PL238525B1

PL238525B1 - Ballasting device for submerging of a submarine vehicle

Info

Publication number: PL238525B1
Application number: PL423854A
Authority: PL
Inventors: Marcin Malec; Marcin Morawski
Original assignee: Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kosciuszki
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2021-08-30
Also published as: PL423854A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie balastujące ze zbiornikiem tłokowym służące do zanurzania pojazdu podwodnego.The subject of the invention is a ballasting device with a piston tank for submerging an underwater vehicle.

Problem zanurzenia i wynurzenia pojazdu podwodnego jest problemem technicznym, który jest rozwiązywany na różne sposoby, zależnie od wielkości jednostki, niezbędnych nakładów finansowych oraz przeznaczenia pojazdu podwodnego.The problem of submersion and ascent of an underwater vehicle is a technical problem that is solved in various ways depending on the size of the vessel, the necessary financial outlays and the intended use of the submersible vehicle.

Znane i stosowane w praktyce systemy balastowania pojazdów podwodnych, instalowane w dużych jednostkach, opierają się o zewnętrzny zbiornik balastowy napełniany przemiennie wodą lub powietrzem. Takie rozwiązanie zwiększa jednak masę i objętość balastowanego pojazdu, co jednocześnie zmniejsza jego manewrowość i sprawność. Sam proces zanurzenia takiego pojazdu generuje wiele hałasu. Odpowiedzialne są za to stosowane w tym rozwiązaniu kompresory i inne urządzenia obsługujące zbiornik balastowy. Ponadto podczas pracy takiego systemu wydobywają się poza pojazd pęcherze powietrza, co nie zawsze jest zjawiskiem pożądanym.The known and practically used ballasting systems for underwater vehicles, installed in large units, are based on an external ballast tank filled alternately with water or air. However, this solution increases the weight and volume of the ballasted vehicle, which at the same time reduces its maneuverability and efficiency. The very process of submerging such a vehicle generates a lot of noise. The compressors and other devices supporting the ballast tank used in this solution are responsible for this. In addition, during the operation of such a system, air bubbles are released outside the vehicle, which is not always a desired phenomenon.

W pojazdach bezzałogowych, zarówno sterowanych jak i autonomicznych, ze względu na ich niewielkie rozmiary nie ma możliwości zainstalowania klasycznych systemów balastujących. Dlatego w tego typu pojazdach podwodnych stosuje się pędniki pionowe do zmiany głębokości pływania. Nieustannie pracujące pędniki również generują znaczny hałas, a co więcej powodują zmętnienie wody podczas prowadzenia inspekcji na terenach przydennych. Takie zmętnienie wody utrudnia, czy wręcz uniemożliwia prawidłowe realizowanie zadań z zakresu obserwacji podwodnych prowadzonych przy pomocy takiego pojazdu.In unmanned vehicles, both steered and autonomous, due to their small size, it is not possible to install classic ballasting systems. Therefore, in this type of underwater vehicles, vertical thrusters are used to change the swimming depth. Continuously operating thrusters also generate significant noise, and what is more, they cause turbidity of the water during inspections in the bottom areas. Such turbidity of the water makes it difficult, or even impossible, to properly perform the tasks in the field of underwater observation with such a vehicle.

Znane jest z opisu wynalazku CN107010189A urządzenie balastujące do zanurzania pojazdu podwodnego zawierające cylinder z otworem, tłok oraz silnik z przekładnią.From the description of the invention CN107010189A, a ballasting device for submerging an underwater vehicle is known, comprising a cylinder with a bore, a piston and a gear motor.

Znane są z praktyki stosowania w zdalnie sterowanych modelach okrętów podwodnych urządzenia do balastowania z wykorzystaniem tłokowego zbiornika balastowego. Urządzenie takie składa się m.in. cylindra, tłoka, nakrętki i śruby. Tłok w cylindrze połączony jest na stałe ze śrubą na której zamontowana jest współpracująca ze śrubą nakrętka. Na zewnętrznej powierzchni nakrętki osadzone jest na stałe koło zębate współpracujące z wielostopniową przekładnią zębatą przenoszącą ruch z wału silnika napędowego. Ruch obrotowy wału silnika powoduje obrót koła zębatego osadzonego na nakrętce, a tym samym obrót nakrętki, która z kolei poprzez gwint powoduje przesunięcie śruby wzdłuż jej osi, a tym samym przesunięcie tłoka wzdłuż osi cylindra. Ciecz z cylindra odprowadzana jest na zewnątrz za pomocą elastycznego przewodu. Zastosowany silnik elektryczny prądu stałego umożliwia przesuw tłoka pomiędzy skrajnymi położeniami w cylindrze z możliwością ustawienia położenia tłoka w dowolnym miejscu cylindra. Pozwala to na uproszczenie konstrukcji i systemu sterowania. Zaletą tego typu rozwiązania jest jego niewielki rozmiar. Pozwala ono na zanurzanie i wynurzanie wyposażonego w nie pojazdu bez wywoływania zawirowań wody co pozwala na niezakłóconą inspekcję obszaru przydennego. Cechą tego typu rozwiązań jest potencjalna samohamowność nakrętki i śruby, która uniemożliwia przeniesienie obciążenia ze śruby na silnik elektryczny. Dzięki temu możliwe jest odłączenie zasilania silnika przy położeniu tłoka w żądanej pozycji. Ponadto, koła zębate realizujące przeniesienie napędu z silnika na nakrętkę generują zauważalny poziom hałasu. Dodatkowo w trakcie swego działania w urządzeniu może dochodzić do niekontrolowanego obrotu tłoka względem cylindra, co może spowodować nieprawidłowości w działaniu urządzenia, zwłaszcza w przypadku konieczności długotrwałej pracy.It is known from the practice of using in remotely controlled submarine models a ballasting device with the use of a piston ballast tank. Such a device consists of, among others cylinder, piston, nuts and bolts. The piston in the cylinder is permanently connected to the bolt on which the nut cooperating with the bolt is mounted. A gear wheel is permanently mounted on the outer surface of the nut, cooperating with a multi-stage gear transmission transmitting the movement from the shaft of the drive motor. The rotational movement of the motor shaft causes the gear mounted on the nut to rotate, thereby rotating the nut, which in turn, through the thread, causes the bolt to move along its axis, and thus the piston to move along the cylinder axis. The liquid in the cylinder is discharged to the outside via a flexible hose. The applied DC electric motor enables the piston to move between extreme positions in the cylinder with the possibility of setting the piston position anywhere in the cylinder. This allows the design and control system to be simplified. The advantage of this type of solution is its small size. It allows the vehicle equipped with it to be submerged and surfaced without causing water turbulence, which allows for uninterrupted inspection of the bottom area. A feature of this type of solutions is the potential self-locking of the nut and bolt, which prevents the load from being transferred from the bolt to the electric motor. Thanks to this, it is possible to disconnect the power supply to the engine with the piston in the desired position. In addition, the gears transmitting the drive from the motor to the nut generate a noticeable noise level. In addition, during its operation in the device, uncontrolled rotation of the piston in relation to the cylinder may occur, which may cause malfunctions in the operation of the device, especially in the case of long-term operation.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia balastującego do zanurzania pojazdu podwodnego, działającego w oparciu o zbiornik tłokowy, które będzie generowało jak najmniej hałasu przy jednoczesnym zwiększeniu sprawności działania w stosunku do rozwiązań wykorzystujących zbiornik tłokowy znany ze stanu techniki.The aim of the invention is to provide a ballast device for submerging an underwater vehicle, operating on the basis of a piston tank, which will generate as little noise as possible while increasing the efficiency of operation in relation to solutions using a piston tank known from the prior art.

Urządzenie balastujące do zanurzania pojazdu podwodnego zawierające cylinder, pokrywę cylindra z uszczelnieniem, tłok, silnik z przekładnią i przetwornikiem położenia oraz połączony z cylindrem przewód elastyczny, przy czym silnik połączony jest z napędowym kołem pasowym, które za pośrednictwem pasa zębatego jest sprzęgnięte z napędzanym kołem pasowym, połączonym na stałe z nakrętką toczną mechanizmu śrubowo-tocznego, zawierającego śrubę toczną, która jest jednostronnie połączona z tłokiem osadzonym przesuwnie w cylindrze, charakteryzuje się tym, że śruba toczna ma okrągły gwint zewnętrzny, z którym współpracują kulki umieszczone w rowku wewnątrz nakrętki tocznej. Natomiast nakrętka toczna jest za pośrednictwem łożysk kulkowych osadzona w gniazdach drugiej obudowy i trzeciej obudowy.Ballasting device for submerging a submersible vehicle comprising a cylinder, a cylinder cover with a seal, a piston, a motor with a gear and a position transducer, and a hose connected to the cylinder, the engine being connected to a drive pulley which, via a toothed belt, is coupled to a driven pulley permanently connected to the rolling nut of a ball screw, which is connected on one side to a piston slidably mounted in the cylinder, characterized in that the ball screw has a circular external thread with which the balls engage in a groove inside the roller nut. The rolling nut, on the other hand, is seated in the seats of the second housing and the third housing by means of ball bearings.

PL 238 525 B1PL 238 525 B1

Korzystnie, gdy naciąg pasa zębatego jest regulowany przez napinacz rolkowy.Preferably, the tension of the toothed belt is adjusted by the tensioner roller.

Silnik połączony z napędowym kołem pasowym, za pośrednictwem pasa zębatego wprawia w ruch napędzane koło pasowe, które jest na stałe połączone z nakrętką toczną mechanizmu śrubowo-tocznego, zawierającego śrubę toczną, przystosowaną do połączenia z tłokiem osadzonym w cylindrze urządzenia. Śruba toczna posiada na zewnątrz gwint okrągły z którym współpracują kulki umieszczone w rowku wewnątrz nakrętki tocznej. To rozwiązanie powoduje zamianę tarcia ślizgowego występującego w mechanizmie śrubowym z gwintem trapezowym, metrycznym lub calowym na tarcie toc zne, charakteryzujące się mniejszym współczynnikiem tarcia w stosunku do tarcia ślizgowego. Obrót napędzanego koła pasowego powoduje obrót nakrętki tocznej osadzonej na dwóch łożyskach kulowych, które z kolei osadzone są w gniazdach obudów urządzenia. Wprawiona w ruch obrotowy nakrętka toczna powoduje ruch postępowy śruby tocznej przemieszczającej tłok, z którym jest połączona. Ruch tłoka zmienia poziom wypełnienia cylindra wodą poprzez wypompowywanie lub zasysanie jej do wnętrza cylindra za pośrednictwem przewodu elastycznego przymocowanego ze swej drugiej strony do przepustu w kadłubie pojazdu.The motor connected to the drive pulley, via a toothed belt, sets the driven pulley in motion, which is permanently connected to the ball screw of the ball screw, adapted to engage with the piston mounted in the cylinder of the device. The ball screw has a circular thread on the outside with which the balls cooperate in the groove inside the ball nut. This solution converts the sliding friction occurring in a screw mechanism with a trapezoidal, metric or inch thread into a rolling friction, characterized by a lower coefficient of friction in relation to the sliding friction. The rotation of the driven pulley causes the rotation of the rolling nut mounted on two ball bearings, which in turn are embedded in the sockets of the housing of the device. The rolling nut causes the translational movement of the ball screw displacing the piston with which it is connected. The movement of the piston changes the cylinder fill level with water by pumping or sucking it inside the cylinder via a flexible hose attached on its other side to an opening in the hull of the vehicle.

Zastosowanie mechanizmu śrubowo-tocznego, o dużo mniejszym współczynniku tarcia w stosunku do śruby trapezowej stosowanej w znanych rozwiązaniach, zapobiega samoczynnemu obracaniu się tłoka podczas pracy urządzenia. Tarcie ślizgowe pomiędzy znaną nakrętką i znaną śrubą, jest w tym przypadku zastąpione tarciem tocznym mechanizmu śrubowo-tocznego. Moment tarcia występujący w mechanizmie śrubowo-tocznym jest mniejszy od momentu tarcia występującego pomiędzy ściankami wewnętrznymi cylindra a powierzchnią tłoka. Dzięki temu tłok się nie obraca podczas pracy systemu balastowego co pozwala na wyeliminowanie dodatkowej prowadnicy zapobiegającej obracaniu się tłoka stosowanej w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki. Znacznie upraszcza to konstrukcję i system sterowania urządzeniem według wynalazku w stosunku do rozwiązań znanych ze stanu techniki.The use of a ball screw mechanism, with a much lower coefficient of friction in relation to the trapezoidal screw used in known solutions, prevents the piston from self-rotation during operation of the device. The sliding friction between the known nut and the known bolt is in this case replaced by the rolling friction of the ball screw. The frictional moment in the ball screw is smaller than the frictional moment between the inner walls of the cylinder and the surface of the piston. Thanks to this, the piston does not rotate during the operation of the ballast system, which allows for the elimination of the additional guide preventing the rotation of the piston used in the solutions known from the prior art. This significantly simplifies the structure and control system of the device according to the invention as compared to the solutions known from the state of the art.

Kolejną zaletą rozwiązania według wynalazku w stosunku do rozwiązań znanych ze stanu techniki jest zwiększenie jego sprawności spowodowane zastosowaniem mechanizmu śrubowo-tocznego. Wykorzystanie mechanizmu śrubowo-tocznego zmniejsza opory ruchu, co pozwala na zastosowanie silnika o mniejszej mocy do osiągania tych samych głębokości niż w analogicznych rozwiązaniach znanych ze stanu techniki.Another advantage of the solution according to the invention over the solutions known from the state of the art is the increase in its efficiency caused by the use of a ball screw. The use of a ball screw reduces the resistance to motion, which allows the use of a less powerful motor to reach the same depths than in analogous solutions known from the prior art.

Ponadto, dzięki zastosowaniu mechanizmu śrubowo-tocznego oraz przeniesienia napędu za pośrednictwem przekładni pasowej z paskiem zębatym urządzenie według wynalazku generuje mniej hałasu niż urządzenia znane ze stanu techniki, wykorzystujące przekładnie zębate.Moreover, thanks to the use of a ball screw and transmission via a toothed belt drive, the device according to the invention generates less noise than prior art devices using gears.

Urządzenie balastujące do zanurzania pojazdu podwodnego według wynalazku w przykładzie wykonania ukazano na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia całościowy widok urządzenia, Fig. 2 przedstawia widok urządzenia w częściowym rozbiciu, zaś Fig. 3 przedstawia widok mechanizmu śrubowo-tocznego z ułożyskowaniem w częściowym przekroju.The ballast device for submerging the submersible vehicle according to the invention is shown in an exemplary embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows an overall view of the device, Fig. 2 shows a partially exploded view of the device, and Fig. 3 shows a partially sectioned view of the ballscrew with a bearing. .

Urządzenie balastujące do zanurzania pojazdu podwodnego według wynalazku w przykładzie wykonania składa się z przewodu elastycznego 1 połączonego z pokrywą 2 cylindra umieszczoną na cylindrze 3, przy czym między pokrywą 2 cylindra 3, a powierzchnią wewnętrzną cylindra 3 jest uszczelnienie. Do drugiej pokrywy 5 cylindra 3 zamocowany jest silnik 4 z przekładnią i enkoderem. Wewnątrz drugiej pokrywy 5 jest zamontowane napędowe koło pasowe 7, pas zębaty 8, napędzane koło pasowe 9, nakrętka toczna 11, śruba toczna 12, napinacz 13 oraz pierwsze łożysko kulowe 10 i drugie łożysko kulowe 15. Druga pokrywa 5 jest zamknięta trzecią pokrywą 6.The ballasting device for submerging the submersible vehicle according to the invention, in an exemplary embodiment, consists of a flexible conduit 1 connected to a cylinder cover 2 arranged on the cylinder 3, the cover 2 of the cylinder 3 and the inner surface of the cylinder 3 having a seal. A motor 4 with a gear and an encoder is attached to the second cover 5 of cylinder 3. Inside the second cover 5 are mounted a drive pulley 7, a toothed belt 8, a driven pulley 9, a roller nut 11, a ball screw 12, a tensioner 13 and a first ball bearing 10 and a second ball bearing 15. The second cover 5 is closed by a third cover 6.

Silnik 4 połączony jest poprzez napędowe koło pasowe 7, z pasem zębatym 8, poprzez który wprawia w ruch napędzane koło pasowe 9. Koło pasowe 9 jest na stałe połączone z nakrętką toczną 11 mechanizmu śrubowo-tocznego połączoną ze śrubą toczną 12 za pośrednictwem kulek 16. Naciąg pasa zębatego 8 regulowany jest przez napinacz 13. Nakrętka toczna 11 osadzona jest na dwóch łożyskach kulkowych 10 i 15, które z kolei osadzone są w gniazdach drugiej obudowy (5) i trzeciej obudowy (6), co umożliwia ruch obrotowy nakrętki 11. Wprawiona w ruch obrotowy nakrętka toczna 11 za pośrednictwem kulek umieszczonych w jej wnętrzu i współpracujących z gwintem okrągłym na powierzchni śruby, powoduje ruch postępowy śruby tocznej 12 przemieszczającej tłok 14, z którym jest ona połączona na stałe. Ruch tłoka 14 zmienia poziom wypełnienia cylindra 3 wodą poprzez wypompowywanie lub zasysanie jej do wnętrza cylindra 3 za pośrednictwem przewodu elastycznego 1.The motor 4 is connected via a driving pulley 7 with a toothed belt 8 through which it sets the driven pulley 9 in motion. The pulley 9 is permanently connected to the ball nut 11 of the ball screw connected with the ball screw 12 by means of balls 16. The tension of the toothed belt 8 is regulated by the tensioner 13. The roller nut 11 is mounted on two ball bearings 10 and 15, which in turn are embedded in the seats of the second housing (5) and the third housing (6), which allows the nut to rotate. rotating the roller nut 11 by means of balls placed inside it and cooperating with a round thread on the surface of the screw causes translational movement of the ball screw 12 moving the piston 14 with which it is permanently connected. The movement of the piston 14 changes the filling level of the cylinder 3 with water by pumping or sucking it inside the cylinder 3 through the flexible conduit 1.

Claims

Patent claims

1.A ballast device for submerging an underwater vehicle, comprising a cylinder, a cylinder cover with a seal, a piston, a motor with a gear and a position transducer, and a flexible conduit connected to the cylinder, the engine being connected to a drive pulley which is coupled to the driven pulley via a toothed belt. a pulley, permanently connected to the rolling nut of the ball screw mechanism, containing a ball screw, which is connected on one side with a piston slidably mounted in the cylinder, characterized in that the ball screw (12) has a circular external thread with which the balls (16) cooperate placed in a groove inside the rolling nut (11), the rolling nut (11) being seated by means of ball bearings (10, 15) in the seats of the second housing (5) and the third housing (6).

2. A ballasting device according to claim 1 A roller tensioner (13) cooperates with the toothed belt (8).