螺旋槳-冰接觸工況下載荷試驗(yàn)研究

郭春雨，徐 佩，駱婉珍，王戀舟

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

隨著全球氣候的逐漸變暖，北極航道的開(kāi)通成為可能，未來(lái)國(guó)際航運(yùn)的重心必然向北極地區(qū)轉(zhuǎn)移。北海航線（NSR）的發(fā)展對(duì)于引發(fā)人們對(duì)北冰洋的興趣起到了一個(gè)積極作用。在上世紀(jì)90年代，俄羅斯、日本和幾個(gè)北歐國(guó)家組成了一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目即國(guó)際海上航線計(jì)劃（INSROP）。INSROP的任務(wù)之一就是評(píng)價(jià)作為商業(yè)航線的北海航線，它發(fā)現(xiàn)相比于遠(yuǎn)東和歐洲之間南部海上航線，北極航道縮短了60%的航行距離，這意味著存在巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益,為了追求經(jīng)濟(jì)性，大量的船舶將會(huì)選擇北極航道航行。此外，北極蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣和煤炭等自然資源[2]。冰區(qū)船舶在低溫多冰、氣候極其惡劣的北極地區(qū)進(jìn)行資源勘探、開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸及科考的過(guò)程中，必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。當(dāng)船舶在破冰、碎冰航道以及浮冰區(qū)航行時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生部分碎冰或浮冰受到船首撞擊以及下洗水流的作用而滑向船底或處于自由面以下一定深度滑行至螺旋槳前流場(chǎng)中，由于吸入流的作用，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳與冰發(fā)生切削作用使螺旋槳槳葉發(fā)生嚴(yán)重變形和損壞。同時(shí)，當(dāng)破冰船尾部破冰時(shí)，大量的冰塊會(huì)由船舶尾部進(jìn)入螺旋槳的吸入流中，這樣螺旋槳受到冰塊的沖擊和切削作用使得槳葉受損，直接影響到船舶的推進(jìn)效率，甚至引起嚴(yán)重的噪聲、振動(dòng)，航速和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)下降等。因此，進(jìn)行螺旋槳-冰切削作用的探討對(duì)冰區(qū)船舶推進(jìn)器的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度方面的研究具有十分重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值[3]。

國(guó)外在螺旋槳-冰切削作用的研究中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，Enkvist（1970）、Edwards（1976）、Jones（1982）、Bulat（1985）和Sasajima（1985）等人[4-8]將螺旋槳模型安裝在車床上，進(jìn)行螺旋槳與模型冰在空氣中的切削試驗(yàn)，定性地分析和總結(jié)了螺旋槳-冰的切削過(guò)程。Laskow（1986）等人[9]在M/V Robert LeMeur號(hào)進(jìn)行了實(shí)尺度試驗(yàn)，對(duì)螺旋槳的冰阻塞載荷和接觸載荷進(jìn)行了對(duì)比分析。Keinonen（1990）等人[10]在IMD的冰水池中研究了螺旋槳上的冰載荷，并與Robert等人的實(shí)尺度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。Newbury（1993）等人[11]驗(yàn)證了螺旋槳-冰相互作用過(guò)程中的水動(dòng)力非接觸載荷的存在。Veitch（1995）[12]建立了槳-冰接觸載荷模型，并對(duì)螺旋槳-冰的接觸力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)。Morin（1996）等人[13]用激光傳感器測(cè)量了螺旋槳上不同位置處的冰載荷。Soininen等人[14]簡(jiǎn)化了螺旋槳的形狀，提出了螺旋槳-冰的接觸模型，并根據(jù)此模型進(jìn)行了一系列的冰槳接觸試驗(yàn)。Mintchev（1999）等人[15]在愛(ài)默生空泡水筒中進(jìn)行了低空泡數(shù)下螺旋槳與冰的銑削試驗(yàn)。Mintchev（2001）[16]在空泡水筒中用R級(jí)螺旋槳進(jìn)行了冰槳切削工況下的模型試驗(yàn)。Atlar（2002）等人[17]在愛(ài)默生空泡水筒進(jìn)行了一系列的螺旋槳-冰銑削試驗(yàn)，驗(yàn)證了空化現(xiàn)象對(duì)吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能產(chǎn)生影響。Mooresc（2002）等人[18]在冰水池中對(duì)大傾斜螺旋槳進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)量了螺旋槳的推力和扭矩隨螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的變化，同時(shí)觀察到螺旋槳槳葉遭到破壞的現(xiàn)象。Akinturk和Wang（2003-2007）等人[19-21]在加拿大海洋技術(shù)研究所的冰水池中進(jìn)行了吊艙推進(jìn)器和冰的切削試驗(yàn)，主要測(cè)量了螺旋槳-冰相互作用過(guò)程中螺旋槳的形狀和運(yùn)轉(zhuǎn)條件（進(jìn)速系數(shù)、槳葉的攻角和模型冰的切割深度）的改變過(guò)程中螺旋槳的載荷,并運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了分析。Sampson（2006-2013）等人[22-25]對(duì)螺旋槳-冰切削過(guò)程中的空泡問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了螺旋槳-冰切削過(guò)程中空泡的產(chǎn)生對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能以及強(qiáng)度帶來(lái)了很大的影響。

目前，國(guó)內(nèi)在螺旋槳-冰非接觸和接觸方面的試驗(yàn)研究非常少，螺旋槳-冰切削方面的試驗(yàn)研究更是沒(méi)有。針對(duì)國(guó)內(nèi)螺旋槳-冰切削方面試驗(yàn)空白的情況，我們?cè)诠枮I工程大學(xué)拖曳水池試驗(yàn)室搭建了螺旋槳-冰切削試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了非凍結(jié)模型冰與螺旋槳的切削試驗(yàn)，并分析了螺旋槳-冰切削過(guò)程中載荷的組成。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 測(cè)量裝置

螺旋槳-冰切削試驗(yàn)的主要目的是分析螺旋槳在空氣和水中與模型冰切削時(shí)螺旋槳受到的載荷。國(guó)外研究人員對(duì)螺旋槳-冰非接觸載荷和接觸載荷的研究主要在空泡水筒中進(jìn)行，而本文進(jìn)行的螺旋槳-冰接觸載荷的試驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)性地在拖曳水池中開(kāi)展。在拖曳水池中進(jìn)行螺旋槳-冰的切削試驗(yàn)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以分別進(jìn)行螺旋槳與冰在空氣中和在水中的切削試驗(yàn)，便于分析螺旋槳在不同介質(zhì)中受到的不同載荷；（2）在螺旋槳與模型冰的切削試驗(yàn)中，每進(jìn)行一次切削試驗(yàn)都需要重新更換模型冰，在拖曳水池中開(kāi)展切削試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是便于拆卸和安裝模型冰，可大大節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間；（3）在螺旋槳與模型冰的切削試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的模型冰碎屑，由于模型冰不溶于水，在拖曳水池中可以很方便地處理碎屑，減少模型冰對(duì)水池試驗(yàn)用水的污染。如果在循環(huán)水槽或者空泡水筒中進(jìn)行切削試驗(yàn)勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間并造成水體污染。

螺旋槳-冰的切削試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池中進(jìn)行，拖曳水池全長(zhǎng)108 m，寬度7 m，水深3.5 m；拖車最大航速為6.5 m/s，穩(wěn)速范圍0.1～6.5 m/s，穩(wěn)速精度0.1%，最大平均加速度：a+＞0.09 g。由于在螺旋槳-冰的切削過(guò)程中，螺旋槳受到的接觸載荷比螺旋槳-冰阻塞試驗(yàn)時(shí)受到的非接觸載荷大得多，所以在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)選用量程更大的試驗(yàn)設(shè)備，本次試驗(yàn)過(guò)程中選擇的測(cè)量系統(tǒng)主要有R25-1螺旋槳?jiǎng)恿x和DHDAS信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件。R25-1螺旋槳?jiǎng)恿x具有穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高和摩擦阻力小等特點(diǎn)，其最大推力250 N，最大扭矩和轉(zhuǎn)速分別為10 N·m和3 500 r/min。試驗(yàn)過(guò)程中能把試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果輸出到信號(hào)測(cè)試分析儀中進(jìn)行分析處理，在試驗(yàn)之前需要進(jìn)行推力和扭矩的靜態(tài)校核。DHDAS信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件具有低通濾波、信號(hào)分析、頻譜分析、抗混濾波、傳感器標(biāo)定以及超低頻濾波等功能，能夠?qū)ζ錅y(cè)量的振動(dòng)波和其他波進(jìn)行過(guò)濾，測(cè)量范圍為±20 mv～±20 v。

1.2 模型冰推送裝置

試驗(yàn)過(guò)程中為了模擬真實(shí)冰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)計(jì)了模型冰推送裝置，該推送裝置在模型冰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要經(jīng)受極大的抽吸力，同時(shí)能夠提供可控制的推進(jìn)速度以及精確的移動(dòng)距離。推送裝置主要包括KK線性模組、AC伺服電機(jī)、控制系統(tǒng)、模型冰固定裝置以及固模架等。試驗(yàn)過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)螺旋槳-模型冰的切削，需要實(shí)現(xiàn)螺旋槳與模型冰之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本次試驗(yàn)通過(guò)KK線性模組的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型冰的運(yùn)動(dòng)，KK線性模組選用的型號(hào)為KK8610C-940A1-M2-F0，絲桿導(dǎo)程10 mm，滑塊最大移動(dòng)距離為550 mm，移動(dòng)速度可調(diào)，其移動(dòng)速度和位移的精度分別為±0.01 mm/s和±0.01 mm。在電機(jī)的選擇過(guò)程中，首先借助CFD軟件計(jì)算單塊模型冰（200 mm×280 mm×80 mm）在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力以及考慮絲桿滑塊的突然減速和加速的情況，預(yù)估了電機(jī)需要的功率。同時(shí)為了滿足模型冰的不同推進(jìn)速度以及低速運(yùn)行，最終選擇了輸出功率400 W，額定扭矩1.27 N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的AC伺服電機(jī)，KK線性模組、AC伺服電機(jī)以及固模架如圖1（a）所示。

其中，模型冰推送裝置中最重要的組成部分是控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模型冰不同方向、不同速度和不同位移大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模型冰的四種運(yùn)動(dòng)類型即點(diǎn)動(dòng)向前、點(diǎn)動(dòng)向后、連動(dòng)向前和連動(dòng)向后。其中，點(diǎn)動(dòng)控制是人為控制模型冰的移動(dòng)距離，以便調(diào)節(jié)模型冰與螺旋槳之間的相對(duì)距離。連動(dòng)控制是模型冰在線性模組的控制下自行移動(dòng)設(shè)置的距離，以便模擬冰的真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。該控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)器、伺服控制線和六個(gè)不同的控制開(kāi)關(guān)構(gòu)成，各組成成分如圖1（b）所示。在組成成分中驅(qū)動(dòng)器為最重要的元件，試驗(yàn)過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)螺旋槳-冰切削過(guò)程中的各種工況，需要在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自行編寫(xiě)代碼。本次試驗(yàn)為了實(shí)現(xiàn)模型冰的三種不同的移動(dòng)速度和距離，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自行編寫(xiě)了pdl代碼，代碼的功能可以實(shí)現(xiàn)模型冰以5 mm/s、10 mm/s和15 mm/s的速度移動(dòng)，模型冰連續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離分別為1 mm、5 mm和200 mm，從而可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳和模型冰在非接觸狀態(tài)和接觸狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)。

由于螺旋槳與模型冰的切削過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，為了更好地控制螺旋槳-冰的切削過(guò)程和更好地測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要對(duì)模型冰進(jìn)行固定，保證模型冰在切削過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一套模型冰固定裝置，如圖1（c）所示，模型冰的連接端采用殼式連接，可以有效地減小模型冰的滑動(dòng)。同時(shí)，為了保證螺旋槳-冰切削時(shí)的穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)螺旋槳與模型冰的不同切削深度，該連接裝置采用板狀連接，且設(shè)置不同的連接孔，可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳-冰不同切削深度的試驗(yàn)要求，模型冰連接裝置如圖1（d）所示。

圖1 模型冰推送裝置Fig.1 Model ice feeding mechanism

1.3 螺旋槳

本次試驗(yàn)所用的螺旋槳模型是根據(jù)某海事巡邏船原型槳按1：6縮尺比并進(jìn)行局部修改得到的，螺旋槳的相關(guān)尺寸和參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋槳的主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometrical parameters of propeller

1.4 模型冰

（1）模型冰密度測(cè)量

螺旋槳-冰的切削過(guò)程中模型冰的密度對(duì)螺旋槳與模型冰的切削轉(zhuǎn)化為螺旋槳與實(shí)際冰的切削起著非常重要的作用，因此，在試驗(yàn)之前需要準(zhǔn)確測(cè)量模型冰的密度。本次試驗(yàn)中選用的模型冰為酚醛保溫板，如圖1（c）。由于模型冰不溶于水，所以采用天平量筒法即質(zhì)量除體積的方法，選取10塊大小為100 mm×40 mm×12 mm的模型冰為樣本，每塊模型冰的編號(hào)分別為1～10號(hào)，分別使用電子天平和量筒測(cè)量模型冰的質(zhì)量和體積。然后計(jì)算每塊模型冰樣本的密度，最后分別計(jì)算出模型冰密度的均值、方差和中位數(shù)，如表2所示。

表2 測(cè)量的模型冰特性值Tab.2 Tested model ice properties

（2）模型冰特性測(cè)量

在螺旋槳-冰接觸載荷和非接觸載荷的研究過(guò)程中，由于試驗(yàn)條件的限制無(wú)法直接利用海冰進(jìn)行螺旋槳-冰的切削試驗(yàn)，但是可以充分借助模型冰進(jìn)行試驗(yàn)。模型冰具有性質(zhì)穩(wěn)定、制作方便和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在螺旋槳和破冰船的研究過(guò)程中被廣泛使用，但是實(shí)驗(yàn)后需要進(jìn)行尺度換算。螺旋槳-冰切削試驗(yàn)中僅僅把σ看成變量進(jìn)行換算，σ為模型冰的單軸壓縮強(qiáng)度或者破碎強(qiáng)度，因此，在試驗(yàn)之前需要測(cè)量模型冰的破碎強(qiáng)度。本文中的模型冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)力學(xué)測(cè)試中心進(jìn)行，使用的試驗(yàn)儀器是：INSTRON 5500電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格按國(guó)標(biāo)GB/T 6344-2008/ISO 1798：2008（輕質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定）要求，制作了10塊大小為100 mm×100 mm×13 mm的模型冰，模型冰的壓縮試驗(yàn)如圖2所示，（a）表示壓縮試驗(yàn)前模型冰的厚度，（b）表示壓縮試驗(yàn)后模型冰的厚度，試驗(yàn)后測(cè)得的模型冰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖，如圖3所示。同時(shí)根據(jù)國(guó)標(biāo)中壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量的換算公式，計(jì)算出模型冰的破碎強(qiáng)度和彈性模量，整理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

圖2 模型冰的壓縮試驗(yàn)Fig.2 The compression tests on model ice

圖3 模型冰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 The stress-strain relationship curves of model ice

2 試驗(yàn)基本介紹

2.1 試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)分別分析了螺旋槳不同轉(zhuǎn)速、模型冰不同移動(dòng)速度、模型冰不同的切削深度以及螺旋槳不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)，螺旋槳-冰在空氣中和在水中切削工況下螺旋槳推力和扭矩的變化規(guī)律。由于篇幅的原因，本文僅僅列舉了模型冰以不同的速度移動(dòng)時(shí)螺旋槳-冰在空氣中和在水中切削時(shí)的變化規(guī)律。試驗(yàn)過(guò)程中選擇大小為200 mm×280 mm×80 mm的模型冰為研究對(duì)象，螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，模型冰移動(dòng)速度分別為5 mm/s和15 mm/s，模型冰移動(dòng)距離設(shè)為200 mm（螺旋槳在模型冰前50 mm，在模型冰內(nèi)運(yùn)動(dòng)150 mm），模型冰切割深度為25 mm，螺旋槳進(jìn)速系數(shù)分別為：J=0（在空氣中切削）和J=0.4（在水中切削時(shí)，拖車航速為V=1 m/s）。

在綜合考慮水池長(zhǎng)度、拖車速度以及雷諾數(shù)等各項(xiàng)因素下，螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)為n=1 000 r/min，試驗(yàn)水溫為15℃，螺旋槳的雷諾數(shù)依據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：VA為螺旋槳進(jìn)速（m/s）；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速（r/s）；D為螺旋槳的直徑（m）；b0.75R為螺旋槳槳葉在0.75R處的葉切面弦長(zhǎng)（m）；ν為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)（m2·s-1）。

當(dāng)螺旋槳進(jìn)速VA=0 m/s時(shí)，計(jì)算得到的雷諾數(shù)滿足我國(guó)上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室規(guī)定的雷諾數(shù)Re=3×105的要求，使螺旋槳處于充分湍流的流場(chǎng)狀態(tài)。

2.2 模型律

把螺旋槳與模型冰切削試驗(yàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際海冰的過(guò)程中和普通冰水池試驗(yàn)的轉(zhuǎn)化方法相同，以螺旋槳直徑為基礎(chǔ)的弗魯?shù)聰?shù)被廣泛運(yùn)用到螺旋槳-冰的切削過(guò)程中，如公式（2）所示，其中f代表實(shí)尺度，m代表模型尺度，縮尺比為λ=Df/Dm，冰的性能和螺旋槳力和扭矩的物理特性都可以通過(guò)實(shí)尺度和模型尺度表示出來(lái)。實(shí)際螺旋槳與模型槳的縮尺比為λ=6，由于模型冰和實(shí)際海冰的密度不同，根據(jù)Zufelt等（1996）[26]和Vroegrijk（2011）[27]表明的把模型冰的壓縮強(qiáng)度和彈性模量的縮尺運(yùn)算公式，求得

冰的壓縮強(qiáng)度和彈性模量分別為24.89 kPa和480 MPa（實(shí)際海冰：σ=100-2 500 kPa，E=500 MPa），與實(shí)際海冰特性具有差異，但是仍然可以定性地用于分析螺旋槳-冰切削試驗(yàn)時(shí)螺旋槳受到的載荷類型。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 螺旋槳與模型冰在空氣中切削

以螺旋槳的系泊狀態(tài)即螺旋槳進(jìn)速為0 m/s，螺旋槳的轉(zhuǎn)速設(shè)為1 000 r/min，模型冰移動(dòng)速度為15 mm/s，模型冰切割深度為25 mm，切削長(zhǎng)度為150 mm時(shí)的工況為例，繪制出螺旋槳-冰在空氣中切削時(shí)模型冰移動(dòng)速度V，螺旋槳轉(zhuǎn)速n、螺旋槳推力T和螺旋槳扭矩Q隨時(shí)間t的變化曲線，繪制出的效果圖如圖4，得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 螺旋槳-冰在空氣中切削Fig.4 Propeller-ice milling in-air

圖4為螺旋槳與模型冰在空氣中切削時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖中可以清晰看出模型冰移動(dòng)速度、螺旋槳轉(zhuǎn)速、推力和扭矩隨時(shí)間t的變化規(guī)律。圖中詳細(xì)列舉了螺旋槳從開(kāi)始旋轉(zhuǎn)到與模型冰進(jìn)行切削再到螺旋槳停止旋轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程，整個(gè)階段大約花費(fèi)100 s的時(shí)間。圖中展示出在t=58 s時(shí)螺旋槳導(dǎo)邊與模型冰開(kāi)始接觸（如圖4中a點(diǎn)所示），螺旋槳推力曲線和扭矩曲線突然上升或下降，在經(jīng)過(guò)該點(diǎn)后螺旋槳進(jìn)入切削區(qū)域，當(dāng)螺旋槳的葉梢與模型冰接觸時(shí)螺旋槳開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的切削階段，切削時(shí)間大約為8 s，切削結(jié)束后（圖4中b點(diǎn)所示）螺旋槳進(jìn)入穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)階段，圖中整個(gè)綠色框圖內(nèi)表示螺旋槳與模型冰的整個(gè)切削過(guò)程。圖中螺旋槳推力曲線的變化趨勢(shì)與Sampon和Atlar的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，差異的主要原因是螺旋槳的轉(zhuǎn)速過(guò)高，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速n=800 r/min時(shí)，螺旋槳推力曲線的變化趨勢(shì)和國(guó)外研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。螺旋槳扭矩的變化趨勢(shì)相似，證明了螺旋槳-冰切削試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)搭建具有可行性。圖中展示了原始信號(hào)在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的振動(dòng)特性，特別是在切削過(guò)程中我們可以看出振動(dòng)信號(hào)更加明顯。螺旋槳-冰在空氣中切削時(shí)，我們通常認(rèn)為螺旋槳受到直接的冰接觸載荷和接觸區(qū)域碎冰擠壓產(chǎn)生的擠壓載荷，這兩種載荷的大小和螺旋槳的轉(zhuǎn)速、冰的移動(dòng)速度以及冰的切割深度有很大關(guān)系。為了進(jìn)一步研究螺旋槳-冰在空氣中切削時(shí)的物理過(guò)程，我們分別列舉了模型冰不同移動(dòng)速度時(shí)螺旋槳-冰的切削工況，試驗(yàn)過(guò)程中不同的切削狀態(tài)如圖5所示（V代表模型冰移動(dòng)速度，H代表螺旋槳-冰的切削深度）。

表3 螺旋槳推力和扭矩（在空氣中切削）Tab.3 The thrust and torque of propeller(in-air milling)

圖5分別展示了模型冰以5 mm/s和15 mm/s運(yùn)動(dòng)時(shí)螺旋槳-冰的切削過(guò)程。圖中1處紅色方框可以看出，不同的推進(jìn)速度導(dǎo)致螺旋槳切割后的模型冰的破碎形狀不同，推進(jìn)速度為5 mm/s時(shí)，破碎的模型冰呈現(xiàn)出碎屑狀，且破碎程度較大。推進(jìn)速度為15 mm/s時(shí)，螺旋槳切割后的模型冰呈現(xiàn)出片狀，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)。其次，從圖中2處的紅色方框內(nèi)可以看出，模型冰推進(jìn)速度不同，破碎后的冰被擠壓出的速度不同，甚至在3位置處時(shí)可以看出推進(jìn)速度為15 mm/s時(shí)模型冰碎屑被擠壓出較遠(yuǎn)的區(qū)域。破碎后的模型冰從切削區(qū)域被擠出時(shí)不同的擠出速度表明螺旋槳受到的擠載荷不同。同時(shí)，結(jié)合表3的數(shù)據(jù)（負(fù)號(hào)僅代表方向）表明，模型冰移動(dòng)的速度越快，螺旋槳推力和扭矩越大。由此可以得出，模型冰移動(dòng)速度越快螺旋槳受到的擠壓載荷越大。其中，螺旋槳推力增加的原因是產(chǎn)生擠載荷，而螺旋槳扭矩的增加則歸因于機(jī)械的冰接觸載荷。

圖5 螺旋槳-冰在空氣中切削Fig.5 Propeller-ice milling test in air

3.2 螺旋槳與模型冰在水中切削

螺旋槳-冰在水中切削時(shí)螺旋槳和模型冰的浸沒(méi)深度為1.5倍的螺旋槳直徑，螺旋槳航速為1 m/s，其他設(shè)置與螺旋槳-冰在空氣中切削時(shí)的設(shè)置完全相同。螺旋槳-冰在水中切削時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速、模型冰移動(dòng)速度、螺旋槳推力和扭矩隨時(shí)間t的變化曲線如圖6所示。

圖6 螺旋槳-冰在水中切削（V=1 m/s）Fig.6 Propeller-ice milling test in water(V=1 m/s)

螺旋槳-冰在水中切削時(shí)主要經(jīng)歷三個(gè)階段：阻塞階段、鄰近階段和切削階段，在每個(gè)階段螺旋槳受到載荷的變化趨勢(shì)基本不同。下面我們分別以螺旋槳推力和扭矩隨時(shí)間t的變化曲線為例進(jìn)行分析，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程螺旋槳推力曲線的變化趨勢(shì)將螺旋槳-冰的切削過(guò)程分為6個(gè)階段，每個(gè)階段的變化趨勢(shì)如圖6（c）所示。在圖中a階段代表螺旋槳的轉(zhuǎn)速由0旋轉(zhuǎn)到1 000 r/min以及拖車的加速階段。b階段為拖車航速進(jìn)入穩(wěn)速階段即航行速度V=1 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為n=1 000 r/min，該階段為螺旋槳的阻塞階段，在阻塞范圍內(nèi)螺旋槳推力和扭矩值與螺旋槳敞水試驗(yàn)值（T=41 N，Q=0.6 N·m）相比顯著增加，增加的主要原因是模型冰對(duì)螺旋槳的阻塞影響，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到的載荷主要包括螺旋槳敞水載荷和模型冰對(duì)螺旋槳阻塞產(chǎn)生的載荷。其次，隨著時(shí)間的增加，模型冰開(kāi)始以V=15 mm/s的速度逐步靠近螺旋槳，如圖6中c階段，隨著螺旋槳-冰之間的距離減小，螺旋槳受到的推力和扭矩值逐漸減少，減小的主要原因與模型冰的尺寸、螺旋槳的直徑以及拖車航速有關(guān)，由于試驗(yàn)過(guò)程中選擇的模型冰尺寸為200 mm×280 mm×80 mm，螺旋槳直徑為D=150 mm，模型冰的寬度約為螺旋槳直徑的1.9倍。當(dāng)拖車航速為1 m/s，模型冰以15 mm/s相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，模型冰在螺旋槳盤面前產(chǎn)生的大部分湍流沿著模型冰兩側(cè)以及螺旋槳區(qū)域外側(cè)向后流動(dòng)，使螺旋槳槳前來(lái)流相對(duì)均勻，軸向來(lái)流速度增加，導(dǎo)致局部進(jìn)速系數(shù)增加，使螺旋槳推力和扭矩減小。而拖車航速為V=1 m/s，模型冰相對(duì)靜止時(shí)，模型冰產(chǎn)生的湍流更多地進(jìn)入到螺旋槳槳前，使軸向來(lái)流速度減小，局部進(jìn)速系數(shù)減小，從而使b階段螺旋槳受到的推力和扭矩大于c階段螺旋槳受到的推力和扭矩。該過(guò)程與拖車航速為V=0 m/s，模型冰以15 mm/s相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)螺旋槳與冰切削時(shí)的變化趨勢(shì)不同。在該階段內(nèi)螺旋槳受到載荷主要有敞水載荷和模型冰尾流對(duì)螺旋槳阻塞產(chǎn)生的載荷。

阻塞階段完成后螺旋槳與模型冰開(kāi)始進(jìn)行切削，d階段紅色方框?yàn)槁菪龢c模型冰從接觸到切削的階段，在切削過(guò)程中螺旋槳推力和扭矩顯著增加，增加的主要原因除敞水載荷和螺旋槳受到的阻塞載荷作用外，在螺旋槳-冰切削過(guò)程中還產(chǎn)生的一些附加載荷作用在螺旋槳槳葉上，這些載荷主要由螺旋槳-冰接觸區(qū)域的碎冰擠壓產(chǎn)生，碎冰切削后充當(dāng)粘性流體從接觸區(qū)域高速擠出到達(dá)螺旋槳葉背，導(dǎo)致了螺旋槳槳葉升力的增加。這種力是螺旋槳導(dǎo)邊和模型冰之間直接接觸作用產(chǎn)生的，但是該情況下螺旋槳槳葉的受力比水動(dòng)力的影響要小，主要位于螺旋槳槳葉導(dǎo)邊接觸區(qū)域附近。在切削過(guò)程中螺旋槳將同時(shí)受到接觸載荷、擠壓載荷、水動(dòng)力非接觸載荷和敞水載荷的影響。在螺旋槳-冰切削完成后螺旋槳在模型冰的凹槽內(nèi)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到模型冰從接觸區(qū)內(nèi)移出，該過(guò)程如圖6中e階段所示。該階段內(nèi)螺旋槳推力和扭矩出現(xiàn)了先減小后增加的趨勢(shì)，螺旋槳在模型冰凹槽內(nèi)逐漸退出的過(guò)程中，螺旋槳槳前軸向來(lái)流速度逐漸增加，使螺旋槳局部進(jìn)速系數(shù)增加，從而使螺旋槳受到的推力和扭矩減小。當(dāng)螺旋槳從模型冰凹槽內(nèi)退出且模型冰逐漸遠(yuǎn)離螺旋槳時(shí)，導(dǎo)致螺旋槳槳前流場(chǎng)更加紊亂，軸向來(lái)流速度進(jìn)一步減小，螺旋槳受到的推力和扭矩有逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)模型冰相對(duì)靜止時(shí)，螺旋槳再次進(jìn)入阻塞階段，如圖中f階段，但是該階段與b階段不同，該階段為凹槽模型冰（即切割后的模型冰）對(duì)螺旋槳的阻塞影響。從圖6（c）中可以看出，該階段螺旋槳受到的推力和扭矩小于b階段螺旋槳受到的推力和扭矩，減小的原因是更多的水流通過(guò)模型冰凹槽進(jìn)入螺旋槳槳前，使其軸向來(lái)流增加，局部進(jìn)速系數(shù)增加，從而使螺旋槳受到的推力和扭矩相對(duì)減小。此時(shí)，螺旋槳受到敞水載荷和凹槽模型冰對(duì)螺旋槳的阻塞載荷。

為了進(jìn)一步了解螺旋槳-冰的切削過(guò)程，以圖6（d）為例分析螺旋槳與模型冰相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。圖中位置點(diǎn)1表明模型冰開(kāi)始逐步靠近螺旋槳，隨著模型冰的移動(dòng)，到達(dá)位置點(diǎn)2。在位置點(diǎn)2之前，螺旋槳受到的載荷較小，而位置點(diǎn)2之后，螺旋槳推力和扭矩突然增加，表明螺旋槳與模型冰開(kāi)始進(jìn)行切削，因此，位置點(diǎn)2被稱為最大鄰近點(diǎn)。經(jīng)過(guò)位置點(diǎn)2后直接進(jìn)入位置點(diǎn)3，位置點(diǎn)3表示螺旋槳導(dǎo)邊與模型冰開(kāi)始進(jìn)行切削。當(dāng)螺旋槳葉梢與模型冰接觸時(shí)，螺旋槳開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的切削階段，圖中紅色方框詳細(xì)展示出力的變化趨勢(shì)。切削完成后，螺旋槳從模型冰凹槽內(nèi)逐漸移出，點(diǎn)4表明螺旋槳從模型冰凹槽內(nèi)完全移出，而位置點(diǎn)4和位置點(diǎn)5之間時(shí)間段內(nèi)為模型冰逐漸遠(yuǎn)離螺旋槳。到達(dá)位置點(diǎn)5之后螺旋槳與凹槽模型冰無(wú)相對(duì)移動(dòng)，切削后的模型冰對(duì)螺旋槳產(chǎn)生穩(wěn)定的阻塞影響。在整個(gè)螺旋槳-冰的切削過(guò)程中，螺旋槳推力曲線和扭矩曲線的變化趨勢(shì)和Sampon，Atlar和Wang等人描述的試驗(yàn)現(xiàn)象略有差異，存在這種差異的主要原因與選擇的模型冰材料、模型冰切割深度、模型冰推進(jìn)速度以及螺旋槳轉(zhuǎn)速有關(guān)。同時(shí)，也說(shuō)明了螺旋槳-冰切削過(guò)程的復(fù)雜性。綜上所述，可以得出螺旋槳-冰相互作用的過(guò)程中模型冰在不同位置時(shí)螺旋槳受到的載荷不同，這些載荷主要包括：接觸載荷、從接觸區(qū)域擠出的受損冰的擠壓載荷、水動(dòng)力非接觸載荷和平均敞水水動(dòng)力載荷。這些載荷在螺旋槳槳葉和冰切削的過(guò)程中可能同時(shí)發(fā)生在槳葉的不同位置。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)螺旋槳-冰切削試驗(yàn)方面的空白，在哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池內(nèi)搭建螺旋槳-冰切削試驗(yàn)的測(cè)量平臺(tái)，詳細(xì)敘述了測(cè)量平臺(tái)的試驗(yàn)設(shè)施和模型冰特性的測(cè)量，同時(shí)對(duì)螺旋槳-冰在空氣中和水中的切削過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。得出的主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)與其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了本文在拖曳水池中搭建的試驗(yàn)平臺(tái)能夠較好地控制螺旋槳-冰的切削過(guò)程，能夠穩(wěn)定地測(cè)量螺旋槳-冰切削過(guò)程中螺旋槳受到的推力和扭矩，驗(yàn)證了在拖曳水池中進(jìn)行螺旋槳-冰切削試驗(yàn)的可行性和可靠性。

（2）本文詳細(xì)分析了螺旋槳-冰在空氣中和水中切削時(shí)螺旋槳受到的載荷，得出模型冰移動(dòng)的速度越快螺旋槳受到的擠壓載荷越大。同時(shí)，掌握了螺旋槳-冰切削過(guò)程的一些基本載荷，加深了對(duì)螺旋槳-冰切削過(guò)程的理解。其次，本次試驗(yàn)觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象以及得到的螺旋槳推力和扭矩變化曲線可為數(shù)值模擬方法提供參考。

（3）本次試驗(yàn)僅僅是對(duì)螺旋槳-冰切削過(guò)程中的一次嘗試，測(cè)量精度上可能還有很多不足之處，有待進(jìn)一步提高。對(duì)于未來(lái)的工作將會(huì)研究更多因素（如：模型冰不同角度運(yùn)動(dòng)、螺旋槳不同位置處碰撞，不同形狀的模型冰、螺旋槳不同轉(zhuǎn)速、拖車不同航速以及吊艙推進(jìn)器操舵時(shí)的切削等）條件下螺旋槳-冰的切削試驗(yàn)。