仿生推進(jìn)裝置翼盤變速運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)測試研究

高 飛,呂建剛,張曉濤,郭劭琰

（軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

仿生推進(jìn)裝置翼盤變速運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)測試研究

高 飛,呂建剛,張曉濤,郭劭琰

（軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

通過模仿水母在水中的推進(jìn)方式，設(shè)計(jì)一種新型仿生推進(jìn)裝置。為獲得裝置的推進(jìn)性能，前期對翼盤在不同工況下的力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)翼盤變速運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)方案，開發(fā)推進(jìn)裝置性能測試平臺，采集試驗(yàn)樣機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行比對分析。研究表明：該試驗(yàn)?zāi)軌蜉^精確地反映推進(jìn)裝置參數(shù)對其推進(jìn)性能的影響，其中位移測量結(jié)果能夠真實(shí)反映翼盤在靜水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，力學(xué)測量結(jié)果為推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

水母；仿生推進(jìn)裝置；試驗(yàn)；測量

0 引 言

仿生推進(jìn)是仿生學(xué)研究的一個(gè)重要方面，有著較快的發(fā)展，尤其是對水域生物（如各類魚、蟹、水母等）的仿生研究[1-5]。對于仿生推進(jìn)裝置性能的研究，理論分析比較復(fù)雜，特別是難以顧及諸多因素的影響，因此一般是采用試驗(yàn)方法對研究對象的性能進(jìn)行研究。本文以水母仿生推進(jìn)裝置為對象，對其推進(jìn)翼盤在變速運(yùn)動(dòng)過程中的流場情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 仿生推進(jìn)裝置簡介

仿生推進(jìn)裝置是基于對水母游動(dòng)原理的研究及擴(kuò)展而設(shè)計(jì)，推進(jìn)裝置物理樣機(jī)及三維模型如圖1所示。其基本組成為：曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體機(jī)構(gòu)、合頁式推進(jìn)翼盤、浮箱等。

仿生推進(jìn)裝置基本原理為：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體實(shí)現(xiàn)大行程直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推進(jìn)翼盤固定在剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體兩端，當(dāng)剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體向外伸長時(shí)，后翼盤在水流阻力的作用下張開，前翼盤在水流阻力的作用下閉合，后翼盤產(chǎn)生推力，當(dāng)剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體向內(nèi)收縮時(shí)，前翼盤在水流阻力的作用下張開，后翼盤在水流阻力的作用下閉合，前翼盤產(chǎn)生推力，伴隨直線運(yùn)動(dòng)的往復(fù)進(jìn)行，前后翼盤交替輸出推進(jìn)力。初步試驗(yàn)表明，該裝置能夠很好的實(shí)現(xiàn)水上行進(jìn)。

2 翼盤運(yùn)動(dòng)規(guī)律及測試分析

仿生推進(jìn)裝置通過翼盤與水相互作用產(chǎn)生向前的推進(jìn)力，其運(yùn)動(dòng)方式直接影響裝置的推進(jìn)性能。本文通過試驗(yàn)方法，對推進(jìn)翼盤在水中的變速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測試分析，獲取翼盤在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的推進(jìn)力以及仿生推進(jìn)裝置在靜水中的運(yùn)動(dòng)情況，并對翼盤的參數(shù)選取及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

仿生推進(jìn)裝置由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體，其結(jié)構(gòu)原理如圖2（僅示意一半機(jī)構(gòu)）所示。r為曲柄，l為連桿，a點(diǎn)為剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體的固定軸位置，b點(diǎn)為翼盤的固定位置，c點(diǎn)為滑塊位置，在機(jī)架的作用下，c點(diǎn)沿x方向運(yùn)動(dòng)，對圖中所示的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，其坐標(biāo)系如圖中所示。

b點(diǎn)為翼盤固定位置，νb即為翼盤運(yùn)動(dòng)速度，從式（3）可以看出翼盤在水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)速的三角函數(shù)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中曲柄r和連桿l尺寸已知，采用不同的驅(qū)動(dòng)角速度ω，即可得到不同的翼盤運(yùn)動(dòng)速度。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

仿生推進(jìn)裝置的測試試驗(yàn)主要利用已有的采集設(shè)備，在設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，搭建測試平臺，測量推進(jìn)翼盤在靜水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其產(chǎn)生推進(jìn)力的大小。

該試驗(yàn)方案原理如圖3所示，通過一端固定，另一端與水池壁面上的拉桿與仿生推進(jìn)裝置相連，拉力傳感器布置于拉桿末端，兩個(gè)直線位移傳感器用于測量推進(jìn)翼盤的運(yùn)動(dòng)位移，通過控制調(diào)節(jié)動(dòng)力源電機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別對一系列驅(qū)動(dòng)頻率下新型推進(jìn)裝置的性能進(jìn)行測試，該方案可以測量單個(gè)或兩個(gè)翼盤的推進(jìn)情況。

試驗(yàn)測試時(shí)，通過直流電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體，最終帶動(dòng)推進(jìn)翼盤實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。仿生推進(jìn)裝置的浮箱通過拉桿相互固定在水池壁面上，推進(jìn)裝置整體在水面靜止不動(dòng)，此時(shí)浮箱受到推進(jìn)翼盤產(chǎn)生的推進(jìn)力，串聯(lián)于拉桿的拉力傳感器采集該拉力信號，并且在翼盤運(yùn)動(dòng)過程中直線位移傳感器KTC可以同時(shí)記錄翼盤各時(shí)刻的位置量。

試驗(yàn)中需要測量的變量有：左右翼盤的運(yùn)動(dòng)位移，新型推進(jìn)裝置所能產(chǎn)生的推進(jìn)力。所需要的傳感器有位移傳感器和拉力傳感器，以及相應(yīng)傳感器的信號隔離及轉(zhuǎn)換設(shè)備。具體的傳感器及信號轉(zhuǎn)換隔離設(shè)備信息如表1所示。

直線位移傳感器KTC-1000用于測量左右翼盤的運(yùn)動(dòng)位移量，單個(gè)翼盤獨(dú)立安裝一個(gè)直線位移傳感器，各個(gè)翼盤的運(yùn)動(dòng)位移可進(jìn)行獨(dú)立測量。傳感器內(nèi)部導(dǎo)電塑料保證運(yùn)行順滑，拉尺外部球鉸的接駁方式克服部分傳動(dòng)桿上由于傾斜產(chǎn)生的扭力，保證驅(qū)動(dòng)力適中并朝著拉桿的軸向。傳感器的供電和信號輸出通過相應(yīng)的信號隔離器來實(shí)現(xiàn)。

直流調(diào)速器HW-A-1040A用于調(diào)節(jié)新型推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該調(diào)速器采用低損耗PWM技術(shù)，工作電壓寬（實(shí)測DC9V～DC24V均可正常工作）、外形精巧、工作功率大、靈敏度較高，并聯(lián)式接線方式、安裝方便，可用于直流有刷式電機(jī)調(diào)速，電磁電機(jī)調(diào)速等。

拉力傳感器BLSM50用于測量新型推進(jìn)裝置推進(jìn)翼盤輸出推進(jìn)力的大小。該傳感器為S型結(jié)構(gòu)，通過S型兩端的兩個(gè)M12的螺紋孔實(shí)現(xiàn)安裝。

4 測試平臺介紹

新型推進(jìn)裝置測控系統(tǒng)硬件平臺基于美國國家儀器公司（national instruments，NI）的PXI平臺，PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用量身定制的模塊化儀器平臺，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專業(yè)特性[6]。

新型推進(jìn)裝置試驗(yàn)測控系統(tǒng)主要由PXI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路、傳感器以及基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)的測控程序5部分組成，原理如圖4所示。該系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)過程中前后推進(jìn)翼盤的位移量及其輸出的推進(jìn)力進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集記錄。

直線位移傳感器KTC-1000用于往復(fù)雙向的直線位移測量，量程1 000 mm，線性度0.05%，重復(fù)準(zhǔn)確度0.01 mm，運(yùn)行速度最高為10 m/s。直流調(diào)速器HW-A-1040A的有效工作電壓為DC9V～DC24V，控制電機(jī)功率為0.01～800W，待機(jī)狀態(tài)時(shí)靜態(tài)電流為0.02A，啟動(dòng)電壓為0.2V，額定發(fā)熱電流30A。拉壓力傳感器BLSM50拉壓均可測量，量程為50kg，靈敏度2.0±0.01mV/V，非線性度≤±0.02%F.S。其供電和信號輸出通過相應(yīng)的信號隔離器BLSM-C實(shí)現(xiàn)。信號隔離器的輸入電壓為DC24V，輸出為0～10V。

本測控系統(tǒng)使用的數(shù)字采集卡為PXI-6225，該卡具有16位精度，80路模擬輸入，2路模擬輸出，24路數(shù)字I/O，70多個(gè)信號調(diào)理選項(xiàng)，最高采樣頻率為250 kS/s。設(shè)定系統(tǒng)采樣頻率為50 kHz，每周期采樣點(diǎn)數(shù)為5 000，連續(xù)采集3路信號，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

LabVIEW軟件為NI公司開發(fā)的圖形化編程環(huán)境，應(yīng)用其開發(fā)測控程序具有簡單直觀、靈活高效的特點(diǎn)[7-9]。LabVIEW軟件對數(shù)字采集卡AI端口收到的信號濾波，整形后再進(jìn)行測量與換算。系統(tǒng)對得到的推進(jìn)力、位移等信息進(jìn)行顯示與記錄，由此實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測并藉此對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析。測控系統(tǒng)的監(jiān)測界面如圖5所示。

5 測試結(jié)果分析

通過對電機(jī)功率的調(diào)節(jié)，能夠使翼盤在3種驅(qū)動(dòng)頻率（0.5，0.8，1Hz）下工作。首先對推進(jìn)裝置在不同驅(qū)動(dòng)頻率下翼盤的位移和推進(jìn)力進(jìn)行測量；進(jìn)一步固定翼盤張角，對最大張角分別為160°、170°、180°的新型推進(jìn)裝置的右側(cè)推進(jìn)翼產(chǎn)生的推進(jìn)力進(jìn)行測試采集，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。

仿生推進(jìn)裝置在不同驅(qū)動(dòng)頻率下翼盤隨時(shí)間變化的位移曲線如圖6所示?？梢钥闯鲆肀P在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的位移曲線隨時(shí)間呈周期性變化，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增大，變化周期縮短，與理論分析結(jié)果一致。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)串聯(lián)體實(shí)現(xiàn)翼盤大行程直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在不同驅(qū)動(dòng)頻率下翼盤的最大位移相同，均為0.5m。

仿生推進(jìn)裝置在不同驅(qū)動(dòng)頻率下翼盤產(chǎn)生的推進(jìn)力隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。可以看出翼盤能夠產(chǎn)生有效的推進(jìn)力，在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的推進(jìn)力曲線隨時(shí)間呈周期性變化，翼盤產(chǎn)生推進(jìn)力在一個(gè)周期內(nèi)的變化趨勢是一個(gè)先增大后減小的過程。由于推進(jìn)力的大小與翼盤運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的提高，翼盤運(yùn)動(dòng)速度增大，推進(jìn)力在一個(gè)周期內(nèi)的峰值隨之急劇增大。對于不同驅(qū)動(dòng)頻率的翼盤，其運(yùn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)頻率成正比，因此增大驅(qū)動(dòng)頻率可以提高翼盤產(chǎn)生的推進(jìn)力。

為研究翼盤在運(yùn)動(dòng)過程中，葉片夾角對推進(jìn)力的影響，將翼盤的兩個(gè)葉片夾角固定，分別為160°、170°、180°，在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的推進(jìn)力曲線如圖8、圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，翼盤張角固定時(shí)，在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的推進(jìn)力曲線變化趨勢大體相同，但是翼盤張角為160°時(shí)樣機(jī)產(chǎn)生的推進(jìn)力最大。

實(shí)測結(jié)果表明該推進(jìn)裝置能夠產(chǎn)生有效的推進(jìn)力，進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)可以提高裝置的推進(jìn)性能，這為設(shè)計(jì)高效率推進(jìn)裝置提供了新思路。

6 結(jié)束語

仿生推進(jìn)裝置翼盤變速運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)測試平臺能夠較好地測量裝置的推進(jìn)性能，通過分析試驗(yàn)樣機(jī)在不同參數(shù)下的測試結(jié)果，獲得了翼盤在靜水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及驅(qū)動(dòng)頻率和翼盤張角對推進(jìn)力的影響。測試結(jié)果為仿生推進(jìn)裝置推進(jìn)性能研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

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Experiment research on foil movement of bionic propulsion

GAO Fei，Lü Jian-gang，ZHANG Xiao-tao，GUO Shao-yan
（Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The configuration of new bionic propulsion device was designed after observing the movement of jellyfish and analyzing morphological changes in the process of generating thrust.In order to obtain the performance of the device，a testing platform was devised and developed to collect experimental data at different working conditions.The results indicate that the experiment is able to get the influence of propulsive performance with different parameters.The movement rule of leaf is reported by measuring its displacement.And the data of mechanical characteristics provides a criterion for propulsion unit design and structure optimization.

jellyfish；biomimetic propulsion；experiment；measurement

Q959.132；V664.3；TP391.9；O311

：A

：1674-5124（2014）04-0083-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.021

2013-10-12；

：2013-12-01

高 飛（1988-），男，河南南陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)檐囕v機(jī)電液控制與自動(dòng)化。