摘 要

无轴轮缘推进器是一种新型电力推进器，采用一体化设计思想，将电机和螺旋桨集成在一个整体中，与传统轴系推进器相比，无轴轮缘推进器省去了占用大量空间的轴系，具有占用空间小的特点，同时也避免了轴系震动产生的噪音，具有噪音低震动小，推进效率高等优势。无轴轮缘推进器一般安装于船体外，所以需要设计一套收放机构，将无轴轮缘推进器和船体连接并实现收起和放下运动，当船舶航行时，将推进器放入水中推动船舶前进，当推进器不工作时，靠收放机构将其收入船体内。

本文设计了一套收放机构，可以实现上述功能。首先确定机构的运动形式和结构组成，然后用SolidWorks软件对收放机构的零部件进行三维建模，并在SolidWorks中进行组装，分析收放机构主要承力构件的受力情况，然后在SolidWorks软件的Simulation模块中进行静应力分析，得到应力分布图；之后在Motion模块中进行运动仿真分析，得到机构的速度、位移随时间的变化曲线图，更直观地了解收放机构的运动情况。

关键词：无轴推进器；收放机构；受力分析；运动仿真

Abstract

The shaftless wheel propeller is a new type of electric thruster, which integrates the motor and propeller into a whole with the integrated design concept, compared with the traditional shafting thruster, The shaftless wheel propeller has no shafting and saves a lot of space, at the same time, it also avoids the noise caused by shafting vibration, and has the advantages of low noise, low vibration and high efficiency. The shaftless wheel propeller is usually installed in the body of the ship, so the extending-retracting mechanism is needed to connect the shaftless wheel propeller to the hull and to carry out the movement. When the ship is sailing, the propeller is put into the seawater to advance the ship. When the propeller does not work, it will be paid by the extending-retracting mechanism.

In this paper, the extending-retracting mechanism is designed to achieve the above functions. Firstly, the Motion form and structure of the mechanism are determined, and then use SolidWorks software to build the 3D modeling of the parts of the extending-retracting mechanism, and the assembly in the SolidWorks, then analyze the stress of the main components of the extending-retracting mechanism, then the static stress analysis is carried out in the Simulation module of SolidWorks software, and we will get the stress envelope; then, in the Motion module, the Motion simulation analysis is carried out, and the velocity and displacement curves of the mechanism are obtained, and the Motion of the mechanism is more intuitively understood.

Key words: The shaftless wheel propeller; the extending-retracting mechanism; force analysis; Motion simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 I

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 无轴轮缘推进器收放机构研究现状 1

1.2.1 无轴推进器的研究现状 1

1.2.2 收放机构的研究现状 4

1.3 研究内容及技术方案 5

1.4 本章小结 6

第二章 收放机构的类型及特点分析 7

2.1 收放机构的概述 7

2.2 收放机构的设计基础 7

2.3 收放机构的类型 8

2.3.1 平面单闭链收放机构 8

2.3.2 空间单闭链收放机构 11

2.3.3 复合收放机构 12

2.4 收放机构锁机构锁定分析 14

2.5 本章小结 15

第三章 无轴推进器收放机构结构方案设计 16

3.1 收放机构设计方案与选型 16

3.1.1 收放机构方案的选择 16

3.1.2 收放机构结构设计 16

3.2 收放机构的建模 18

3.2.1 零件的建模 18

3.2.2 零件模型的装配 21

3.3 本章小结 22

第四章 收放机构运动学分析 24

4.1 收放机构模型简化 24

4.2 收放机构运动分析 25

4.3 收放机构受力分析 29

4.4 本章小结 31

第五章 收放机构运动仿真分析 32

5.1 应力分析 32

5.1.1 应力分析过程 32

5.1.2 应力分析结果 34

5.2 运动仿真分析 38

5.2.1 运动仿真参数设置 39

5.2.2 仿真过程 41

5.3 仿真结果分析 44

5.4 本章小结 46

第六章 总结与展望 47

6.1 本文总结 47

6.2 展望 47

参考文献 49

致谢 50

绪论

1.1 研究的背景及意义

船舶的推进装置从最早的人工桨、风帆发展到现在的螺旋桨推进和更先进的喷水推进，推进效率越来越高。目前，世界范围内广泛使用的仍是螺旋桨推进，随着经济全球化日益发展，各国对海上贸易的依赖越来越重，船舶推进装置的性能严重影响海上贸易的经济效益，得到各国的重视。传统轴驱式推进器具有结构复杂且占用船舱大量空间的轴系系统，能量损耗大，振动和噪声控制困难，而无轴轮缘推进器则避免了以上缺点，受到越来越多海洋大国的重视。

无轴轮缘推进器是一种新型电力推进器，采用一体化设计思想，将电机和螺旋桨集成在一个整体中，与传统轴系推进器相比，无轴轮缘推进器省去了占用大量空间的轴系，具有占用空间小的特点，同时也避免了轴系震动产生的噪音，具有噪音低震动小，推进效率高等优势。

无轴轮缘推进器一般独立安装于船体外，通过连接机构与船体相连，将推力传递给船舶，当作为主推进动力时，可以不用设置收放机构，但如将这种推进器作为辅助推进或用于特殊用途（如侦查）时，将有两种工作模式：

1）不工作时被收回到船体内，保持船体的流线型，减少船舶航行途中的阻力，提高经济效益，其次，也可以降低航行时的噪音水平，提高航行器的隐蔽性；

2）需要工作时通过收放机构放到水中，产生推力推动船舶前进，并且可以根据设计的需要，加装旋转机构，实现推进器自主转动，改变推进方向，极大提高船舶的机动性。

因此，收放机构是无轴轮缘推进器的一个重要配套机构，研究一种高效且可靠的收放机构方案对保持推进器的优异推进性能非常重要。

1.2 无轴轮缘推进器收放机构研究现状

1.2.1 无轴推进器的研究现状

2011年，712研究所文献报道了一台20kW的有毂轮缘驱动螺旋桨推进器。这款推进器电机有15对极对，工作效率大于90％，在220V额定电压下转速为600r/min。2015年，705研究所对四种不同结构的无轴推进系统电机进行了对比研究，分析并比较了这四种电机的工作原理，运行特性，功率和噪声等方面的特征，最后得出结论，目前，无轴推进器电机中综合性能最好的是交流永磁同步电机。

图1.1 中船702所设计的无轴集成电机推进器方案

哈尔滨工程大学设计了水下空心无毂桨推进器，使用单个滚动轴承承受轴向力和径向力，致使该方案的推力较小。台湾成功大学在2008年开发了一个功率为2.5kW的小型轮缘驱动推进器样机，推进器在310V电压下转速能够达到2000rpm；当船舶以2.06m/s的速度航行时时，推进器的推力266N，该推进器选用无刷直流电机，共有16对极对，采用滚珠球轴承支撑。

图1.2 哈尔滨工程大学设计的无轮毂驱动推进器

2003年，美国通用动力公司设计制造了一台功率为89kW的无轴推进器。目前，通用动力公司与美海军水面武器研究中心卡德罗克分部（NSWCCD）合作，在之前研究的基础上研制大功率的无轴推进器，并且未来计划研制功率达20MW的集成推进器^[1]。2004年，美国Schilling Robotics公司开发出功率为7.5kw的5叶无轴推进器，该推进器的额定电压是600V，输出转速1000rpm，额定推力2000N。相较于其他推进器，该推进器取消水密结构，将海水引入电机内进行冷却，提高电机功率密度。

图1.3 美国Schilling Robitics公司开发的五叶无轴推进器

2005年，挪威Brunvoll公司开发出功率达100kw的4叶推进器，该推进器具有耐用，布置灵活的特点。其电机安装在螺旋桨导罩内部，直接带动螺旋桨转动；选用磁性流体轴承，提高可靠性^[1]；导罩还具有降低噪音及震动的功能。此外还有其他很多公司在从事此方面的研究，代表性的公司有英国Rolls-Royce公司、德国Schottel公司和Voith公司、荷兰Vander Velden Marine Systems公司等。

图1.4 挪威Brunvoll公司开发的系列无轴推进器

无轴推进系统最为推进系统的重点发展方向，受到越来越多国内外研究机构的重视，随着研究的深入，越来越多的技术难题被攻克，一旦无轴推进系统大量应用于船舶，将对船舶推进系统产生革命性的影响，极大的降低运输成本；从目前研究情况来看，西方传统海洋强国处于领先地位，我国对无轴推进系统的研究尚处于基础性研究阶段，国家正加大这方面的投入，相信我们很快就有突破性的进展。

1.2.2 收放机构的研究现状

收放机构作为无轴轮缘推进器的配套机构，目前世界范围的研究较少，下面介绍一下吊舱推进系统的伸缩机构。该伸缩机构与收放机构的原理、目的类似。

1）“海洋石油201”在船中部区域对称布置了四台功率为3200kW的伸缩式全回转推进器，还有一台伸缩式全回转推进器布置在船首位置。当推进装置需回收时,推进电机输出轴先与装置输入轴脱离开，然后液压伸缩马达转动并通过同步链条带动两根丝杆同步旋转，丝杆旋转带动推进器部分垂直向上回收^[6]。

2）2017年12月5日，在上海国际海事会展上，瓦锡兰推出了可倾斜伸缩式全回转推进器WST-24R。瓦锡兰WST-24R全回转推进器的伸缩系统采用电动控制，可靠性高且维护方便。这款新型推进器的最大的特点是其齿轮箱中的螺旋桨轴可以倾斜8度，与传统非倾斜式推进器相比，这一设计可将有效推力提高到120%，提高了经济效益。另外该系统带有电动自锁装置，可靠性高。

图1.5 瓦锡兰WST-24R全回转推进器

此外，无轴推进器的收放机构可以借鉴飞机起落架收放机构的设计，下面简单介绍一下收放机构的分类。

平面单闭链收放机构，平面4杆机构是最常见的收放机构的结构形式，这种机构的结构简单，容易制造且可靠性较高，如果收放机构的安装空间没有限制，应该首选平面单闭链收放机构。

空间单闭链收放机构，顾名思义，这种机构的运动轨迹不在一个平面内，结构比较复杂；当收放机构的安装空间受主体结构限制较大时，强行采用平面收放机构会破坏主体结构，而利用空间收放机构可以在不破坏主体结构的情况下完成收放运动。

复合收放机构，即将平面单闭链结构和空间单闭链结构相互组合，由平面单闭链结构完成平面运动，空间单闭链结构完成空间转动运动，两者相结合满足设计所需运动轨迹。

综上所述，连杆机构可以满足无轴轮缘推进器收放机构的设计要求，所以，本文打算借鉴飞机起落架收放机构的结构，设计一款无轴推进器的收放机构，先确定基本结构，再使用SolidWorks软件进行三维建模完成初步的设计，然后在Simulation模块中进行静应力分析，再进行运动仿真分析。

1.3 研究内容及技术方案

本文主要内容是，先完成无轴推进器收放机构总体方案设计，然后进行推进器收放机构各模块详细设计和受力分析，利用SolidWorks软件对各个零部件进行三维建模，然后再进行应力分析，确保收放机构的可靠性，强度达到设计要求，再用软件对模型进行仿真模拟分析。

为了能够保证质量完成研究内容，本课题拟采取的计划如下：

（1）根据无轴推进器工作要求提出收放机构的功能需求，收放机构应有足够的强度，能将推进器产生的推力传递给船体，其次，在收放机构处于放下状态时能够产生自锁，不需要额外的作用力维持这一状态；

（2）总结出几种收放机构的结构设计，并进行选优；根据最后选定的收放机构方案，进行详细设计并用SolidWorks进行三维制图，

（3）将建好的模型进行组装，将装配体导入Simulation模块中进行应力分析，注意检查并分析机构运动过程中的干涉情况；

（4）完成应力分析后，将模型导入Motion模块中，添加约束和马达进行Motion仿真分析，得到机构运动速度、角度随时间变化的曲线图，并完成动画。

拟采取的技术方案：

通过查阅相关资料，发现飞机起落架的收放机构可以满足无轴推进器收放机构的设计要求，所以准备借鉴飞机起落架收放机构并加以改进，总体方案为采用液压动力和平面4连杆结构组合，用液压作动筒作为动力驱动连杆机构完成收起、放下以及自锁等动作；考虑到该收放机构在工作时是浸泡在海水中的，可采用耐腐蚀材料来防止海水的腐蚀。

论文流程图如图1.6所示。

图1.6 论文流程图

1.4 本章小结

本章主要介绍了无轴推进器相对于传统推进器的优点，以及世界各国对无轴推进器的研究现状，接着介绍了推进器收放机构的研究现状，目前，世界范围内的收放机构大多是基于轴系推进器，对无轴推进器收放机构的研究则较少，本文将借鉴飞机起落架的收放机构设计出一款可靠的无轴推进器的收放机构。

收放机构的类型及特点分析

2.1 收放机构的概述

无轴轮缘推进器是一种新型船舶推进装置，没有复杂的轴系系统，具有占用空间小，噪音低，推进效率高等优点，但由于这种推进装置采用螺旋桨—电机—舵桨一体化设计思想，对整个装置的可靠性要求较高，因此，收放机构也采用可靠性较高的连杆运动机构。

当推进器收到船舱内时，收放机构的锁机构要能将机构锁住，保证推进器不会无故放下来。在推进器放入水中时，收放机构的锁机构同样要能将机构牢牢锁住，将推进器的推力传给船体，收放机构的基本功能如下：

（1）实现推进装置的收起和放下等动作；

（2）能够在收起和放下状态时产生自锁；

（3）将推进器产生的推力传递给船体，推动船舶前进；

（4）加装旋转装置后，可以实现推进器的自主转动，改变推力方向，提高船舶机动性。

收放机构由多个子机构组成，这里将这些子机构归纳为运动机构和锁定机构，运动机构包括收放作动筒、阻力杆机构和主支柱，锁定机构由锁作动筒和锁连杆机构组成。

2.2 收放机构的设计基础

设计无轴推进器收放机构前，先要对其基本结构布置进行设计，首先通过数学方法计算运动机构的自由度。平面连杆机构和普通空间机构的自由度都可以用Kutzbach-Grübler 公式（以下简称K-G公式）计算，但某些特殊空间机构（如转动副轴线相交的空间结构）需要用基于螺旋理论改进的K-G公式才能计算得出。

计算一般机构自由度的K-G公式为：

（2.1）

式中：

n：构件的数量，

p：运动副的总数，

fi：第i个运动副的自由度。

在空间单闭链机构中，有n=p，即n-p=0，可以忽略掉；设局部自由度数为f_t，消极自由度数为f_p，公共约束数为m，在式（2.1）的基础上可以得到计算空间单闭链机构自由度的公式：

（2.2）

理论上，不仅空间单闭链机构的自由度可以用式（2.2）计算，平面单闭链机构的自由也可以用式（2.2）可计算得出，但某些特殊机构中的公共约束m的值不容易确定。对于这些特殊机构，需要引入螺旋理论来改进机构自由度的算法。

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