螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)滾筒安裝方式對(duì)行駛性能的影響研究

摘 要：【目的】由于常規(guī)行進(jìn)機(jī)構(gòu)接地壓比較小，在沙灘上易發(fā)生下陷等情況，會(huì)部分喪失甚至完全失去行動(dòng)能力，故選用螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)作為沙灘行進(jìn)機(jī)構(gòu)，為提高其在沙灘的行進(jìn)效率，需對(duì)下置滾筒安裝方式進(jìn)行研究?！痉椒ā客ㄟ^(guò)軟件對(duì)螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)在沙灘中的行進(jìn)場(chǎng)景進(jìn)行模擬分析，獲得實(shí)際行駛速度、牽引力等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算對(duì)行進(jìn)效果進(jìn)行評(píng)定。【結(jié)果】研究結(jié)果表明，左旋滾筒左置、右旋滾筒右置的安裝方式行進(jìn)效果較好，且通過(guò)沙粒位移方向可確定沙粒沿滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)扇葉出土方向堆積與滾筒轉(zhuǎn)向有關(guān)，與扇葉旋向無(wú)關(guān)?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)滾筒安裝方式提供參考。

關(guān)鍵詞：螺旋推進(jìn)；螺旋滾筒安裝；離散元仿真；多體動(dòng)力學(xué)仿真；行駛性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）10-0040-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.008

Analysis of the Impact of Drum Installation Methods in Helical

Propulsion Mechanisms on Travel Performance

CAI Guodong

（ Shanghai Donghu Machinery Factory， Shanghai 201900，China）

Abstract： [Purposes] Due to the relatively small ground pressure of conventional locomotion mechanisms， situations such as sinking are prone to occur on beaches， resulting in partial or complete loss of mobility. Therefore， the selection of a helical propulsion mechanism for beach locomotion is imperative. To enhance its efficiency in beach locomotion， it is essential to investigate the installation methods of the lower roller. [Methods] The locomotion scenarios of the helical propulsion mechanism on the beach were simulated and analyzed using software to obtain parameters such as actual traveling speed and traction force. The effectiveness of locomotion was evaluated through calculations. [Findings] The research indicates that the installation method with the left-handed roller placed on the left and the right-handed roller placed on the right yields better locomotion performance. Furthermore， it was observed that the direction of sand displacement along the roller rotation determines the direction of accumulation of sand when the blades rotate， which is related to the roller's steering rather than the rotation direction of the blades. [Conclusions] The findings of this study can serve as a reference for the installation of rollers in helical propulsion mechanisms.

Keywords： helical propulsion; helical drum installation; discrete element simulation; multi-body dynamics simulation; travel performance

0 引言

螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)是一種依靠機(jī)體兩側(cè)一對(duì)螺旋滾筒反向旋轉(zhuǎn)，利用滾筒兩側(cè)扇葉對(duì)地面介質(zhì)進(jìn)行摩擦、切割與壓縮，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的特種推進(jìn)機(jī)構(gòu)。螺旋滾筒主要組成部分有導(dǎo)流罩、筒體、扇葉等。螺旋滾筒是螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)最為重要的組成部分，且滾筒內(nèi)部空間較大，可在此處安置電機(jī)作為動(dòng)力源。由于驅(qū)動(dòng)部件為螺旋滾筒，相較于普通輪式推進(jìn)結(jié)構(gòu)擁有更大的接地面積，接地壓比［1］也顯著提高，使其擁有在惡劣環(huán)境中執(zhí)行作業(yè)的能力。國(guó)外最早使用此種結(jié)構(gòu)作為推進(jìn)裝置的人為Jacob Morath［2］。Thoesen等［3］以玻璃珠作為介質(zhì)測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)所能提供的推力大小。我國(guó)對(duì)此種機(jī)構(gòu)較早的應(yīng)用為劉明相等［4］于1987年設(shè)計(jì)的一款水耕機(jī)，同年樊啟洲等［5］對(duì)螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行推力理論研究，建立黏土中該結(jié)構(gòu)的推力計(jì)算公式。螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)在沙顆粒介質(zhì)中行進(jìn)效果較好，在惡劣復(fù)雜地面良好的通過(guò)性使得此結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在農(nóng)用機(jī)械上，馮闖闖等［6］以螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款螺旋推進(jìn)挖藕機(jī)，發(fā)現(xiàn)其擁有較為不錯(cuò)的挖藕與推進(jìn)性能。螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)滾筒旋向與齒輪類(lèi)似，可軸線(xiàn)豎直觀測(cè)螺旋扇葉最高處在哪一側(cè)。螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)中存在兩種滾筒安裝方式，左旋左置右旋右置與左旋右置右旋左置，這兩種安裝方式會(huì)影響滾筒旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而影響沙粒堆積方向與推進(jìn)性能，本研究擬通過(guò)RecurDyn與EDEM耦合仿真等方法來(lái)研究滾筒安裝方式對(duì)推進(jìn)性能的影響。

1 結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)查閱資料可知，螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)在顆粒介質(zhì)中螺旋升角η在30°～40°擁有較好的推進(jìn)性能［7］，且長(zhǎng)徑比與扇葉高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)影響行進(jìn)性能，故初定螺旋滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。機(jī)架下置一對(duì)螺旋滾筒，且導(dǎo)流罩形狀為直徑等于滾筒的半球。為保證行駛平穩(wěn)，設(shè)置扇葉數(shù)為4，雖然行駛更為平穩(wěn)，但由于縮短了相鄰兩扇葉之間距離，使顆粒受力與運(yùn)動(dòng)變得更為復(fù)雜。

圖1（a）為左旋滾筒，圖1（b）為右旋滾筒，且滾筒扇葉數(shù)為4，筒體前后端存在導(dǎo)流罩，可降低行進(jìn)時(shí)滾筒所受的阻力，且在顆粒介質(zhì)中行進(jìn)時(shí)將顆粒向滾筒扇葉部位集中，可提高此區(qū)域顆粒密度，提高滾筒行進(jìn)性能。

滾筒安裝方式如圖2 所示。圖2（a）為左旋左置右旋右置，試驗(yàn)序號(hào)為1；圖2（b）為左旋右置右旋左置，試驗(yàn)序號(hào)為2。

螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)行進(jìn)性能衡量指標(biāo)為轉(zhuǎn)滑率、牽引系數(shù)與無(wú)量綱功率。轉(zhuǎn)滑率是衡量推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)際行進(jìn)速度與理論行進(jìn)速度之間關(guān)系的重要指標(biāo)，如式1所示［6］。轉(zhuǎn)化率高代表螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)行進(jìn)能力較差。

sx=[v理-v實(shí)v理]" " " " （1）

式中：v理為推進(jìn)機(jī)構(gòu)理論行進(jìn)速度；v實(shí)為推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)際行進(jìn)速度。

v理的表達(dá)式見(jiàn)式（2）。

v理=pω/（2π）" " " " （2）

式中：P為螺旋滾筒導(dǎo)程；ω為螺旋滾筒角速度。

牽引系數(shù)與無(wú)量綱功率分別用以衡量螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)所能提供牽引力大小與正常行進(jìn)所需功率大小，其表達(dá)式見(jiàn)式（3）［8］與式（4）［9］。牽引系數(shù)越大則證明此螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)在行進(jìn)時(shí)可產(chǎn)生更大的牽引力，而無(wú)量綱功率越小代表在相同轉(zhuǎn)速下所需功率越小，則行進(jìn)效果越好。

K=[DpW] （3）

式中：K為牽引系數(shù)；Dp為最大牽引力；W為整體機(jī)構(gòu)沿重力方向載荷。

y=[2πnTWV理] （4）

式中：y為無(wú)量綱功率；T為最大扭矩；n為螺旋滾筒轉(zhuǎn)速。

2 耦合仿真

整個(gè)仿真過(guò)程分為兩部分，一是機(jī)構(gòu)在沙環(huán)境中行進(jìn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，二是沙環(huán)境中沙顆粒在推進(jìn)機(jī)構(gòu)作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。故兩部分仿真應(yīng)通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn與離散元軟件EDEM進(jìn)行耦合仿真，在RecurDyn中設(shè)置結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件與接觸條件，如圖3所示。滾筒與車(chē)架接觸位置設(shè)置為回轉(zhuǎn)幅，且施加動(dòng)作，轉(zhuǎn)速為3 r/s。在螺旋滾筒與地面之間施加接觸，接觸類(lèi)型為實(shí)體接觸。

將設(shè)置好運(yùn)動(dòng)的模型以wall形式導(dǎo)入到EDEM中，在EDEM中設(shè)置顆粒與模型材料參數(shù)及接觸參數(shù)，具體見(jiàn)表2、表3。顆粒半徑為6 mm時(shí)即可滿(mǎn)足摩擦角要求［10］。為提高仿真精度，顆粒半徑初定為4 mm。后續(xù)顆粒工廠開(kāi)始生成顆粒，預(yù)計(jì)生成32 000個(gè)顆粒，顆粒初速度為20 mm/s，方向?yàn)橹亓Ψ较?。顆粒生成完成后在EDEM界面修改分析步數(shù)，應(yīng)保證兩軟件分析步一致，后續(xù)點(diǎn)開(kāi)耦合開(kāi)關(guān)，在RecurDyn界面中點(diǎn)擊開(kāi)始仿真，則兩軟件開(kāi)始耦合仿真，且兩端數(shù)據(jù)互相傳輸。

仿真結(jié)果示意如圖4所示，數(shù)值結(jié)果通過(guò)式（1）、式（3）與式（4）計(jì)算后所得衡量指標(biāo)見(jiàn)表4。圖4（a）為序號(hào)1仿真所得結(jié)果，圖4（b）為仿真序號(hào)2仿真所得結(jié)果，可直觀地體現(xiàn)沙粒運(yùn)動(dòng)與受推進(jìn)機(jī)構(gòu)作用而引起的沙粒堆積。

由圖4可知，序號(hào)1仿真顆粒向內(nèi)堆積，序號(hào)2仿真顆粒向外堆積。經(jīng)分析可知，顆粒堆積方向與滾筒旋轉(zhuǎn)方式有關(guān)，并沿滾筒扇葉轉(zhuǎn)出沙面位置堆積。

3 結(jié)論

①螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)安裝方式對(duì)推進(jìn)性能影響較為明顯。1號(hào)仿真在無(wú)量綱功率的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于2號(hào)仿真，但在牽引系數(shù)方面的表現(xiàn)弱于2號(hào)仿真，二者轉(zhuǎn)滑率相差不大。在可完成正常推進(jìn)的條件下，無(wú)量綱功率應(yīng)越小越好，則證明左旋左置右旋右置的安裝方式優(yōu)于左旋右置右旋左置的安裝方式。

②螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)行進(jìn)過(guò)程中沙粒受到滾筒旋轉(zhuǎn)的作用，向滾筒扇葉旋出沙面的方向堆積，沙粒堆積方向僅與滾筒轉(zhuǎn)向有關(guān)，與扇葉旋向無(wú)關(guān)?？衫么颂匦钥刂祁w粒堆積方向，實(shí)現(xiàn)播種或施肥等功能。

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