不同土壤環(huán)境下螺旋葉片驅(qū)動扭矩實驗研究①

任文博，馮曉明，顏兵兵，殷寶麟

(佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

0 引 言

自“中旭1 輪”成功打撈后，我國交通運輸部海事局正式啟動以公共航行安全為目的的“碧海行動”，沉船打撈再次成為熱點問題［1～2］.攻打千斤洞作為打撈沉船的一項關(guān)鍵工序至今仍為人工作業(yè)，使得打撈工作效率低下.拱泥機器人［3～5］是我國學者為代替人工攻打千斤洞設計的一個機器人，但現(xiàn)有拱泥機器人多為仿蚯蚓蠕動的作業(yè)方式，至今尚無工程樣機問世，本文提出一種螺旋式前進的拱泥機器人設計方案，方案中螺旋式拱泥機器人可通過左旋和右旋螺旋葉片的相反方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生方向一致的軸向驅(qū)動力而前進.選取螺旋式拱泥機器人主要零部件螺旋葉片為研究對象，進行在兩種不同土壤環(huán)境下螺旋葉片驅(qū)動扭矩隨著葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的實驗變化規(guī)律，為后續(xù)研制螺旋式拱泥機器人奠定了實驗基礎.

圖1 實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖

1 實驗平臺

由于需要保證螺旋葉片在工作狀態(tài)下無軸向力，設計了一套實驗平臺，實驗平臺主要包括步進電機，電機驅(qū)動器，單片機控制板，螺旋葉片，AMPCI9110 數(shù)據(jù)采集卡，土槽，軸，聯(lián)軸器，滑軌，扭矩傳感器，電源等.通過使用滑塊與滑軌盡量減小了軸向阻力對實驗的影響，同時通過扭矩傳感器可實時檢測螺旋葉片工作時扭矩，通過數(shù)據(jù)采集卡及上位機可實現(xiàn)實時觀測扭矩變化情況，同時可將采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，達到試驗目的，整套實驗平臺示意圖如圖1 所示.

2 驅(qū)動扭矩實驗比較分析

利用圖1 所示的實驗平臺，對螺旋葉片在粉土和砂土中工作時的驅(qū)動扭矩Me 隨螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)特性的變化規(guī)律進行一系列實驗比較研究，實驗所用部分螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，其中D 為螺旋葉片外徑，d 為內(nèi)徑，S 為螺距，定義螺旋葉片的寬度為W(W=(D－d)/2)，螺旋葉片轉(zhuǎn)速均為20r/min，實驗所用兩種土壤為粉土與砂土，土壤力學指標［6］如表2 所示.

表1 螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 土壤力學指標

圖2 給出了粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動扭矩Me 隨外徑D 的變化規(guī)律，由圖可知，在粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動扭矩Me 隨著外徑D 的增大而增大，但相同的葉片在粉土中所需驅(qū)動扭矩更大.

圖2 Me 隨D 變化規(guī)律圖

圖3 給出了粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動扭矩Me 隨內(nèi)徑d 的變化規(guī)律，由圖可知，在粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動扭矩Me 隨著內(nèi)徑d 的增大而減小.

圖3 Me 隨d 變化規(guī)律圖

圖4 給出了粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動扭矩Me 隨螺距S 的變化規(guī)律，由圖可知，在粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動扭矩Me 隨著螺距S 的增大而減小.

圖4 Me 隨S 變化規(guī)律圖

綜合圖2，圖3 可以看出螺旋葉片外徑D 越大，內(nèi)徑d 越小，所需驅(qū)動扭矩越大，即螺旋葉片寬度W 越大所需驅(qū)動扭矩越大，綜合圖2 到圖4 可知，在不同工作環(huán)境下驅(qū)動扭矩隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律相似，同種葉片在粉土工作環(huán)境下所需驅(qū)動力更大.

3 結(jié) 論

本文首先根據(jù)螺旋葉片的工作需要設計并搭建了一種動力學實驗平臺，其次利用實驗平臺，對螺旋葉片在粉土及砂土環(huán)境中，螺旋葉片所需驅(qū)動扭矩進行實驗比較研究，研究表明，螺旋葉片在不同工作環(huán)境下驅(qū)動扭矩隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律基本相似，螺旋葉片寬度W 越大，螺距S 越大所需驅(qū)動扭矩越大，為后續(xù)研究螺旋式拱泥機器人奠定了基礎.

［1］ 劉艷利.渤海灣沉船打撈進行時［J］.中國海事，2013(10):6－9.

［2］ 趙遠哲.“碧海行動”:破冰沉船打撈困境［J］.中國海事，2013(10):10－12.

［3］ 魏洪興，王立權(quán)，袁鵬，等.基于蠕動原理拱泥機器人的海洋土力學模型研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2000(4):36－40.

［4］ 李燕.仿蚯蚓在土質(zhì)環(huán)境下拱洞機器人的研究［D］.西安:西北工業(yè)大學，2004.

［5］ 顏兵兵.拱泥仿生機器人系統(tǒng)設計及其虛擬樣機研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學.2008.05.

［6］ 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.