一种静液压驱动全回转舵桨与控制系统
技术领域
本实用新型属于中小型船舶领域。具体涉及一种静液压驱动全回转舵桨与控制系统。
背景技术
舵和桨是船舶推进系统的重要组成部分，桨给船舶提供前进动力，舵控制船舶的前进方向。全回转舵桨是一种可绕其垂直轴作360°回转的推进装置，通过调整舵的转动角度可以改变船舶螺旋桨的朝向，从而获得任意方向的推力，实现船舶的前进、倒退、横移。现有全回转舵桨传动结构复杂，转舵精确度不够高。船舶的操控易受风浪流等干扰，存在操控不精确等问题。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种静液压驱动全回转螺旋桨及其控制系统。
通过设计垂直齿轮轴，在垂直齿轮轴上套装转舵壳体，使得浆叶从动齿轮将动力传递给垂直齿轮轴，另外，通过将转舵从动组合齿轮的凸缘与转舵壳体螺栓连接，使得转舵从动组合齿轮的动力传递给转舵壳体，从而将动力传递给下齿轮箱，通过上述结构设计节省了舵桨安装空间，传动平稳传动效率高；
通过设计全回转螺旋桨推进辅助驾驶系统，通过舵角传感器、螺旋桨转速传感器的设计从而能够精确控制转舵角度，可以自动根据舵轮指令调节舵角，降低水流、风速对船舶行驶的影响，提高推进效率，可解决现有全回转舵桨传动结构复杂、舵角转向不精确等技术问题。
为了达到本实用新型的目的，本实用新型的技术方案是：
一种静液压驱动全回转舵桨，包括动力输入装置包括螺旋桨叶驱动传动装置和转舵驱动传动装置；所述螺旋桨叶驱动装置包括螺旋桨叶驱动液压马达，所述螺旋桨叶驱动液压马达通过第一凸缘联轴器与桨叶动力轴连接，桨叶动力轴上通过键连接有桨叶驱动齿轮，桨叶驱动齿轮与桨叶从动齿轮啮合，桨叶从动齿轮通过键安装在垂直齿轮轴上，所述垂直齿轮轴的末端安装有锥齿轮，锥齿轮与大锥齿轮啮合，大锥齿轮安装在水平齿轮轴上，水平齿轮轴上还设置有桨叶；所述转舵驱动传动装置包括摆线液压马达，所述摆线液压马达通过第二凸缘联轴器与减速机连接，减速机输出端与转舵输入轴连接，转舵输入轴上通过键连接有转舵驱动齿轮，转舵驱动齿轮与转舵从动组合齿轮啮合，转舵从动组合齿轮套装在第一承重轴承上，且第一承重轴承设置在垂直齿轮轴上，所述垂直齿轮轴外套装有转舵壳体，转舵从动组合齿轮上的凸缘通过螺栓与转舵壳体连接；所述转舵壳体末端通过螺栓连接到下齿轮箱上。
本实用新型的另一个技术方案为：
静液压驱动全回转舵桨的控制系统，包括全回转螺旋桨推进辅助驾驶系统；所述全回转螺旋桨推进辅助驾驶系统包括与主控制器均相连的航速传感器、航姿传感器、舵角传感器、螺旋桨转速传感器；所述主控制器通过航速传感器、航姿传感器、舵角传感器、螺旋桨转速传感器获得期望信号，并将获得航向偏角、舵偏角、螺旋桨转速、油压系统压力等参量显示在仪表盘上。
进一步的，所述舵角传感器经传感器支撑架安装在减速机上方，舵角传感器轴端通过平行切缝式联轴器与第二过渡轴连接，所述第二过渡轴设置在转舵输入轴上，舵角传感器用来检测舵桨偏离初始角度。
进一步的，所述螺旋桨转速传感器通过片式联轴器与第一过渡轴连接，所述第一过渡轴设置在垂直齿轮轴上，螺旋桨转速传感器用来检测螺旋桨转速。
进一步的，所述转舵输入轴通过舵轴轴承支撑，舵轴轴承通过舵轴轴承座安装在齿轮箱上箱体内。
进一步的，所述全回转螺旋桨推进辅助驾驶系统中，当摆线液压马达驱动转舵时，舵角传感器测得转舵输入轴的转角，通过减速比关系可知舵转角；当螺旋桨转动时，螺旋桨转速转速传感器测得垂直齿轮轴转速，根据传动比关系，可知螺旋桨转速。
进一步的，所述转舵壳体通过一对轴承第二承重轴承支撑定位。
进一步的，所述舵角传感器为多圈旋转编码器，通过检测转舵输入轴旋转圈数得到舵偏角大小，显示在仪表盘上。
静液压驱动全回转舵桨控制系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：当船开机时，安装在甲板上的航姿传感器先检测船体姿态，检测出船体偏向状态发送给主控制器，主控制器将相应信息显示在仪表盘上；
步骤二：舵角传感器检测转舵输入轴旋转角度及旋向并发送给控制器，控制器将相应信息显示在显示器，给驾驶员以参考；规定向左舷偏为正角度，向右舷偏为负角度；
步骤三：当驾驶员驾驶船舶时，根据步骤一和步骤二给的反馈信息决定转舵方向和角度；驾驶时，主控制器采集驾驶员操作舵轮的转角，根据标定好的舵轮转角与全回转舵的转角关系，计算出舵的目标转角θ；然后，控制器根据舵角传感器发送的舵角检测的实际转角θ1，将转向轴实际转角θ1与舵的目标转角θ作差得到角度偏差e(t)输入PID控制器，控制器通过控制比例阀调节流量大小，使实际舵角θ1跟踪目标转角θ，控制在转角精度范围内，提高推进效率。
相比现有技术，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型所述传动装置，将桨叶传动和舵转向传动集成在同一个齿轮箱里，并且桨叶从动齿轮和转舵从动齿轮垂直分布在垂直齿轮轴上，结构上更为紧凑，各个部件拆装方便，传动效率更高。
2、本实用新型所述全回转螺旋桨辅助驾驶控制方法，将驾驶所需的参考信息预先显示在仪表盘上，舵轮在转向过程中能够对舵角方向与角度进行反馈与调整，使得舵的转向更加精确；根据显示的船体姿态和舵角信息转向，提高了转向的准确性和效率。
3.通过设计垂直齿轮轴，在垂直齿轮轴上套装转舵壳体，使得浆叶从动齿轮将动力传递给垂直齿轮轴，另外，通过将转舵从动组合齿轮的凸缘与转舵壳体螺栓连接，使得转舵从动组合齿轮的动力传递给转舵壳体，从而将动力传递给下齿轮箱，通过上述结构设计节省了舵桨安装空间，传动平稳传动效率高。
4.通过设置承重轴承支撑转舵壳体，起到了对下齿轮箱的支撑，提高了转舵壳体的刚度, 具体为承重轴承的作用支撑下齿轮箱，固定舵的回转中心。
5.螺旋桨转速传感器通过片式联轴器与第一过渡轴连接，第一过渡轴设置在垂直齿轮轴上，螺旋桨转速传感器可以准确的测得垂直支撑轴的转速，从而检测到螺旋桨转速，另外，将螺旋桨转速传感器通过第一过渡轴与垂直支撑轴连接，避免了螺旋桨转速传感器过细的输出端与垂直支撑轴直接相连，这样的连接方式使得传感器获得的数据更加准确。
6.舵角传感器轴端通过平行切缝式联轴器与第二过渡轴连接，第二过渡轴设置在转舵输入轴上，舵角传感器通过测得转舵输出轴的转速，从而获得检测舵桨偏离初始角度，另外，将舵角传感器通过第二过渡轴与转舵输入轴连接，避免了舵角传感器过细的输出端与转舵输出轴直接相连，这样的连接关系使得传感器获得的数据更加准确。
7.桨叶动力轴及其轴上的桨叶驱动齿轮和转舵输入轴和其轴上的转舵驱动齿轮垂直分布在垂直齿轮轴两侧，桨叶从动齿轮及转舵从动组合齿轮垂直布置在垂直齿轮轴上，这样将舵桨传动集成在一个传动箱中，且传动相互独立且可以联动，舵桨传动结构更加紧凑，传动平稳，安装空间更小。
附图说明
图1是本实用新型一种静液压驱动全回转舵桨及其控制系统的总体结构示意图。
图2是本实用新型一种静液压驱动全回转舵桨及其控制系统俯视图。
图3是本实用新型下齿轮箱锥齿轮传动示意图。
图4是本实用新型舵转角闭环PID控制流程图。
图5是本实用新型一种静液压驱动全回转舵桨液压油路图。
附图标记如下：
1-减速机支撑组件、2-齿轮箱上端盖、3-舵轴上轴承座、4-舵轴上轴承、5-减速机、6-传感器支撑架、7-第二过渡轴、8-膜片式联轴器、9-舵转角传感器、10-转舵输入轴、11-螺旋桨转速传感器、12-膜片式联轴器、13-第一过渡轴、14-油封、15-轴承座、16-调心滚子轴承、 17-螺旋桨叶驱动液压马达、18-第一凸缘联轴器、19-马达连接座、20-桨叶上轴承座、21-桨驱动轴上轴承、22-齿轮箱、23-桨叶驱动齿轮、24-桨叶动力轴、25-第一轴套、26-齿轮箱下箱体、27-矩形管座、28-桨叶下轴承座、29-桨驱动轴下轴承、30-桨驱动轴下轴承端盖、31- 桨叶从动齿轮、32-转舵从动组合齿轮、33-圆锥滚子轴承、34-承重轴承座体、35-垂直齿轮轴、 36-转舵壳体、37-密封圈、38-转舵壳体密封座、39-第二承重轴承、40-舵轴下轴承座、41-舵轴下轴承、42-舵轴下轴承端盖、43-第二轴套、44-转舵驱动齿轮、45-垂直齿轮轴下轴承、46- 锥齿轮、47-下齿轮箱、48-水平齿轮轴、49-桨叶、51-摆线液压马达、52-转舵马达连接座、 53-第二凸缘联轴器、54-支撑架、55-大锥齿轮。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
一种静液压驱动全回转舵桨，包括动力输入装置包括螺旋桨叶驱动传动装置和转舵驱动传动装置；
所述螺旋桨叶驱动装置包括螺旋桨叶驱动液压马达17，所述螺旋桨叶驱动液压马达17 通过第一凸缘联轴器18与桨叶动力轴24连接，桨叶动力轴24上通过键连接有桨叶驱动齿轮 23，桨叶驱动齿轮23与桨叶从动齿轮31啮合，桨叶从动齿轮31通过键安装在垂直齿轮轴 35上，所述垂直齿轮轴35的末端安装有锥齿轮46，锥齿轮46与大锥齿轮55啮合，大锥齿轮55安装在水平齿轮轴48上，水平齿轮轴48上还设置有桨叶49；
所述转舵驱动传动装置包括摆线液压马达51，所述摆线液压马达51通过第二凸缘联轴器53与减速机5连接，减速机5输出端与转舵输入轴10连接，即减速机5的输出端是带键槽的轴孔，所以设计的转舵输入轴10和减速机5输出端是键连接；转舵输入轴10上通过键连接有转舵驱动齿轮44，转舵驱动齿轮44与转舵从动组合齿轮32啮合，转舵从动组合齿轮 32套装在第一承重轴承34上，且第一承重轴承34设置在垂直齿轮轴35上，所述垂直齿轮轴35外套装有转舵壳体36，转舵从动组合齿轮32上的凸缘通过螺栓与转舵壳体36连接；所述转舵壳体36末端通过螺栓连接到下齿轮箱47上。
结合图1、图2和图3所示，一种静液压驱动全回转舵桨，螺旋桨叶驱动液压马达17和摆线液压马达51均为静液压驱动；动力输入装置包括螺旋桨叶驱动传动装置和转舵驱动传动装置；
其中，螺旋桨叶驱动传动装置包括螺旋桨叶驱动液压马达17、第一凸缘联轴器18、第一马达连接座19、桨叶动力轴24；螺旋桨驱动液压马达17通过马达连接座19与传动箱22上桨叶动力轴上轴承座20固定，桨叶驱动齿轮23与桨叶从动齿轮31啮合，桨叶从动齿轮31与垂直齿轮轴35通过双键连接；锥齿轮46安装在垂直齿轮轴35下端并通过键连接；锥齿轮46安装在螺旋桨水平轴48后端并与螺旋桨水平轴通过平键连接；螺旋桨水平轴前端安装有螺旋桨；马达动力经联轴器18传递到桨叶动力轴24经由桨叶驱动齿轮23、垂直齿轮轴35、锥齿轮46和锥齿轮55驱动螺旋桨水平轴48进而带动桨叶49；
转舵驱动传动装置包括摆线液压马达51、第二凸缘联轴器53、转舵马达连接座52、减速机5、转舵动力轴10和转舵驱动齿轮44；摆线液压马达51通过马达连接座与减速机5轴心固定，摆线液压马达51经第二凸缘联轴器53将动力输入到减速机5，经减速机5减速后动力传递到转舵输入轴10，带动转舵驱动齿轮44，转舵驱动齿轮44与转舵从动组合齿轮32 啮合，转舵从动组合齿轮32嵌套在垂直齿轮轴35上，与桨叶从动齿轮31通过圆锥滚子轴承隔开；转舵从动组合齿轮32的凸缘通过螺栓与转舵壳体36连接，转舵从动组合齿轮32带动转舵壳体36转动，从而带动下齿轮箱47回转，产生全回转转舵。
另外，传动箱22涉及桨叶旋转和舵回转两种传动，转舵从动组合齿轮32与桨叶从动齿轮31垂直分布在旋转中心垂直齿轮轴35上，传动结构紧凑，传动稳定。齿轮箱22与矩形管座27通过螺栓固定，牢固安装在船舱尾部，齿轮箱内部组件包含桨叶动力轴24、桨叶驱动齿轮23、桨叶从动齿轮31、转舵输入轴10、转舵驱动齿轮44、转舵从动组合齿轮32、垂直齿轮轴35；桨叶动力轴24通过轴承组件装在桨叶上轴承座20和桨叶下轴承座28内，桨叶上轴承座20和桨叶下轴承座28固定在齿轮箱22，桨叶驱动齿轮23通过键联接安装在桨叶动力轴24上，桨叶驱动齿轮通过桨叶动力轴24轴肩和轴套25形成轴向固定；桨叶从动齿轮 31通过键联接安装在垂直齿轮轴35上，桨叶驱动齿轮23和桨叶从动齿轮31啮合传动，将动力传递到垂直齿轮轴35上；锥齿轮46通过卡簧固定在垂直齿轮轴35末端，锥齿轮35将动力传递给水平齿轮轴48带动桨叶49转动。
舵角传感器9通过膜片式联轴器8与转舵输入轴10连接，所述舵角传感器9为多圈旋转编码器，通过检测转舵输入轴10旋转圈数得到舵偏角大小，显示在仪表盘上；驾驶员根据实际情况转舵，PID控制精确转舵，从而避免受水流、风速等影响，舵转角传感器9经传感器支撑架6安装在减速机5上方，舵角传感器9轴端通过膜片式联轴器8连接伸入减速机5输出孔内的转舵输入轴10上的第二过渡轴7，当摆线液压马达51驱动转舵时，舵角传感器9 测得转舵输入轴的转角，通过减速比关系可知舵转角；螺旋桨转速传感器11通过支撑架54 固定在齿轮箱22内的轴承座15上，螺旋桨转速传感器11通过平行切缝式联轴器12与垂直齿轮轴35上第一过渡轴13连接，当螺旋桨转动时，转速传感器11测得垂直齿轮轴35转速，根据传动比关系，可知螺旋桨转速。
结合附图4，全回转螺旋桨辅助驾驶控制系统包含主控制器、舵转角传感器9、螺旋桨转速传感器11、航姿传感器、多路电磁阀、压力传感器、液压油路及辅助电路。辅助驾驶系统中航速传感器、航姿传感器、舵角传感器9、螺旋桨转速传感器11均与主控制器相连，主控制器通过航速传感器、航姿传感器获得相应信号值；当船行驶时，航姿传感器检测船体航向偏角，舵角传感器9检测舵桨偏离初始角度，螺旋桨转速传感器11测得螺旋桨转速值，压力传感器测得静液压系统压力值，主控制器读取航向偏角、舵偏角、螺旋桨转速、油压系统压力等参量并将其显示在仪表盘上，具体步骤如下：
步骤一：当船开机时，安装在甲板上的航姿传感器先检测船体姿态，检测出船体偏向状态发送给主控制器，主控制器将相应信息显示在仪表盘上。
步骤二：舵角传感器9检测转舵输入轴10旋转角度及旋向并发送给控制器，控制器将相应信息显示在显示器，给驾驶员以参考。规定向左舷偏为正角度，向右舷偏为负角度。
步骤三：当驾驶员驾驶船舶时，根据步骤一和步骤二给的反馈信息决定转舵方向和角度。驾驶时，主控制器采集驾驶员操作舵轮的转角，根据标定好的舵轮转角与全回转舵的转角关系，计算出舵的目标转角θ。然后，控制器根据舵角传感器9发送的舵角检测的实际转角θ1,将转向轴实际转角θ1与舵的目标转角θ作差得到角度偏差e(t)输入PID控制器，控制器通过控制比例阀调节流量大小，使实际舵角θ1跟踪目标转角θ，控制在转角精度范围内，提高推进效率。
结合附图5，静液压系统油路图包含齿轮泵，节流阀和电磁换向阀。当开机时，齿轮泵在柴油机的带动下给桨叶驱动液压马达17和转舵驱动马达51供油，通过桨叶驱动马达17油路上节流阀和电磁换向阀可控制桨叶转动的速度和方向，实现船舶正车和倒车；通过转舵驱动马达51油路上的节流阀和电磁换向阀可实现转舵速度和方向的调节，从而改变船舶的航向。和全回转螺旋桨推进辅助驾驶系统包括舵轮、主控制器、航速传感器、舵转角传感器9、螺旋桨转速传感器11、航姿传感器、多路电磁阀、压力传感器、液压油路及辅助电路；所述航姿传感器安装在船体重心上甲板面上，检测船体航行姿态，当船体偏离航向时，主控制器接收到航向偏角显示在仪表盘上。舵轮控制全回转舵桨转向，设定舵轮可正反方向旋转一圈半，对应全回转舵可正反180度旋转。开机时，舵转角传感器9检测回转舵角，显示在仪表盘上，通过PID控制舵桨回到初始位置，即舵角为0度。舵桨旋转为液压驱动，通过标定的舵轮与舵对应的旋转关系，调整液压油流量大小，控制舵的回转。
当船行驶中，航姿传感器检测船体航向偏角，舵角传感器9检测舵桨偏离初始角度，螺旋桨转速传感器11测得螺旋桨转速，压力传感器测得静液压系统压力大小，主控制器获得航向偏角、舵偏角、螺旋桨转速、油压系统压力等参量显示在仪表盘上，驾驶员通过这些参量调节多路电磁阀，从而使船舶不偏离航向，提高推进效率。
所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。
