CN111516822A - 一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器 - Google Patents

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张隆辉
刘正锋
朱建良
魏纳新
匡晓峰
刘长德
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Abstract

本发明涉及一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，包括安装于船舱内的回转基座，贯穿回转基座转动安装有回转轴，位于回转基座一侧的回转轴端部套装有蜗轮，位于回转基座另一侧的回转轴端部固连有连接杆，连接杆端部固装有推进机构；蜗轮啮合安装有蜗杆，蜗杆一端经联轴器一连接有伺服电机，蜗杆另一端经联轴器二连接有编码器；还包括电缆，电缆依次贯穿回转轴和连接杆的轴向中心后，电缆端部与推进机构相连；本发明实现了推进机构内的螺旋桨轴向推进力控制和周向360°转动控制，并且体积小巧，适用于模型试验水池中船模内的安装以及推进力、动力定位等试验需求。

Description

一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器
技术领域
本发明涉及船模试验技术领域，尤其是一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器。
背景技术
船舶动力定位系统的基本功能是通过精确的控制命令来自动控制船舶的位置与航向，船舶动力定位系统具有不受海水深度影响、定位准确快速等特点，能够保证船舶在波浪中的位置稳定性。船舶动力定位技术属于跨学科高新技术，对于动力定位系统的主要功能指标和性能参数，国内外通常采用数值仿真或模型试验的方式进行验证，其中模型试验中最为典型的方式则是采用水池模型试验。
动力定位系统主要包括了推进系统、测量系统和控制系统。其中，推进系统的基本功能是提供反抗环境因素的力以及力矩，从而使得船舶处于要求的位置上。动力定位的推进系统可包含多种推进器类型，其具体有隧道式侧向推进器、全回转推进器、直翼平旋式推进器、主推进器等，其中全回转推进器是动力定位系统中的常用辅助推进器之一。实船尺寸的全回转推进器虽然体积较大，其桨叶直径大约为3米，但是较船舶自身的庞大体积而言，全回转推进器的体积又是相对小的。而在水池船模试验中，需要按几何相似关系对全回转推进器的体积进行缩小处理，因此应用在船模上的全回转推进器的桨叶直径将缩小至10公分以内。现有技术中，传统船模的全回转试验装置中最小桨径约为9到8公分左右，缩尺比约为1:45。对于一些应用动力定位系统的大型船舶如油轮、VLCC等船舶模型来说，采用该缩尺比又超出了现有国内外试验水池的安装试验条件，导致试验无法进行。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，从而实现推进机构内的螺旋桨轴向推进力控制和周向360°转动控制的同时，保证体积小巧，适用于模型试验水池中船模内的安装以及推进力、动力定位等试验需求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，包括安装于船舱内的回转基座，贯穿回转基座转动安装有回转轴，位于回转基座一侧的回转轴端部套装有蜗轮，位于回转基座另一侧的回转轴端部固连有连接杆，连接杆端部固装有推进机构；所述蜗轮啮合安装有蜗杆，蜗杆一端经联轴器一连接有伺服电机，蜗杆另一端经联轴器二连接有编码器；还包括电缆，所述电缆依次贯穿回转轴和连接杆的轴向中心后，电缆端部与推进机构相连。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述推进机构的结构为：包括固装于连接杆端部的电机座，电机座上固装有水密电机，水密电机上套装有螺旋桨，水密电机端部固装有导流帽；位于螺旋桨周边的电机座边缘固装有导管。
所述回转轴和连接杆的轴向位于同一直线上，所述蜗杆的轴向与回转轴的轴向相互垂直。
所述连接杆端头伸至回转轴端部的孔内，所述连接杆与回转轴的接合处安装有密封圈；所述回转基座和回转轴之间通过轴承转动连接；位于轴承端部的回转基座侧面安装有轴承盖。
位于回转轴侧边的回转基座侧面上间隔安装有支架和支座，支架上固装有伺服电机，支座上安装有编码器。
位于支架和支座间隔内的回转基座上还安装有对称的支撑座，两个支撑座分别通过小轴承与蜗杆转动连接，两个支撑座共同支承蜗杆。
所述编码器为角度编码器。
还包括电气控制系统，所述电气控制系统的结构为：包括主控制器，主控制器通过485通信模块与编码器双向通信连接；主控制器通过485通信模块连接有PWM信号发生器，PWM信号发生器输出端连接有直流无刷电机电调控制器，直流无刷电机电调控制器经电缆与推进机构连通；所述主控制器经伺服电机驱动器与伺服电机相连。
所述主控制器经485通信模块双向通信连接至外部PC机。
所述主控制器根据PC机的输入信息向电缆所连接的推进机构发送推力指令；所述主控制器根据编码器的反馈信息，进行回转角的解算。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，伺服电机经联轴器一带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，从而蜗轮转动，蜗轮经回转轴、连接杆带动推进机构转动，进而推进机构以回转轴的轴线为圆心进行360°周向转动，安装于蜗杆端部的编码器经传动转换用于该周向转动角度的测定，与主控制器配合实现周向转动的控制；主控制器经直流无刷电机电调控制器向推进机构中的水密电机发送工作信息，通过水密电机转速的控制，实现推进力的控制；本发明在实现推进机构内的螺旋桨轴向推进力控制和周向360°转动控制的同时，大大简化了机械传动装置，有效减小了整体体积，适用于模型试验水池中船模内的安装以及推进力、动力定位等试验需求，使用效果好；
本发明还包括如下优点：
本发明的小型化全回转推进器水下纵向尺寸最大为60毫米，水下横向尺寸最大为62毫米，结构紧凑，体积小巧，满足于4米到5米长度的船舶模型的安装，以及水池动力定位模型试验要求；
伺服电机与编码器反馈相组合的周向转动控制方式，在满足推进器进行周向旋转运动的同时还可反馈0°到360°范围的旋转角度，使得推进器旋转定位速度与精度更高；
直流无刷电机电调控制器的存在提高了推进器推力的动态响应性能，使其满足水池船模动力定位模型试验的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图(省略推进机构)。
图3为本发明的电气控制原理图。
其中：1、回转基座；2、回转轴；3、连接杆；41、电机座；42、导管；43、螺旋桨；44、水密电机；45、导流帽；5、蜗轮；6、电缆；7、蜗杆；71、支撑座；8、联轴器一；9、支架；10、伺服电机；11、联轴器二；12、支座；13、编码器；14、轴承盖；15、轴承；16、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本实施例的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，包括安装于船舱内的回转基座1，贯穿回转基座1转动安装有回转轴2，位于回转基座1一侧的回转轴2端部套装有蜗轮5，位于回转基座1另一侧的回转轴2端部固连有连接杆3，连接杆3端部固装有推进机构；蜗轮5啮合安装有蜗杆7，蜗杆7一端经联轴器一8连接有伺服电机10，蜗杆7另一端经联轴器二11连接有编码器13；还包括电缆6，电缆6依次贯穿回转轴2和连接杆3的轴向中心后，电缆6端部与推进机构相连。
伺服电机10与编码器13反馈相组合的周向转动控制方式，在满足推进器进行周向旋转运动的同时还可反馈0°到360°范围的旋转角度，使得推进器旋转定位速度与精度更高。
推进机构的结构为：包括固装于连接杆3端部的电机座41，电机座41上固装有水密电机44，水密电机44上套装有螺旋桨43，水密电机44端部固装有导流帽45；位于螺旋桨43周边的电机座41边缘固装有导管42。
回转轴2和连接杆3的轴向位于同一直线上，蜗杆7的轴向与回转轴2的轴向相互垂直。
连接杆3端头伸至回转轴2端部的孔内，连接杆3与回转轴2的接合处安装有密封圈16；回转基座1和回转轴2之间通过轴承15转动连接；位于轴承15端部的回转基座1侧面安装有轴承盖14。
位于回转轴2侧边的回转基座1侧面上间隔安装有支架9和支座12，支架9上固装有伺服电机10，支座12上安装有编码器13。
位于支架9和支座12间隔内的回转基座1上还安装有对称的支撑座71，两个支撑座71分别通过小轴承与蜗杆7转动连接，两个支撑座71共同支承蜗杆7。
编码器13为角度编码器。
还包括电气控制系统，如图3所示，电气控制系统的结构为：包括主控制器，主控制器通过485通信模块与编码器13双向通信连接；主控制器通过485通信模块连接有PWM信号发生器，PWM信号发生器输出端连接有直流无刷电机电调控制器，直流无刷电机电调控制器经电缆6与推进机构连通；主控制器经伺服电机驱动器与伺服电机10相连；直流无刷电机电调控制器的存在提高了推进器推力的动态响应性能，使其满足水池船模动力定位模型试验的要求。
主控制器经485通信模块双向通信连接至外部PC机。
主控制器根据PC机的输入信息向电缆6所连接的推进机构发送推力指令；主控制器根据编码器13的反馈信息，进行回转角的解算。
本发明的工作原理为：
伺服电机10工作，经联轴器一8带动蜗杆7转动，蜗杆7与蜗轮5啮合，从而蜗轮5转动，蜗轮5经回转轴2、连接杆3带动推进机构转动，进而推进机构以回转轴2的轴线为圆心进行360°周向转动；安装于蜗杆7端部的编码器13经传动转换用于该周向转动角度的测定，与主控制器配合实现周向转动的控制；
主控制器经直流无刷电机电调控制器向推进机构中的水密电机44发送工作信息，通过水密电机44转速的控制，实现螺旋桨43推进力的控制。
本发明的小型化全回转推进器水下纵向尺寸最大为60毫米，水下横向尺寸最大为62毫米，结构紧凑，体积小巧，满足于4米到5米长度的船舶模型的安装，以及水池动力定位模型试验要求。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：包括安装于船舱内的回转基座(1)，贯穿回转基座(1)转动安装有回转轴(2)，位于回转基座(1)一侧的回转轴(2)端部套装有蜗轮(5)，位于回转基座(1)另一侧的回转轴(2)端部固连有连接杆(3)，连接杆(3)端部固装有推进机构；所述蜗轮(5)啮合安装有蜗杆(7)，蜗杆(7)一端经联轴器一(8)连接有伺服电机(10)，蜗杆(7)另一端经联轴器二(11)连接有编码器(13)；还包括电缆(6)，所述电缆(6)依次贯穿回转轴(2)和连接杆(3)的轴向中心后，电缆(6)端部与推进机构相连。
2.如权利要求1所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：所述推进机构的结构为：包括固装于连接杆(3)端部的电机座(41)，电机座(41)上固装有水密电机(44)，水密电机(44)上套装有螺旋桨(43)，水密电机(44)端部固装有导流帽(45)；位于螺旋桨(43)周边的电机座(41)边缘固装有导管(42)。
3.如权利要求1所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：所述回转轴(2)和连接杆(3)的轴向位于同一直线上，所述蜗杆(7)的轴向与回转轴(2)的轴向相互垂直。
4.如权利要求1所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：所述连接杆(3)端头伸至回转轴(2)端部的孔内，所述连接杆(3)与回转轴(2)的接合处安装有密封圈(16)；所述回转基座(1)和回转轴(2)之间通过轴承(15)转动连接；位于轴承(15)端部的回转基座(1)侧面安装有轴承盖(14)。
5.如权利要求1所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：位于回转轴(2)侧边的回转基座(1)侧面上间隔安装有支架(9)和支座(12)，支架(9)上固装有伺服电机(10)，支座(12)上安装有编码器(13)。
6.如权利要求5所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：位于支架(9)和支座(12)间隔内的回转基座(1)上还安装有对称的支撑座(71)，两个支撑座(71)分别通过小轴承与蜗杆(7)转动连接，两个支撑座(71)共同支承蜗杆(7)。
7.如权利要求1所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：所述编码器(13)为角度编码器。
8.如权利要求1所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：还包括电气控制系统，所述电气控制系统的结构为：包括主控制器，主控制器通过485通信模块与编码器(13)双向通信连接；主控制器通过485通信模块连接有PWM信号发生器，PWM信号发生器输出端连接有直流无刷电机电调控制器，直流无刷电机电调控制器经电缆(6)与推进机构连通；所述主控制器经伺服电机驱动器与伺服电机(10)相连。
9.如权利要求8所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：所述主控制器经485通信模块双向通信连接至外部PC机。
10.如权利要求9所述的一种用于船舶动力定位模型试验的小型化全回转推进器，其特征在于：所述主控制器根据PC机的输入信息向电缆(6)所连接的推进机构发送推力指令；所述主控制器根据编码器的反馈信息，进行回转角的解算。
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