擺線推進器結構及其應用研究

摘 "要：隨著交通強國和海軍工程裝備的發(fā)展，船舶動力裝置扮演著越來越重要的角色。相較于其他推進器，擺線推進器不需船舵控制，操控性能好，控制精準，優(yōu)點突出。因此，研究高性能的具有實際應用價值的擺線推進器具有重要意義。然而，目前對擺線推進器的研究相對較少。該文系統(tǒng)綜述擺線推進器的國內外研究進展和生產制造情況，分析比較行星式凸輪式、偏心盤-滑塊-連桿式、平面六連桿式及步進電機式不同結構的擺線推進器，并提出一種新的擺線推進器結構的優(yōu)化版本，對擺線推進器的優(yōu)點進行探究，闡述擺線推進器在兩棲航行器領域的應用。

關鍵詞：擺線推進器；兩棲航行器；機械結構；船舶工業(yè)；船舶智能化

中圖分類號：TK05 " " " 文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0001-06

Abstract： With the development of traffic power and naval engineering equipment， ship power plant plays a more and more important role. Compared with other thrusters， the cycloidal thruster does not need rudder control， and has good handling performance， accurate control and outstanding advantages. Therefore， it is of great significance to study the high-performance cycloidal thruster with practical application value. However， at present， the research on cycloidal thruster is relatively few. This paper systematically summarizes the research progress and manufacturing situation of cycloidal thruster at home and abroad， analyzes and compares the cycloidal thruster with different structures of planetary cam type， eccentric disc-slider-connecting rod type， planar six-link type and stepping motor type， and puts forward an optimized version of a new structure of cycloidal thruster， probes into the advantages of cycloidal thruster， and expounds the application of cycloidal thruster in the field of amphibious aircraft.

Keywords： cycloidal thruster; amphibious vehicle; mechanical structure; shipbuilding industry; ship intelligence

隨著世界各國對海洋重視程度的逐漸加深，船舶作為海上交通工具的重要性日益凸顯。隨著經濟發(fā)展船舶載重量提升，適用環(huán)境要求提高，對船舶推進器要求更高。然而，傳統(tǒng)的船舶推進器大多使用普通的螺旋槳推進。但螺旋槳推進器有著操縱性能不足、噪聲大等缺點。與其他推進器相比，擺線推進器有著操縱性能好、響應速度快、控制精準等優(yōu)點。德國的Voith公司對擺線推進器行業(yè)的壟斷，已嚴重制約了我國對擺線推進器的研究與發(fā)展?！洞肮I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》指出，提高動力和通導系統(tǒng)集成供貨能力。完善關鍵設備二輪配套體系，盡快形成核心部件的國產化設計和配套能力。隨著我國海南自由貿易島的建立，以及我國當下以航空母艦為主的海軍工程裝備的提升，開發(fā)高性能的具有自主知識產權的擺線推進器具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 "國內外研究進展

1.1 "實驗技術研究進展

1921年，Dirk[1]在美國申請了第一個直翼擺線推進器發(fā)明專利。隨后該專利被德國Voith公司購買并繼續(xù)研究。1969年，美軍公開了報告《Experimental Performance and Steering Characteristics of Cycloidal Propellers》[2]成為了最早公開的詳盡的實驗室資料。

國內由對擺線推進器的研究起步較晚，1982年哈爾濱船舶工程學院的朱典明教授最先開始研究。由于谷口中發(fā)展的計算擺線推進器性能的方法在大進速系數和大偏心率時不夠準確，朱典明教授[3]在谷口中方法的基礎上作了改進，改變了葉片的拱度和零升力角。1984年吳鴻遇教授與朱典明教授[4]共同提出了葉片運動中存在一個恒定最佳攻角的理論，并推斷最佳恒攻角運動可獲得最佳效率。1985年，王振邦[5]對Voith-Schneider推進器進行了理論分析，指出VSP機構實際是以雙曲柄四桿機構為基礎加一個二支組而形成可調支座的六桿機構，同時給出了該機構存在的幾何條件及該六桿機構作整周旋轉所必須具備的條件。2011年，施科益[6]提出了一種基于步進電機的新型擺線推進器控制系統(tǒng)，并以實驗數據驗證了直翼擺線推進器的水動力性能理論分析結果。2013年，陳先進[7]提出了一種基于曲柄滑塊機構的螺距連續(xù)可調的擺線推進器結構設計。2015年，樊亞容[8]提出了一種基于平面六桿機構的新型擺線推進器設計方案，并開發(fā)了基于LabVIEW的新型擺線推進器控制系統(tǒng)。

1.2 "生產制造情況

20世紀20年代，美國海軍率先將擺線推進器應用于船舶工業(yè)。隨后德國也開始了對擺線推進器應用的研究。德國Voith公司率先研制出了Voith-Schneider推進器（圖1）[9]，采用六桿曲柄連桿式機構，可調螺距，并利用CFD等工具優(yōu)化了結構?；赩SP的成功，Voith公司又研制了Voith Cycloidal Rudder。VCR只有2個葉片，但有2種運動狀態(tài)，所以VCR的操控性能更好。VSP和VCR進一步提升了擺線推進器的實際應用價值。Voith公司的推進器因其可靠性高、維護要求低，符合實際生產應用要求，至今仍暢銷世界，壟斷市場，間接制約了我國擺線推進器的發(fā)展。

當前，中國的造船總量很大，但我國對擺線推進器的生產和應用都很少。杭州現(xiàn)代船舶設計研究有限公司曾自主設計過直翼擺線推進器，并應用于觀光客船上，但由于技術不夠成熟，客船的航速也普遍偏低，并沒有很好的實際應用效果。

2 "擺線推進器的結構

2.1 "偏心凸輪式

1983年，哈爾濱工程大學的王振邦教授[10]提出了周轉擺桿式平板凸輪（圖2）的設計理念，同時也對偏心凸輪的設計步驟進行了優(yōu)化。周轉擺桿式平板凸輪的關鍵技術難點在于凸輪的設定，凸輪的周轉能夠使槳葉按照偏心凸輪所預先設計的形狀運動，并通過偏心凸輪的不同形狀設計，進而實現(xiàn)在復雜的曲線運動下對每個槳葉的控制。

1984年，馬慶位[11]、蘇玉民[12]正式將周轉式偏心凸輪的設計應用到了擺線推進器上，實現(xiàn)了擺線推進器于偏心凸輪的結合，并對于偏心盤式擺線推進器進行了水動力性能分析及研究，以及在不同的葉片數目下，通過偏心凸輪結構的改變實性能的優(yōu)化。但是這種結構也存在一定缺點。

1）凸輪式擺線推進器雖結構簡單，且在運動過程中對每個葉片的控制也足夠精確，但在其高速旋轉時，每個葉片需要由彈簧拉緊與偏心凸輪貼合，通過偏心凸輪的形狀控制其在實際使用中的角度，可是在長時間的使用下，偏心凸輪很容易因磨損使形狀發(fā)生改變，從而造成對葉片的控制精度大幅下降，進而影響擺線推進器的工作效率，很難使其性能達到最大化，大大降低了凸輪式擺線推進器的使用壽命。

2）凸輪式擺線推進器的螺距是不可調節(jié)的，即偏心率為固定值，只能通過改變整體的轉速調節(jié)推力的大小，且一種偏心凸輪只能實現(xiàn)一種運動規(guī)律，使其無法應對多種環(huán)境， 這無疑與擺線推進器靈活多變的設計初衷相背離，使凸輪式擺線推進器具有很大的局限性。

2.2 "偏心盤-滑塊-連桿式

在1997年，哈爾濱工程大學的張洪雨博士等[13]就對凸輪式擺線推進器進行了優(yōu)化與改進，在國內的擺線推進器發(fā)展上取得了重要的突破。其所設計的偏心盤-滑塊-連桿機構（圖3）在原有的凸輪式擺線推進器基礎上添加了滑塊與連桿，使偏心盤能夠在滑塊和連桿機構上運動，實現(xiàn)了偏心盤和會轉倉的同步轉動，以及螺距可調和偏心率的改變。與上一代的螺距不可調的凸輪式擺線推進器相比，這種結構增加了機構的靈活性，并完全可實現(xiàn)傳統(tǒng)擺線推進器的“法線相交定律”，即擺線推進器葉片弦線的垂線始終與控制點相交，以及在不同的進速下實現(xiàn)對各個方向較大推力的提供。

雖然此機構較上一代凸輪式擺線推進器已經有了較大的提升，但因其使用了較多的滑塊與連桿，結構相較于上一代復雜程度增加，生產制作與維修難度加大。同時滑塊與連桿之間的相對滑動增加，使得擺線推進器在實際使用過程中摩擦力大大增加，減小了擺線推進器的的工作效率，也產生了更大的噪聲，還有待進一步的優(yōu)化。

2.3 "平面六連桿式

如圖4所示，A點固定在偏心盤上隨偏心盤一起作平面運動，B為軸套，可在連桿AC上自由滑動，F(xiàn)為固定點，連桿BF連接軸套可繞F點做圓周轉動，C、E兩點為動點，E處連接槳葉。當偏心盤受控移動時，經過六連桿結構的傳動，槳葉會繞其自身轉軸轉過一定角度，從而實現(xiàn)擺線推進器產生推力方向的改變。

2.4 "步進電機式

浙江大學施科益[6]研究設計了一款基于步進電機式的擺線推進器（圖5），該機構的每一個槳葉由單獨的步進電機控制其自轉，避免了復雜的傳動機構的設計，但由于存在多個步進電機，需要十分復雜的協(xié)調控制程序，且容易出現(xiàn)故障。

2.5 "擺線推進器結構的優(yōu)化設計

在擺線推進器領域，六連桿式擺線推進器依舊是結構最為優(yōu)異的存在，本文根據擺線推進器的設計原理，對擺線推進器結構進行了優(yōu)化與改進，提出了一種新的機械結構，新型結構如圖6所示。

首先本文依舊使用六連桿式擺線推進器的結構（圖7），其中O點為坐標原點，O1點為偏心點，OO1、O1P、PQ、QW、WO、MN 6個連桿構成擺線推進器的平面六連桿機構。在圖中OO1代表偏心距；連桿MN代表結構1，其中N點為平面固定點，M點為平面自由點，具有1個平面自由度；連桿O1P、PQ分別代表結構2、3，O1、P、Q均為平面自由點，則具有3個自由度；連桿QW代表結構4，W為固定點，也只具有1個平面自由度。當六連桿結構的偏心距發(fā)生改變時，六連桿機構在運動中可以始終保持葉片弦線的垂線始終經過偏心點的特點，即“法線相交定律”。

此類結構雖結構較為復雜，但是結構緊密，不存在滑塊與導軌結構，在長時間的高速運轉下更具有穩(wěn)定性。同時六連桿結構具有偏心率放大的作用，再實際使用中，其在偏心點小幅度的移動下便可以實現(xiàn)螺距的較大改變，減少了結構之間的相對滑動，降低摩擦力增加使用效率的同時，也增加了擺線推進器的使用壽命。

在對于擺線推進器偏心軸的控制上，采用蝸輪蝸桿-滑塊滑桿結構（圖8）。

其中四周的框架使用蝸桿結構，蝸輪與滑桿相連接，并與蝸桿相嚙合，滑塊可以在滑桿上自由滑動，實現(xiàn)對于偏心桿頂端的控制。本文可以將整個控制結構的中心點記為坐標原點O，滑塊的中心位置記為O1，把O點與O1點重合時記為控制系統(tǒng)的初始位置，以2個滑桿在初始位置時建立平面直角坐標系，則在控制系統(tǒng)工作時，隨著伺服電機的轉動，具有2個自由度的O1點在2個滑桿的帶動下，實現(xiàn)著X與Y坐標的改變，當系統(tǒng)停止時，O1點的坐標也隨之確定。偏心桿頂端的位置隨O1改變時，即可完成對六連桿結構的偏心距改變。

同時，控制系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿結構還利用了其自鎖的優(yōu)點，在完成對偏心桿的位置改變后，即使當伺服電機停止工作時，O1點的坐標在蝸輪蝸桿結構的自鎖控制下也不會發(fā)生位置的改變，增加了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

但因偏心軸的結構設計問題，在對偏心桿進行偏心的控制操作時，偏心桿的頂端并不是在水平面內運動，而是以偏心桿中心的球軸為球心，以二分之一桿長為半徑的球面內運動，所以在偏心桿的頂端和底端分別安裝了一個萬向節(jié)，并與控制系統(tǒng)的滑塊套在一起，當偏心點的位置發(fā)生改變時，可以通過萬向節(jié)在滑塊內部的軸向移動實現(xiàn)對偏心桿的軸向補償，從而實現(xiàn)對于偏心位置的精準控制。

3 "擺線推進器的優(yōu)點探究

當前大多數普通船舶的推進器都采用螺旋槳推進器，其有著結構簡單、造價成本低、操控簡易等優(yōu)點，能夠滿足大多數領域的需求。但在特殊領域，尤其是無人船、節(jié)能環(huán)保船方面，由于螺旋槳推進器操作和控制性能不足，產生推力方向單一，靈活度低，難以實現(xiàn)艦艇前進、后退、橫向移動、原地回轉和急停等復雜運動，滿足不了現(xiàn)如今新型船舶的需求。而擺線推進器與之相反，雖然結構復雜，但是其有著極其優(yōu)越的操控性能，可以在不改變回轉箱轉速、不依靠舵機的情況下，單體提供360°范圍內的推力，并且可以實現(xiàn)推力大小的無極變換，如此性能優(yōu)越，反應靈敏的擺線推進器可以支撐各種新型船舶實現(xiàn)各種復雜的運動。除此之外，應用擺線推進器還可以增加船舶故障容錯率，在船舶推進器發(fā)生故障之時，僅依靠一個擺線推進器便可實現(xiàn)船舶的正常航行。當前擺線推進器主要廣泛應用于各種對于機動性和操作性的要求非常高的船舶，如拖船、豪華游艇、水上浮吊和鉆井平臺供應船（PSV）等，當然，在無人船領域，擺線推進器也有著非常廣闊的前景。

3.1 "低轉速下提供大推力

擺線推進器不僅葉片推水面積約為螺旋槳的2倍，而且相比于螺旋槳，擺線推進器有著更大的有效攻角，這大大提高了推進器的效率。在相同情況下，擺線推進器的轉速只有螺旋槳轉速的20%，一般情況下，擺線推進器的轉速大概只有螺旋槳轉速的20%，這一特點就使得擺線推進器擁有以下優(yōu)點。

1）更長的使用壽命，低轉速使得推進器各個部件受損程度降低，大大延長了使用壽命。

2）高效率低耗能，推進器葉片有效攻角的提高，大大提高了能源使用效率，降低了船舶能耗。擺線推進器是一種綠色環(huán)保的推進器。

3）低噪音，低轉速造就了擺線推進器低噪音的特性，這也使得擺線推進器擁有了更廣闊的應用前景，例如勘探科考船、軍事艦艇等。

4）高安全系數，低轉速推進器在安全方面有些天然的優(yōu)勢。

3.2 "優(yōu)異的操控性能和機動性

擺線推進器葉片繞中心軸線圓周運動的同時還繞葉片的軸線按一定規(guī)律轉動，即擺線推進器的葉片既有繞中心軸線的公轉又有繞自身轉軸的自轉。只要改變控制點（偏心點）N的位置就可改變每個葉片的擺動規(guī)律，進而可實現(xiàn)水平360°范圍連續(xù)改變推力的大小和方向。從而可實現(xiàn)船舶的前進、后退、橫向移動、原地回轉和急停等各種復雜運動。

如圖9[14]和圖10[15]所示，對于每一個單獨的葉片，控制控制偏心點N的位置，可以實現(xiàn)在360°范圍內改變每一個葉片產生的推力方向，從而實現(xiàn)航形體前進、后退、橫向移動、原地回轉、急停和轉向等航行狀態(tài)的切換。其次通過改變偏心點N處的偏心率，還可以改變擺線推進器整體的推水效率，從而實現(xiàn)改變航行速度的功能。

4 "基于擺線推進器的兩棲航行器的應用研究

4.1 "基于擺線推進器的兩棲航行器結構

由于擺線推進器結構、驅動方式與車輪的相通性，可以將兩者一體化，打造一種基于擺線推進器的水陸兩棲航行體。如圖11所示，本文兩棲航行器的結構主要包括船體、2對擺線推進器等其他基礎結構。如圖12[16]所示，傳統(tǒng)的兩棲航行體通過“輪胎＋螺旋槳”或“輪胎＋噴氣式推進器”兩套動力系統(tǒng)來分別實現(xiàn)水陸兩棲的航行功能，并且在水中航行時還需要通過舵機來控制方向。這樣的系統(tǒng)非常繁瑣，而且需要耗費大量材料。而基于擺線推進器的兩棲航行體僅需要2對擺線推進器便可以代替上述傳統(tǒng)模式的2套動力系統(tǒng)。依靠調節(jié)每一個擺線推進器偏心點的位置，改變其推水效率和推力方向，便可實現(xiàn)前進、后退、橫向移動、原地回轉、急停等復雜功能。

4.2 "基于擺線推進器的兩棲航行器的動力控制系統(tǒng)

如圖13所示，兩棲航行器的偏心桿驅動系統(tǒng)采用單片機作為控制模塊，伺服電機作為動力供應單元，伺服電機通過電機驅動器實現(xiàn)其轉速、旋轉方向的控制。單片機模擬量輸出控制電機速度，單片機開關量輸出控制伺服電機旋轉方向。電機的轉動信息再通過旋轉編碼盤反饋給單片機控制系統(tǒng)。通過這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)對偏心點位置的控制，達到改變兩棲航行器速度、方向的功能。

5 "結論

本文系統(tǒng)論述了擺線推進器的研究進展、結構和優(yōu)點，優(yōu)化設計了擺線推進器的六連桿結構及其他基礎結構，簡要分析了擺線推進器在兩棲航行器方面的應用以及其控制系統(tǒng)。本文的主要研究內容如下。

1）簡述了擺線推進器的研究進展。

2）分析了現(xiàn)有擺線推進器的各種機械結構。

3）優(yōu)化設計了擺線推進器的六連桿結構、偏心桿控制機構及其他基礎結構，并在結構中應用了施密特平行聯(lián)軸器。

4）闡述了擺線推進器的優(yōu)勢及應用前景。

5）闡述了擺線推進器在兩棲航行器方面的應用及其控制系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] DIRK J， TORSTEN M. Cycloidal Rudder and Screw Propeller for VeryManoeuvrable Combatant[R]. London： The Royal Institution of Naval Architects Institute ofDirectors， 2001.

[2] NORMAN L F， MARY C D. Experimental Performance and Steering Characteristics of Cycloidal Propellers [R].1969.

[3] 朱典明.擺線推進器的理論計算方法[J].哈爾濱船舶工程學院學報，1982（1）：1-27.

[4] 吳鴻遇，朱典明.恒攻角擺線推進器的最佳效率[J].哈爾濱船舶工程學院學報，1984（2）：1-7.

[5] 王振邦.擺線推進器機構的研究——VSP機構分析[J].船工科技，1985（1）：35-43.

[6] 施科益.基于步進電機的新型直翼擺線推進器研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[7] 陳先進.擺線推進器結構及性能優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[8] 樊亞容.一種新型擺線推進器系統(tǒng)的研制及其性能測試[D].杭州：浙江大學，2015.

[9] 金鵬程.擺線推進器系統(tǒng)研究及其應用[D].杭州：浙江大學，2017.

[10] 王振邦.周轉擺桿平板凸輪設計[J].船工科技，1983（2）：39-45.

[11] 馬慶位.可調角直葉水輪機的性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，1984．

[12] 蘇玉民.擺線推進器葉片展弦比對其性能的影響之探討[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，1984．

[13] 張洪雨，徐玉如，黃薇莉，等.擺線推進器水動力性能研究[J].海洋工程，1998（3）：27-35.

[14] 劉文濤，劉志華，駱飛洋.兩種運動方式的直翼推進器水動力性能比較[J].推進技術，2022，43（5）：391-403.

[15] 黃璐，曾柯，宋明太，等.直翼推進器誘導的船體表面脈動壓力預報方法研究[J].中國造船，2021，62（1）：72-79.

[16] 厲偉.水陸兩用車后懸架結構設計與仿真分析[D].濟南：山東交通學院，2021.