方向由偏心机构平移的大小、方向以及旋转角度的大小来决定。

1.2 叶片调距的机构的实现

基于上述调距原理，设计一种全方向推进器的试验模型，试验模型装配图见图2，从图中可以清楚地看到艇体、电机以及调距机构之间的相对位置。

从图2中可以看到调距机构包括偏心机构和上、下两个双十字滑道。其中上面的双十字滑道与艇体固定在一起，而下面的双十字滑道则通过定滑块以及底盘与桨毂固定在一起。上、下两个双十字滑道通过一根轴相连。这根轴通过偏心内盘，通过一个电机来带动可以上下移动，同时偏心内盘可以围绕它进行转动。

1.2.1 实现偏心机构的平动

图2中偏心机构的平动是通过双十字滑道+滑块的机构来实现的。图3是一个双十字滑道的简图。

1-双十字滑道；2-双十字滑道支座；3-偏心内盘；4-摆杆；5-摆杆滑块；6-偏心外盘；7-圆环(固定在偏心外盘上,使内外盘只能相互转动)；8-双十字滑道；9-双十字滑道支座；10-固定盘(固定在桨毂上,支撑双十字滑道支座)；11-叶片轴；12-偏心内盘；13-偏心外盘。图2 全方向推进器的试验模型装配图(摆线原理)

图3 双十字滑

1.2.2 实现偏心机构的转动

见图2所示，将偏心机构分成偏心内盘12和偏心外盘13，内外盘之间可以相互转动。外盘与定滑块固定在一起，并固定于底盘上，在外盘上表面与内盘连接处布置一圈斜齿。内盘上固定的斜齿轮与外盘的斜齿相啮合，当齿轮转动时，内盘将发生与外盘的相对转动，通过内盘中间轴的上下移动来带动齿轮的转动。

2 圆盘连杆机构

2.1 圆盘连杆机构的调距原理

4个叶片通过转轴固定在桨毂上，轴心与桨主轴有45°倾角。每个叶片都由连杆一端以某种方式与叶片轴相连，另一端与一个旋转盘相连。旋转盘由两个盘连在一起，两个盘之间仅仅可以相互转动。与连杆相连的盘(A盘)要与桨叶和桨毂一起围绕桨主轴通角速度旋转。后面的盘(B盘)则与液压传动机构相连，不可以旋转。液压传动机构控制B盘，使之可以前后平动，可以倾斜(如果桨叶主轴沿x方向，则倾斜可以在y或者z方向上)，也可以既平动又倾斜。

1)旋转盘有一个平衡位置，在此位置上，叶片螺距角均为0，全方向推进器不产生推力(图4)；

图4 中立状

2)当B盘带动A盘前后平动时(图5)，4个叶片产生相同的转角，即4个叶片的螺距角相同，从而使全方向推进器只产生轴向力；

图5 前后移

3)当B盘带动A盘倾斜时(图6)，两个叶片的螺距角为零，另外两个螺距角大小相同，方向相反，根据前面的分析，螺旋桨产生横向或垂向侧向力；

图6 倾

4)当B盘带动A盘即平动又倾斜时(图7)，则4个叶片的转动角度都不同，螺旋桨产生任意方向推力。这样通过液压系统控制B盘的倾斜、平移就可以调节螺旋桨力的方向，力的大小则由平动和倾斜的幅度来控制。

图7 平动又倾

实现的难点在于怎样通过连杆的移动来控制叶片轴的转动以及A、B盘之间的连接。

2.2 圆盘连杆机构的实现

关于圆盘连杆机构的设想来源于日本川崎重工的模型试验，但需要自主开发设计一套圆盘连杆机构。

图8是圆盘连杆机构的机构示意图。

1-电推缸；2-传动轮；3-拉杆；4-连接杆；5-弯推杆；6-滚动轴承；7-滑块；8-密封圈；9-平面轴承；10-桨叶；11-滚动轴承；12-关节轴承；13-推杆；14-桨毂；15-轴承；16-主轴；17-滚动轴承；18-壳体；19-动盘 20；定盘；21-减速机；22-主电机。图8 圆盘连杆机构示意

3 两种调距机构的比较

采用圆盘连杆机构和偏心机构都可以实现叶片螺距角的周期性变化。两种调距机构在理论上都是可行的，原理也简单明了，但是在具体设计实现方面各有优缺点。

1) 叶片螺距角的变化规律不同。采用圆盘连杆机构时是按正弦规律变化，而采用偏心机构时是按摆线规律来变化的。

2) 试验模型的总重量和外形尺寸不同。采用圆盘连杆机构时，由于控制圆盘需要采用液压系统，而液压系统的尺寸通常比较大，重量也很大。相比而言，偏心机构采用的部件尺寸很小，重量也很轻，因此，更有利于减少潜器的总重量。

3) 造价不同。由于两种机构采用的零部件不同，因此造价也有区别，从文中给出的模型比较来看，采用圆盘连杆机构的造价更高。

4) 实现的难度不同。采用偏心机构时，小尺寸零件更多，在零件的加工精度上要求比采用圆盘连杆机构高，对强度也提出了更高的要求，因而也更加难以实现。

4 结论

通过比较可以看出偏心调距机构与与圆盘连杆机构相比有重量轻、外形尺寸小等优点。但由于现阶段加工上存在困难，零件的强度要求也难以满足。因此，偏心调距机构目前还难以实现，有待于今后进一步改进。在将要进行的模型试验中，将采用圆盘连杆机构来实现叶片螺距角的周期性变化。

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

[2] 宁至胜.升力面方法预报全方向推进器的水动力性能[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，1997.

[3] 王乐胜.潜器的全方位推进器的水动力性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

[4] 常 欣.潜器全方向推进器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.

[5] 難波直愛．全方向推力推進器の開發(その1)[R].大阪關西造船協會,1988.

[6] 渡边和夫．3次元推進器“バリベックプロペラ”の開發(第2報)[R].東京川崎重工業株式会社，1989.

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

[8] 黄 胜．船舶推进节能技术与特种推进器[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998：117～129.