呂有界，王玉興

（1.廣州航海高等?？茖W(xué)校，廣東 廣州 510725；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

在大量的防汛搶險和流域治理方法和措施中，沉樁作業(yè)是必不可少的手段，主要用于堤壩加高、掛柳護(hù)堤、掛簾堵漏、決口設(shè)障、掛船及掛纜作業(yè)等。為了提高沉樁效率，降低沉樁勞動強(qiáng)度，文獻(xiàn)[1]研制了一套螺旋樁機(jī)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步降低擰入防汛搶險螺旋樁動力消耗，降低電機(jī)功率，從而在一定程度上減少電機(jī)重量，提高螺旋樁機(jī)的便攜化性能，根據(jù)典型土壤動物體表減粘降阻特性[2-4]對螺旋樁表面仿生處理成為必要。在過去的典型土壤動物體表減粘降阻特性的應(yīng)用研究中，應(yīng)用對象主要有推土板[5-6]、鏟斗[7]以及犁壁[8]等的上觸土表面，而其中的曲面形狀有球冠突起型、波紋型等。為了尋求適合防汛搶險螺旋樁的仿生曲面，通過臺車牽引試驗，針對平板、球冠突起曲面與波紋曲面，進(jìn)行對比試驗研究，探索球冠突起曲面、波紋曲面的減粘降阻效果，為后續(xù)的防汛搶險螺旋樁仿生處理提供基礎(chǔ)。

1 試驗方法

根據(jù)設(shè)計要求以及相關(guān)試驗可知，螺旋樁在擰入過程中，除樁尖初始沉入時土壤被帶出，其余土壤被逐漸擠實。為了簡化試驗，螺旋樁螺旋葉片的擰入過程做如下簡化：把螺旋葉片展開成平面，螺旋葉片的入土過程簡化成作用有一定垂直面載荷的平板在土壤水平面的拖動摩擦過程。這樣，本試驗簡化為作用有一定垂直載荷的平板、球冠突起曲面與波紋曲面對比試驗，其試驗原理如圖1所示。

圖1 仿生試驗原理圖

整個試驗分兩大部分：第一部分為球冠突起曲面與平板對比試驗；第二部分為波紋曲面與平板對比試驗。

2 曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

圖2 仿生曲面形狀結(jié)構(gòu)

球冠突起型仿生曲面與波紋型仿生曲面如圖2所示，其中球冠突起型仿生曲面的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：突起高度為1 mm，突起中心之間的距離為7 mm，突起的底面直徑為3 mm；而波紋型仿生曲面的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：波紋型仿生曲面高度為3 mm，波紋型仿生曲面突起寬度為19 mm，波紋型仿生曲面兩突起之間間距為0 mm。

3 試驗設(shè)備與土壤條件

試驗在土槽試驗室進(jìn)行。試驗過程中，利用臺車進(jìn)行牽引，采用動態(tài)應(yīng)變儀（型號為 ： NEC omnlaceⅡ RA1200）進(jìn)行動態(tài)記錄，采用的拉壓傳感器為CLBS3，額定載荷為100 kg。試驗采用的土壤為，其試驗時的土壤含水率為26.57%，土壤表面50 mm，深度圓錐指數(shù)為0.483 MPa。

4 球冠突起型仿生曲面平板對比試驗結(jié)果分析

本次試驗臺車牽引速度為0.2 m/s，表面垂直載荷為426.3 N。球冠突起型仿生曲面（簡稱凸板）和平板牽引試驗均重復(fù)三次，進(jìn)行對比。由于在所有試驗過程中使用相同的拉壓傳感器，其牽引力大小可以直接采用動態(tài)應(yīng)變儀的讀數(shù)進(jìn)行比較。各次重復(fù)的對比曲線圖如圖3所示。由圖可知，凸板所需牽引力大于平板所需牽引力，說明球冠突起型仿生曲面未能起到減粘降阻的效果。分析其原因，有：（1）由于球冠尺寸較小，在垂直載荷的作用下，球冠突起型仿生曲面與土壤的接觸面積相對平板來說，并沒有減少；（2）試驗發(fā)現(xiàn)，球冠突起型仿生曲面的迎土面都粘有土壤，這表明在臺車牽引過程中，球冠突起要克服土壤的阻力。

5 波紋型仿生曲面與平板對比試驗結(jié)果分析

圖4是波紋型仿生曲面與平板對比試驗曲線。由圖4可知，平板所需的牽引力大于波紋型曲面所需的牽引力，且波紋型曲面的牽引力的變化相對平板較為平穩(wěn)。究其原因有：（1）平板在臺車牽引過程中，土壤的粘附作用面積大，當(dāng)粘附作用積累到一定程度，土壤剪切破壞，阻力減小，從而整個牽引過程阻力不穩(wěn)定；（2）由于波紋型仿生曲面的存在，在牽引過程中，波紋型曲面對土壤具有一定的振動作用（如圖5所示），在一定程度上減少土壤的黏附作用，并減少土壤的粘附積聚，從而使其阻力減小，并在整個牽引過程中阻力變化相對平穩(wěn)。

圖3 球冠突起型仿生曲面與平板對比試驗結(jié)果

圖4 平板與波紋型仿生曲面的對比試驗曲線

圖5 波紋型仿生曲面牽引過程中土壤變形圖

6 結(jié)論

（1）在本文試驗條件下，尺寸較小的球冠突起型仿生曲面在一定壓力作用下未能起到減粘降阻的作用；

（2）通過與平板的對比試驗，表明波紋型仿生曲面在本試驗條件下具有一定的減粘降阻作用，為防汛搶險仿生螺旋樁的研制提供了實際參考。

［1］呂有界.防汛搶險螺旋樁設(shè)計與焊接過程分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007（4）：28-29.

［2］陳秉聰，任露泉，陳德興.典型土壤動物體表形態(tài)減粘脫土的初步研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1990，6（1）：15-20.

［3］任露泉，王云鵬，李建橋，等.典型生物柔性非光滑體表的防粘研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1996，12（4）：31-36.

［4］孫久榮，程紅，叢茜，等.蜣螂（Copris ochus Motschulsky）減粘脫附的仿生學(xué)研究［J］.生物物理學(xué)報，2001，17（4）：785-793.

［5］Luquan Ren， Zhiwu Han， Jianqiao Li，et al.Effects of non-smooth characteristics on bionics bulldozer blades in resistance reduction against soil［J］.Journal of terra?mechanics， 2003（39）：221-230.

［6］叢茜，王連成，初日法，等.凸包形推土板減粘降阻的仿生研究［J］.工程機(jī)械，1995（11）：14-16.

［7］孫世元，任露泉，佟金，等.仿生鋼布兜式鏟斗的研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1993，24（4）：18-22.

［8］李建橋，李忠范，李重渙，等.仿生非光滑犁壁規(guī)范化設(shè)計［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004（6）：119-121.