ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРИВОДА КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ

Настоящие полезные модели относятся к транспортному машиностроению и могут быть использованы для создания движителя с колебательным перемещением рабочего органа.
Сущность представленных полезных моделей заключается в том, чтобы во всей группе движителей, содержащих камеру прямоугольного сечения с расположенной в ней пластиной, применяющем гребково-взмаховый тип создания тяги, использовать колебательную пластину (далее - «рабочий орган»), в которой герметично интегрирована энергоустановка или ее движущая часть для создания колебательных движений требуемой частоты и амплитуды с возможностью создания периодического колебания. Все представленные полезные модели объединены общим замыслом и сгруппированы по признаку отсутствия необходимости подвода к рабочему органу механической энергии. Использование предложенных технических решений исключает необходимость передачи механических колебаний извне системы, чем значительно упрощает механическую часть установки, улучшает эксплуатационные характеристики движителя и обеспечивает универсальность его применения.
Известны попытки применения т.н. «искусственных мышц» (диэлектрических эластомеров и ионных электрически активных полимеров) и пъезоэлементов в имитации движения плавника рыб, реактивных способов движения, однако на данном этапе развития науки и техники практическое применение не встречается из-за низкого КПД систем в целом, дороговизне материалов и технических решений, сложности контроллеров. Пъезоэлементы с хорошим результатом применяются в производстве движителей нано- и микророботов, однако в создании макроскопических силовых установок не встречаются.
Известно устройство по авт.св. СССР N 1761590, кл. B63H 1/04, Судовой движитель "ДЯ", 15.09.92. Оно содержит пластину, жестко закрепленную концами в открытой с торцов камере прямоугольного сечения. Передний конец пластины закреплен совместно с двумя располагающимися с обеих сторон пластины упругими лепестками, выполняющими роль отсечных клапанов части входного отверстия. Привод соединен с креплением переднего конца пластины.
Недостатки данного движителя следующие:
- необходимость внешнего привода (штокового, осевого, прочего) с герметизацией, что затрудняет использование в подводном, особенно глубоководном исполнении и приводит к потерям в трущихся соединениях;
- сравнительно узкий частотный диапазон, связанный с упругими и геометрическими параметрами пластины.
Известен плавниковый движитель, 2033938, B63H 1/36, содержащий крыло с встроенным в него электроприводом, соединенное посредством рычага с приводом его поперечных колебаний, продольных тяг.
Недостатки данного движителя следующие:
- наличие большого количества шарнирных и прочих подвижных сочленений, приводит к потерям в трущихся соединениях, снижает надежность, не позволяет использовать в качестве глубоководного оборудования;
- утяжеление конструкции;
- далекие от синусоидальной формы колебания.
Известен реактивный прямоточный движитель "Гидроимпульс" фирмы Рено ("Крыло под водой", ж. Моделист-Конструктор, N 2, 1982, с. 12, 13). Он содержит размещенную в камере прямоугольного сечения пластину с профилем крыла, в передней трети шарнирно подсоединенную к тяге. Камера жестко соединена с корпусом судна.
Недостатки данного движителя:
- ввиду особенностей конструкции (одна тяга и два свободных конца рабочего органа) при движении по крайней мере в одну из сторон воздействие потока среды на крыло приводит к тому, что объем среды, вытесняемой крылом из камеры, уменьшается;
- необходимость внешнего привода с герметизацией, что сужает использование в подводном, особенно глубоководном исполнении, приводит к потерям в трущихся соединениях, снижает надежность;
- сравнительно узкий частотный диапазон, связанный с упругими и геометрическими параметрами пластины.
Известно устройство по авт.св. СССР N 1466986, кл. B63H 1/02, 1/36, Водометный движитель, 23.03.89. Оно содержит пластину, размещенную в камере прямоугольного сечения, открытой с обоих торцов. Пластина в первой трети шарнирно связана с тягой, а также к пластине шарнирно прикреплен закрылок. Кроме того, имеется специальный механизм реверсивного хода, снабженный подпружиненными защелками, установленными на боковых стенках камеры со стороны носовой и кормовой кромок пластины и поочередно взаимодействующими с носовой и кормовой кромками пластины.
Недостатки этого движителя:
- невысокие эксплуатационные характеристики ввиду неопределенности режима работы движителя, связанные с тем, что в начальном этапе работы пластина поворачивается за счет сил инерции и гидродинамических сил, которые в значительной мере зависят от скорости набегающего потока;
- пассивная роль закрылка сужает частотный диапазон работы и исключает использование движителя в газовой среде;
- необходимость внешнего привода с герметизацией, что сужает использование в подводном, особенно глубоководном исполнении;
- сравнительно узкий частотный диапазон, связанный с упругими и геометрическими параметрами пластины.
Известен наиболее близкий к предлагаемой модели способ движения судна по авт. свид. СССР N 1813672 кл. B63H 1/36, 1993.
Этот способ заключается в том, что гибкий плавник с гофрированной поверхностью, внутри которого имеется два ряда продольных полостей, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии плавника и снабженных управляемыми клапанами, изгибают путем создания избыточного давления в одном из рядов полостей и, меняя последовательно в каждом ряду полостей давление на противоположное, изгибают последовательно плавник в обе стороны, создавая колебательные смещения.
Недостатком данного способа является:
- необходимость создания пневматического, или гидравлического оборудования вне движителя с клапанным, сильфонным, или золотниковым переключением давления в, как минимум, двух системах;
- далекая от синусоидальной геометрия изгибания гибкого плавника;
- потери на гидравлической передаче и переключении мощности;
- шумность работы гидро- или пневмопривода.
Целью полезных моделей является удешевление, улучшение эксплуатационных характеристик и универсализация использования движителя махово-гребкового, махово-реактивного типов тяги.
Эта цель достигается тем, что рабочий орган (пластина, эластичная пластина, пластина с эластичной лентой, прочее, здесь и далее - рабочий орган) размещен, как и в прототипах, в камере прямоугольного сечения с открытыми торцами с возможностью плотного прилегания к противоположным поверхностям камеры и перемещения в ней в направлении, ортогональном пластине. Движитель может быть выполнен в виде камеры с одинаковыми параллельными ячейками (камерами), в которых размещены рабочие органы, работающие в противофазе. Внутри рабочего органа, в герметичной капсуле размещена энергоустановка, или ее движущаяся часть, сообщающая колебательные движения рабочему органу. Соединение основания рабочего органа с боковыми стенками камеры армированное упруго-эластичное (предпочтительно), или шарнирное.
Технические решения интегрированной энергоустановки следующие:
1. Двигатель с вынесенным эксцентриком (Фиг. 1)
Внутри рабочего органа герметично, в единой жесткой капсуле, размещен электродвигатель с отдаленным соосным эксцентрическим маховиком на валу таким образом, чтобы двигатель был зафиксирован в капсуле на оси, или несколько в противовес вращения основания рабочего органа, а маховик вращался свободно в пределах общей полости капсулы. Маховик, будучи расположенным на определенном удалении от оси вращения рабочего органа в сторону выходного отверстия в точке, оптимальной для приложения сил к рабочему органу, в противофазе приводит в движение общую капсулу. В связи с тем, что движение маховика циркулярное, в ортогональной проекции рабочего органа со стороны капсулы оказывается синусоидальный момент сил с переменным знаком. Боковые моменты сил (вдоль плоскости рабочего органа) компенсируются упругостью рабочего органа. Подвод электрической энергии внутрь рабочего тела здесь и в остальных моделях осуществляется по любой герметичной схеме, предпочтительно, через боковые соединения основания рабочего органа с внешней камерой. С аналогичным результатом возможно также поперечное (относительно продольной оси рабочего органа) расположение капсулы и двигателя с двумя симметричными маховиками, отнесенное от оси вращения органа несколько далее по ходу среды.
Данная геометрия размещения силовой установки позволит превратить всю энергию колебаний капсулы в синусоидальную вибрацию требуемой частоты и амплитуды, создаваемую непосредственно в рабочем органе. КПД данной схемы размещения силовой установки значительно выше в сравнении с внешними штоковыми и прочими описанными приводами из-за исключения потерь в подвижных соединениях отъема и доставки мощности (в редукторах, в сальниках на границе сред, дейвудных системах), и за счет применения электродвигателя. Главным достоинством данной схемы является генерация колебаний непосредственно в рабочем теле, что позволяет без переделки и дорогостоящих решений применять изделие в условиях различных сред и давлений, в том числе и в условиях действия агрессивных сред и в глубоководных аппаратах.
2. Двигатель с интегрированным эксцентриком, безвальный (Фиг. 2)
Использование известных безвальных вибрационных систем, аналогичных вибромоторам мобильных телефонов безвального типа. Этот тип вибромотора дешев, может быть масштабируем, в определенных пределах как в диаметре, так и по массе эксцентрика для создания колебаний нужных параметров. Целиком размещается вертикально, поперек оси колебания рабочего органа с центром вращения массы в оптимальном для привода рабочего органа месте (как правило, в первой трети, в жесткой части рабочего органа, см. Фиг. 3).
В случае, если удельная мощность необходима больше и капсула для двигателя с любым типом описанного эксцентрика физически будет выходить за пределы рабочего тела, возможно интегрирование нескольких синхронизированных двигателей, и/или формирование обтекаемых приливов в форме рабочего органа (Фиг. 4).
3. Электромагнитная «прямая» и «обратная» схемы.
Самый целесообразный в данной схеме привод, легко масштабируется количественно, а до определенных размеров среднего подводного буксировщика - и в размерах. Полное отсутствие трущихся частей делает привод необслуживаемым, предельный срок службы лимитируется только старением материалов рабочего органа.
а. Фиг. 5 «Прямая» электромагнитная схема. Помещение постоянного магнита внутрь рабочего органа между катушками, расположенными во внешнем кожухе. Позволяет полностью избавиться от подвода электроэнергии в движущуюся часть, частотная и амплитудная модуляция переменного тока в катушках позволяет широко и точно регулировать параметры движителя, а, при необходимости, имитировать вибро- и акустическую картину живых объектов, а также - формировать сигнал управления группой, или локационный;
b. Фиг. 6 «Обратная» электромагнитная схема. Расположение катушки внутри рабочего органа между постоянными магнитами, расположенными во внешнем кожухе. Позволяет значительно сэкономить на массе рабочего органа и выиграть на необходимости учитывать инерцию (так как катушка значительно легче постоянного магнита), и, соответственно, регулировать частотно-амплитудные характеристики привода в самых широких из предложенных схем пределах. Наиболее пригоден для реализации практически беззвучного движения, имитации вибро- и акустической картины живых объектов, а также - формировать сигнал управления группой, или локационный;
c. Фиг. 7 Сборка кассеты приводов с использованием чередования полюсов постоянных магнитов и полярностей катушек. Позволяет выиграть массу при сборке на массу одного магнита к одной элементарной ячейке, так как полюс магнита предыдущей ячейки является противоположным полюсом следующей («Прямая» схема малоприменима из-за взаимодействия магнитов и возможного «залипания» рабочего органа в полузакрытом состоянии). Также, объединяя четное количество ячеек в единую цепь с переменным током и чередующимся реверсным расположением катушек, можно добиться абсолютной синхронности работы приводов в противофазе, что позволит подавить вибрацию всей сборки автоматически, без применения прочих устройств.
Улучшение эксплуатационных характеристик при применении предложенных моделей включает следующее:
- Максимально возможное упрощение конструкции;
- Повышение КПД (снижение потерь);
- Полное исключение из схемы движителя внешних движущихся частей и соединений, в том числе, контактирующих со средой;
- Широкий диапазон амплитуд и частоты колебаний. Возможность частотной и амплитудной модуляции, имитации вибро- и акустической картины живых объектов, особенно в электромагнитных схемах;
- Возможность быстрой, широкой и тонкой регулировки скорости потока с наличием экономичного (резонансного), самого малого (беззвучного) и форсированного хода вплоть до звукового диапазона колебаний рабочего органа;
- Возможность малошумного движения для обеспечения скрытности объекта, особенно в электромагнитном варианте;
- Возможность масштабирования моделей для создания на данной модификации движителя от нанороботов до надводных и подводных судов;
- Возможность использовать один устойчивый материал для контакта со средой, широкого применения штампа;
- Самопроизвольное спрямление рабочего органа для минимализации сопротивления при снятии нагрузки (поток автоматически возвращает рабочий орган в положение «вдоль тоннеля»);
- Возможность использования изделий в качестве регулируемых насосов деликатных жидкостей, не терпящих разрушения структур (кровь, эмульсии), а также агрессивных жидкостей и грубодисперсных взвесей;
- Возможность использования на любой глубине без модификации конструкции;
- Энергетическая установка движителя не занимает места вне самого движителя, что позволяет значительно увеличить полезный объем внутри самого буксируемого плавсредства;
- Возможность использования без переделок и дополнений в качестве дешевого подводного буксировщика с высоким КПД без ограничений глубин;
- Общее время эксплуатации, особенно в электромагнитных схемах, ограничивается только усталостью материала рабочего органа.
Конструкция, в отличие от прототипов и аналогов, не содержит дополнительных устройств и сочленений, таких как упоров, защелок, пластинчатых пружин, рычагов, сальников, дейдвудов, каналов, клапанов и пр. Герметичная проводка и отвод тепла (при контакте корпуса двигателя с капсулой, или катушки с рабочим органом и далее, со средой) не представляет при данной геометрии технических проблем. Дешевизна электрических двигателей, катушек и магнитов и простота схем позволяет сделать сменный рабочий орган в сборе, который может быть заменен отдельно или вместе с корпусом, или в составе сборки при износе.