浮島模型水下推進(jìn)器設(shè)計淺析

云鵬

摘 要：我國是海洋大國，海洋資源豐富。建造海上浮島的戰(zhàn)略意義開始被重視，其造價廉價、維護(hù)成本較低，利用范圍廣泛，未來能夠更好的為軍民所利用。作為浮島動力裝置的設(shè)計是浮島在海上運動所必不可少基本保證。因此通過研究浮島模型的推進(jìn)器設(shè)計，能夠更好的為浮島平臺的設(shè)計提供技術(shù)支持。本文中通過對浮島模型水下推進(jìn)器的槳的設(shè)計、電機(jī)選型、推力的試驗進(jìn)行了簡要的闡述。

關(guān)鍵詞：海上浮島 浮島模型 水下推進(jìn)器設(shè)計 推力試驗

中圖分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0125-02

海上浮島平臺完全可以作為大型海上機(jī)場，為各種類型的飛機(jī)提供快速起降的保障能力，也能為各種類型的船舶作為暫時停靠的港灣。因此，海上浮島平臺對中國海軍、民用上具有著重要的戰(zhàn)略意義。海上浮島就是防御力量，保護(hù)好自己的海域權(quán)益，這種裝備造價便宜，可以用在多個方面，屬于軍民兩用裝備，同時也是一種不錯的戰(zhàn)略武器。“海上浮島平臺”不具備航母強(qiáng)大的軍事打擊能力，但卻兼具機(jī)場、后勤基地、浮式碼頭等多種功能。還能發(fā)展為生活休閑基地和旅游度假基地。

1 設(shè)計需求

根據(jù)浮島模型運動需求，需要4臺水下推進(jìn)器給模型提供動力。每個推進(jìn)器包括螺旋槳、導(dǎo)流罩、推進(jìn)電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、防水外殼及其控制單元等。因此為滿足浮島模型上各動力、控制、測試系統(tǒng)，則提出以下技術(shù)要求：

（1）推進(jìn)電機(jī)4套。轉(zhuǎn)速1500～3000轉(zhuǎn)/分的調(diào)速直流伺服電機(jī)，電機(jī)扭矩不小于0.2N/m，功率為10～15W，能夠提供20N的推力；

（2）回轉(zhuǎn)電機(jī)4套。回轉(zhuǎn)電機(jī)保證推進(jìn)電機(jī)在水下進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)并且可以調(diào)節(jié)任意角度；

（3）控制系統(tǒng)及其供電系統(tǒng)一套。控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制，控制水下推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速及其回轉(zhuǎn)角度。供電系統(tǒng)則保障控制系統(tǒng)及其電機(jī)系統(tǒng)。

2 實施方案

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)

根據(jù)技術(shù)要求，每臺推進(jìn)電機(jī)需要提供20牛的推力。電機(jī)的推力則取決于螺旋槳在什么樣的轉(zhuǎn)速，多大的直徑，多少的螺距比下產(chǎn)生的推力最大，與電機(jī)配合的最好。

2.1.1 螺旋槳設(shè)計

螺旋槳葉數(shù)越少，效率越高，但振動越大，反之，效率越低，振動越小。三葉螺旋槳推進(jìn)速度要達(dá)到七葉螺旋槳推進(jìn)速度，轉(zhuǎn)速要高出10倍左右。螺旋槳直徑越大，轉(zhuǎn)速越低，效率越高，但是直徑過大會使得槳盤面處于平均伴流減小，總推進(jìn)效率會有所下降。在螺旋槳周圍，會加上一個環(huán)形套筒，稱為導(dǎo)管螺旋槳或涵道螺旋槳，導(dǎo)管剖面一般為機(jī)翼型或者折角型，導(dǎo)管主要有三個作用，一是給螺旋槳增加了一個保護(hù)罩，二是導(dǎo)管能加速水流并產(chǎn)生預(yù)旋，提高推進(jìn)效率，三能夠使得盤面處伴流更加均勻，從而提高效率，并且改善振動的影響。

在本文中，螺旋槳采用三葉槳，槳盤面直徑不大于115mm，質(zhì)量在100g左右。考慮浮島模型在12kn的阻力情況，每臺推進(jìn)器的推力不小于2kg。推進(jìn)器有效推進(jìn)功率P=7×0.5144×20=72W，假設(shè)效率為0.5，則螺旋槳收到的功率P（收）=144W，去軸系傳動效率為0.98，留10%功率損耗，則電機(jī)功率應(yīng)該為P（電機(jī)）=144/0.98/0.9=163W。單個螺旋槳在浮島模型速度在3.6m/s時能克服船體阻力大約為2KG，考慮推力減額和伴流分?jǐn)?shù)，選取伴流分?jǐn)?shù)為0.2，推力減額為0.3，即單個螺旋槳要滿足在實際流速為3.6*0.8=2.88m/s時，發(fā)出的推力至少為T=20/0.7=28.6N。

2.1.2 推進(jìn)電機(jī)選型

推進(jìn)器電機(jī)選用直流伺服電機(jī)，主要考慮伺服電機(jī)的精確調(diào)速優(yōu)勢，電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)為：額定轉(zhuǎn)速3000RPM，最大扭矩0.32Nm，額定功率100W，直流24V供電，直徑小于60mm，帶編碼器，推進(jìn)器控制上采用PWM脈沖占空比控制調(diào)速，占空比轉(zhuǎn)速范圍10%～90%對應(yīng)0～Max_Speed（0～3000），轉(zhuǎn)速精度可控制在1轉(zhuǎn)以內(nèi)。

2.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，閉環(huán)控制可以更好地對位置進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，能夠保證電機(jī)精確定位，絕不丟步。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，即具備低轉(zhuǎn)速高扭力的特點，回轉(zhuǎn)電機(jī)只保證角度，不要求速度，轉(zhuǎn)速保證在500RPM左右就足以滿足回轉(zhuǎn)的要求。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 動力控制系統(tǒng)

動力系統(tǒng)要求四臺推進(jìn)電機(jī)可以獨立控制，可以實現(xiàn)差動控制。四臺回轉(zhuǎn)電機(jī)也要求獨立控制，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)角差動控制。

浮島模型推進(jìn)器方向旋轉(zhuǎn)控制，要求推進(jìn)器能實現(xiàn)360°范圍的旋轉(zhuǎn)，同事要求保證轉(zhuǎn)速、角度的精確控制，控制方式選用正交指令脈沖位置控制方式，通過控制發(fā)射脈沖個數(shù)實現(xiàn)角度位置的精確控制。

2.3.2 遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

地面站系統(tǒng)由控制電腦、運動控制卡、多通道信號發(fā)射機(jī)組成，模型接收控制系統(tǒng)則由多通道信號接收機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動器組成，動力系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)角伺服電機(jī)、推進(jìn)伺服電機(jī)、螺旋槳和蓄電池組成。系統(tǒng)工作方式：首先由控制電腦通過運動控制卡發(fā)出8路脈沖信號，其中4路PWM脈沖用于控制4臺推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，4路脈沖用于控制回轉(zhuǎn)電機(jī)的運動，8路信號互不干擾通過多通道信號發(fā)射機(jī)發(fā)送至浮島模型上的多通道信號接收機(jī)，將信號傳輸至伺服電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動器控制伺服電機(jī)完成運動。

3 試驗

浮島模型水下推進(jìn)器研制開發(fā)完成以后，需要對其進(jìn)行相關(guān)試驗，以驗證其性能與可靠性。

3.1 密封試驗

將水下推進(jìn)器安裝完畢，沉放入水中2～3h，根據(jù)現(xiàn)場可以看到進(jìn)水留下的痕跡，不僅顯示了進(jìn)水位置還可以估計進(jìn)水劇烈程度。是推進(jìn)器高速轉(zhuǎn)動持續(xù)15～30min，觀察轉(zhuǎn)動過程有無進(jìn)水的情況。本研發(fā)過程中多次試驗，殼體內(nèi)部并沒有浸水，從而肯定了水下推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)是可靠的。

3.2 拉力試驗

分別對每一臺推進(jìn)器進(jìn)行拉力試驗。調(diào)整每個螺旋槳的轉(zhuǎn)速，記錄各不同轉(zhuǎn)速下推進(jìn)器的拉力測量值。在試驗過程中，測試的4臺推進(jìn)器的拉力在螺旋槳轉(zhuǎn)速為2500RPM時，拉力值都在2.4kg左右，從而滿足了浮島模型所需要的推力。

3.3 操控性試驗

操控性試驗選擇在長度為60m，寬度為60m的開闊水池試驗室中進(jìn)行。確保浮島模型在運動過程中的有效的運動距離和回轉(zhuǎn)半徑。

3.3.1 推進(jìn)試驗

分別調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使浮島模型從靜浮狀態(tài)加速至不同的航速，通過GPS記錄在不同轉(zhuǎn)速下，浮島模型的不同的速度。

3.3.2 回轉(zhuǎn)試驗

調(diào)整每臺回轉(zhuǎn)電機(jī)的角度，在不同的角度下，測得浮島模型在不同航速下的回轉(zhuǎn)半徑和回轉(zhuǎn)周期。

4 結(jié)語

就目前國內(nèi)調(diào)查來看，在民用、軍用等各個方面，海面浮島平臺的設(shè)計工作已經(jīng)展開，通過研究浮島模型的動力系統(tǒng)為今后模擬浮島平臺動力系統(tǒng)的設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文中主要針對于浮島模型的動力裝置水下推進(jìn)器設(shè)計的研究，相關(guān)技術(shù)限于篇幅不能詳盡介紹。作為新型推進(jìn)系統(tǒng)之一，經(jīng)試驗表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，方案可行，研制出的裝置性能穩(wěn)定可靠，使其在試驗領(lǐng)域中的研究獲得更廣泛的應(yīng)用。

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