非凍結(jié)模型冰-螺旋槳切削狀態(tài)的試驗研究

徐 佩，王 超，郭春雨，楊 波，蘇玉民

（1.江蘇海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，江蘇連云港 222005；2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引 言

北極地區(qū)具有重要的航運價值、豐富的能源儲備、關(guān)鍵的軍事地位、突出的政治意義以及急需的科研需求，開展極地研究是國家發(fā)展戰(zhàn)略需要，也是船舶行業(yè)發(fā)展需求。極地船舶作為研究開發(fā)北極地區(qū)的重要運載工具，具有突出的地位，而推進器作為船舶推進系統(tǒng)的重要組成部分，其安全、性能優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶航行安全。極地船舶在冰區(qū)航行過程中，其推進器的工作環(huán)境伴隨著數(shù)量眾多、形狀各異、體積不一的海冰，這些海冰會與推進器發(fā)生阻塞、碰撞以及切削等相互作用，特別是在冰槳切削過程中，極易造成推進器結(jié)構(gòu)損壞、性能下降以及船體劇烈振動等問題。因此，開展冰槳切削過程的詳細(xì)深入研究對冰區(qū)螺旋槳理論模型的建立及優(yōu)化設(shè)計均具有十分重要的意義。

國外在冰槳切削方面的研究起步較早，掌握了較為全面的規(guī)律和機理。在理論研究方面，Kotras等[1]將槳葉假設(shè)為楔形結(jié)構(gòu)建立了冰槳切削狀態(tài)的預(yù)報模型，對槳葉受到的切向和法向力、冰載荷合力進行了預(yù)報；Soininen[2]采用滑移線理論建立了冰槳切削計算模型，通過求解碎冰破碎在槳葉上引起的壓力分布疊加計算出冰載荷；Wang等[3-4]利用面元法對冰槳切削狀態(tài)的冰載荷和混合載荷進行了預(yù)報，并與試驗值進行了對比。理論研究僅僅針對冰載荷的變化曲線進行預(yù)報，而對冰槳相互作用過程的描述存在不足。在數(shù)值模擬方面，孫文林[5]、常欣等[6]基于ANSYS/LS-DYNA 平臺對冰槳切削過程中螺旋槳強度進行了分析，揭示了切削深度、螺旋槳轉(zhuǎn)速等參數(shù)對槳葉應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，但未將冰槳切削狀態(tài)時冰塊的擠壓、剪切等物理過程展示出來；鄒早建等[7]基于LS-DYNA軟件提出了一種基于彈塑性軟化本構(gòu)模型的粘聚單元法，對冰槳切削過程中不同冰運動速度、切削深度及螺旋槳轉(zhuǎn)速時的冰載荷進行了預(yù)報；葉禮裕等[8-10]、王超等[11]利用近場動力學(xué)方法，建立了冰槳切削載荷模型，對冰槳切削過程中瞬時冰載荷、槳葉壓力、動力響應(yīng)、冰破碎進行了模擬，同時，從冰載荷變化角度證明了槳葉的遮蔽效應(yīng)，并提出了新的遮蔽系數(shù)計算公式。但在數(shù)值模擬過程中，都未對冰和螺旋槳參數(shù)變化時槳葉與冰塊的作用模式進行詳細(xì)的描述。在試驗研究方面，采用的冰有凍結(jié)模型冰和非凍結(jié)模型冰，由于非凍結(jié)模型冰具有加工方便、力學(xué)特性穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛運用到冰槳切削試驗過程中。Atlar等[12]和Sampson等[13]利用非凍結(jié)模型冰在空泡水筒中開展了冰槳切削試驗，重點研究了空泡對螺旋槳水動力載荷和冰載荷的影響；郭春雨等[14]利用酚醛保溫板作為非凍結(jié)模型冰開展了冰槳切削試驗研究，對冰槳切削過程中冰載荷的動態(tài)變化及切削后的碎冰進行了展示；Wang 等[15]利用凍結(jié)EG/AD/S 模型冰開展了冰槳切削試驗，提出了槳葉的遮蔽效應(yīng)，并建立了遮蔽系數(shù)計算公式。但相關(guān)試驗研究都未清晰展示出槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中如何與冰進行切削，以及未詳細(xì)地說明冰槳作用模式。

目前，國際上已針對冰槳切削狀態(tài)從理論、數(shù)值模擬及模型試驗等方面開展了研究，但在冰槳切削過程中槳葉與冰的作用模式未能清晰地得到展示，缺乏冰槳切削試驗的技術(shù)儲備?；诖耍狙芯宽椖拷M搭建冰槳切削試驗平臺，借助高速攝像機對冰槳切削過程進行實時捕捉，探究冰槳切削狀態(tài)的作用過程，重點研究冰槳作用模式和冰破壞模式，為揭示冰槳切削狀態(tài)時冰槳作用機理提供支撐。

1 試驗設(shè)施和試驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 冰槳切削試驗平臺搭建的原理

根據(jù)冰-螺旋槳的實際接觸場景，冰-螺旋槳切削工況的試驗研究存在兩個問題：（1）實際海況下，冰塊是十分不規(guī)則的，這給試驗過程中模型冰的加工帶來很大困難，很難加工和固定不規(guī)則形狀的冰塊；（2）若不考慮船體結(jié)構(gòu)的影響，只開展冰槳切削試驗，一旦冰塊和螺旋槳接觸，冰塊可能會由于不受約束而遠(yuǎn)離螺旋槳，難以形成連續(xù)的切削過程。因此，為了獲得冰-螺旋槳連續(xù)的切削過程以及穩(wěn)定性和周期性的冰載荷，需要對冰槳切削工況的試驗過程進行簡化，便于測量螺旋槳冰載荷的變化規(guī)律。

目前，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)冰槳切削試驗的環(huán)境條件分別搭建了不同類型的冰槳切削試驗平臺，例如，Karulina 等[16]和Wang 等[15]根據(jù)冰水池內(nèi)凍結(jié)模型冰的位置、螺旋槳測試平臺的安裝方式以及拖車的運行方式等采用螺旋槳測試平臺隨拖車運動、凍結(jié)模型冰靜止在冰水池內(nèi)的方式進行了冰載荷的測量，搭建的試驗測試平臺如圖1（a）所示。同時，為了單獨對冰槳切削過程中的冰載荷進行測量以及大范圍地開展相關(guān)試驗研究，Aaqib[17]在德國漢堡冰水池內(nèi)搭建了冰槳切削試驗平臺，采用凍結(jié)模型冰運動、螺旋槳測試裝置靜止的方式進行試驗研究，試驗測試平臺如圖1（b）所示。此外，考慮到冰水池試驗操作的復(fù)雜性、耗時性以及冰力學(xué)特性的不穩(wěn)定性等因素，非凍結(jié)模型冰的應(yīng)用為開展冰-螺旋槳的試驗研究提供了新的思路，中國船舶集團公司第702研究所在空泡水筒內(nèi)搭建了冰槳試驗測試平臺[18]，采用螺旋槳測試裝置靜止、模型冰運動的方式進行了冰阻塞狀態(tài)下螺旋槳水動力性能試驗研究。

圖1 冰槳切削試驗平臺Fig.1 Platforms for ice-propeller milling tests

1.2 冰槳切削試驗平臺的組成

本文搭建的冰槳切削試驗平臺主要由電機、傳感器、采集系統(tǒng)及模型冰推送裝置等構(gòu)成，如圖2所示，其中，電機最大轉(zhuǎn)速為2000 r/min、最大功率為6 kW，頻率為67 Hz。傳感器分別為拉扭復(fù)合傳感器和六分力傳感器，拉扭復(fù)合傳感器軸向力和扭矩的量程分別為7000 N 和70 N?m，測量螺旋槳軸向力和扭矩。六分力傳感器軸向力和扭矩的量程分別為5000 N 和500 N?m，測量平臺整體載荷的變化。采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)16 通道數(shù)據(jù)采集，最高采樣頻率為25.6 kHz。模型冰推送裝置中模型冰最大移動速度為80 mm/s，固定冰塊的最大寬度和厚度分別為350 mm 和120 mm，同時，冰塊的垂向位置可調(diào)節(jié)，便于控制冰槳切削深度。

圖2 冰槳切削試驗平臺示意圖Fig.2 Schematic diagrams of ice-propeller milling test platform

1.3 螺旋槳模型

課題組根據(jù)文獻(xiàn)[19]中冰區(qū)螺旋槳的幾何參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)以及結(jié)合螺旋槳優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計了一款水動力性能以及幾何外形與R-class 槳相當(dāng)?shù)谋鶇^(qū)螺旋槳，并將其命名為Icepropeller 螺旋槳，其主要幾何參數(shù)如表1 所示，外形如圖3 所示。此外，為了研究不同尺度的螺旋槳與模型冰的作用模式，加工了兩個不同尺度的螺旋槳，如表1所示。

圖3 冰區(qū)螺旋槳模型（D=250 mm）Fig.3 Ice-class propeller model（D=250 mm）

在數(shù)據(jù)處理過程中為了便于分析和比較，參考螺旋槳敞水性能的無因次換算方法分別對螺旋槳的軸向力和扭矩進行了無量綱化，無量綱系數(shù)定義如下：

式中，D為螺旋槳直徑（m），n為螺旋槳轉(zhuǎn)速（r/s），ρ為冰的密度（kg/m3），KTice和KQice分別為冰槳切削狀態(tài)時螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)，Tice和Qice分別為冰槳切削狀態(tài)時螺旋槳軸向力（N）和扭矩（N?m）。

2 冰材料對比

2.1 淡水冰

在試驗開始初期分別選用淡水和石蠟作為冰的材料，淡水冰的制作在哈爾濱工程大學(xué)極地裝備技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室內(nèi)開展。在制作過程中，冰塊尺寸為300×350×100 mm，形狀為長方形，采用將模具和淡水放在可程式高低溫試驗箱內(nèi)進行冷凍的方式進行制作。在試驗過程中，以螺旋槳直徑D=180 mm、冰槳切削深度h=10 mm、冰推送速度V=10 mm/s、螺旋槳轉(zhuǎn)速n=600 r/min 為例進行試驗，其中，冰槳切削過程及螺旋槳冰載荷變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 淡水冰和螺旋槳的切削試驗Fig.4 Milling test of fresh water ice and propeller

圖5 螺旋槳冰載荷隨時間的變化曲線（淡水冰-槳）Fig.5 Variation of propeller ice load with time（Freshwater ice-propeller）

由圖4 可知，在冰槳切削過程中，切削后的碎冰全部為碎屑狀，且出現(xiàn)了堆積在槳軸上端或者從側(cè)向拋出的現(xiàn)象。同時，在試驗過程中觀察出模型冰固定裝置、螺旋槳和殼體出現(xiàn)振動較大的現(xiàn)象，主要原因是淡水冰的強度偏大。螺旋槳冰載荷的變化曲線如圖5所示，在冰槳切削過程中，冰載荷隨時間的變化曲線波動范圍較大，未出現(xiàn)穩(wěn)定的切削階段，故淡水冰的使用不利于冰槳切削試驗過程中變參數(shù)工況下冰載荷規(guī)律的研究。此外，使用淡水冰開展試驗時重復(fù)性效果并不理想，主要原因是每次凍結(jié)完成后的淡水冰力學(xué)特性存在差異，這種差異的產(chǎn)生與凍結(jié)冰的力學(xué)特性與冷凍環(huán)境的溫度、低溫試驗箱內(nèi)的風(fēng)向、冷凍時間以及回溫時間等都密切相關(guān)，不能提供力學(xué)特性穩(wěn)定的冰開展試驗研究。因此，可以判斷出使用淡水冰開展冰槳切削試驗對冰槳作用模式的研究會產(chǎn)生較大的影響，不利于冰槳作用機理的探討。

2.2 石蠟?zāi)Ｐ捅?/h3>

鑒于淡水冰在冰槳切削試驗過程中展現(xiàn)出的不足，項目組又選用石蠟作為模型冰的材料開展冰槳切削試驗研究，使用的石蠟?zāi)Ｐ捅怯?8#半精煉顆粒狀石蠟制作而成，其平均密度為903 kg/m3，石蠟的表面摩擦系數(shù)為0.03[20]。在模型冰制作過程中，采用將顆粒狀石蠟倒入電爐中加熱的方式進行融化，將其融化后的溶液倒入到制作的模具中，模具的尺寸為300×350×100 mm，形狀為長方形，其中，石蠟?zāi)Ｐ捅哪＞咭约俺尚偷哪Ｐ捅鐖D6所示。

圖6 石蠟?zāi)Ｐ捅湍＞逨ig.6 Paraffin wax model ice and mould

此外，利用多功能結(jié)構(gòu)試驗測試裝置進行了模型冰單軸壓縮強度的測試，測試過程中模型冰的尺寸為40×40×100 mm，模型冰與壓頭的接觸面積為40×40 mm2。為了研究不同應(yīng)變速率對海冰單軸壓縮強度的影響，應(yīng)變率分別設(shè)置為ε?=1.5×10-2、1.6×10-3、2.0×10-4和2.0×10-5，并由此確定石蠟?zāi)Ｐ捅膯屋S壓縮強度。當(dāng)石蠟?zāi)Ｐ捅谕饬ψ饔孟掳l(fā)生變形時，其應(yīng)力隨著形變量的增加而增加。當(dāng)達(dá)到壓縮強度后，石蠟?zāi)Ｐ捅l(fā)生屈服或者破壞。圖7 給出了石蠟?zāi)Ｐ捅诓煌虞d速率下單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時石蠟?zāi)Ｐ捅l(fā)生破壞，此時所對應(yīng)的應(yīng)力即為石蠟?zāi)Ｐ捅膯屋S壓縮強度。由圖可知，在高應(yīng)變速率（ε?=1.5×10-2、1.6×10-3）下，石蠟?zāi)Ｐ捅膽?yīng)力隨著應(yīng)變的增加逐漸增加，當(dāng)達(dá)到最大值后突然下降，與淡水冰相比[21]，突然下降的程度減小，此時石蠟?zāi)Ｐ捅卩徑鼔嚎s強度σc時表現(xiàn)出的破壞行為與淡水冰脆性破壞行為類似，隨著壓頭的運動，石蠟?zāi)Ｐ捅鶓?yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢與淡水冰的韌性破壞行為類似。在低應(yīng)變速率（ε?=2.0×10-5）下，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加逐漸增加，并在達(dá)到壓縮強度σc后逐漸下降，此時，石蠟?zāi)Ｐ捅憩F(xiàn)為典型的塑性變形。當(dāng)應(yīng)變速率為2.0×10-4時，石蠟?zāi)Ｐ捅谄茐倪^程中出現(xiàn)了多個峰值，說明在加載過程中存在多次破碎的現(xiàn)象。

圖7 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves at different strain rates

圖8 展示出了石蠟?zāi)Ｐ捅诓煌瑧?yīng)變速率下的破壞過程。由圖可知，在高應(yīng)變速率下模型冰出現(xiàn)較多的豎向裂紋，破壞區(qū)域主要集中在冰塊中部以上區(qū)域。隨著應(yīng)變速率的減小，當(dāng)ε?=1.6×10-3時，冰塊發(fā)生了從頂部到底部的劈裂破壞，與淡水冰在高應(yīng)變速率時的破碎現(xiàn)象相同[21]。當(dāng)ε?=2.0×10-4時，冰塊頂部發(fā)生了多次破碎現(xiàn)象，與圖7中出現(xiàn)的多個峰值相對應(yīng)，同時，在模型冰內(nèi)部也展示出了宏觀裂紋破壞。當(dāng)ε?=2.0×10-5時，模型冰未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，僅僅在內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋。

圖8 不同應(yīng)變速率下石蠟?zāi)Ｐ捅钠扑檫^程Fig.8 Breaking process of paraffin model ice under different strain rates

此外，以高應(yīng)變速率下石蠟?zāi)Ｐ捅膽?yīng)力-應(yīng)變曲線為分析對象，模型冰的壓縮強度約為σ=1.1 MPa，對應(yīng)的彈性模型為E=195 MPa，與冰水池內(nèi)凍結(jié)模型冰（尿素冰：σ=120～250 kPa；EG/AD/冰：σ=150～370 kPa）相比壓縮強度偏大[20]?？紤]到材料模型律的問題，將測量后的模型冰特性轉(zhuǎn)化為實際冰的過程與冰水池中采用的方法相同，以螺旋槳直徑為基礎(chǔ)的傅汝德數(shù)被廣泛運用到冰槳切削過程的換算中，傅汝德數(shù)相似如公式（3）所示，其中，s代表實尺度，m代表模型尺度，縮尺比為λ=Ds/Dm。

根據(jù)Vroegrijk 等[22]和Zufelt 等[23]提出的模型冰和實際冰之間關(guān)于壓縮強度和彈性模量的縮尺運算公式（4）和公式（5）以及模型冰的特性，分別計算出實尺度螺旋槳對應(yīng)的冰的壓縮強度和彈性模量，對應(yīng)冰的壓縮強度和彈性模量分別為σc，s=24.7 MPa、Ec，s=4381 MPa（D=180 mm，λ=22.89）以及σc，s=17.8 MPa、Ec，s=3154 MPa（D=250 mm，λ=16.48），與淡水冰的壓縮強度和彈性模量（σ=100～2500 kPa，E=1500～1600 MPa）相比存在差異[20]。

為了與淡水冰-螺旋槳的切削試驗進行對比，保持試驗工況與2.1節(jié)中的相同，開展了石蠟?zāi)Ｐ捅c螺旋槳的切削試驗研究，冰槳切削過程以及螺旋槳冰載荷變化曲線如圖9～10所示。

圖9 石蠟?zāi)Ｐ捅吐菪龢那邢髟囼濬ig.9 Milling test of paraffin wax model ice and propeller

圖9給出了高速攝像機捕捉的螺旋槳單片槳葉與石蠟?zāi)Ｐ捅那邢鬟^程。圖中清晰地展示出了槳葉與模型冰的作用模式以及切削后碎冰的運動和形狀，有利于探討不同參數(shù)變化時冰槳作用規(guī)律。圖10給出了石蠟?zāi)Ｐ捅c螺旋槳切削過程中冰載荷隨時間的變化曲線，與圖5相比，螺旋槳軸向力和扭矩波動范圍較小，有利于總結(jié)冰載荷隨參數(shù)的變化規(guī)律。同時，分別提取了試驗過程中冰載荷的平均值，由圖5和圖10可知，淡水冰時螺旋槳軸向力和扭矩的平均值分別為Tice=39.8 N 和Qice=1.11 N?m，石蠟?zāi)Ｐ捅鶗r分別為Tice=28.8 N 和Qice=1.92 N?m，與淡水冰相比螺旋槳軸向力減小，而扭矩增加，主要原因與試驗過程中螺旋槳和冰塊的振動相關(guān)，振動導(dǎo)致淡水冰槳切削試驗時存在冰槳不連續(xù)切削的現(xiàn)象。

圖10 螺旋槳冰載荷隨時間的變化曲線（石蠟?zāi)Ｐ捅?槳）Fig.10 Variation of propeller ice load with time（Paraffin wax model ice-propeller）

對于冰槳切削過程而言，最主要的物理進程體現(xiàn)為冰體在螺旋槳作用下的破壞與分離。從作用模式上講，導(dǎo)致這種破壞與分離的作用可以歸為兩種主要可能：一是沿垂直于槳盤面法向的冰槳擠壓作用；二是沿槳盤面旋轉(zhuǎn)切向的冰槳擠壓作用。顯然，這兩種作用在發(fā)展速率上存在極大的差異，即螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度一般遠(yuǎn)高于其軸向推進速度。這樣一來，冰材料在槳盤面切向的破壞進程就會遠(yuǎn)快于其槳盤面法向的破壞進程，這就必然導(dǎo)致冰材料的破壞將以切向的發(fā)展為主。而在切向作用過程中，螺旋槳前端與冰材料作用的初始階段屬于典型的局部擠壓作用模式，此時，冰材料將呈現(xiàn)壓縮變形以及相應(yīng)的裂紋形成與擴展。由于螺旋槳以一種高速切割的模式作用在冰體上，因此這種擠壓過程將對應(yīng)冰材料的高應(yīng)變率變形特征。由文獻(xiàn)[21]可知，冰材料在高應(yīng)變速率下的壓縮變形表現(xiàn)為高度的脆性特征，此時，裂紋的形成與擴展主要表現(xiàn)為翼形裂紋的產(chǎn)生與剪切斷層的貫穿，這種裂紋的發(fā)展過程在柱狀冰體中將具有沿晶格法向的快速生長機制，也就是說，裂紋不僅在冰材料橫斷面內(nèi)形成沿作用方向的擴展，更會在垂直于作用方向的垂向快速擴展，進而在整個冰厚內(nèi)形成貫穿，并最終導(dǎo)致冰體在整個橫截面上的徹底瓦解。然而，由圖8～9中不同應(yīng)變速率下石蠟?zāi)Ｐ捅膽?yīng)力-應(yīng)變曲線及單軸壓縮試驗時冰塊的破壞過程可知，在高應(yīng)變速率下石蠟?zāi)Ｐ捅故境鲰g性或者塑形破壞，未呈現(xiàn)出脆性破壞行為，主要原因是石蠟?zāi)Ｐ捅膬?nèi)部結(jié)構(gòu)與淡水冰的冰體結(jié)構(gòu)存在差異。但是，考慮到石蠟?zāi)Ｐ捅哂辛己玫乃苄?、力學(xué)特性穩(wěn)定、不易開裂、易于加工和保存以及冰槳測試結(jié)果和試驗現(xiàn)象差異性比較明顯等優(yōu)勢，可以定性地用于冰槳切削試驗研究，為揭示冰槳切削過程中的作用機理提供支撐。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 重復(fù)性試驗分析

在冰-螺旋槳切削過程中冰載荷的變化與諸多因素有關(guān)，若冰槳切削試驗平臺搭建的不合理必定給螺旋槳冰載荷測量精度帶來很大影響。因此，項目組針對冰槳切削試驗平臺開展了重復(fù)性驗證試驗，確保測量結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性和可控性，以兩個不同尺寸的螺旋槳為例，重復(fù)開展三次試驗的測試結(jié)果如表2所示。

表2 重復(fù)性驗證過程中螺旋槳冰載荷的對比Tab.2 Comparison of ice loads during repeatability verification

表2 給出了重復(fù)開展冰槳切削試驗時螺旋槳軸向力和扭矩的變化和平均值，以及在平均值的基礎(chǔ)上對每次試驗的誤差所作的分析。由表2 可知，當(dāng)D=180 mm 時，螺旋槳扭矩誤差最大為5%，當(dāng)D=250 mm 時，螺旋槳軸向力誤差最大為3.2%，主要原因是冰槳切削過程十分復(fù)雜，與諸多因素有關(guān)，例如冰塊的安裝位置、切削深度的測量以及模型冰推送裝置的振動等，具有一定的隨機性和波動性，不可能使每次測量的結(jié)果都完全相同。因此，可以判斷出本文搭建的冰槳切削試驗平臺是可靠的。

在試驗過程中，分別研究了不同冰槳切削深度、模型冰推送速度、螺旋槳轉(zhuǎn)速以及螺旋槳尺度等工況，其中，工況設(shè)置如表3所示[12-13，15]。

表3 冰槳切削試驗工況Tab.3 Ice-propeller milling test conditions

3.2 冰槳切削深度對冰載荷特性的影響

本節(jié)以兩種不同尺度的螺旋槳為研究對象，開展不同冰槳切削深度時螺旋槳冰載荷測量的試驗研究，工況設(shè)置如表3所示，試驗測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 螺旋槳冰載荷隨切削深度的變化Fig.11 Variation of propeller ice loads with milling depth

圖11給出了螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨冰槳切削深度的變化曲線。由圖可知，隨著冰槳切削深度的增加，螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)增大，主要原因是冰槳切削深度越深，冰槳接觸面積越大，槳葉受到的冰載荷越大，與文獻(xiàn)[15]等測試的變化趨勢相同。通過對比兩種不同尺度螺旋槳冰載荷的變化曲線可知，在保持冰槳切削深度相同時，螺旋槳尺度越小，其軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)就越大，且隨著冰槳切削深度的增加，兩者之間的差距也越大。以h=37.5 mm 為例，當(dāng)D=180 mm 時，Tice=283.8 N，Qice=8 N?m；當(dāng)D=250 mm 時，Tice=319.2 N，Qice=10.2 N?m。但D=180 mm 時的螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)是D=250 mm 時的3.3 倍和4.0 倍，主要原因是相對于螺旋槳直徑的增加，螺旋槳軸向推力和扭矩的增加較緩慢。

以螺旋槳直徑D=250 mm，冰槳切削深度h=25 mm，模型冰推送速度V=10 mm/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速n=600 r/min為例，利用高速攝像機對冰槳切削過程進行了捕捉，高速攝像機的幀數(shù)為1000 fps，分別展示了不同槳葉、切削深度以及螺旋槳尺度時螺旋槳與模型冰的切削過程，如圖12～14所示。

圖12 展示出了螺旋槳4 個槳葉在相同位置處與模型冰的切削過程以及切削完成后碎冰的形狀。由圖12 可知，隨著螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，槳葉導(dǎo)邊逐漸與模型冰發(fā)生切削，模型冰發(fā)生剪切斷裂破壞，而槳葉葉梢和隨邊幾乎不與模型冰發(fā)生切削作用。此外，通過對比不同槳葉在相同位置處與模型冰的切削現(xiàn)象可知，1 號槳葉和2 號槳葉切削后的碎冰形狀較為完整，面積較大，3 號槳葉切削后的碎冰面積逐漸減小，4 號槳葉切削后的碎冰面積最小，僅存在部分碎屑，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是1 號和2 號槳葉對模型冰產(chǎn)生破壞，從而對3 號和4 號槳葉與模型冰切削時產(chǎn)生較大影響，該現(xiàn)象被稱為槳葉的遮蔽效應(yīng)[11,15]。遮蔽效應(yīng)的存在使螺旋槳切削冰塊時前后槳葉所承受的冰載荷存在較大的差異，對理論預(yù)報螺旋槳冰載荷和冰槳作用機理研究都有十分重要的意義。因此，開展槳葉與模型冰切削過程的捕捉對槳葉遮蔽效應(yīng)的研究具有指導(dǎo)意義。

圖12 不同槳葉與模型冰的切削過程Fig.12 Milling process of different blades and model ice

圖13展示出了四種不同冰槳切削深度時槳葉相同位置處不同槳葉與模型冰的切削過程，圖中分別對螺旋槳的四個槳葉進行了標(biāo)注。由圖13可知，當(dāng)冰槳切削深度h=10 mm 時，4號槳葉切削后的碎冰面積最小，即4 號槳葉受到了3 號槳葉遮蔽效應(yīng)的影響。當(dāng)h=12.5 mm 時，3 號槳葉和4 號槳葉切削后的碎冰面積逐漸減小，即后兩個槳葉受到了前兩個槳葉遮蔽效應(yīng)的影響。當(dāng)h=25 mm 時，2號、3號和4 號槳葉切削后的碎冰面積依次減小，即前槳葉對后槳葉的影響個數(shù)逐漸增加。特別是當(dāng)h=37.5 mm 時，四個槳葉切削后的碎冰面積都未呈現(xiàn)出完整的形狀，即螺旋槳四個槳葉都受到了遮蔽效應(yīng)的影響，此種影響來源于上一圈螺旋槳與模型冰的切削過程。因此，可以得出：在固定的冰塊推送速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速下，冰槳切削深度越深，螺旋槳中受到遮蔽效應(yīng)的槳葉也越多。

圖13 不同切削深度時冰槳作用模式Fig.13 Action mode of ice-propeller at different milling depths

圖14 以冰槳切削深度h=37.5 mm 為例，列舉了兩種不同尺度的螺旋槳與冰的切削過程，由圖可知，當(dāng)D=180 mm時，槳葉在進入模型冰凹槽后立刻與冰面發(fā)生切削作用，受前一槳葉切削作用的影響較小。而當(dāng)D=250 mm 時，槳葉進入模型冰凹槽內(nèi)部一定深度后與模型冰發(fā)生切削作用，受前一槳葉的影響較大，即槳葉受到的遮蔽效應(yīng)越嚴(yán)重。因此，可以判斷出相同切削深度時，螺旋槳尺度越大，槳葉受到的遮蔽效應(yīng)也越嚴(yán)重。

圖14 不同尺度的螺旋槳遮蔽效應(yīng)對比Fig.14 Comparison of shadowing effects of different propeller sizes

3.3 冰塊推送速度對冰載荷特性的影響

本節(jié)以兩種不同尺度的螺旋槳為研究對象，開展不同冰塊推送速度時螺旋槳冰載荷測量的試驗研究，工況設(shè)置如表3所示。當(dāng)D=250 mm時，在載荷測量過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)V＞30 mm/s時，平臺冰載荷超出六分力傳感器量程，因此，模型冰推送速度設(shè)置有所減少，試驗測試結(jié)果如圖15所示。

圖15 螺旋槳冰載荷隨冰推送速度的變化Fig.15 Variation of propeller ice loads with ice moving velocity

圖15 給出了螺旋槳冰載荷隨模型冰推送速度的變化曲線，由圖可知，當(dāng)D=180 mm 時，隨著模型冰推送速度的增加，螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)都呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢。主要原因是模型冰推送速度較低時，槳葉葉面與模型冰的接觸面積大于葉背與模型冰的接觸面積，螺旋槳產(chǎn)生了正向的軸向力。當(dāng)模型冰的推送速度過快，使槳葉無法及時切削模型冰導(dǎo)致螺旋槳在模型冰的推動作用下旋轉(zhuǎn)，此時，槳葉葉背與模型冰的接觸面積大于葉面，且葉面和葉背的受力方向相反，因此，螺旋槳受到的合力減小。當(dāng)D=250 mm 時，由于螺旋槳槳葉及時切削模型冰，未形成螺旋槳在模型冰推動作用下旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，故出現(xiàn)了隨著模型冰推送速度的增加，螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)逐漸增加的現(xiàn)象。

選擇D=180 mm 的螺旋槳，以螺旋槳中的某一個槳葉為主槳葉，且以主槳葉與模型冰的切削過程為例，展示不同冰塊推送速度時冰槳作用模式和切削后碎冰的形狀，如圖16和圖17所示。

圖16 不同冰塊推送速度時冰槳作用模式Fig.16 Action mode of ice-propeller at different ice-moving velocities

圖17 不同冰塊推送速度時碎冰形狀及運動狀態(tài)Fig.17 Shape and motion of broken ice at different ice moving velocities

圖16展示出了不同冰塊推送速度時主槳葉旋轉(zhuǎn)過程中槳葉與模型冰的作用過程，圖中可明顯看出冰推送速度越快，槳葉切削后碎冰的面積就越大。當(dāng)V=5 mm/s 時，切削后的模型冰為碎屑狀，表明此時槳葉與模型冰的接觸面積較小，模型冰僅受到了槳葉導(dǎo)邊剪切斷裂破壞的作用。但當(dāng)V=50 mm/s時，切削后的碎冰全部為片狀，且片狀碎冰的厚度較大。通過觀察主槳葉的切削過程可以得出，槳葉從進入模型冰凹槽到分離的整個過程，始終與模型冰發(fā)生切削作用，表明槳葉的旋轉(zhuǎn)不能及時切削模型冰，導(dǎo)致槳葉在模型冰的推動作用下旋轉(zhuǎn)，此時，槳葉除切向切削模型冰外，在槳盤面法向上也受到模型冰的擠壓作用，而模型冰的破壞模式也由剪切斷裂破壞逐漸向局部擠壓破壞和剪切斷裂破壞轉(zhuǎn)變。因此，在冰槳作用模式研究過程中不能忽略槳葉法向?qū)δＰ捅木植繑D壓作用。

圖17 展示出了不同冰塊推送速度時螺旋槳切削后碎冰的形狀以及被槳葉拋出后的運動狀態(tài)。由圖17 可知，當(dāng)V=5 mm/s 時，槳葉切削后的碎冰形狀為條狀和片狀，且碎冰的面積較小，切削后碎冰被拋出的距離也較近。隨著模型冰運動速度的增加，螺旋槳切削后的碎冰全部變?yōu)槠瑺睿覇螇K碎冰的面積也逐漸增加，切削后的碎冰被槳葉拋射后的距離也越來越遠(yuǎn)。同時，也可觀察出模型冰運動速度越高，切削后單塊碎冰的厚度也越來越厚，表明此時模型冰的破壞除剪切破壞外也受到槳葉局部擠壓破壞，槳葉對模型冰的剪切破壞影響相對較小。因此，出現(xiàn)了隨著模型冰推送速度的增加，螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)都呈現(xiàn)出先增加后減小的現(xiàn)象。

3.4 螺旋槳轉(zhuǎn)速對冰載荷特性的影響

本節(jié)以兩種不同尺度的螺旋槳為研究對象，開展不同螺旋槳轉(zhuǎn)速時螺旋槳冰載荷測量的試驗研究，工況設(shè)置如表3所示，試驗測試結(jié)果如圖18所示。

圖18 冰載荷隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化Fig.18 Variation of ice loads with propeller rotation speeds

圖18 給出了兩種不同尺度的螺旋槳軸向力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖18（a）可知，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槳軸向力系數(shù)的變化趨勢不明顯，測試結(jié)果與Huisman 等人利用乙烯泡沫與石蠟混合制成的模型冰與螺旋槳的測試結(jié)果相似[24]。而螺旋槳的扭矩則表現(xiàn)為隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加，扭矩系數(shù)呈現(xiàn)出了逐漸減小的趨勢。

圖19 給出了兩種不同尺度的螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速時與模型冰的切削過程。由圖可知，當(dāng)D=180 mm、n=100 r/min 時，槳葉切削后的碎冰為卷狀，且槳葉從進入凹槽到遠(yuǎn)離的過程中始終切削模型冰，表明此時槳葉切向不能及時剪切模型冰，槳葉受到模型冰的擠壓作用，此時易導(dǎo)致槳葉葉梢的彎曲破壞，模型冰受到的槳葉局部擠壓破壞占主要成分。同時，根據(jù)圖15 和圖16 中螺旋槳冰載荷和冰槳作用模式的關(guān)系可知，螺旋槳受到了槳葉切削模型冰的軸向力和模型冰的推力。當(dāng)D=180 mm、n=600 r/min時，切削后的碎冰為片狀，且厚度減小，表明此時冰槳作用模式主要是槳葉切向?qū)е碌哪Ｐ捅羟袛嗔哑茐模菪龢艿綐~切削模型冰的力，但無法通過冰槳作用模式確定該力是否大于低轉(zhuǎn)速時螺旋槳受到的冰載荷。當(dāng)D=250 mm 時，冰槳切削模式隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化趨勢與D=180 mm 時相似。此外，結(jié)合圖18可知，螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，其軸向力系數(shù)變化不明顯，而扭矩系數(shù)卻越小。因此，極地船舶在破冰航行過程中，適當(dāng)?shù)靥岣呗菪龢霓D(zhuǎn)速，可減小螺旋槳受到的冰載荷，提高破冰能力。

圖19 不同螺旋槳尺度及不同轉(zhuǎn)速時冰槳切削模式Fig.19 Milling mode of ice-propeller at different propeller sizes and rotation speeds

4 結(jié) 論

本文借助冰槳切削試驗平臺和高速攝像機重點對冰槳切削過程中螺旋槳冰載荷、遮蔽效應(yīng)及冰槳作用模式進行了測量和分析，得出的主要結(jié)論有：

（1）通過開展重復(fù)性試驗，驗證了本文設(shè)計的冰槳切削試驗平臺測試的可靠性和穩(wěn)定性；冰槳切削試驗時以石蠟為材料的模型冰具有載荷波動范圍小、重復(fù)性好、力學(xué)特性穩(wěn)定以及切削效果差異明顯等優(yōu)勢，可用于冰槳作用模式和作用機理的研究。

（2）在冰槳切削過程中，切削深度越深，螺旋槳受到的冰載荷越大；通過高速攝像機的捕捉證明了槳葉遮蔽效應(yīng)的存在，螺旋槳尺度越大，槳葉受到的遮蔽效應(yīng)越嚴(yán)重；冰槳切削深度越深，槳葉受到的遮蔽效應(yīng)越嚴(yán)重，螺旋槳中受到遮蔽效應(yīng)的槳葉也越多。

（3）在冰槳切削過程中，對于小尺度的螺旋槳，隨著冰塊推送速度的增加，螺旋槳冰載荷呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢，而模型冰的破壞模式主要由剪切斷裂破壞逐漸向局部擠壓破壞和剪切斷裂破壞轉(zhuǎn)變。

（4）在冰槳切削過程中，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槳軸向力的變化趨勢不明顯，扭矩則呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，模型冰的破壞模式由局部擠壓破壞向剪切斷裂破壞轉(zhuǎn)變，對槳葉損害的程度也逐步減小。因此，極地船舶破冰航行過程中，可適當(dāng)?shù)靥岣呗菪龢D(zhuǎn)速，以減小螺旋槳受到的冰載荷，提高破冰能力。

本次研究僅僅利用石蠟?zāi)Ｐ捅偷_展了冰槳切削狀態(tài)的試驗研究，仍有很多不足之處，得出的相關(guān)結(jié)果不具有普適性，后續(xù)將研發(fā)與實際海冰滿足相似性關(guān)系的非凍結(jié)模型冰開展冰槳切削及碰撞狀態(tài)的試驗研究。