CN109305309B - 一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂 - Google Patents
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Abstract
一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，属于游艇等小型船舶的减摇技术领域。所述锥齿轮传动单元设于底板上，锥齿轮传动单元包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，当主动锥齿轮转动时联动从动锥齿轮转动；所述摇摆电机与主动锥齿轮固接，以带动主动锥齿轮转动；横向伸缩轴和纵向伸缩轴均设有固定端和伸缩端，横向伸缩轴的固定端与从动锥齿轮连接，横向伸缩轴的伸缩端连接有螺旋桨自旋电机；螺旋桨自旋电机与纵向伸缩轴的固定端固接，纵向伸缩轴的伸缩端与螺旋桨固接。该减摇臂对称安装在船舶的甲板两侧、船舷之外，在全航速下减摇效果比较好，拆装方便，对船体改动较小并且不占用船舶内部空间。
Description
技术领域
本发明涉及游艇等小型船舶的减摇技术，尤其是涉及减少船舶横摇的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂。
背景技术
船舶在海浪中航行，由于受到风、浪、海流等因素的影响，将产生六个自由度的运动：横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。如果对这些运动的控制不当，会引起姿态失稳，危及船舶航行安全(Perez T,Blanke M.Ship roll damping control[J].Annual Reviewsin Control,2012,36(1):129-147)。
船舶在河海中航行时的摇晃以横摇为主，为了减少船舶的横摇，一般船体上都会被改造装上一些减横摇装置。在一些游艇为主的奢侈品中，舒适性成为衡量游艇优劣的非常重要的指标。一般来说，小型船舶的内部空间相对较小，所以通过改造其内部来增加减摇装置的方式并非最佳选择。
减摇鳍是目前效果比较好、应用范围广、装船量高的一种减摇方式，但是，减摇鳍只是在高速下减摇效果明显，在低速以及零航速下减摇效果很不明显。除此之外，减摇鳍的改造费用以及后期的维护费用相对较高，不适用于小型游艇。
减摇水舱应用范围也比较广，减摇水舱利用船内反向力矩的作用，减摇效果也非常好，但是减摇水舱对船体的改动较大，一般占到全船约1％～4％的排水量，不适合中小型机动性能高的船只。
利用重物在转动系统中沿径向方向运动时的科氏效应，日本横滨国立大学的Hirakawa等(Hirakawa Y,Hirayama T,Kakizoe K,et al.Sea trial of prototypeVertical Weight Stabilizer(VWS)anti-rolling system for small ships[J].Journalof Marine Science&Technology,2014,19(3):292-301)提出了一种垂直重力稳定器系统，并在船模实验中证实了其有效性，然而缺乏合适的致动器，该系统实际应用较为困难。
因此，亟需一种全航速下减摇效果比较好、对船体改动较小、不占用船舶内部空间以及造价相对低廉的减横摇装置。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，该减摇臂对称安装在船舶的甲板两侧、船舷之外，在全航速下减摇效果较好，拆装方便，对船体改动较小并且不占用船舶内部空间，造价相对低廉。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，包括底板、横向伸缩轴、纵向伸缩轴、摇摆电机、螺旋桨自旋电机和锥齿轮传动单元；所述锥齿轮传动单元设于底板上，锥齿轮传动单元包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，当主动锥齿轮转动时联动从动锥齿轮转动；所述摇摆电机与主动锥齿轮固接，以带动主动锥齿轮转动；横向伸缩轴和纵向伸缩轴均设有固定端和伸缩端，横向伸缩轴的固定端与从动锥齿轮连接，横向伸缩轴的伸缩端连接有螺旋桨自旋电机；螺旋桨自旋电机与纵向伸缩轴的固定端固接，纵向伸缩轴的伸缩端与螺旋桨固接；其中，当摇摆电机转动时，带动主动锥齿轮和从动锥齿轮转动，从而联动横向伸缩轴转动，当螺旋桨自旋电机转动时，带动纵向伸缩轴转动，从而联动螺旋桨转动。
所述从动锥齿轮可包括有第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮和第三从动锥齿轮，主动锥齿轮和从动锥齿轮均呈竖直设置，主动锥齿轮的两侧均可啮合有第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮，主动锥齿轮的相对面设有第三从动锥齿轮，且第三从动锥齿轮两侧均啮合第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮。采用锥齿轮传动的方式，具有传动平稳精准、传动效率高、承载能力强的优势。
所述锥齿轮传动单元可包括第一锥齿轮支架、第二锥齿轮支架和第三锥齿轮支架，第一锥齿轮支架、第二锥齿轮支架和第三锥齿轮支架的底部与底板固定连接，第一锥齿轮支架、第二锥齿轮支架和第三锥齿轮支架均设有轴承；所述横向伸缩轴的固定端通过轴承与第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮连接；所述第三从动锥齿轮通过轴杆与轴承连接。
所述横向伸缩轴的伸缩端可设有供螺旋桨自旋电机置入的固定腔，固定腔的底部可设有供纵向伸缩轴的固定端穿过的轴孔，以使纵向伸缩轴与螺旋桨自旋电机连接。
本发明还可包括摇摆电机托台，所述摇摆电机托台可与底板固接，所述摇摆电机可固定于摇摆电机托台上。
所述横向伸缩轴和纵向伸缩轴可采用可控式的伸缩轴。
所述横向伸缩轴和纵向伸缩轴的伸缩轴可采用多级伸缩筒；所述多级伸缩筒可通过电机螺旋杆的方式进行控制：通过固定在滑轨上电机的转动来带动螺旋杆的转动，由于存在螺纹板，螺旋杆的转动会转变为直线运动，螺旋杆的末端与二级伸缩筒固结，继而带动二级伸缩筒的直线运动。
所述减摇臂可对称安装于船舶甲板重心的两侧。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明的减摇能力范围比较广，可以调节横向伸缩轴的长度，灵活改变船舶的横向减摇力矩。
2、本发明具有拆装方便的优势，利用率高，纵向伸缩轴可以根据不同船体排水量的不同而自由伸缩，改变其长度来适应不同船体。
3、本发明具有辅助主发动机给船舶进行加速或刹车的优势，船舶两侧的减摇臂同步前后摆动可以提供给船舶前进的阻力或动力。
4、本发明具有辅助船舶动力定位的优势，船舶两侧的减摇臂一前一后相反摆动可以提供给船舶自旋的动力，帮助船舶进行动力定位。
5、本发明中的电机均布置在船舷之外，可减少整个装置对于船体内部空间的占用。
6、所述减摇臂通过底座固定在船体甲板上的两侧，当船体左右横摇时，两侧的减摇臂根据船体的横摇方向和横摇角度，控制两侧减摇臂的螺旋桨转速和角度，螺旋桨转动产生力，进而给船只一个扶正力矩，扶正力矩与海浪的倾覆力矩相抵消，从而维持住船体的平衡。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的分解结构示意图；
图3为减摇臂横向伸出、纵向伸出状态示意图；
图4为减摇臂横向收缩、纵向收缩状态示意图；
图5为减摇臂与船体的安装效果示意图；
图6为横向伸缩轴与纵向伸缩轴的伸缩轴原理结构示意图。
附图说明：第三锥齿轮支架1，第三从动锥齿轮2，第二从动锥齿轮3，第二锥齿轮支架4，轴承5，底板6，横向伸缩轴7，摇摆电机8，摇摆电机托台9，螺旋桨自旋电机10，纵向伸缩轴11，轴杆12，第一锥齿轮支架13，主动锥齿轮14，第一从动锥齿轮15，螺旋桨16，二级伸缩筒17，二级筒滑轨18，二级筒控位板19，螺旋杆20，一级筒螺纹板21，联轴器22，一级筒滑轨23，电机24，一级伸缩筒25。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
本发明适用于活动范围在近海或内湖等地的小型船舶，如游艇。如图5所示，所述减摇臂对称安装于船舶甲板重心的两侧。
如图1～4所示，本发明实施例包括底板6、横向伸缩轴7、纵向伸缩轴11、摇摆电机8、螺旋桨自旋电机10、锥齿轮传动单元和摇摆电机托台9。
所述锥齿轮传动单元设于底板6上，锥齿轮传动单元包括主动锥齿轮14、第一从动锥齿轮15、第二从动锥齿轮3、第三从动锥齿轮2、第一锥齿轮支架13、第二锥齿轮支架4和第三锥齿轮支架1；
主动锥齿轮14、第一从动锥齿轮15、第二从动锥齿轮3和第三从动锥齿轮2均呈竖直设置，主动锥齿轮14的两侧均啮合有第一从动锥齿轮15和第二从动锥齿轮3，主动锥齿轮14的相对面设有第三从动锥齿轮2，且第三从动锥齿轮2两侧均啮合第一从动锥齿轮15和第二从动锥齿轮3；第一锥齿轮支架13、第二锥齿轮支架4和第三锥齿轮支架1的底部与底板6固定连接，第一锥齿轮支架13、第二锥齿轮支架4和第三锥齿轮支架1均设有轴承5；所述横向伸缩轴7的固定端通过轴承5与第一从动锥齿轮15和第二从动锥齿轮3连接；所述第三从动锥齿轮2通过轴杆12与轴承5连接。
所述摇摆电机8与主动锥齿轮14固接，当摇摆电机8转动时带动主动锥齿轮14转动，带动第一从动锥齿轮15、第二从动锥齿轮3和第三从动锥齿轮2转动，继而带动横向伸缩轴7转动。
本发明的传动方式可以使得啮合传动更加平顺、承载能力更高、振动降低，摇摆电机8通过锥齿轮传动单元传动可平稳精确地控制横向伸缩轴7的旋转角度。
本实施例中，横向伸缩轴7包括一个二级伸缩杆和电机支架，二级伸缩杆和电机支架两者固结；电机支架作为放置螺旋桨自旋电机10的固定腔，电机支架的底部设有供纵向伸缩轴11的固定端穿过的轴孔，以使纵向伸缩轴11与螺旋桨自旋电机10连接；二级伸缩杆的一端为固定端，其与第一从动锥齿轮15和第二从动锥齿轮3连接。
横向伸缩轴7的电机支架内固定螺旋桨自旋电机10；螺旋桨自旋电机10的电机轴与纵向伸缩轴11的固定端固结，纵向伸缩轴11的伸缩端与螺旋桨16固接；当螺旋桨自旋电机10转动时，带动纵向伸缩轴11转动，最终带动螺旋桨16转动。
所述摇摆电机托台9与底板6固接，所述摇摆电机8固定于摇摆电机托台9上，如此，一方面可固定摇摆电机8；另一方面，摇摆电机8与主动锥齿轮14处于同一高度，使得摇摆电机8与主动锥齿轮14连接。
所述横向伸缩轴7和纵向伸缩轴11采用可控式的伸缩轴。
图3为减摇臂横向伸出、纵向伸出时的状态，图4为减摇臂横向收缩、纵向收缩的状态。所述横向伸缩轴7和纵向伸缩轴11的伸缩轴采用多级伸缩筒；所述多级伸缩筒通过电机螺旋杆的方式进行控制。
如图6所示，伸缩轴的具体实现方式如下：电机24固定在一级筒滑轨23上，当电机24转动时带动联轴器22转动，继而带动螺旋杆20的转动，一级筒螺旋板21的通孔带有螺纹，类似于丝杠螺母的原理，螺旋杆20的转动使得螺旋杆20产生直线运动，从而带动联轴器22和电机24的直线运动，由于螺旋杆20末端与二级筒控位板19固结并且螺旋杆20末端与二级筒控位板19可以相互旋转，二级筒控位板19与二级伸缩筒17是一体的，故而螺旋杆20的转动也会带动二级伸缩筒17的直线运动，从而实现伸缩轴的伸缩功能。二级伸缩筒17内部的结构与一级伸缩筒25内部的结构一致，二级伸缩筒17内设有二级筒滑轨18、二级筒控位板19以及中间通孔有螺纹的螺纹板等结构，以便串联更多伸缩筒形成更高级别的伸缩轴。
本发明的工作原理如下：
1、在螺旋桨16转动的情况下：当船舶两侧的纵向伸缩轴11同时向船头摆动时，可以给与船舶前进方向的阻力即帮助船舶刹车；当船舶两侧的纵向伸缩轴11同时向船尾摆动时，可以给与船舶前进方向的动力即帮助船舶加速；当船舶两侧的纵向伸缩轴11向船头或者船尾摆动方向不一致时，可以给与船舶水面上旋转的动力即帮助船舶转向或者起到船舶动力定位的作用；
2、当船只面临风浪海流等情况时，海浪会让船只发生横摇，船内部的控制中心会根据船体的横摇方向和横摇角度控制两侧的减摇臂，通过控制横向伸缩轴7的伸出长度和螺旋桨16的转速从而精准控制船舶横向扶正力矩的大小；摇摆电机8通过控制锥齿轮传动单元使得纵向伸缩轴11产生不同的摆角，通过控制纵向伸缩轴11的摆角和螺旋桨16的转速可以实现不同情况下的功能与作用。
3、横向伸缩轴7可以根据需求缩短或延长其长度。根据不同的海浪情况，减摇臂调节横向伸缩轴7的长度，当船舶横摇剧烈或者横摇角度较大时，横向伸缩轴7的伸出长度增加，使得螺旋桨16产生的扶正力矩的力臂长度增加，从而提高减摇效果，使得船只可以适应不同的海情。
4、纵向伸缩轴11可以根据需求缩短或延长其长度。当使用该减摇臂时，纵向伸缩轴11可以根据船舶排水量的不同控制其伸缩轴的长度以适应不同的船只；当减摇臂闲置时，纵向伸缩轴11可以缩短其长度，减少船舶的风阻以达到对船体运动影响最小的目的。
本发明通过调节横向伸缩轴7的长度，灵活改变船舶的横向减摇力矩的力臂，通过调节纵向伸缩轴11的长度，减少减摇臂对船舶航行的阻力；船体两侧的摇摆电机8可以控制减摇臂的摆向，配合螺旋桨16的转动，不同方向可以实现船舶的加速或刹车以及起到动力定位的作用。安装本发明的船舶减摇功能不受航速限制，因此可以实现在船体全航速的范围内，在近海范围内中小级别的风浪条件下达到船体平稳、最大极限减少船体横摇的目的。
Claims (8)
1.一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：包括底板、横向伸缩轴、纵向伸缩轴、摇摆电机、螺旋桨自旋电机和锥齿轮传动单元；所述锥齿轮传动单元设于底板上，锥齿轮传动单元包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，当主动锥齿轮转动时联动从动锥齿轮转动；所述摇摆电机与主动锥齿轮固接，以带动主动锥齿轮转动；横向伸缩轴和纵向伸缩轴均设有固定端和伸缩端，横向伸缩轴的固定端与从动锥齿轮连接，横向伸缩轴的伸缩端连接有螺旋桨自旋电机；螺旋桨自旋电机与纵向伸缩轴的固定端固接，纵向伸缩轴的伸缩端与螺旋桨固接；其中，当摇摆电机转动时，带动主动锥齿轮和从动锥齿轮转动，从而联动横向伸缩轴转动，当螺旋桨自旋电机转动时，带动纵向伸缩轴转动，从而联动螺旋桨转动；
所述横向伸缩轴和纵向伸缩轴的伸缩轴采用多级伸缩筒；所述多级伸缩筒通过电机螺旋杆的方式进行控制；所述伸缩轴的电机固定在一级筒滑轨上，当电机转动时带动联轴器转动，联轴器连接螺旋杆，继而带动螺旋杆转动，一级筒螺旋板的通孔带有螺纹，螺旋杆与螺纹配合，螺旋杆转动使得螺旋杆产生直线运动，从而带动联轴器和电机的直线运动，由于螺旋杆末端与二级筒控位板固结并且螺旋杆末端与二级筒控位板可以相互旋转，二级筒控位板与二级伸缩筒是一体的，故而螺旋杆的转动也会带动二级伸缩筒的直线运动，从而实现伸缩轴的伸缩功能；二级伸缩筒内部的结构与一级伸缩筒内部的结构一致，以便串联更多伸缩筒形成更高级别的伸缩轴。
2.如权利要求1所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：所述从动锥齿轮包括有第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮和第三从动锥齿轮，主动锥齿轮和从动锥齿轮均呈竖直设置，主动锥齿轮的两侧均啮合有第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮，主动锥齿轮的相对面设有第三从动锥齿轮，且第三从动锥齿轮两侧均啮合第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮。
3.如权利要求2所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：所述锥齿轮传动单元包括第一锥齿轮支架和第二锥齿轮支架，第一锥齿轮支架和第二锥齿轮支架的底部与底板固定连接，第一锥齿轮支架和第二锥齿轮支架均设有轴承，所述横向伸缩轴的固定端通过轴承与第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮连接。
4.如权利要求2所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：所述锥齿轮传动单元包括第三锥齿轮支架，第三锥齿轮支架的底部与底板固定连接，第三锥齿轮支架设有轴承，所述第三从动锥齿轮通过轴杆与轴承连接。
5.如权利要求1所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：所述横向伸缩轴的伸缩端设有供螺旋桨自旋电机置入的固定腔，固定腔的底部设有供纵向伸缩轴的固定端穿过的轴孔，以使纵向伸缩轴与螺旋桨自旋电机连接。
6.如权利要求1所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：还包括摇摆电机托台，所述摇摆电机托台与底板固接，所述摇摆电机固定于摇摆电机托台上。
7.如权利要求1所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：所述横向伸缩轴和纵向伸缩轴采用可控式的伸缩轴。
8.如权利要求1所述的一种多功能可伸缩式船舶矢量螺旋减摇臂，其特征在于：所述减摇臂对称安装于船舶甲板重心的两侧。
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