CN107697261A - 一种舰船用自保护直线式舵操纵机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，包括：电机、轴承座、壳体、位移传感器、锁紧器、作动杆组件、轴承和行星滚柱丝杠；行星滚柱丝杠，包括：丝杠、丝母和平键；轴承座一端与电机连接，另一端与壳体连接；轴承设置在轴承座内；丝杠的一端穿过轴承的内孔，插入电机的内孔，通过平键与电机连接；丝杠通过丝母固定在壳体的内部；锁紧器设置在壳体内，位于行星滚柱丝杠与壳体的内侧壁面之间；作动杆组件位于壳体远离轴承座的一侧，与锁紧器通过螺栓连接；位移传感器设置在壳体的上方，与壳体连接。本发明具有大功率、高承载、自保护、轻量化和免维护等优点，为我国水面舰船舵操纵机构的首次创新发明。
Description
技术领域
本发明属于水面舰船技术领域，尤其涉及一种舰船用自保护直线式舵操纵机构。
背景技术
目前现役水面舰船舵操纵装置均为液压驱动装置，主要存在的“跑、冒、滴、漏”等问题，维修难度大、体积大、重量大，且存在较大的噪声，不利于舰员的身体健康等特点，
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，具有大功率、高承载、自保护、轻量化和免维护等优点，为我国水面舰船舵操纵机构的首次创新发明。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，包括：电机(1)、轴承座(2)、壳体(3)、位移传感器(4)、锁紧器(5)、作动杆组件(6)、轴承(7)和行星滚柱丝杠(8)；其中，所述行星滚柱丝杠(8)，包括：丝杠(81)、丝母(82)和平键(83)；
所述轴承座(2)为双法兰结构，所述轴承座(2)位于所述壳体(3)与所述电机(1)之间；其中，所述轴承座(2)的一端通过螺栓与所述电机(1)连接，另一端通过螺栓与所述壳体(3)连接；
所述轴承(7)设置在所述轴承座(2)内；
所述丝杠(81)位于所述壳体(3)内部，与所述壳体(3)的内孔同轴；所述丝杠(81)的一端穿过所述轴承(7)的内孔，插入所述电机(1)的内孔，通过平键(83)与所述电机(1)连接；所述丝杠(81)通过所述丝母(82)固定在所述壳体(3)的内部；
所述锁紧器(5)设置在所述壳体(3)内，位于所述行星滚柱丝杠(8)与所述壳体(3)的内侧壁面之间；
所述作动杆组件(6)位于所述壳体(3)远离所述轴承座(2)的一侧，与锁紧器(5)通过螺栓连接；其中，所述作动杆组件(6)、壳体(3)的内孔和锁紧器(5)同轴配合；
所述位移传感器(4)设置在所述壳体(3)的上方，与所述壳体(3)连接。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，所述锁紧器(5)的内孔与所述丝母(82)的外圆同轴配合；所述锁紧器(5)的外圆与所述壳体(3)的内孔同轴配合。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，所述电机(1)为永磁同步电机，永磁同步电机的转子轴为中空结构。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，还包括：观察窗(100)；
所述观察窗(100)设置在所述壳体(3)的侧面。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，所述锁紧器(5)，包括：夹紧活塞(51)、密封活塞(52)、夹紧套筒(53)、弹簧(54)、端盖(55)、外壳(57)和注油嘴(58)；
所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)分别设置在所述锁紧器(5)的两端；其中，所述夹紧套筒(53)的内孔与所述行星滚柱丝杠(8)同轴；
所述外壳(57)设置在所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)之间，所述外壳(57)的两端分别与所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)连接；其中，所述端盖(55)的止口与所述外壳(57)同轴，所述端盖(55)的止口与所述外壳(57)配合处设置一密封圈；
所述夹紧活塞(51)和所述弹簧(54)位于所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)之间；其中，所述夹紧活塞(51)靠近所述夹紧套筒(53)设置，所述弹簧(54)靠近所述端盖(55)设置；
所述夹紧活塞(51)的内斜面与所述夹紧套筒(53)的外斜面配合；
所述密封活塞(52)设置在所述夹紧活塞(51)和所述夹紧套筒(53)的中间；其中，所述密封活塞(52)的内孔与所述夹紧套筒(53)之间通过一密封圈配合；所述密封活塞(52)的外轴与所述外壳(57)的内孔之间通过一密封圈配合；
所述注油嘴(58)设置在所述外壳(57)的一端，靠近所述密封活塞(52)的一侧，通过螺纹与所述外壳(57)连接。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，
在正常工作状态下，弹簧(54)产生推动力，推动夹紧活塞(51)挤压所述夹紧套筒(53)的斜面，产生径向的力抱紧所述丝母(82)，以使丝母(82)在运动的状态下自锁，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构处于接合状态；电机(1)旋转运动带动行星滚柱丝杠(81)旋转，进而带动所述丝母(82)的直线伸缩运动，丝母(82)经所述锁紧器(5)与作动杆组件(6)固联，所述位移传感器(4)用于判定行星滚柱丝杠(8)是否运动到指定位置，电机(1)的正反转实现作动杆组件(6)的伸缩运动。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，
在故障状态下，锁紧器(5)启动通压，推动密封活塞(52)运动，以使密封活塞(52)压紧弹簧(54)，在弹簧(54)被压夹时，所述夹紧套筒(53)与丝母(82)之间的抱紧力消失，夹紧套筒(53)与丝母(82)处于分离状态；电机(1)停转，作动杆组件(6)处于随动状态，以保护电机和操舵装置。
在上述舰船用自保护直线式舵操纵机构中，所述夹紧活塞(51)的内斜面与水平面的夹角为3°。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，电机与行星滚柱丝杠直线布置，离合装置串联在丝母上，无需液压伺服阀、液压油及其配套泵站和管路，具有无渗漏油、抗污染能力强、能源利用效率高，组成简洁、控制精度高、使用维护方便，性能稳定和振动噪声低等优点。
其次，本发明所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，采用伺服电机和传动机构直连设计，设计机械式锁紧器，具备自保护功能，在丝杠出现故障情况下，启动锁紧器，机构作动部件处于随动状态，保证舰船操舵装置正常运行，具有安全、可靠、高效、高集成度等优点。
再次，本发明所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，通过弹簧挤压夹紧套筒实现夹紧过程，不需要能量供应的夹紧，不需要持续供压，可以实现无限期夹紧，具有高效节能、便于维护的优点。在极端条件下(如冷和热)，也能保证夹紧安全，夹紧力不受油温的限制，可靠性、安全性更高。
此外，观察窗设计便于直观查看丝杠使用及润滑情况，以便及时保养；操纵机构吊装、拆装方便，结构各组成间以螺栓连接，方便以组件或整体形式更换。
附图说明
图1是本发明实施例中一种舰船用自保护直线式舵操纵机构的剖视图；
图2是本发明实施例中一种舰船用自保护直线式舵操纵机构的外形图；
图3是本发明实施例中一种锁紧器的剖视图；
图4是本发明实施例中一种夹紧活塞的受力分析图；
图5是本发明实施例中一种轴承座的局部剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，电机与行星滚柱丝杠直线布置，离合装置串联在丝母上，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构可以接收操控室发来的控制指令，并利用伺服控制技术控制永磁同步电机带动丝杠旋转，在导向块限位下，推动丝母直线运动，在锁紧器抱紧力作用下使得作动杆直线输出，推动舵装置摆动；配合位置闭环控制策略，实现操舵运动，与此同时，将执行结果、操纵装置的运行状态及故障信息反馈至操控室。所述舰船用自保护直线式舵操纵机构具有大功率、高承载、自保护、轻量化和免维护等优点，为我国水面舰船舵操纵机构的首次创新发明。
参照图1，示出了本发明实施例中一种舰船用自保护直线式舵操纵机构的剖视图。参照图2，示出了本发明实施例中一种舰船用自保护直线式舵操纵机构的外形图。如图1和2，在本实施例中，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构，包括：电机1、轴承座2、壳体3、位移传感器4、锁紧器5、作动杆组件6、轴承7和行星滚柱丝杠8。其中，所述行星滚柱丝杠8，包括：丝杠81、丝母82和平键83。
其中，
所述轴承座2为双法兰结构，所述轴承座2位于所述壳体3与所述电机1之间。其中，所述轴承座2的一端通过螺栓与所述电机1连接，另一端通过螺栓与所述壳体3连接。
所述轴承7设置在所述轴承座2内。
所述丝杠81位于所述壳体3内部，与所述壳体3的内孔同轴；所述丝杠81的一端穿过所述轴承7的内孔，插入所述电机1的内孔，通过平键83与所述电机1连接；所述丝杠81通过所述丝母82固定在所述壳体3的内部。
所述锁紧器5设置在所述壳体3内，位于所述行星滚柱丝杠8与所述壳体3的内侧壁面之间。优选的，锁紧器5的内孔与所述丝母82的外圆同轴配合；所述锁紧器5的外圆与所述壳体3的内孔同轴配合。
所述作动杆组件6位于所述壳体3远离所述轴承座2的一侧，与锁紧器5通过螺栓连接；其中，所述作动杆组件6、壳体3的内孔和锁紧器5同轴配合。
所述位移传感器4设置在所述壳体3的上方，与所述壳体3连接。
在本发明的一优选实施例中，所述电机1可以为永磁同步电机，永磁同步电机的转子轴为中空结构。
在本发明的一优选实施例中，如图2，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构还可以包括：观察窗100。所述观察窗100可以设置在所述壳体3的侧面任意适当位置处，便于观察丝杠使用及润滑情况，以便及时保养。观察窗可以是一个或多个，本实施例对此不作限制。
在本发明的一优选实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中一种锁紧器的剖视图。优选的，锁紧器5具体可以包括：夹紧活塞51、密封活塞52、夹紧套筒53、弹簧54、端盖55、外壳57和注油嘴58。
其中，
所述夹紧套筒53和所述端盖55分别设置在所述锁紧器5的两端；其中，所述夹紧套筒53的内孔与所述行星滚柱丝杠8同轴。
所述外壳57设置在所述夹紧套筒53和所述端盖55之间，所述外壳57的两端分别与所述夹紧套筒53和所述端盖55连接。其中，所述端盖55的止口与所述外壳57同轴，所述端盖55的止口与所述外壳57配合处设置一密封圈。
所述夹紧活塞51和所述弹簧54位于所述夹紧套筒53和所述端盖55之间。其中，所述夹紧活塞51靠近所述夹紧套筒53设置，所述弹簧54靠近所述端盖55设置。
所述夹紧活塞51的内斜面与所述夹紧套筒53的外斜面配合。
所述密封活塞52设置在所述夹紧活塞51和所述夹紧套筒53的中间；其中，所述密封活塞52的内孔与所述夹紧套筒53之间通过一密封圈配合；所述密封活塞52的外轴与所述外壳57的内孔之间通过一密封圈配合。
所述注油嘴58设置在所述外壳57的一端，靠近所述密封活塞52的一侧，通过螺纹与所述外壳57连接。
一优选的，在正常工作状态下，弹簧54产生推动力，推动夹紧活塞51挤压所述夹紧套筒53的斜面，产生径向的力抱紧所述丝母82，以使丝母82在运动的状态下自锁，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构处于接合状态；电机1旋转运动带动行星滚柱丝杠81旋转，进而带动所述丝母82的直线伸缩运动，丝母82经所述锁紧器5与作动杆组件6固联，所述位移传感器4用于判定行星滚柱丝杠8是否运动到指定位置，电机1的正反转实现作动杆组件6的伸缩运动。
一优选的，在故障状态下，锁紧器5启动通压，推动密封活塞52运动，以使密封活塞52压紧弹簧54，在弹簧54被压夹时，所述夹紧套筒53与丝母82之间的抱紧力消失，夹紧套筒53与丝母82处于分离状态；电机1停转，作动杆组件6处于随动状态，以保护电机和操舵装置。
在本发明的一优选实施例中，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构的承力主要集中在轴承座2上，力传递路径如下：拉力压力：船体→舵柄→作动杆组件6→丝母82→丝杠81→轴承7→轴承座2→船体。故，可强化对轴承座的强度设计，进而可弱化对壳体的强度要求，将壳体由不锈钢材料更换为铝合金，达到减重目的。
在本发明的一优选实施例中，为了作动杆组件与轴承座之间的撞击，在作动杆组件与轴承座之间可以设置一组缓冲器，该组缓冲器可以安装在轴承座上，且在所述轴承座上均匀分布，启到缓冲作用。此外，通过缓冲器的吸收能力，还可以降低噪声。
在本发明的一优选实施例中，所述夹紧活塞51的内斜面与水平面的夹角为3°。
如前所述，锁紧器5的工作过程为：弹簧力推动夹紧活塞51挤压夹紧套筒53的斜面，产生径向的力抱紧丝母82，使得丝母82在运动的状态下自锁。夹紧活塞51与夹紧套筒53斜面间应用了自锁原理，即夹紧活塞51在弹簧力的作用下向右移动挤压夹紧套筒53斜面，夹紧套筒53斜面因为倾角的关系是不动的。参照图4，示出了本发明实施例中一种夹紧活塞的受力分析图。如图4，对夹紧活塞51进行受力分析，在作动杆运动的情况下要实现自锁，应克服滑动摩擦力，对夹紧套筒进行受力分析得出：
则有：
可见，当F滑一定时，越小，则F弹簧力越小。故，选取一个选取合适的θ既有利于机械加工，也可以弹簧是一个可计算的参数。优选的，在本实施例中，夹角θ可以为3°，也即，夹紧活塞(51)的内斜面与水平面的夹角为3°。此外，在本实施例中，在3°夹角的基础上，可以通过选择多个弹簧，以实现对丝母82的自锁。
在本发明的一优选实施例中，参照图5，示出了本发明实施例中一种轴承座的局部剖视图。
如前所述，轴承座2为主要承力部件，为双法兰结构，一端通过螺栓与所述电机1相连接，另一端通过螺栓与所述壳体3相连接；且轴承7(两套)与所述轴承座2内孔配合同轴。
优选的，如图5，轴承7主要可以包括：角接触球轴承72(两个)、后端盖71和锁紧母74。所述角接触球轴承72外圈与所述轴承座2同轴，内圈被所述丝杠81穿过。所述后端盖71用于压紧所述角接触球轴承72外圈，后端盖71的法兰通过螺钉与所述轴承座2相连接。所述锁紧母74设置在轴承7的内环处，通过与所述丝杠81的螺纹配合，挤紧所述轴承7。可见，该机构安装形式为前端铰链和中间双耳轴支撑结构的设计，即所述轴承座2将双耳轴支撑和轴承室设计为一体，具体结构紧凑、机构轻量等优点。
本发明为全新电驱舵操纵机构。与传统电液最大区别为无液压伺服阀、无液压油及其配套泵站和管路，电动操纵机构有无渗漏油、抗污染能力强、能源利用效率高，组成简洁、控制精度高、使用维护方便，性能稳定和振动噪声低等优点。针对传动电机+丝杠形式，本发明机构具备自保护功能，在丝杠出现故障情况下，启动锁紧器，机构作动部件处于随动状态，保证舰船操舵装置正常运行。
综上所述，本发明公开了一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，电机与行星滚柱丝杠直线布置，离合装置串联在行星丝母上，无需液压伺服阀、液压油及其配套泵站和管路，具有无渗漏油、抗污染能力强、能源利用效率高，组成简洁、控制精度高、使用维护方便，性能稳定和振动噪声低等优点。
其次，本发明所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，采用伺服电机和传动机构直连设计，设计机械式锁紧器，具备自保护功能，在丝杠出现故障情况下，启动锁紧器，机构作动部件处于随动状态，保证舰船操舵装置正常运行，具有安全、可靠、高效、高集成度等优点。
再次，本发明所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，通过弹簧挤压夹紧套筒实现夹紧过程，不需要能量供应的夹紧，不需要持续供压，可以实现无限期夹紧，具有高效节能、便于维护的优点。在极端条件下(如冷和热)，也能保证夹紧安全，夹紧力不受油温的限制，可靠性、安全性更高。
此外，观察窗设计便于直观查看丝杠使用及润滑情况，以便及时保养；操纵机构吊装、拆装方便，结构各组成间以螺栓连接，方便以组件或整体形式更换。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，包括：电机(1)、轴承座(2)、壳体(3)、位移传感器(4)、锁紧器(5)、作动杆组件(6)、轴承(7)和行星滚柱丝杠(8)；其中，所述行星滚柱丝杠(8)，包括：丝杠(81)、丝母(82)和平键(83)；
所述轴承座(2)为双法兰结构，所述轴承座(2)位于所述壳体(3)与所述电机(1)之间；其中，所述轴承座(2)的一端通过螺栓与所述电机(1)连接，另一端通过螺栓与所述壳体(3)连接；
所述轴承(7)设置在所述轴承座(2)内；
所述丝杠(81)位于所述壳体(3)内部，与所述壳体(3)的内孔同轴；所述丝杠(81)的一端穿过所述轴承(7)的内孔，插入所述电机(1)的内孔，通过平键(83)与所述电机(1)连接；所述丝杠(81)通过所述丝母(82)固定在所述壳体(3)的内部；
所述锁紧器(5)设置在所述壳体(3)内，位于所述行星滚柱丝杠(8)与所述壳体(3)的内侧壁面之间；
所述作动杆组件(6)位于所述壳体(3)远离所述轴承座(2)的一侧，与锁紧器(5)通过螺栓连接；其中，所述作动杆组件(6)、壳体(3)的内孔和锁紧器(5)同轴配合；
所述位移传感器(4)设置在所述壳体(3)的上方，与所述壳体(3)连接。
2.根据权利要求1所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，所述锁紧器(5)的内孔与所述丝母(82)的外圆同轴配合；所述锁紧器(5)的外圆与所述壳体(3)的内孔同轴配合。
3.根据权利要求1所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，所述电机(1)为永磁同步电机，永磁同步电机的转子轴为中空结构。
4.根据权利要求1所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，还包括：观察窗(100)；
所述观察窗(100)设置在所述壳体(3)的侧面。
5.根据权利要求1所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，所述锁紧器(5)，包括：夹紧活塞(51)、密封活塞(52)、夹紧套筒(53)、弹簧(54)、端盖(55)、外壳(57)和注油嘴(58)；
所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)分别设置在所述锁紧器(5)的两端；其中，所述夹紧套筒(53)的内孔与所述行星滚柱丝杠(8)同轴；
所述外壳(57)设置在所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)之间，所述外壳(57)的两端分别与所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)连接；其中，所述端盖(55)的止口与所述外壳(57)同轴，所述端盖(55)的止口与所述外壳(57)配合处设置一密封圈；
所述夹紧活塞(51)和所述弹簧(54)位于所述夹紧套筒(53)和所述端盖(55)之间；其中，所述夹紧活塞(51)靠近所述夹紧套筒(53)设置，所述弹簧(54)靠近所述端盖(55)设置；
所述夹紧活塞(51)的内斜面与所述夹紧套筒(53)的外斜面配合；
所述密封活塞(52)设置在所述夹紧活塞(51)和所述夹紧套筒(53)的中间；其中，所述密封活塞(52)的内孔与所述夹紧套筒(53)之间通过一密封圈配合；所述密封活塞(52)的外轴与所述外壳(57)的内孔之间通过一密封圈配合；
所述注油嘴(58)设置在所述外壳(57)的一端，靠近所述密封活塞(52)的一侧，通过螺纹与所述外壳(57)连接。
6.根据权利要求5所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，
在正常工作状态下，弹簧(54)产生推动力，推动夹紧活塞(51)挤压所述夹紧套筒(53)的斜面，产生径向的力抱紧所述丝母(82)，以使丝母(82)在运动的状态下自锁，所述舰船用自保护直线式舵操纵机构处于接合状态；电机(1)旋转运动带动行星滚柱丝杠(81)旋转，进而带动所述丝母(82)的直线伸缩运动，丝母(82)经所述锁紧器(5)与作动杆组件(6)固联，所述位移传感器(4)用于判定行星滚柱丝杠(8)是否运动到指定位置，电机(1)的正反转实现作动杆组件(6)的伸缩运动。
7.根据权利要求5所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，
在故障状态下，锁紧器(5)启动通压，推动密封活塞(52)运动，以使密封活塞(52)压紧弹簧(54)，在弹簧(54)被压夹时，所述夹紧套筒(53)与丝母(82)之间的抱紧力消失，夹紧套筒(53)与丝母(82)处于分离状态；电机(1)停转，作动杆组件(6)处于随动状态，以保护电机和操舵装置。
8.根据权利要求5所述的舰船用自保护直线式舵操纵机构，其特征在于，所述夹紧活塞(51)的内斜面与水平面的夹角为3°。
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