一种基于喷水推进器的矢量控制装置的制作方法

本发明涉及一种基于喷水推进器的矢量控制装置，属于船舶工业技术领域。

背景技术：

喷水推进器其喷口作为船舶的操纵面，要求喷口按船舶航行需要进行偏转，以产生控制船舶所需的操纵力及力矩，喷口在高压、高交变载荷下进行工作，自喷水推进器诞生起，对各种矢量喷口装置进行大量研究，主要有箱形喷口装置和球面喷口装置两种。箱型喷口不改动喷水推进器原有固定喷口，只在推进器外侧加装箱形转动的折流箱体，但机械结构复杂，重量大，外部轮廓大；球面喷口装置采用球形转动调节结构，取消从喷口圆形过渡到出口矩形所需的独立过渡段，但对加工要求大，对密封要求高。针对现有矢量喷水推进装置调节能力有限，加工复杂密封要求高等现状，有必要发明一种矢量喷水推进装置来提高喷水推进器推进效率和转向响应速度，减少喷水推进器出水口的能量损失。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有矢量喷水推进装置调节能力有限，加工复杂密封要求高等问题，提出一种基于喷水推进器的矢量控制装置，该装置通过液压驱动系统控制折流板的转动，从而实现精确改变喷水推进器出口水流方向的目的，进而实现船舶在水面行驶的姿态控制。本发明能够应用于船舶工业技术领域、水陆两栖车辆技术领域。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明通过液压驱动系统控制折流板的转动，从而实现改变喷水推进器出口水流方向的目的，进而实现船舶在水面行驶的姿态控制。本发明能够应用于船舶工业技术领域、水陆两栖车辆技术领域。

一种基于喷水推进器的矢量控制装置，包括：喷口法兰盘、折流板、折流板支座、转动轴、方向控制连杆、执行连杆和液压驱动组件。

所述喷口法兰盘按照国家标准要求的尺寸、公差范围等生产，用于同船舶喷水推进器管路尾端连接，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起完成连接；

所述折流板布置在喷水推进器喷口喷射流出口，安装于所述喷口法兰盘出口外端，折流板与转动轴连接，折流板可绕轴旋转；所述折流板尺寸的计算方法如下：：

折流板主要的参数有长d1，宽d2，高d3，折流板长d1可按照下述公式确定，

d1＝1.14d-76.6(1)

式中d为与矢量控制装置配对安装的喷水推进泵管路直径，由于管道内体积流量q、流速v与管道直径d存在下述关系：

式中a为过流断面的面积，上式物理意义为体积流量为通过该截面的平均流速与截面面积的乘积；

故有

本发明矢量控制装置折流板长d1可根据式(1)与配套的喷水推进泵管路直径快速确定，也可根据式(3)由管道流量与流速得出，d1参数设计方便快捷，可大大节省折流板设计周期，且得到的折流板性能较佳；

折流板长d2下限主要取决于折流板的结构强度，其数值应不小于0.04d，同时考虑到流动损失，尺寸应不大于0.4d，即d2＝(0.04～0.4)d，得到的d2可满足折流板结构强度要求，保证矢量控制装置工作过程中折流板不受破坏；

折流板高d3大小受管路尺寸限制与结构干涉影响，其数值应不大于0.4d，即d3≤0.4d，这样设计的好处是折流板数量增多后不会发生结构干涉，各个折流板能够独立工作不受其它影响；

所述折流板支座底部设置两个螺纹孔，通过螺栓固连在喷口法兰盘出口外端；

所述转动轴一端通过销与折流板连接，另一端与方向控制连杆销连接；

所述执行连杆通过孔与方向控制连杆进行连接，执行连杆与孔的连接采用滑动连接以保持执行连杆径向固定、轴向保持自由度，执行连杆的作用是将方向控制连杆与液压驱动组件相连接；

液压驱动组件由两套型号相同的液压驱动系统组成，液压驱动系统对称地安装在船舶出水口的两端，液压驱动系统主要由液压泵、液压缸、单向阀、伺服阀、执行连杆、方向控制连杆和溢流阀等组成。采用液压驱动组件可以使方向控制连杆一端受拉力的同时，另一端受压力，更快地实现折流板的转动，从而实现精确改变喷水推进器出口水流方向的目的，进而实现船舶在水面行驶的姿态控制。

工作方式：控制器初始化并每隔一定时间从折流板转角传感器获得当前的折流板转角，控制器接收发送来的控制指令并比较期望折流板转角与当前实际折流板转角的大小，若期望折流板转角大/小于当前实际折流板转角，则液压泵将液压能转换为驱动执行连杆运动的机械能，执行连杆的运动使得方向控制连杆两端受方向相反的力，受力后方向控制连杆会发生绕质心位置的转动，而方向控制连杆又在质心位置处与转动轴通过销连接，从而带动转动轴发生转动，转动轴通过销连接与折流板配合，当转动轴发生转动时，折流板随之发生绕转动轴轴心的转动，从而改变喷水推进器出口处的水流运动方向。

有益效果：

1、本发明的一种基于喷水推进器的矢量控制装置，不同于传统的矢量控制装置，结构轻便，空间占用小，制造成本低；

2、本发明的一种基于喷水推进器的矢量控制装置，可减少折流板设计周期，满足折流板结构强度要求，保证矢量控制装置工作过程中折流板不受破坏，且设计出的折流板可精确改变喷水推进器出口水流方向，进而实现船舶在水面行驶的姿态控制；

3、本发明的一种基于喷水推进器的矢量控制装置，转向响应速度快，可以通过推力方向的主动控制，实现船舶快速机动；

4、本发明的一种基于喷水推进器的矢量控制装置，通用性强，可根据喷水推进泵管道直径或管道内流速快速确定折流板尺寸，操作灵活有效，不影响整体直航速度；

附图说明

图1为本发明的实施例一种基于喷水推进器的矢量控制装置整体结构示意图；

图2为本发明的实施例一种基于喷水推进器的矢量控制装置主视图；

图3为本发明的实施例一种基于喷水推进器的矢量控制装置中折流板的几何参数示意图。

附图标记说明：1-喷口法兰盘、2-折流板、3-折流板支座、4-转动轴、5-方向控制连杆、6-执行连杆、7-液压驱动组件。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如附图1所示，本发明提供了一种基于喷水推进器的矢量控制装置，该装置通过液压驱动系统控制折流板的转动，从而实现精准改变喷水推进器出口水流方向的目的，进而实现船舶在水面行驶的姿态控制。

一种基于喷水推进器的矢量控制装置，包括：喷口法兰盘1、折流板2、折流板支座3、转动轴4、方向控制连杆5、执行连杆6和液压驱动组件7。

所述喷口法兰盘1按照国家标准要求的尺寸、公差范围等生产，用于同船舶喷水推进器管路连接，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起完成连接；

所述折流板2由四个转向折流板两两对称设置而成，布置在喷水推进器喷口喷射流出口，安装于所述喷口法兰盘1外端，折流板2与转动轴4连接，折流板2可绕轴旋转，考虑到实际使用需求，折流板的最大偏转角度为20°，所述折流板尺寸的计算方法如下：：

折流板2主要的参数有长d1，宽d2，高d3，圆角半径r，这里主要对前三个参数进行说明，圆角半径r对折流板性能影响较小，设计成圆角的主要目的是为了防止应力集中，对折流板的结构强度造成不利影响，这里圆角半径r取2mm。

折流板2长d1可按照下述公式确定，

d1＝1.14d-76.6(1)

其中d为与矢量控制装置配对安装的喷水推进泵管路直径，本发明矢量控制装置折流板2长d1可根据式(1)与配套的喷水推进泵管路直径快速确定，在本实施例中与之配套的喷水推进泵管路直径为100mm，故d1＝36mm；

折流板2长d2大小主要取决于折流板的结构强度，其数值应不小于0.04d，同时考虑到流动损失，尺寸应不大于0.4d，即d2＝(0.04～0.4)d，这里取d2＝0.05d＝5mm；

折流板2高d3大小受管路尺寸限制与结构干涉影响，其数值应不大于0.4d，即d3≤0.4d，这里取d3＝0.35d＝35mm；

所述折流板支座3底部设置两个螺纹孔，通过螺栓固定连接在喷口法兰盘1外端；

所述转动轴4一端通过销与折流板连接，另一端与方向控制连杆5通过销连接；

所述执行连杆6通过孔与方向控制连杆5进行连接，执行连杆6与孔的连接采用滑动连接以保持执行连杆6径向固定、轴向保持自由度，执行连杆6的作用是将方向控制连杆与液压驱动组件相连接；

液压驱动组件7由两套型号相同的液压驱动系统组成，液压驱动系统7对称地安装在船舶出水口的两端，液压驱动系统7主要由液压泵、液压缸、单向阀、伺服阀、执行连杆6、方向控制连杆5和溢流阀等组成。采用液压驱动组件可以使方向控制连杆5两端受方向相反的力，更快地实现折流板2的转动，从而实现改变喷水推进器出口水流方向的目的，进而实现船舶在水面行驶的姿态控制。

工作方式：以10°转向为例，控制器初始化并每隔10ms从折流板转角传感器获得当前的折流板转角，初始工作状态折流板转角为0°，船舶通过控制台发出转向控制信号va，控制器接收发送来的控制指令并比较期望折流板转角10°与当前实际折流板转角的大小，通过与反馈信号vb进行比较之后，期望折流板转角大于当前实际折流板转角，信号通过伺服放大器放大传输给伺服阀。伺服阀接收到相关控制信号后，调节控制液压系统的液压缸进行直线运动，液压缸的直线运动通过执行连杆6传输给方向控制连杆5，执行连杆6开始运动，两侧执行连杆左侧伸长2.1mm，右侧缩短2.1mm，方向控制连杆5通过在质心位置与转动轴5连接使转动轴4发生绕质心位置的转动，从而带动转动轴4转动。转动轴4通过销连接与折流板2配合，当转动轴4发生转动时，折流板2发生绕转动轴4的转动，从而调整折流板2的方向向右偏转10°，当折流板2转动到期望折流板转角时，传感器输出的反馈信号与输入的控制信号一致，转向动作结束，折流板2停止转动。完成转向后执行连杆复位，船舶继续直航。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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