CN102556321A - 一种浮动式球形转叶式舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮动式球形转叶式舵机，包括上缸体、下缸体、转子、转叶和定叶，上缸体和下缸体固连形成空腔，转子安装在空腔内，与舵机的舵柄通过胀套固连，转叶和定叶沿径向均匀布置在转子外周，并容置于空腔内，其中转叶与转子固定连接，定叶安装在空腔内，转叶和定叶将空腔分割成相互独立的多个密封腔，各密封腔分别与液压系统的高压油路和低压油路连通，通过各密封腔室间形成压差，推动转叶带动转子转动，实现舵机转动。本发明采用球形结构，利用浮动结构的自补偿能力解决了转叶式舵机部件变形与偏移的补偿问题，提高了转叶式舵机密封系统的可靠性和寿命，同时利用关节轴承的高承载、长寿命特点，使得转叶式舵机的承载部件使用寿命得到提升。

Description

一种浮动式球形转叶式舵机

技术领域

本发明为一种转叶式液压舵机，用于船舶方向控制。 

背景技术

船舶操纵系统的可靠性是船舶安全最重要的保障之一。舵机是船舶方向操纵系统的执行器，其性能直接影响到船舶的的安全性。目前，船舶舵机主要的结构形式有两种：往复式液压舵机和转叶片式液压舵机。柱塞式舵机由于其结构特点存在体积庞大、结构复杂、能效低、噪音大等局限，已逐渐难以满足该装备日益发展的要求。转叶式舵机具有体积小、结构简单紧凑、噪音小、操作维护方便等优点，若采用转叶式舵机替代柱塞式舵机，对操纵系统的精简以及降噪将极为有利。 

然而，目前转叶式舵机国产化的程度不高，仍需依赖进口，其主要原因是转叶式舵机的动密封问题迟迟不能得到很好的解决，导致转叶式舵机内泄漏过大，限制了转叶式舵机的工作效率。目前，转叶式舵机面临的主要问题是转叶式舵机密封面临的主要问题有：动密封面多导致泄漏面积大；端面采用间隙密封时，间隙需取足够大值以防止刚性表面直接接触；接触动密封效果与密封件寿命之间矛盾；密封面交界处不完全密封导致内泄漏大幅增加，而间接原因则包括舵机径向轴承磨损、变形或舵机承磨环不对称磨损(主要指柱形舵机)导致的舵机转子偏转以及舵柄承受弯矩引起的变形。 

从上述转叶式舵机内泄漏产生的原因来看，提高摆动密封的性能是解决内泄漏过大问题的首要关键。近年来，国内专家对转叶式舵机的密封进行了大量研究，并取得了一定成果。如武汉船用机械有限公司研发了一种新型的转叶式舵机密封装置实现了转叶式舵机动密封的自动补偿，提高转叶式舵机的工作压力至12MPa。谢良喜参考国外对转叶式舵机的密封设计提出了一种应用于船舶转叶式舵机的组合型自补偿密封机构以减小泄漏量，转叶式舵机企业(如南京中船绿洲等)也纷纷进行内泄漏问题的技术攻关，并取得了丰硕的成果，极大加速了我国转叶式舵机国产化的步伐。 

尽管国内外学者为改进转叶式舵机的密封性能做出了巨大努力，也取得了一定成 果，但如何将转叶式舵机的密封、使用寿命和效率结合在一起，在实现舵机径向密封间隙合理自动补偿的同时，保证舵机端面密封不受舵机转子等部件弯扭、偏心等变形的影响，达到对转叶式舵机工作腔室长期可靠的密封仍然未获得较为理想的解决方案。 

发明內容

本发明的目的在于提出一种船用转叶式舵机，解决现有转叶式舵机密封与承载问题。 

实现本发明的目的所采用的具体技术方案为： 

一种浮动式球形转叶式舵机，包括：上缸体、下缸体、转子、转叶和定叶，其特征在于， 

所述上缸体和下缸体固连，内部形成空腔，球形转子安装在上述空腔内，与舵机的舵柄通过胀套固连，所述转叶和定叶沿径向均匀布置在转子外周，并容置于所述空腔内，其中转叶与转子固定连接，定叶安装在所述空腔内，该转叶和定叶将所述空腔分割成相互独立的多个密封腔，各密封腔交替间隔地与液压系统的高压油路和低压油路连通，使得在密封腔室间形成压差，进而推动转叶带动转子转动，从而实现舵机转动。 

所述相互独立的多个密封腔中相间的各密封腔通过下缸体内的流道连通，从而使各密封腔形成为两组密封腔，其中一组密封腔与液压系统的高压油路连通，另一组与低压油路连通，使得在密封腔室间形成压差，进而推动转叶带动转子旋转，实现舵机转动。 

所述的转叶式舵机上缸体和下缸体通过螺钉固连形成空腔，定位销用于辅助上缸体和下缸体的安装；O型密封圈安装于下缸体上相应的沟槽内；转子与舵柄通过胀套固连，并安装在上述空腔内，衬垫置于上缸体与下缸体形成的内球面上；螺钉以及键将转叶与转子固连，螺钉对键进行限位。 

所述转叶的两端有套筒，通过螺钉与转叶固连；密封圈保持架安装在套筒与转叶形成的沟槽里；螺钉连接压盖和密封圈保持架，将密封圈压紧在密封圈保持架上。转叶密封圈支撑块安装在密封圈保持架上与舵机的上下缸体直接接触。 

所述定叶安装在上缸体与下缸体上的滑槽内，密封圈通过压盖和螺钉固定安装在定叶上，定叶密封圈支撑块安装在定叶上的沟槽内与转子直接接触，形成摩擦副；调整块通过螺钉与定叶固连。 

所述O型圈以及缸体密封圈位于上缸体与下缸体的环形槽内。螺塞用于下缸体内 流道工艺孔的封堵。 

所述转子上端油封和调整环安装在转子与上缸体形成的空腔内，并通过压盖压紧，压盖与上缸体通过螺钉固连，通过定位销定位。 

所述转子下端油封和调整环安装在转子与下缸体形成的空腔内，并通过压盖压紧，压盖与下缸体通过螺钉固连。 

所述转子端盖通过螺钉固连于转子端面，V型密封圈安装在舵杆上。 

所述舵角指示器通过螺钉固定安装于转子端盖，舵角指针通过螺钉与上缸体固定连接。 

所述软管接头连通舵机泄漏出口与外接液压油容器。 

所述支架以及支架套筒结合螺钉连接，在舵机未安装到现场之前将转子与上缸体连接在一起，以便于舵机的运输。 

本发明的船用转叶式舵机，当舵柄出现微小偏转时，由于转子的球形结构使得其转动前后与密封圈接触的弧线段长度和空间位置完全一致，从而避免了舵杆的变形与偏转对动密封性能的影响；当转子由于受到弯矩或扭矩的作用发生微小的变形或偏心时：由于浮动支撑块的自适应作用和异形密封圈的自补偿作用，仍能够自动消除由于转子的偏心引起的密封间隙；由于定叶本身的浮动安装和异形密封圈的自补偿作用，仍能够保证动密封部位的可靠密封；环形腔上下转角处依靠弹性圈对异形密封圈的自补偿作用可保证其可靠密封。 

本发明的船用转叶式舵机的承载系统利用耐磨性好、自润滑性良好的材料制成组合垫片以实现对舵机的承载，利用液压油对转子与垫片的摩擦副进行润滑。 

本发明的船用转叶式舵机利用自紧式浮动密封结构和球形轴承解决现有转叶式舵机密封性能欠佳问题，其中自紧式浮动密封结构与球形轴承的配合可以自动补偿舵机安装误差、舵机运行过程中舵杆弯曲变形以及运动部件的磨损引起的密封间隙改变，从而解决这些问题引起的密封装置泄漏问题；使用高耐磨，具有自润滑特性的材料制成的轴承垫片在浸油润滑条件下可延长轴承的使用寿命。通过上述改进可以显著提高转叶式舵机的综合性能。 

与现有技术相比，本发明的球形浮动转叶式舵机，具有如下特点： 

1)转子绕舵杆中心转动时，其截面恒为一个圆，保证在舵机球体部分绕球心偏转 时不会改变密封间隙； 

2)橡胶密封件弹性良好，结合密封支撑块的浮动安装，实现Y形橡胶密封圈对环形腔室间隙的自适应补偿，可以极大地改善转叶密封副的密封效果。 

3)浮动定叶与异形密封圈的组合，实现了密封间隙的自动补偿和浮动定叶的自动定位。 

4)利用环形腔的圆环形特征避免了传统矩形截面舵机密封腔的直角转角，削弱了密封锐边对密封性能的影响。 

5)异形环状缸体密封圈与弹性圈的组合使得转角处的密封可实现自补偿，密封可靠性增加。 

6)转子与垫片结合，其承载原理类似于大型关节轴承，同时由于转子和垫片都浸在液压油中，得到了很好的润滑，保证了它们的使用寿命，并避免了传统柱形转叶式舵机的承磨环磨损和端盖的变形对密封结构性能的消弱。 

附图说明

图1为本发明的浮动式球形转叶式舵机结构示意图。 

图2为发明的浮动式球形转叶式舵机结构的俯视图。 

图3为图2中分别沿V-V、W-W及S-S的剖面图。 

图4为本发明的浮动式球形转叶式舵机外观结构轴测图。 

图5为本发明的浮动式球形转叶式舵机内部结构轴测图。 

图6为本发明的浮动式球形转叶式舵机定叶及其密封结构图(拆除连接螺钉)，其中，(a)为转叶式舵机定叶密封结构装配图，(b)为转叶式舵机定叶密封结构爆炸图。 

图7为本发明的浮动式球形转叶式舵机转叶及其密封结构图(拆除连接螺钉)，其中，(a)转叶式舵机转叶密封结构装配图，(b)转叶式舵机转叶密封结构爆炸图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。 

参见附图1，本实施例的浮动式球形转叶式舵机的上缸体8和下缸体2通过螺钉52固连形成空腔，定位销56用于辅助上缸体8和下缸体2的安装；O型密封圈20、21、22、23安装于下缸体上相应的沟槽内；转子4与舵柄通过胀套1固连，并安装在上述空腔内，衬垫3、9、24置于上缸体8与下缸体2形成的内球面上；螺钉58、59以及键 26将转叶60与转子4固连，螺钉25对键进行限位。舵机外形结构见图2，内部结构见图3。 

转叶60的两端有套筒44，通过螺钉45与转叶固连；密封圈保持架42安装在套筒与转叶形成的沟槽里；螺钉32连接压盖55和密封圈保持架44，将密封圈63压紧在密封圈保持架上。转叶密封圈支撑块62安装在密封圈保持架上与舵机的上下缸体直接接触，转叶动密封结构参见图5。 

定叶7安装在上缸体8与下缸体2上的滑槽内，密封圈63通过压盖55和螺钉32固定安装在定叶上，定叶密封圈支撑块46安装在定叶上的沟槽内与转子直接接触，形成摩擦副；调整块33通过螺钉与定叶固连，定叶动密封主体结构参加图4。 

O型圈11以及缸体密封圈12位于上缸体与下缸体的环形槽内。螺塞53用于下缸体8内流道工艺孔的封堵。 

转叶、定叶、缸体以及密封圈将舵机分为四个腔室，相间的两个腔室通过下缸体8内的流道相连，将四个腔室分成两对，其中的一对通高压液压油时，另一对与液压系统的回油管路相连通，由此在转叶的两侧形成压差，推动舵机的转子转动，从而完成舵机的推舵功能。当液压系统的高、低压油路互换时，舵机反向转动，实现反向操舵。 

油封40和调整环41安装在转子4与上缸体8形成的空腔内，并通过压盖38压紧，压盖38与上缸体8通过螺钉14固连，通过定位销48定位。 

油封29和调整环28安装在转子4与下缸体2形成的空腔内，并通过压盖30压紧，压盖30与下缸体2通过螺钉31固连。 

转子端盖19通过螺钉17固连于转子端面，V型密封圈18安装在舵杆上。 

舵角指示器16通过螺钉15固定安装于转子端盖19，舵角指针通过螺钉47与上缸体8固定连接。 

软管接头50连通舵机泄漏出口与外接液压油容器。 

支架35、螺钉34、螺钉36以及支架套筒37，在舵机未安装到现场之前将转子4与上缸体8链接在一起，以便于舵机的运输。 

本发明在设计时充分考虑到了转叶式舵机的密封性能和使用寿命，在舵机密封系统与承载系统设计上有突出优势。 

工作腔上下转角处的接触动密封为组合密封由缸体密封圈12与O型圈11组合在 一起，O型圈有一定的预压紧量，当舵机的转子发生偏心时，O型圈可以自动补偿由于偏心引起的转子与缸体密封圈11之间的间隙； 

转叶60与上缸体8以及下缸体2之间的接触动密封为异形Y截面密封圈63，接触密封的压力会自适应工作压力的变化；同时密封圈63与密封圈保持架44浮动安装在转叶60与套筒25形成的限制空间内，O型密封圈61安装在密封圈保持架的沟槽内，当转子4发生偏心或偏转时，密封圈保持架会利用转子的推动作用或密封圈的扩张自适应转子的这些变化，保持良好的密封状态。 

定叶7及其密封圈63安装于上缸体8与下缸体2形成的滑槽内，定叶7可在该滑槽内滑动，并可以发生径向移动。当转子发生偏心或偏转时，这种浮动式特殊结构使得密封圈可以自适应转子的这些变化，从而保证了密封系统的可靠性，也增加了密封系统的使用寿命。 

承载系统采用高耐磨，抗腐蚀，良好的润滑性的玻璃纤维增强聚四氟乙烯(或聚乙醚等)垫片3、9、24作为转子4的承载衬垫，将关节轴承的原理引入到转叶式舵机的承载系统中，可以延长舵机承载部件的使用寿命，同时可使得衬垫磨损周期增长，削弱衬垫磨损对密封系统性能的影响。转子的与垫片接触的区域都浸在液压油中，得到了良好的润滑。 

转叶式舵机一般额定工作压力为10MPa，额定最大输出扭矩为100kNm，最大操舵角度为45°。 

本发明不仅可以实现转叶式舵机动密封的自动补偿，消弱转叶式舵机由于加工误差或弹性变形对密封副间隙的影响，还可以降低对转叶式舵机安装精度的要求，提高转叶式舵机的使用寿命。 

Claims (10)

1.一种浮动式球形转叶式舵机，包括：上缸体(8)、下缸体(2)、转子(4)、多个转叶(60)和多个定叶(7)，其特征在于，

所述上缸体(8)和下缸体(2)固连，内部形成空腔，球形转子(4)安装在上述空腔内，与舵机的舵柄通过胀套固连，所述转叶(60)和定叶(7)沿径向均匀间隔布置在转子(4)外周，并容置于所述空腔内，其中转叶(60)与转子(4)固定连接，定叶(7)安装在所述空腔内，所述转叶(60)和定叶(7)将所述空腔分割成相互独立的多个密封腔，各密封腔交替间隔地与液压系统的高压油路和低压油路连通，使得在密封腔室间形成压差，进而推动转叶(60)带动转子(4)旋转，实现舵机转动。

2.根据权利要求1所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，所述相互独立的多个密封腔中，相互间隔的密封腔通过下缸体(8)内的流道连通，从而使各密封腔形成为两组密封腔，其中一组密封腔与液压系统的高压油路连通，另一组与低压油路连通，使得在密封腔室间形成压差，进而推动转叶(60)带动转子(4)旋转，实现舵机转动。

3.根据权利要求1或2所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，所述转叶(60)两端套有套筒(44)，并通过螺钉(45)与转叶(60)固连，套筒(44)与转叶(60)端面之间的沟槽里浮动安装有密封圈保持架(42)，第一密封圈(63)通过第一连接压盖(55)压紧在密封圈保持架(42)上，该密封圈保持架(42)上安装有转叶密封圈支撑块(62)，实现转叶(60)与空腔的动密封。

4.根据权利要求1-3之一所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，所述定叶(7)上通过第二连接压盖(55)固定安装有第二密封圈(63)，定叶(7)上的沟槽内安装有定叶密封圈支撑块(46)，其与转子(4)形成摩擦副，实现定叶(7)与转子(4)的密封。

5.根据权利要求1-4之一所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，所述定叶(7)可在空腔内沿转子(4)浮动，以自适应转子的偏心或偏转运动。

6.根据权利要求1-5之一所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，在转子(4)与上缸体(8)之间的空腔内还设置有油封(40)和调整环(41)，并通过第一压盖(38)压紧，该第一压盖(38)与上缸体(8)固连，通过定位销(48)定位，用于实现转子(4)与上缸体(8)之间的密封。

7.根据权利要求1-6之一所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，在转子(4)与下缸体(2)之间的空腔内还设置有油封(29)和调整环(28)，并通过第二压盖(30)压紧，该第二压盖(30)与下缸体(2)固连，用于实现转子(4)与下缸体(2)之间的密封。

8.根据权利要求1-7之一所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，上缸体(8)与下缸体(2)的环形沟槽内均设置有O型圈(11)以及缸体密封圈(12)，用于实现上缸体(8)和下缸体(2)与外界的密封。

9.根据权利要求1-8之一所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，所述上缸体(8)与下缸体(2)的内表面上还设置有衬垫，用于承载转子(4)及外负载。

10.根据权利要求9所述的浮动式球形转叶式舵机，其特征在于，所述衬垫材料为玻璃纤维增强聚四氟乙烯或聚乙醚。

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