CN109720528B - 一种形状记忆合金驱动的船用可调螺距桨控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金驱动的船用可调螺距桨控制装置；主要由桨叶、转动机构和固定底盘组成，转动机构一端与桨叶连接，另一端与固定底盘连接；转动盘的限位槽为两个，垂直转动盘盘面，沿转动盘盘面直径两端设置；弹簧固定槽为一个，垂直转动盘盘面，位于转动盘盘面的边缘，设置在两个限位槽中间；两个限位槽内都设有限位螺钉；弹簧固定槽内设有多个弹簧固定螺钉；至少一个不锈钢弹簧容纳槽和至少一个SMA弹簧容纳槽分别设置在两个限位槽中一个与弹簧固定槽之间；锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽内分别设有不锈钢弹簧和SMA弹簧。本发明可通过改变SMA弹簧尺寸参数，对装置的服役性能进行控制，便于维护和零部件更换。

Description

一种形状记忆合金驱动的船用可调螺距桨控制装置

技术领域

本发明涉及船用螺旋桨调螺距装置，特别涉及一种形状记忆合金驱动的可调螺距螺旋桨调节装置，属于智能材料和智能装备应用领域。

背景技术

螺旋桨可分为定距螺旋桨和可调螺距螺旋桨，是船舶推进装置的重要部分，安装于船的尾部。螺旋桨由桨毂和桨叶组成，桨毂是一个截头锥形体，后端加有整流罩；从船舶尾端向首端看，看到的桨叶面为压力面，桨叶另一面为吸力面，每个面由叶根区、叶梢区、导边、随边几个部分组成；桨叶叶面为螺旋面的一部分，螺旋桨共轴圆柱面与叶面的交线为螺旋线。螺旋线段环绕圆柱面一周，线段两端的轴向距离称为螺距。

可调螺距螺旋桨是一种在船舰推进器中使用的部件，能在不改变螺旋桨和主机转向的情况下，仅使用改变螺距的方法得到各种推力值并快速实现换向；对于多工况工作下的船舶，通过改变主机转速和螺距比并使之匹配，可在各种工况下提高动力系统效率并节约能源；此外，可调螺距螺旋桨还能改善船舶的操纵性能。由于上述优点，该部件在各种船舶中得到越来越广泛的应用。

现有的可调螺距部件由桨叶、桨毂机构、轴系、配油器、液压系统以及电子遥控系统组成，通过设置桨毂内的控制装置，使桨叶相对桨毂转动，从而达到调节螺距的目的。可调距螺旋桨的桨毂起到支撑、连接桨叶与轴系、传递功率的作用。桨毂内置伺服油缸，桨毂内操纵转叶装置一般是单曲柄和滑块机构，主要零件有油缸、活塞、桨壳体、导架、桨叶盘根、滑块、防转条、螺栓等。其工作原理：来自配油器的高压油进入伺服油缸的一侧，推动活塞轴向运动，活塞与导架连接为一体，导架与活塞一起运动，导架与桨叶盘根之间有一曲柄和滑块，此机构将导架的轴向运动变成循环运动，桨叶盘根与桨叶通过高强度螺栓连接成一体，桨叶与盘根同时旋转，进而改变桨叶螺距，船向正车方向航行。当高压油进入伺服油缸另一侧时，船向倒车方向航行。

但当前调螺距桨转叶操纵装置存在以下问题：(1)为了调节螺距，需要通过转动桨叶实现，精密的传动机构不可或缺，导致现有可调螺距装置机械结构复杂；(2)由于传动的精密性与可靠性要求，需要使用高性能的金属机械制造，而在传动过程中的接触磨损较为频繁，需要定期进行维护，所以现有可调螺距装置的制造维护成本昂贵，且对维护技术有较高要求，不适合一些低成本和多工况的船舰。

发明内容

为了解决现有技术中可调螺距控制装置机械结构复杂与维护困难的问题，本发明提供了一种结构简单，维护方便的基于智能材料的可调螺距控制装置。

形状记忆合金是一种可以在加热和冷却条件下发生可逆马氏体相变的智能材料，相变在宏观上表现为形状的变化。加热条件下，马氏体发生逆转变，临界温度包括A_s和A_f，温度达到A_s时相变开始进行，至A_f时相变终止；冷却条件下，发生马氏体相变，临界温度包括M_s和M_f，温度达到M_s时相变开始进行，至M_f时相变终止。目前，形状记忆合金驱动器在航空航天、汽车、机器人行业得到了较为广泛的应用。但在舰船的螺旋桨控制装置中的应用尚未见有报道。

本发明使用NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)替代了复杂的机械结构，利用形状记忆合金的形状记忆效应，通过电驱动加热实现桨叶的相对转动。形状记忆效应可以通过高温定型工艺获得，经过训练的合金可在加热达到相变临界温度时恢复设定形状，而在冷却时回到自然状态。形状记忆合金种类众多，其中NiTi形状记忆合金由于具有轻质高强、耐蚀性好、相变区间适宜等特性成为智能结构应用中的首要选择。根据形状记忆合金的特性，其可用于制造驱动器件，实现材料、结构、功能的一体化，可实现装置的简化和小型化。

本发明提供了一种形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，装置由端盖、固定底盘、转动盘、不锈钢弹簧、NiTi形状记忆合金弹簧组成。所述端盖用于安装桨叶。所述转动盘沿圆周开有弹簧容纳槽，用于容纳弹簧；垂直于盘面两侧对称位置开有限位槽，限定转动盘最大旋转角度；在两限位槽中间的圆周处，垂直于转动盘面方向开有弹簧固定槽。所述固定底盘在转动盘限位槽处开有螺纹孔及通孔，转动盘和固定盘通过中心螺钉连接并固定。

本发明实现的功能通过以下技术方案实现：

一种形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，主要由桨叶、转动机构和固定底盘组成，转动机构一端与桨叶连接，另一端与固定底盘连接；

所述的转动机构主要由端盖和转动盘组成，端盖由端面和筒体组成；筒体的内径与转动盘的外径相匹配，转动盘卡装在筒体内，

所述的转动盘主要由限位槽、不锈钢弹簧容纳槽、SMA弹簧容纳槽、SMA弹簧、不锈钢弹簧、弹簧固定槽、中心螺钉、限位螺钉、弹簧固定螺钉组成；限位槽为两个，垂直转动盘盘面，沿转动盘盘面直径两端设置；弹簧固定槽为一个，垂直转动盘盘面，位于转动盘盘面的边缘，设置在两个限位槽中间；两个限位槽内都设有限位螺钉；弹簧固定槽内设有多个弹簧固定螺钉；至少一个不锈钢弹簧容纳槽和至少一个SMA弹簧容纳槽分别设置在两个限位槽中一个与弹簧固定槽之间；不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽都是沿转动盘外周边沿设置；不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽内分别设有不锈钢弹簧和SMA弹簧；不锈钢弹簧和SMA弹簧都是一端与限位螺钉连接，另一端与弹簧固定螺钉连接；SMA弹簧为形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧由经过训练富Ti的NiTi形状记忆合金制成，Ti的成分为原子比50.2～52％。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽都有两个，两个不锈钢弹簧容纳槽上下间隔平行设置；在弹簧固定槽内的平面上开两行两列共4个螺纹孔，每行螺纹孔与不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽处于相同高度，4个弹簧固定螺钉安装在4个螺纹孔中。

优选地，互相平行的两个SMA弹簧容纳槽的开槽方法与两个不锈钢弹簧容纳槽一致，且开槽方式和两槽距离与两个不锈钢弹簧容纳槽相同。

优选地，所述的限位螺钉和弹簧固定螺钉的柱面套有硅胶管。

优选地，所述的端盖的端面和筒体一体成型；筒体空腔深度为15mm。

优选地，所述的端盖的端面上间隔设有多个孔，端面上的孔距离端面中心40mm，两个孔的角度间隔为90度，用螺钉将桨叶和端盖连接固定。

优选地，所述的转动盘中心设有中心螺钉，中心螺钉限制转动盘轴向移动及侧向移动，可相对固定底盘转动，旋转角度受限位螺钉限制。

优选地，所述的限位螺钉为圆柱头螺钉

优选地，所述的不锈钢弹簧和SMA弹簧为拉伸弹簧。

经过训练的富Ti的NiTi形状记忆合金具有形状记忆效应，可对温度变化做出响应，形状记忆合金弹簧在加热时收缩，冷却时恢复原长。形状记忆合金弹簧加热收缩时使所述普通弹簧拉伸，冷却恢复时普通弹簧回复原始位置。加热机制通过电流产生焦耳热实现。

本发明相对现有技术具有如下优点和有益效果：

1)本发明设计制造的可调螺距桨操纵装置可通过改变SMA弹簧尺寸参数，对装置的服役性能进行控制，便于维护和零部件更换。同时，利用NiTi形状记忆合金具有优良的力学稳定性、长的循环寿命和良好的疲劳特性，使得操纵装置免维护周期更长。

2)本发明设计制造的可调螺距桨操纵装置充分利用了NiTi形状记忆合金的形状记忆效应和SMA弹簧驱动器位移量大的特性，实现对桨叶转动的灵活控制。

3)本发明设计制造的可调螺距桨操纵装置具有结构紧凑，功能完备，操作简单，可实现电驱动的优势。

附图说明

图1是可调螺距桨推进器的结构示意图；

图2是本发明形状记忆合金驱动调距控制装置的装配示意图；

图3是本发明形状记忆合金驱动调距控制装置的拆解示意图；

图4是本发明形状记忆合金驱动调距控制装置转动机构的限位槽；

图5是本发明形状记忆合金驱动调距控制装置转动机构处于通电状态的示意图；

图6是本发明形状记忆合金驱动调距控制装置转动机构处于断电状态的示意图；

图7是本发明安装了形状记忆合金驱动调距控制装置的推进器螺距变化示意图。

图中示出：可调螺距桨操纵装置101、桨毂102、传动轴103、桨叶201、转动机构202、固定底盘203、端盖302、转动盘303、限位槽401、不锈钢弹簧容纳槽402、SMA弹簧容纳槽403、SMA弹簧404、不锈钢弹簧405、弹簧固定槽406、中心螺钉407、限位螺钉408、弹簧固定螺钉409。

具体实施方式

为了更加清楚地说明本发明，下面结合附图对本发明实现进行更进一步的描述，但本发明的实施方式不限如此。

如图1所示，可调螺距桨推进系统主要由可调螺距桨操纵装置101、桨毂102和传动轴103组成，多个可调螺距桨操纵装置101间隔设置在桨毂102上，一般说来可调螺距桨操纵装置101安装数目为3～6个。传动轴103一端与桨毂102连接，另一端与驱动电机相连接；桨叶调距通过形状记忆合金驱动的可调螺距桨操纵装置101进行。

如图2所示，可调螺距桨操纵装置101即为一种形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，主要由桨叶201、转动机构202和固定底盘203组成，转动机构202一端与桨叶201连接，另一端与固定底盘203连接。当传动轴103转动时，桨叶201可绕传动轴103转动；转动机构202相对固定底盘203转动时，桨叶201也随之发生转动，桨叶201的压力面和吸力面与螺旋桨的轴线夹角发生变化。

如图3所示，转动机构202主要由端盖302和转动盘303组成，端盖302由端面和筒体组成；端面和筒体一体成型；筒体的内径与转动盘303的外径相匹配，转动盘303卡装在筒体内，优选筒体空腔深度为15mm；端面间隔设有多个孔，用于安装螺钉，桨叶201和端盖302通过螺钉连接固定；优选端面上的孔距离端面中心40mm，两个孔间隔90度的弧度。

如图4所示，转动盘303主要由限位槽401、不锈钢弹簧容纳槽402、SMA弹簧容纳槽403、SMA弹簧404、不锈钢弹簧405、弹簧固定槽406、中心螺钉407、限位螺钉408、弹簧固定螺钉409组成；限位槽401为两个，垂直转动盘盘面，沿转动盘盘面直径两端设置；弹簧固定槽406为一个，垂直转动盘盘面，位于转动盘盘面的边缘，设置在两个限位槽401中间；两个限位槽401内设有限位螺钉408；弹簧固定槽406内设有多个弹簧固定螺钉409；至少一个不锈钢弹簧容纳槽402和至少一个SMA弹簧容纳槽403分别设置在两个限位槽401与弹簧固定槽406之间；不锈钢弹簧容纳槽402和SMA弹簧容纳槽403都是沿转动盘303外周边沿设置；不锈钢弹簧容纳槽402和SMA弹簧容纳槽403内分别设有不锈钢弹簧405和SMA弹簧404；不锈钢弹簧405和SMA弹簧404都是一端与限位螺钉408连接，另一端与弹簧固定螺钉409连接；SMA弹簧404为形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧由经过训练富Ti的NiTi形状记忆合金制成，Ti的成分为原子比50.2～52％；经过训练的形状记忆合金弹簧在加热过程中，达到A_f时形成刚度较大、不易变形的母相；冷却达到Mf时，形成刚度较小、易于变形的马氏体。

优选不锈钢弹簧容纳槽402和SMA弹簧容纳槽403都有两个，两个不锈钢弹簧容纳槽402上下间隔平行设置；在弹簧固定槽406内的平面上开两行两列共4个螺纹孔，每行螺纹孔与不锈钢弹簧容纳槽402和SMA弹簧容纳槽处于相同高度，4个弹簧固定螺钉409安装在4个螺纹孔中。

两个不锈钢弹簧容纳槽402之间的距离由转动盘303的厚度决定；互相平行的两个SMA弹簧容纳槽403的开槽方法与两个不锈钢弹簧容纳槽402一致，且开槽方式和两槽距离与两个不锈钢弹簧容纳槽相同。

优选地，限位螺钉408和弹簧固定螺钉409的柱面套有硅胶管。

转动盘303被中心螺钉407限制轴向移动及侧向移动，但可相对固定底盘203转动，旋转角度受限位螺钉408限制。限位螺钉408为圆柱头螺钉，限位螺钉408主要有两个作用，其一是起限位作用，将转动盘303的转动限制在一个限位槽边缘到限位螺钉408的旋转角内；其二是固定弹簧端，使不锈钢弹簧405或SMA弹簧404在受力拉伸或回复时不会脱离不锈钢弹簧容纳槽402或SMA弹簧容纳槽403。

根据所需要的转动响应时间和复位时间，SMA弹簧404以及不锈钢弹簧405可以有选择地安装一根或者两根。对于放置在不锈钢弹簧容纳槽402的不锈钢弹簧405，它的一端固定在弹簧固定槽逆时针测的限位螺钉408上，另一端固定安装在弹簧固定螺钉409上；对于放置在SMA弹簧容纳槽403的SMA弹簧404，它的一端固定在弹簧固定槽顺时针测的限位螺钉408上，另一端固定安装在弹簧固定螺钉409上。SMA弹簧404沿圆周向SMA弹簧404端限位螺钉408收缩，带动不锈钢弹簧405收缩；或经过拉伸的不锈钢弹簧405在回复力作用下，SMA弹簧404沿圆周向不锈钢弹簧405端限位螺钉408拉伸。

在实施例图5中，当电信号处于断电状态时，SMA弹簧404处于马氏体状态。桨叶201叶面与螺旋桨轴向成一定角度，推进器沿轴向运动时，叶面上的点以螺旋线形式运动一周后经过的距离为图7中实现的低螺距P1。

在实施例图6中，通电产生的焦耳热使SMA弹簧404温度升高，当温度处于形状记忆合金的As和Af区间内时，SMA弹簧404发生马氏体逆转变而缩短。由于SMA弹簧404一端固定于套有绝缘硅胶管的限位螺钉408，而另一端安装在套有绝缘硅胶管的弹簧固定螺钉409；SMA弹簧404缩短产生收缩力带动转动盘303顺时针转动；同时，由于不锈钢弹簧405一端固定于限位螺钉408，而另一端安装在弹簧固定螺钉409，不锈钢弹簧405随着转动盘303转动而伸长。由于桨叶201与转动机构202相连接，桨叶210叶面与螺旋桨轴向所成角度变小，推进器沿轴向运动时，叶面上的点旋转一周推进的距离变大，即实现了高螺距变化，叶面上的点以螺旋线形式运动一周后经过的距离为图7中实现的高螺距P2。若需要恢复低螺距状态，对SMA弹簧404断电；在冷却条件下，SMA弹簧404发生马氏体相变，形成易变形的马氏体，在不锈钢弹簧405回复力的作用下，转动盘303反向旋转；桨叶210叶面与螺旋桨轴向所成角度变小，推进器沿轴向运动时，叶面上的点旋转一周推进的距离变小，实现低螺距变化。

现假设图1可调螺距桨推进系统沿图7箭头方向推进，桨叶201叶面与可调螺距桨推进系统传动轴103的共轴圆柱相交成螺旋线。随着桨叶201转动，螺旋线上的点绕共轴圆柱一周而行进的距离称为螺距。图7展示了可调螺距桨推进系统及其共轴圆柱的侧视图：在断电条件下，推进装置中的桨叶201叶面与螺旋桨轴线所成角度大，处于低螺距状态，实现低螺距P1；在通电条件下，桨叶201随转动机构202发生转动，桨叶201叶面与螺旋桨轴线所成角度小，处于高螺距状态，实现高螺距P2。

现有技术利用液压驱动和偏心连杆或齿轮传动实现可变螺距浆桨叶的转动，从而实现螺距可变；而在本发明中，由于SMA弹簧404的驱动作用和不锈钢弹簧405的复位作用，可调螺距操纵装置101可带动桨叶201转动而改变螺距。通过采用SMA弹簧404驱动的可调螺距操纵装置101，在桨叶101末端不再需要加装偏心连杆或齿轮传动，简化了传动机构；由于不需要在可调螺距桨装置中利用偏心连杆或齿轮传动实现调距，因此降低了传动装置在服役过程中的损耗；而SMA弹簧具有超长的寿命和抗疲劳性，这在很大程度降低了维护成本。

本发明的实施方式不限如此，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，主要由桨叶、转动机构和固定底盘组成，转动机构一端与桨叶连接，另一端与固定底盘连接；

所述的转动机构主要由端盖和转动盘组成，端盖由端面和筒体组成；筒体的内径与转动盘的外径相匹配，转动盘卡装在筒体内；

所述的转动盘主要由限位槽、不锈钢弹簧容纳槽、SMA弹簧容纳槽、SMA弹簧、不锈钢弹簧、弹簧固定槽、中心螺钉、限位螺钉、弹簧固定螺钉组成；限位槽为两个，垂直转动盘盘面，沿转动盘盘面直径两端设置；弹簧固定槽为一个，垂直转动盘盘面，位于转动盘盘面的边缘，设置在两个限位槽中间；两个限位槽内都设有限位螺钉；弹簧固定槽内设有多个弹簧固定螺钉；至少一个不锈钢弹簧容纳槽和至少一个SMA弹簧容纳槽分别设置在两个限位槽中的一个与弹簧固定槽之间；不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽都是沿转动盘外周边沿设置；不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽内分别设有不锈钢弹簧和SMA弹簧；不锈钢弹簧和SMA弹簧都是一端与限位螺钉连接，另一端与弹簧固定螺钉连接；SMA弹簧为形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧由经过训练富Ti的NiTi形状记忆合金制成，Ti的成分为原子比50.2～52％。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽都有两个，两个不锈钢弹簧容纳槽上下间隔平行设置；在弹簧固定槽内的平面上开两行两列共4个螺纹孔，每行螺纹孔与不锈钢弹簧容纳槽和SMA弹簧容纳槽处于相同高度，4个弹簧固定螺钉安装在4个螺纹孔中。

3.根据权利要求2所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，互相平行的两个SMA弹簧容纳槽的开槽方法与两个不锈钢弹簧容纳槽一致，且开槽方式和两槽距离与两个不锈钢弹簧容纳槽相同。

4.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的限位螺钉和弹簧固定螺钉的柱面套有硅胶管。

5.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的端盖的端面和筒体一体成型；筒体空腔深度为15mm。

6.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的端盖的端面上间隔设有多个孔，端面上的孔距离端面中心40mm，两个孔间隔角度为90度，螺钉穿过端面上的将孔桨叶和端盖连接固定。

7.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的转动盘中心设有中心螺钉，中心螺钉限制转动盘轴向移动及侧向移动，转动盘可相对固定底盘转动，旋转角度受限位螺钉限制。

8.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的限位螺钉为圆柱头螺钉。

9.根据权利要求2 所述的形状记忆合金驱动的可调螺距桨控制装置，其特征在于，所述的不锈钢弹簧和SMA弹簧都为拉伸弹簧。

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