磁力傳動(dòng)動(dòng)力船的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃明喆

摘 要：在傳統(tǒng)的船體設(shè)計(jì)過程中，推進(jìn)機(jī)構(gòu)與螺旋槳直接鏈接的模式容易產(chǎn)生傳動(dòng)軸和密封圈磨損以及船體設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜等一系列問題，通過中學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)，受磁懸浮列車行駛原理的啟發(fā)，創(chuàng)造性的提出了發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的分離傳動(dòng)的構(gòu)想，并用簡(jiǎn)單的材料制作和實(shí)現(xiàn)了該裝置。

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)作用；非接觸傳動(dòng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

2012年6月27日11時(shí)47分，我國(guó)自主研發(fā)的蛟龍?zhí)栞d人潛水器再次刷新“中國(guó)深度”——下潛7062米，這標(biāo)志著中國(guó)具備了載人到達(dá)全球99.8%以上海洋深處作業(yè)的能力，備受世界矚目。2013年6-9月，蛟龍?zhí)栭_啟首次試驗(yàn)性應(yīng)用航行，成功帶著多位科學(xué)家完成多次下潛任務(wù)。蛟龍?zhí)柍晒螅覈?guó)載人潛水器研制開始向兩個(gè)方向發(fā)展：一是量產(chǎn)可達(dá)4500米級(jí)的潛水器，其具有更廣泛的科學(xué)應(yīng)用市場(chǎng)；二是在我國(guó)尚屬研制空白、但技術(shù)要求更高的11000米全海深的第三代載人潛水器展開研制。當(dāng)蛟龍?zhí)栂聺摰缴詈＿^程中，可以想象那是要承受著多大的海水壓力了，船體的設(shè)計(jì)來不得半點(diǎn)馬虎，可以說船體只要有一絲縫隙或者一點(diǎn)強(qiáng)度不足就可能導(dǎo)致毀滅性的后果，在蛟龍?zhí)柾七M(jìn)器方面還是采用的傳統(tǒng)的推進(jìn)方式，既用電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸穿過船體帶動(dòng)螺旋槳這種方式。這種傳動(dòng)方式普遍應(yīng)用在各類船只上，但是它們都有一些比較共性的缺點(diǎn)：（1）為了達(dá)到防水防壓的目的通常采用密封圈直接接觸式密封的方法，而這種方式造成了傳動(dòng)軸與密封圈之間的摩擦力較大，使傳動(dòng)效率降低，同時(shí)傳動(dòng)軸容易磨損密封圈，在使用一段時(shí)間后需要及時(shí)更換，浪費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力。（2）連接軸需要與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，需要通過傳動(dòng)軸穿過船體，導(dǎo)致船體的制作工藝復(fù)雜。同時(shí)，船體不封閉，容易受到外界擾動(dòng)，而發(fā)生漏水等事故。

1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)上述傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，我們通過課堂物理課程電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中，受磁懸浮列車的啟發(fā)，經(jīng)過仔細(xì)思考，該制作作品應(yīng)用磁場(chǎng)間的相互作用，設(shè)計(jì)出了一種新型的非接觸式傳動(dòng)裝置，使之能極大提高潛艇的下潛深度，并較好克服了以上缺陷。

1.1 基本思路

如圖1所示，首先制作4塊耦合磁片，2塊與電機(jī)相連，2塊與螺旋槳成對(duì)相連，然后制作支架，并將電機(jī)，螺旋槳分別固定于船身的內(nèi)外兩側(cè)，再調(diào)節(jié)磁片間的距離，使之內(nèi)外聯(lián)動(dòng)，最后固定距離。

1.2 物理原理

基于磁片間的磁場(chǎng)力的相互作用，使內(nèi)外聯(lián)動(dòng)，從而達(dá)到非接觸傳動(dòng)目的。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 材料設(shè)計(jì)

綜合上述物理原理，經(jīng)過多次考慮，設(shè)計(jì)出了一個(gè)磁力傳動(dòng)裝置，考慮到制作材料限制，設(shè)計(jì)出了一個(gè)簡(jiǎn)易裝置實(shí)現(xiàn)磁力傳動(dòng)。所用材料如表1所示。

表1 磁力動(dòng)力船所用材料

2.2 裝置設(shè)計(jì)

如圖2所示，由8片強(qiáng)磁構(gòu)成的2塊傳動(dòng)磁片（如圖1所示），分別置于船體的內(nèi)外兩側(cè)，磁片間的距離為10mm，船身和支架都為亞克力板制作。

圖2 磁力傳動(dòng)設(shè)計(jì)示意圖

2.3 裝置實(shí)物圖

按照上述設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用相關(guān)材料，裝配成功，如圖3所示。

圖3 磁力傳動(dòng)實(shí)物圖

3 裝置應(yīng)用

3.1 裝置的使用

當(dāng)接通3V-6V直流電源時(shí)，耦合情況良好，實(shí)現(xiàn)了初始的想法非接觸傳動(dòng)。并且通過裝置使用的現(xiàn)象，足以驗(yàn)證通過磁力達(dá)到傳動(dòng)效果的真實(shí)性和可靠性。當(dāng)提高主轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速時(shí)，從轉(zhuǎn)盤有最大轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)速有限），通過雙發(fā)傳動(dòng)的方式控制不同的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有效控制船體方向。

3.2 作品的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)

裝置現(xiàn)象明顯，傳動(dòng)效果好，設(shè)計(jì)思路清晰，充分驗(yàn)證了通過磁場(chǎng)力達(dá)到傳動(dòng)效果的真實(shí)性和可靠性，并直觀地體現(xiàn)了磁場(chǎng)間的相互作用。而且整套裝置采用透明材質(zhì)使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一目了然并且制作方便，可用于日常教學(xué)工作。裝置的應(yīng)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，在未來的工業(yè)，軍事方面前景廣闊。

4 結(jié)束語(yǔ)

一旦這種裝置運(yùn)用成熟，可以進(jìn)一步推廣到潛艇和深海探測(cè)器上。由于船體可以密封一體化，就可以改變潛艇的艇身的結(jié)構(gòu)，從而可以增加它們的下潛深度，有效地減少了深海海水的強(qiáng)大壓力對(duì)潛艇的傷害，同時(shí)對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)的要求也會(huì)大大降低。這不但進(jìn)一步提高了潛艇的隱蔽性，而且對(duì)整個(gè)船舶的動(dòng)力形式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]物理[M].人民教育出版社，2004.

[2]伽莫夫.物理世界奇遇記[M].科學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：黃明 （1998-），男，武漢人，武漢市第二中學(xué)高三（6）班學(xué)生。