CN103754342B - 一种“x”字舵和“十”字舵的舵型转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，涉及潜艇的操舵***及装置领域。包括舵本体、球形连接体和艇尾框架，球形连接体与艇尾框架的尾撑臂之间转动配合，球形连接体的一端通过连接轴与舵本体连接，球形连接体的另一端与被动体固定连接，被动体外侧设有主动体，被动体和主动体为圆球形板壳式永磁性磁铁，被动体、主动体与球形连接体均同心设置，在被动体和主动体之间通过与尾撑臂连接的圆球形板隔开，主动体的外侧设有驱动主动体水平转动和垂直转动的驱动结构。本发明顺利实现“X”字舵型和“十”字舵型之间的转换，把“X”字舵的机动规避性、静音性与“十”字舵可手操、可靠性有机结合，提高了潜水艇的操纵性和安全性。

Description

一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置

技术领域

本发明涉及潜艇的操舵***及装置领域。

背景技术

随着现代消费观念的提升,沿海度假已成为一种生活新时尚。地球海洋面积占地球总表面积71%，潜入广阔的海底世界，体验海洋生活已成为人类由来已久的向往。观光潜艇是指采用商业运作模式，将游客载入水下进行旅游观光的载人潜水器。因此，对观光潜艇的空间操纵性能具有很高的要求，设计一型机动操纵性、经济性及可靠性等方面性能均为优良的舵***具有重要的意义。

目前，潜艇的舵***由方向舵***和升降舵***组成，两种舵***均由舵叶、舵杆和操舵装置组成，舵在潜艇尾操纵面布置形式基本分为两种，即“十”字舵***和“X”字舵***。

现代水滴型潜艇的尾部大多采用双轴传动的十字舵布置，即方向舵和尾升降舵成“十”字型布置在潜艇的尾部。这种型式能保持适当的操作性能，操纵性好，但是舵叶布置往往出现超出艇型轮廓的情况；同时，虽然十字舵能使舰艇实现空间运动，但对机动中出现的严重横倾难以通过操舵来加以控制、改善，从而限制了回转机动的速度和安全性；此外，对可能出现的舵卡，特别是尾部水平舵卡时，也将产生非常严重的后果。

“X”字舵是四个舵呈“X”正交布置，“X”字舵***不存在方向舵与尾升降舵，潜艇尾操纵面的四个舵叶呈正交布置，每个舵叶与潜艇的横纵中剖面的夹角均为45度，每个舵叶的转动均能引起潜艇在水平面和垂直面内的回转运动，因此需同时采用两个或四个舵叶综合控制潜艇的潜浮或转向。“X”舵虽然克服了“十”字舵的超宽、舵卡等问题，也能够通过适当的操舵来控制回转过程中的横倾，但X字舵的操作并不直观，同时其集中控制***较为复杂，很难实现人工手动操作，或者进行手动操作与自动操作的转换。在同等条件下，“X”字舵较“十”字舵的回转半径小15%，回转周期小6%左右。“X”字型舵操舵静音性更好。但是“X”字舵型的操舵须有计算机***进行程序操舵，其对主电源依赖性、程序稳定性有诟病，一般须有手工操舵备份程序。

因此开发一种可转换式“X”字舵和“十”字舵转换装置、及其“X”字舵结构，就显得十分必要。它令潜水器（潜艇）在正常航行时以工控机程控操舵，当主电源不稳定、或者主程序出错时，以备用电源能量将“X”字舵转换成“十”字舵，之后以人工手动操舵，并相应降低艇速。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，该转换装置可以顺利实现“X”字舵型和“十”字舵型之间的转换，把“X”字舵的机动规避性、静音性与“十”字舵可手操、可靠性有机结合，该“X”字舵机构结合自动控制和手工应急操作的特点，提高了深潜器或潜艇安全性指标。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种“X”字舵和“十”字舵转换装置，其特征在于包括舵本体、球形连接体和艇尾框架，所述球形连接体与艇尾框架的尾撑臂之间转动配合，所述球形连接体的一端通过连接轴与舵本体连接，球形连接体的另一端与被动体固定连接，所述被动体外侧设有主动体，被动体和主动体为圆球形板壳式永磁性磁铁，所述被动体、主动体与球形连接体均同心设置，在被动体和主动体之间通过与尾撑臂连接的圆球形板隔开，所述主动体的外侧设有驱动主动体水平转动和垂直转动的的驱动结构。

对上述结构作进一步描述，所述主动体的半球面设置有S-N-S-N-S至少一对磁极，被动体的半球面设置有N-S-N-S-N至少一对磁极，二者相对安装，极性相反。

对上述结构作进一步描述，所述驱动结构包括径向蜗轮、径向蜗杆、纬向蜗轮和纬向蜗杆，所述主动体的外壁上设有径向蜗轮和纬向蜗轮，所述纬向蜗轮中部设有径向蜗轮穿过的扇形孔，径向蜗轮与纬向蜗杆配合，纬向蜗轮与径向蜗杆配合。

对上述结构作进一步描述，所述纬向蜗杆与径向蜗杆的自由端均设有可液压收、降的四杆机构，所述四杆机构与纬向蜗杆和经向蜗杆配合旋转。

对上述结构作进一步描述，所述主动体的外部设有两个圆弧形导轨蜗壳，主动体的上下点及前后点设有滚针轴承，其上下点的滚针轴承把主动体和径向蜗轮连接为一体，前后点的滚针轴承把主动体和纬向蜗轮连接为一体。

对上述结构作进一步描述，所述导轨蜗壳内设置二小肩窝，其与主动体滚动配合，导轨蜗壳中部设置的用于蜗杆的摆动扇形轨孔，导轨蜗壳的外表面通过螺栓与艇体固定。

对上述结构作进一步描述，所述球形连接体与艇尾框架的尾撑臂之间设有球壳轴承。

对上述结构作进一步描述，所述经向蜗杆和纬向蜗杆的动力传递端通过万向节传动，经向蜗杆和纬向蜗杆绕前进方向摆动角度为12.5度～13.5度，所述经向蜗杆和纬向蜗杆的两端通过带有滚球的轴承支持，所述滚球与弧形轨道滚动配合。

对上述结构作进一步描述，所述舵本体包括舵叶和舵轴，所述舵叶和舵轴之间为一体结构，舵叶剖面线型为JFSIR15，舵叶展舷比2-2.7，并且舵叶舷后倾角向后倾斜16度。

本发明的工作原理：由于本发明工作时处于深水内部，要求潜艇绝对的密封，为了保证内部的驱动结构实现对外部舵本体的操作，采用永磁力实现主动体与被动体的联动。由于舵本体在正常使用时，需要俯仰摆动和左右摆动，在舵型转换过程中，需要改变舵本体的角度，因此要求舵本体具有绕x、y、z三个中心轴的转动，设计了舵本体通过球形连接体与被动体结为一体的结构，实现了三个旋转自由度。本发明中的舵叶沿Z轴转动，艇作航向的变化运动，沿Y轴转动时，艇作升、降运动，本装置沿X主轴旋转45度时，可作舵型变更，进行“X”字舵和“十”字舵的转换。

由于本发明中主动体和被动体均为同心设置的球形结构，通过磁铁的N-S极相间设置，利用永磁力实现联动，无级调节。另外，主动体与驱动结构间通过机械传动实现主动体的三个旋转自由度，该机械传动装置通过涡轮蜗杆配合，以及二蜗杆相对主动体俯仰摆动和左右摆动，并通过旋转蜗杆，带动蜗轮，实现舵叶绕Y、Z轴向的旋转。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1）本发明中的“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，可以实现舵型的变化，通过舱内的驱动结构操作主动体，主动体通过磁力控制舱外的被动体，被动体驱动舵进行运动，可以在“X”字舵和“十”字舵型之间进行转化，可以实现潜水器在正常航行时以“X”字舵型式通过工控机程序控操舵，当主电源不稳、或者程序出错时，以备用电源能量将“X”字舵转换成“十”字舵，之后以人工手动操舵；

2）本发明就使“X”字舵的机动规避性、静音性和“十”字舵可手操可靠性有机结合、有自动控制和手工应急操作结合的特点，从而提高了深潜器或潜艇的安全性指标；本发明中利用永磁力实现主动体和被动体之间的驱动，不需要机械设备连接，通过奥氏体不锈钢圆球形板隔开两者，保证了深潜器（艇）舵装置及其安装的密封性；

3）本发明利用球形连接体实现被动体与舵叶之间的过渡连接，可以实现无级调节，包括水平方向、垂直方向及两个方向的联动，舵型可以缓慢改变，防止损坏舵叶；

4）另外，本发明中“X”字舵为一体结构，通过连接轴与球形连接体连接，各个舵叶之间不存在相对转动，并且设有一定的舷倾角及展弦比，主动体和被动体的电磁力联接设计，对舵叶在异物冲撞时有缓冲作用，间接提高了潜艇操舵***的安全性；

（5）本发明中的转换装置实现“X”字舵与“十”字舵的完美过渡，并保证了两种舵型的操作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A-A剖视图，即舵叶的剖面示意图；

图3是图1中B-B局部视图，即径向蜗杆的结构示意图；

图4是图1中主动体及驱动结构的示意图；

图5是图4中D-D剖视图；

图6是导轨蜗壳的结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是图6的左视图；

图9是图1中径向蜗杆和轴向蜗杆及联系杆传动的示意图；

图10是深艇器（艇）操纵的坐标图；

其中：1、艇尾框架，2、尾撑臂，3、球壳轴承，4、球形连接体，5、连接轴，6、舵本体，7、端轴承，8、被动体，9、主动体，10、径向蜗轮，11、径向蜗杆，12、纬向蜗轮，13、纬向蜗杆，14、旋转联系杆，15、导轨蜗壳，16、滚针轴承，17、万向节，18、滚球，19、弧形轨道，20、四杆机构。

具体实施方式

根据附图可知，本发明具体涉及一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，该装置应用于观光游艇或深潜器中，保证“X”字舵正常运行以自动控制的前提下，在应急情形下，可以转换为手动操作的“十”字舵操控。

根据附图1所示，上述转换装置具体包括舵本体6、球形连接体4和艇尾框架1，球形连接体4与艇尾框架1的尾撑臂2之间转动配合，球形连接体4的一端通过连接轴6与舵本体6连接，球形连接体4的另一端与被动体8固定连接，被动体8外侧设有主动体9，被动体8和主动体9为圆球形板壳式永磁性磁铁，被动体8、主动体9与球形连接体4均同心设置，在被动体8和主动体9之间通过与尾撑臂2连接的圆球形板隔开，主动体9的外侧设有驱动主动体9水平转动和垂直转动的的驱动结构。其中用于密封隔开主动体9和被动体8的圆球形板的材料为奥氏体不锈钢等效材料，防止磁力线被短路。

在附图1中，主动体9的半球面设置有S-N-S-N-S至少一对磁极，被动体8的半球面设置有N-S-N-S-N至少一对磁极，二者相对安装，极性相反。

为了准确反映主动体9与驱动结构的连接配合，可参考附图4和5，其中驱动结构包括径向蜗轮10、径向蜗杆11、纬向蜗轮12和纬向蜗杆13，主动体9的外壁上设有径向蜗轮10和纬向蜗轮12，纬向蜗轮12中部设有径向蜗轮10穿过的扇形孔，其中的扇形轨内孔是用于蜗杆摆动的空间，径向蜗轮10与纬向蜗杆13配合，纬向蜗轮12与径向蜗杆11配合，纬向蜗杆13与径向蜗杆11的自由端均设有可液压收、降的四杆机构20，四杆机构20与纬向蜗杆13和经向蜗杆11配合旋转。当四杆机构20装置正常（此时舵叶系呈X字舵型）工作时，收平并与纬向蜗杆13或经向蜗杆11一起旋转。即装置正常运行时，以X字舵工作。潜艇操纵***以中控机的程序给二只蜗杆液压马达传感器以讯号，二只蜗杆可同向同速，或同向不等速或单独运动，就可实现潜艇的航向变化和升、降运动的操控。

附图4和5中，为了保证主动体9能够在轴向方向的转动，利用外部动力装置驱动径向蜗杆11和纬向蜗杆13在图4所示的垂直面内转动，转动过程中纬向蜗杆13、经向蜗杆11分别带动径向蜗轮10、纬向蜗轮12和主动体9转动，因此设计了如下结构：主动体9的外部设有两个圆弧形导轨蜗壳15，主动体9的上下点及前后点设有滚针轴承16，其上下点的滚针轴承16把主动体9和径向蜗轮10连接为一体，前后点的滚针轴承16把主动体9和纬向蜗轮12连接为一体，操舵时径向蜗轮10和纬向蜗轮12相对于主动体9自由摆动。

在图1中，为了保证球形连接体4与尾撑臂2转动配合，在球形连接体4与艇尾框架1的尾撑臂2之间设有球壳轴承3，该球壳轴承3内圈与球形连接体4部分表面接触，外圈与尾支撑2配合，保证无阻碍转动。

在附图9中，经向蜗杆11和纬向蜗杆13的一端与旋转联系杆14之间通过万向节17传动，经向蜗杆11和纬向蜗杆13绕其中心轴摆动角度为12.5度～13.5度，经向蜗杆11和纬向蜗杆13的动力端与驱动电机连接，经向蜗杆11和纬向蜗杆13的两端带滚球18的轴承支持，蜗杆可在轴承中自由旋转，滚球18与弧形轨道19滚动配合。

在纬向蜗杆13和径向蜗杆11的自由一端设置可液压收、降的四杆机构20，该机构在装置正常工作时收平并与纬向蜗杆13或经向蜗杆11一起旋转。

当装置在应急情形时，以液压机构放开旋转联系杆14，联系杆14自由端可与主动体9相连，以实现“X”字舵和“十”字舵的舵型的转换。在完成“X”字舵和“十”字舵的舵型转换后，再行将纬向蜗杆13与径向蜗杆11两自由端的联系杆14收平，之后通过手动单独操纵纬向蜗杆13或径向蜗杆11，以控制潜艇的水平航向和艇的升、降运动，经向蜗杆11和纬向蜗杆13的动力传递一端与蜗杆之间通过万向节17传动，动力输入端接液压马达。

本发明采用万向节17连接蜗杆与主动体9，可以使蜗杆同时转动时，蜗杆的自由摆动，其中滚球18在弧形轨道19中滚动，摆动角度在14度左右。

另外，本发明为了防止经向蜗杆11和纬向蜗杆13与主动体9配合安装及运动过程出现干涉，特在纬向蜗轮12的表面开设扇形孔，使纬向蜗杆13穿过纬向蜗轮12，同时在主动体9外侧也设有导轨蜗壳15，导轨蜗壳15内设置二小肩窝，其与主动体9滚动配合，导轨蜗壳15中部设置的用于蜗杆的摆动扇形轨孔，导轨蜗壳15的外表面通过螺栓与艇体固定。如附图6、7和8所示，该导轨蜗壳15上的弧形孔可以保证涡轮蜗杆在三个转动自由度上的运动。

附图2为用于该转换装置中的“X”字舵机构，其具体包括舵叶和舵轴，所述舵叶和舵轴之间为一体结构，舵叶剖面线型为JFSIR15，舵叶展舷比2-2.7，并且舵叶舷倾角向后倾斜16度。该机构与传统的舵不同之处在于：舵叶不可自由摆动，其与舵轴为一体结构，保证舵在转换过程中的稳定性，另外舷倾角的设置，可以防止舵型转换过程中出现偏转时，对其他构件产生干涉，从而损坏舵本身。同时，主动体和被动体的电磁力联接设计，对舵叶在异物冲撞时有缓冲作用，间接提高了潜艇操纵***的安全性。

本发明的动作过程如下：当深潜器或观光潜艇在正常的操纵航行中本发明中的舵本体以“X”字舵来提供操纵力，利用程序控制舵机构俯仰和左右两个自由度的控制，实现深潜器上升、下降和转弯动作；当潜艇主电源失电时，或主程序出错时，应采用电瓶电源控制本发明中的转换装置，以备用电源将舵叶转回到中性位置，以蜗杆液压机构放开旋转联系杆14：旋转联系杆14自由端可与主动体9相联，用手工扳动两蜗杆，蜗杆连同装置本体沿X轴转过45度，其中滚球18在弧形轨道19中滑动，之后再将滚球18与弧形轨道19锁定。在完成装置的舵型转换后，即可手动操纵二蜗杆实现装置的“十”字舵操纵。同时，在完成“X”字舵和“十”字舵的舵型转换后，应将纬向蜗杆13与径向蜗杆11两自由端的联系杆14收平，再分别单独操作纬向蜗杆13或径向蜗杆11，即可实行艇的转向运动和升、降运动控制，与此同时，应降低潜艇航速。也即是：将两蜗杆的可转动滚轮在艇尾框架旋转，分别转过45度，并将两蜗杆通过旋转联系杆锁定在主动体9上，主动体9借电磁力带动被动体8及其结构旋转45度，这样舵本体转换为“十”字舵型，将水平面航向控制和沿铅垂的深浅控制舵均置于中性位置，之后，即可以人力手动实现应急操舵。

因此本发明兼有“十”字舵和“X”型舵的优点，将操舵灵活性、静音性、自动化和失电的可手动操舵有机结合，具有确保深潜器航行安全的特点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于包括舵本体（6）、球形连接体（4）和艇尾框架（1），所述球形连接体（4）与艇尾框架（1）的尾撑臂（2）之间转动配合，所述球形连接体（4）的一端通过连接轴（5）与舵本体（6）连接，球形连接体（4）的另一端与被动体（8）固定连接，所述被动体（8）外侧设有主动体（9），被动体（8）和主动体（9）为圆球形板壳式永磁性磁铁，所述被动体（8）、主动体（9）与球形连接体（4）均同心设置，在被动体（8）和主动体（9）之间通过与尾撑臂（2）连接的圆球形板隔开，所述主动体（9）的外侧设有驱动主动体（9）水平转动和垂直转动的的驱动结构。

2.根据权利要求１所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述主动体（9）的半球面设置有S-N-S-N-S至少一对磁极，被动体（8）的半球面设置有N-S-N-S-N至少一对磁极，二者相对安装，极性相反。

3.根据权利要求１所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述驱动结构包括径向蜗轮（10）、径向蜗杆（11）、纬向蜗轮（12）和纬向蜗杆（13），所述主动体（9）的外壁上设有径向蜗轮（10）和纬向蜗轮（12），所述纬向蜗轮（12）中部设有径向蜗轮（10）穿过的扇形孔，径向蜗轮（10）与纬向蜗杆（13）配合，纬向蜗轮（12）与径向蜗杆（11）配合。

4.根据权利要求3所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述纬向蜗杆（13）与径向蜗杆（11）的自由端均设有可液压收、降的四杆机构（20），所述四杆机构（20）与纬向蜗杆（13）和经向蜗杆（11）配合旋转。

5.根据权利要求１所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述主动体（9）的外部设有两个圆弧形导轨蜗壳（15），主动体（9）的上下点及前后点设有滚针轴承（16），其上下点的滚针轴承（16）把主动体（9）和径向蜗轮（10）连接为一体，前后点的滚针轴承（16）把主动体（9）和纬向蜗轮（12）连接为一体。

6.根据权利要求5所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述导轨蜗壳（15）内设置二小肩窝，其与主动体（9）滚动配合，导轨蜗壳（15）中部设置的用于蜗杆的摆动扇形轨孔，导轨蜗壳（15）的外表面通过螺栓与艇体固定。

7.根据权利要求１所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述球形连接体（4）与艇尾框架（1）的尾撑臂（2）之间设有球壳轴承（3）。

8.根据权利要求4所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述经向蜗杆（11）和纬向蜗杆（13）的动力传递端通过万向节（17）传动，经向蜗杆（11）和纬向蜗杆（13）绕前进方向摆动角度为12.5度～13.5度，所述经向蜗杆（11）和纬向蜗杆（13）的两端通过带有滚球（18）的轴承支持，所述滚球（18）与弧形轨道（19）滚动配合。

9.根据权利要求1所述的一种“X”字舵和“十”字舵的舵型转换装置，其特征在于所述舵本体（6）包括舵叶和舵轴，所述舵叶和舵轴之间为一体结构，舵叶剖面线型为JFSIR15，舵叶展舷比2-2.7，并且舵叶舷后倾角向后倾斜16度。