文躍兵

（湖南工業(yè)職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410208）

一種新型的液壓驅(qū)動(dòng)矢量推進(jìn)裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

文躍兵

（湖南工業(yè)職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410208）

設(shè)計(jì)了一種基于桿件傳動(dòng)的液壓驅(qū)動(dòng)矢量推進(jìn)裝置，該裝置利用三個(gè)液壓缸系統(tǒng)作為裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過控制三個(gè)活塞桿位移控制殼體的偏轉(zhuǎn)方向，達(dá)到控制殼體的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。建立了液壓缸的位移與活塞桿位置的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明了殼體的偏轉(zhuǎn)角度與液壓缸位移量具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。建立了裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，仿真分析結(jié)果表明了該矢量推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)合理，能滿足殼體全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，降低了運(yùn)載器推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了運(yùn)載器的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

矢量推進(jìn)裝置；液壓；運(yùn)動(dòng)學(xué)；全方位轉(zhuǎn)動(dòng)

海洋資源探測(cè)是開發(fā)海洋的首要任務(wù)，裝備各種探測(cè)儀器的水下載運(yùn)器是實(shí)現(xiàn)深海以及兩極探測(cè)必不可少的重要工具，因此研制新型高效的水下載運(yùn)器非常必要［1-3］。由于海底環(huán)境情況復(fù)雜，對(duì)水下載運(yùn)器的機(jī)動(dòng)性和靈活性要求較高，所以載運(yùn)器的推進(jìn)系統(tǒng)研究是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題，目前絕大部分載運(yùn)器采用螺旋槳推進(jìn)技術(shù)。螺旋槳的機(jī)構(gòu)作用一般有兩個(gè)方面：第一方面是要輸出軸能全方位的實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，該功能由定向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)方面是將驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺旋槳的空間運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)很多研究傳統(tǒng)螺旋槳技術(shù)的大部分都是用的齒輪。齒輪傳動(dòng)有著效率高，機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是齒輪傳動(dòng)的效率比較低，功率損耗比較大［4-8］。本文采用傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)的新型推進(jìn)矢量裝置，該裝置是采用三個(gè)液壓缸系統(tǒng)作為裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，通過控制三個(gè)活塞桿位移控制殼體的偏轉(zhuǎn)方向，達(dá)到控制殼體的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，本文建立了矢量裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真分析，為新型載運(yùn)器的設(shè)計(jì)與研究提供了基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)組成與分析

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

矢量推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的如圖1所示，其運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)液壓缸和液壓馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)從而使運(yùn)載器能完成前進(jìn)、后退、偏航、俯仰等動(dòng)作。液壓缸活塞桿通過球形鉸鏈與殼體1形成球面運(yùn)動(dòng)副。三個(gè)液壓缸6、7、8通過控制三個(gè)活塞桿3、4、5的伸出和收縮，從而帶動(dòng)殼體所處平面進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。螺旋槳-2通過軸-9與殼體-1相連，當(dāng)外殼-1發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)螺旋槳-2通過萬向節(jié)10而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了方向的偏轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)由萬向節(jié)10傳給軸9，再通過軸9傳遞給螺旋槳2，使螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)得到推力。所以，與一般的推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力相比，矢量推進(jìn)器產(chǎn)生的推力的方向不只是沿著航行器的縱軸方向，而可以根據(jù)控制需求產(chǎn)生合適方向的推力。

圖1　矢量推進(jìn)器三維結(jié)構(gòu)圖

本文提出了通過活塞桿的位移控制矢量推進(jìn)器的偏轉(zhuǎn)，零部件之間的巧妙連接極大地降低了水下運(yùn)載器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，通過殼體與軸相連，殼體偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸和螺旋槳偏轉(zhuǎn)，從而改變運(yùn)動(dòng)推進(jìn)的方向。萬向節(jié)的使用使得馬達(dá)可以驅(qū)動(dòng)與其有偏角的軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。

1.2自由度的計(jì)算

由圖1可知在整個(gè)機(jī)構(gòu)中有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，3個(gè)移動(dòng)副，3個(gè)線高副（自由度為2），一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。此機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的自由度F：

式中：n為機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)；k為機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副數(shù)；ci為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副所加的約束數(shù)。

在整個(gè)設(shè)計(jì)中有三個(gè)液壓缸和一個(gè)液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)，限制了四個(gè)自由度，與計(jì)算相符，證明了該機(jī)構(gòu)具有確定性運(yùn)動(dòng)。

2　運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

2.1矢量推進(jìn)裝置運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)建立

矢量推進(jìn)裝置運(yùn)動(dòng)如圖2所示，其中AD、BE、CF為活塞桿，依次對(duì)應(yīng)著液壓缸1，液壓缸2，液壓缸3.EH、DG、FI分別與機(jī)座固連，末端H，G，I組成一個(gè)平面，活塞桿桿頭A、B、C組成一個(gè)平面ABC，假定中心O在平面HGI的中心。平面ABC繞旋轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)，設(shè)A、B、C到其中心O的距離為r，O到平面ABC距離為h.以點(diǎn)O為原點(diǎn)建立定坐標(biāo)系O-xyz和動(dòng)坐標(biāo)系O-x'y'z'，初始時(shí)兩坐標(biāo)系重合。

圖2　矢量推進(jìn)裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)動(dòng)坐標(biāo)系O-x'y'z'在定坐標(biāo)系O-xyz下繞x軸旋轉(zhuǎn)α角（正負(fù)由右手定則決定）的變換矩陣為R（x，α）；然后動(dòng)坐標(biāo)系O-x'y'z'在固定坐標(biāo)系O-xyz下繞y軸旋轉(zhuǎn)β角（正負(fù)由右手定則決定）的變換矩陣為R（y，β）；當(dāng)動(dòng)坐標(biāo)系按上述步驟進(jìn)行變換時(shí)的總變換矩陣為［9］：

動(dòng)坐標(biāo)系O-x'y'z'下任意一點(diǎn)X1（x'，y'，z'）轉(zhuǎn)換成固定坐標(biāo)系O-xyz下的坐標(biāo)X（x，y，z）時(shí)可用下面變換矩陣實(shí)現(xiàn)。

設(shè)在初始位置時(shí)，平面ABC和平面GHI平行，其三點(diǎn)所做的圓半徑為r，此時(shí)AG=BH=CI=h，鉸接點(diǎn)A、B、C在定坐標(biāo)系O-xyz下坐標(biāo)為A（r，h，0）、.鉸接點(diǎn)G、H、I在定坐標(biāo)系O-xyz下坐標(biāo)為G（0，r，0）、，，液壓缸1，液壓缸2，液壓缸3活塞桿的伸縮量分別為△1，△2，△3，則△1=A'G -AG，△2＝B'H-BH，△3＝C'I-CI.

設(shè)當(dāng)平面ABC繞x軸回轉(zhuǎn)α角后，繞y軸回轉(zhuǎn)β角后，各鉸接點(diǎn)在固定坐標(biāo)O-xyz中坐標(biāo)分別為A' （x1，y1，z1）、B'（x2，y2，z2）、C'（x3，y3，z3）.交接點(diǎn)G、H、I三點(diǎn)在定坐標(biāo)系O-xyz下坐標(biāo)不變。A'、B'、C'的坐標(biāo)值可由公式（3）計(jì)算得到。

2.2殼體偏轉(zhuǎn)角與液壓缸伸縮量關(guān)系

根據(jù)△1=A'G-AG，△2＝B'H-BH，△3＝C'I -CI.則可以根據(jù)式（4）計(jì)算由運(yùn)動(dòng)計(jì)算可以得到液壓缸1，液壓缸2，液壓缸3活塞桿的伸縮量分別為△1，△2，△3；并且由式（4）可知所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度α，β確定，則△1，△2，△3的大小唯一確定。

設(shè)AG、BH、CI代表著液壓缸1、液壓缸2、液壓缸3.采用MATLAB軟件計(jì)算當(dāng)平面ABC繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)α，Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)β時(shí)，液壓缸1、2、3的伸縮量△1，△2，△3.初始位置時(shí)平面ABC和平面GHI平行，r=220，AG=BH=CI=h=613.5，設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度表示為（α，β），三液壓缸伸縮量由△1，△2，△3表示。

根據(jù)公式（4）可以得平面ABC轉(zhuǎn)角（α，β）與三液壓缸伸縮量△1，△2，△3關(guān)系圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3，圖4，圖5分別顯示了當(dāng)ABC平面繞X軸旋轉(zhuǎn)角度在-0.6 rad～0.6 rad范圍變化，繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度在-0.6 rad～0.6 rad范圍變化時(shí)，液壓缸1、液壓缸2、液壓缸3的伸縮量大小。

圖3　ABC平面繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度（rad）與液壓缸1伸縮量關(guān)系

圖4　ABC平面繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度（rad）與液壓缸2伸縮量關(guān)系

圖5　ABC平面繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度（rad）與液壓缸3伸縮量關(guān)系

由圖可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為（0，0）時(shí)，三個(gè)液壓缸伸縮量為（0，0，0）。對(duì)于任意一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度（α，β），均對(duì)應(yīng)著唯一的伸縮量（△1，△2，△3）。

3　ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

利用三維造型軟件Proe，建立液壓驅(qū)動(dòng)矢量推進(jìn)裝置的實(shí)模型，但該裝置的模型復(fù)雜，不利于動(dòng)力學(xué)的建模與分析，所以對(duì)該裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化［10］。采用以下幾條簡(jiǎn)化原則：（1）圓角、倒角僅僅影響內(nèi)應(yīng)力，對(duì)整體受力的影響較小，故予以忽略；（2）固定約束代替連接件；（3）軸承內(nèi)部受力非常復(fù)雜，但是對(duì)跟它接觸零件受力又很簡(jiǎn)單，所以把它簡(jiǎn)化為空心圓柱體；（4）零部件的裝配誤差，屬理想裝配，制造誤差為零等；

把在Proe中建立的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，然后在合適的位置添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，如鉸鏈處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副、在缸體處添加移動(dòng)副等，在三個(gè)缸體的移動(dòng)副上添加三個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在軸與機(jī)架間的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)定動(dòng)平臺(tái)（殼體）同時(shí)繞X軸和Y軸以相同速率翻轉(zhuǎn)，同時(shí)在動(dòng)平臺(tái)（螺旋槳）上施加沿z'方向恒定外載荷1 200 N，三個(gè)活塞桿位移隨＜z'，z＞角度變化曲線如圖6所示。＜z'，z＞角度由小增大的同時(shí)，保證三個(gè)三個(gè)液壓缸的伸縮量是順序增大，由圖可以得出兩個(gè)結(jié)論：（1）通過液壓缸不同的伸縮量來實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)器的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度一定，則活塞桿的位移值也唯一，故偏轉(zhuǎn)角度和液壓缸活塞桿位移量一一對(duì)應(yīng)。（2）隨著＜z'，z＞角度由小增大到35°，液壓缸1的液壓桿逐漸收縮到將近100 mm，液壓缸2的液壓桿逐漸伸長(zhǎng)將近100 mm，液壓缸3的液壓桿逐漸收縮50 mm，證明了隨著＜z'，z＞角度變化，液壓缸的伸縮量的連續(xù)性。

圖6　＜z'，z＞夾角與液壓桿位移量關(guān)系

4　結(jié)束語(yǔ)

矢量推進(jìn)裝置是一個(gè)用于機(jī)械設(shè)備全方位的擺動(dòng)及推進(jìn)的關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備前進(jìn)、后退、前傾、俯仰等動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)了一種新型的液壓驅(qū)動(dòng)矢量推進(jìn)裝置，提出了采用桿件傳動(dòng)方案，通過液壓桿的伸縮帶動(dòng)整個(gè)殼體的偏轉(zhuǎn)，通過控制三個(gè)活塞桿位移精確控制殼體偏轉(zhuǎn)角度。建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過ADAMS運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，論證了該矢量推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)合理，能滿足殼體全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，降低了運(yùn)載器推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了運(yùn)載器的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

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Kinematic Analysis of A New Hydraulic Driving Vector Propulsion Device

WEN Yue-bing
（Hunan Industry Polytechnic，Changsha Hunan 410208，China）

This paper presents a vector propulsion device of hydraulic drive based on member bar transmission. This device use three hydraulic cylinder systems as the driving power，and control the direction of the shell through the change of the three cylinders’piston displacements.At last，the device reach the requirements of omni directional rotator of the shell.It also sets up the mathematics model about the displacement of hydraulic cylinders and the coordinate positions of piston rods.The results showed the one-to-one correspondence between the deflection angle of the shell and cylinders’piston displacements.This athesis established the kinematic model of the device and had the simulation analysis.The analysis results demonstrate the of rationality of the design method in propulsion device.This scheme mentioned in this paper can satisfy the requirements of the omnidirectional rotator of the shell，besides，it reduced the complications and improved the mobility and flexibility of the propulsion system in the missile carrier.

vector propulsion device；hydraulic；kinematics；omni directional rotator

TG315.4.2

A

1672-545X（2016）07-0020-03

2016-04-07

總裝預(yù)研基金資助項(xiàng)目（8130208）

文躍兵（1979-），女，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造方向。