CN109269788B - 一种一体船舶推进力模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体船舶推进力模拟装置，属于负载模拟实验装置技术领域。所述模拟装置主要由壳体、旋转式伺服电机、主动轮、从动轮、传动球体、活塞以及输出轴组成，旋转式伺服电机、主动轮、从动轮、传动球体以及活塞安装在壳体内部，旋转式伺服电机与主动轮连接，主动轮通过传动球体与从动轮配合，从动轮、壳体以及活塞组成液压油腔，输出轴与活塞连接；旋转式伺服电机驱动主动轮作直线或旋转运动，模拟推进力中的恒定力或脉动力，由于从动轮在壳体内的旋转运动被限制，则主动轮通过传动球体驱动从动轮作往复直线运动，压缩液压油腔的液压油，进而通过活塞和输出轴输出激振力，该模拟装置结构简单、集成性高，对不同实验工况的适应性强。

Description

一种一体船舶推进力模拟装置

技术领域

本发明涉及一种一体船舶推进力模拟装置，属于负载模拟实验装置技术领域。

背景技术

船舶推进器，是指船舶的动力转换装置。利用推进器产生的推进力，船舶可克服在水中航行的阻力并实现加减航速。最常见的推进器是螺旋桨，螺旋桨在水中的高速旋转会使其受到水的反作用力，该反作用力被施加到轴上进而传递到船体推动船舶行进。由于水流的作用，通常该推进力是波动的，其中包含两个分量：恒定的推进力以及流固耦合作用后产生的激振力，且激振力的频率与螺旋桨的转速近似正相关。

由此可见，船舶上与螺旋桨相连的推进轴以及其后的轴系设备受到波动的推进力的反作用。因此，在对船舶轴或轴系进行相关实验时，需要对其模拟施加这种推进力，以验证轴及轴系的相关性能或得到相应的实验数据。常用的手段为通过两套动力装置(如电动缸)分别模拟推进力中的恒定力部分和脉动力部分，此种方案需额外设计工装结构，安装难度大；随着电磁阀技术的发展，也可采用一台液压缸配备高速电磁阀组通过不断改变液压缸内的压力实现模拟船舶推进力的功能，但此方案对阀的开关频率要求较高，且为了对输出力进行精确控制，此类设备还需要配备压力传感器，一方面增加了设备的成本，同时可靠性也较低。

发明内容

针对现有动力装置模拟船舶推进力存在的缺陷，本发明提供一种一体船舶推进力模拟装置，采用旋转式伺服电机作为单一动力源，可提供频率可变的激振力，而且在主动轮不同状态下，可选择性驱动主动轮旋转运动或直线运动，从而模拟船舶推进力中的恒定力部分及脉动力部分，该模拟装置结构简单、集成性高，不需要额外配备传感器，而且对不同实验工况的适应性强。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种一体船舶推进力模拟装置，所述模拟装置包括壳体、旋转式伺服电机、主动轮、从动轮、传动球体、活塞、输出轴、弹簧以及输出轴端盖；

壳体内部为凸字形空腔，小直径空腔一端的内壁上依次加工有花键凹槽、光滑凹槽，光滑凹槽至小直径空腔另一端的内壁设计成非旋转对称结构(如设计为矩形、椭圆形等)；主动轮上加工有与花键凹槽配合的矩形花键；

旋转式伺服电机安装在壳体内部大直径空腔中，主动轮、从动轮、传动球体和活塞安装在壳体内部小直径空腔中，旋转式伺服电机与主动轮连接，主动轮通过传动球体与从动轮配合，主动轮位于壳体小直径空腔内壁上的花键凹槽或平滑凹槽内，从动轮和活塞分别与壳体小直径空腔的内壁滑动配合，从动轮、壳体小直径空腔的内壁以及活塞围成液压油腔；输出轴端盖安装在壳体小直径空腔一端的端面上上，输出轴穿过壳体小直径空腔一端的端面和输出轴端盖，并通过滑动轴承支撑在壳体小直径空腔一端的端面上，输出轴一端与活塞连接，另一端位于壳体外部；弹簧一端与壳体小直径空腔一端端面的内表面相抵触，另一端与位于活塞上的输出轴端面相抵触。

主动轮位于壳体小直径空腔内壁上的花键凹槽时，主动轮上矩形花键与花键凹槽配合，旋转运动被限制，旋转式伺服电机的旋转运动转化为主动轮的直线运动；主动轮位于壳体小直径空腔内壁上的光滑凹槽时，直线运动被光滑凹槽与壳体小直径空腔内壁之间形成的凸台限制，旋转式伺服电机通过旋转带动主动轮作旋转运动。由于与从动轮和活塞配合部分的壳体小直径空腔内壁为非旋转对称轮廓，从而从动轮和活塞的旋转运动被限制，只可作往复直线运动。因此，主动轮的旋转运动或者直线运动通过传动球体作用于从动轮时，驱动从动轮作往复直线运动，压缩液压油腔的液压油，进而通过活塞和输出轴输出激振力。

进一步地，主动轮以及从动轮与传动球体接触的端面上分别加工有空间凹槽，可使传动球体在其中自由滚动，且主动轮上的空间凹槽与从动轮上的空间凹槽在端面的法向方向上互补。而且主动轮以及从动轮端面上的空间凹槽可根据需要进行设计，从而使电机转子一周的旋转可转化为数次从动轮的往复直线运动。

进一步地，所述旋转式伺服电机包括电机轴、电机轴端盖、第一支撑套筒、第二支撑套筒、电机转子和电机定子；

壳体大直径空腔的两端以及电机轴端盖上分别加工有中心孔；电机轴和电机转子上分别加工有螺纹；

第一支撑套筒安装在壳体大直径空腔一端的中心孔中，电机轴端盖与位于壳体外部的第一支撑套筒一端连接，第二支撑套筒安装在壳体大直径空腔另一端的中心孔中；电机轴穿过第一支撑套筒和第二支撑套筒，且分别通过滑动轴承支撑在第一支撑套筒以及第二支撑套筒上，电机轴的一端与电机轴端盖上的中心孔间隙配合，电机轴另一端与主动轮连接；电机转子与电机轴螺纹连接，电机定子安装在壳体大直径空腔的内壁上。

有益效果

(1)采用旋转式伺服电机作为单一动力源，在主动轮不同状态下，可选择性驱动主动轮旋转运动或直线运动，能够模拟船舶推进力中的恒定力部分及脉动力部分，可靠性高。

(2)通过改变液压油腔中初始液压油的体积，可调整输出激振力的幅值；而且采用旋转式伺服电机控制液压油腔的活塞运动，控制精确，响应快。

(3)主动轮和从动轮的端面空间凹槽可根据需要进行设计，使电机转子一周的旋转可转化为数次从动轮的往复直线运动，配合旋转式伺服电机的调速，输出的激振力具有很宽的激振频率调节范围。

附图说明

图1为本发明所述一体船舶推进力模拟装置的结构示意图。

其中，1-电机轴，2-电机轴端盖，3-第一支撑套筒，4-第一定位套，5-第一端盖，6-第二定位套，7-第一侧壳，8-电机转子，9-电机定子，10-第三定位套，11-第二支撑套筒，12-第四定位套，13-第二端盖，14-第二侧壳，14-1-花键凹槽，14-2-光滑凹槽，15-主动轮，16-从动轮，17-传动球体，18-液压油腔，19-活塞，20-弹簧，21-第三端盖，22-输出轴端盖，23-输出轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种一体船舶推进力模拟装置，所述模拟装置包括第一端盖5、第一侧壳7、第二端盖13、第二侧壳14、第三端盖21、旋转式伺服电机、主动轮15、从动轮16、传动球体17、活塞19、输出轴23、弹簧20以及输出轴端盖22；其中，所述旋转式伺服电机包括电机轴1、电机轴端盖2、第一支撑套筒3、第二支撑套筒11、电机转子8和电机定子9；

第一端盖5、电机轴端盖2、第二端盖13、第三端盖21和输出轴端盖22上分别加工有中心孔；

电机轴1和电机转子8上分别加工有螺纹；

主动轮15以及从动轮16与传动球体17接触的端面上分别加工有空间凹槽，该空间凹槽深度沿圆周方向变化，可使传动球体17在其中自由滚动，且主动轮15上的空间凹槽与从动轮16上的空间凹槽在端面的法向方向上互补；而且主动轮15以及从动轮16端面上的空间凹槽可根据需要进行设计，从而使电机转子8一周的旋转可转化为数次从动轮16的往复直线运动；

第二侧壳14的一端内表面上依次加工有花键凹槽14-1、光滑凹槽14-2，光滑凹槽14-2至第二侧壳14另一端的内型面设计成非旋转对称轮廓(如设计为矩形、椭圆形等)；主动轮15上加工有与花键凹槽配合的矩形花键；

如图1所示，所示模拟装置中各部件之间的装配关系如下：第一端盖5、第一侧壳7、第二端盖13、第二侧壳14、第三端盖21按顺序依次连接构成所述模拟装置的壳体，壳体内部为凸字形空腔；旋转式伺服电机安装在壳体内部大直径空腔中，其中，第一支撑套筒3安装在第一端盖5的中心孔中，电机轴端盖2与位于壳体外部的第一支撑套筒3一端连接，第二支撑套筒11安装在第二端盖13的中心孔中，电机轴1穿过第一支撑套筒3和第二支撑套筒11，且分别通过滑动轴承支撑在第一支撑套筒3以及第二支撑套筒11上，电机轴1的一端与电机轴端盖2上的中心孔间隙配合，电机轴1另一端与主动轮15连接，电机转子8与电机轴1螺纹连接，并通过安装在电机转子8两端的第一定位套4和第三定位套10对电机转子8进行定位，电机定子9安装在第一侧壳7上，并通过第二定位套6和第四定位套12对电机定子9进行定位，电机转子8与电机定子9间隙配合；主动轮15、从动轮16、传动球体17和活塞19安装在壳体内部小直径空腔中，主动轮15位于第二侧壳14上的花键凹槽14-1或平滑凹槽14-2内，主动轮15通过传动球体17与从动轮16配合，从动轮16和活塞19分别与第二侧壳14滑动配合，从动轮16、第二侧壳14以及活塞19围成液压油腔18；输出轴端盖22安装在第三端盖21上，输出轴23穿过第三端盖21的中心孔和输出轴端盖22的中心孔，并通过滑动轴承支撑在第三端盖21中心孔上，输出轴23一端与活塞19连接，另一端位于壳体外部；弹簧20一端与第三端盖21内表面相抵触，另一端与位于活塞19上的输出轴23端面相抵触。

本发明所述一体船舶推进力模拟装置的工作分为两个阶段：(1)第一阶段，主动轮15位于第二侧壳14上的花键凹槽14-1内时，主动轮15上矩形花键与花键凹槽14-1配合，旋转运动被限制，电机转子8的旋转运动转化为电机轴1和主动轮15的直线运动，驱动从动轮16作往复直线运动，压缩液压油腔18中的液压油，进而通过活塞19和输出轴23输出激振力，此时模拟提供船舶推进力中的恒定力部分；(2)第二阶段，主动轮15位于第二侧壳14上的光滑凹槽14-2内时，直线运动被光滑凹槽14-2与第二侧壳14之间形成的凸台限制，电机转子8的旋转带动电机轴1和主动轮15作旋转运动，从动轮16的旋转运动被第二侧壳14限制，主动轮15的旋转运动通过传动球体17作用于从动轮16，驱动从动轮16作往复直线运动，压缩液压油腔18中的液压油，进而通过活塞19和输出轴23输出激振力，此时模拟提供船舶推进力中的脉动力部分。由于第二侧壳14内，与从动轮16和活塞19配合部分为非旋转对称轮廓，从而从动轮16和活塞19的旋转运动被限制，只可作往复直线运动，因此主动轮15的旋转运动或者直线运动通过传动球体17作用于从动轮16时，驱动从动轮16作往复直线运动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种一体船舶推进力模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括壳体、旋转式伺服电机、主动轮(15)、从动轮(16)、传动球体(17)、活塞(19)、输出轴(23)、弹簧(20)以及输出轴端盖(22)；

壳体内部为凸字形空腔，小直径空腔一端的内壁上依次加工有花键凹槽(14-1)、光滑凹槽(14-2)，光滑凹槽(14-2)至小直径空腔另一端的内壁设计成非旋转对称结构；主动轮(15)上加工有矩形花键；

旋转式伺服电机安装在壳体内部大直径空腔中，主动轮(15)、从动轮(16)、传动球体(17)和活塞(19)安装在壳体内部小直径空腔中，旋转式伺服电机与主动轮(15)连接，主动轮(15)通过传动球体(17)与从动轮(16)配合，主动轮(15)位于壳体小直径空腔内壁上的花键凹槽(14-1)或光滑凹槽(14-2)内，从动轮(16)和活塞(19)分别与壳体小直径空腔的内壁滑动配合，从动轮(16)、壳体小直径空腔的内壁以及活塞(19)围成液压油腔(18)；输出轴端盖(22)安装在壳体小直径空腔一端的端面上，输出轴(23)穿过壳体小直径空腔一端的端面和输出轴端盖(22)，并通过滑动轴承支撑在壳体小直径空腔一端的端面上，输出轴(23)一端与活塞(19)连接，另一端位于壳体外部；弹簧(20)一端与壳体小直径空腔一端端面的内表面相抵触，另一端与位于活塞(19)上的输出轴(23)端面相抵触；

主动轮(15)位于壳体小直径空腔内壁上的花键凹槽(14-1)时，主动轮(15)上矩形花键与花键凹槽(14-1)配合，旋转运动被限制，旋转式伺服电机的旋转运动转化为主动轮(15)的直线运动；主动轮(15)位于壳体小直径空腔内壁上的光滑凹槽(14-2)时，直线运动被光滑凹槽(14-2)与壳体小直径空腔内壁之间形成的凸台限制，旋转式伺服电机通过旋转带动主动轮(15)作旋转运动；由于与从动轮(16)和活塞(19)配合部分的壳体小直径空腔内壁为非旋转对称轮廓，从而从动轮(16)和活塞(19)的旋转运动被限制，只可作往复直线运动；因此，主动轮(15)的旋转运动或者直线运动通过传动球体(17)作用于从动轮(16)时，驱动从动轮(16)作往复直线运动，压缩液压油腔(18)的液压油，进而通过活塞(19)和输出轴(23)输出激振力。

2.根据权利要求1所述的一种一体船舶推进力模拟装置，其特征在于：主动轮(15)以及从动轮(16)与传动球体(17)接触的端面上分别加工有空间凹槽，且主动轮(15)上的空间凹槽与从动轮(16)上的空间凹槽在端面的法向方向上互补。

3.根据权利要求1所述的一种一体船舶推进力模拟装置，其特征在于：所述旋转式伺服电机包括电机轴(1)、电机轴端盖(2)、第一支撑套筒(3)、第二支撑套筒(11)、电机转子(8)和电机定子(9)；

壳体大直径空腔的两端以及电机轴端盖(2)上分别加工有中心孔；电机轴(1)和电机转子(8)上分别加工有螺纹；

第一支撑套筒(3)安装在壳体大直径空腔一端的中心孔中，电机轴端盖(2)与位于壳体外部的第一支撑套筒(3)一端连接，第二支撑套筒(11)安装在壳体大直径空腔另一端的中心孔中；电机轴(1)穿过第一支撑套筒(3)和第二支撑套筒(11)，且分别通过滑动轴承支撑在第一支撑套筒(3)以及第二支撑套筒(11)上，电机轴(1)的一端与电机轴端盖(2)上的中心孔间隙配合，电机轴(1)另一端与主动轮(15)连接；电机转子(8)与电机轴(1)螺纹连接，电机定子(9)安装在壳体大直径空腔的内壁上。

4.根据权利要求1所述的一种一体船舶推进力模拟装置，其特征在于：壳体小直径空腔一端的内壁上依次加工有花键凹槽(14-1)、光滑凹槽(14-2)，光滑凹槽(14-2)至壳体小直径空腔另一端的内壁设计成矩形或椭圆形。