任文博，馮曉明，顏兵兵，殷寶麟

(佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

0 引 言

自“中旭1 輪”成功打撈后，我國(guó)交通運(yùn)輸部海事局正式啟動(dòng)以公共航行安全為目的的“碧海行動(dòng)”，沉船打撈再次成為熱點(diǎn)問題［1～2］.攻打千斤洞作為打撈沉船的一項(xiàng)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(jī)器人［3～5］是我國(guó)學(xué)者為代替人工攻打千斤洞設(shè)計(jì)的一個(gè)機(jī)器人，但現(xiàn)有拱泥機(jī)器人多為仿蚯蚓蠕動(dòng)的作業(yè)方式，至今尚無(wú)工程樣機(jī)問世，本文提出一種螺旋式前進(jìn)的拱泥機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，方案中螺旋式拱泥機(jī)器人可通過(guò)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(dòng)力而前進(jìn).選取螺旋式拱泥機(jī)器人主要零部件螺旋葉片為研究對(duì)象，進(jìn)行在兩種不同土壤環(huán)境下螺旋葉片驅(qū)動(dòng)扭矩隨著葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)變化規(guī)律，為后續(xù)研制螺旋式拱泥機(jī)器人奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由于需要保證螺旋葉片在工作狀態(tài)下無(wú)軸向力，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)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(guò)使用滑塊與滑軌盡量減小了軸向阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，同時(shí)通過(guò)扭矩傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)螺旋葉片工作時(shí)扭矩，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)扭矩變化情況，同時(shí)可將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，整套?shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1 所示.

2 驅(qū)動(dòng)扭矩實(shí)驗(yàn)比較分析

利用圖1 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)螺旋葉片在粉土和砂土中工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩Me 隨螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)特性的變化規(guī)律進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)比較研究，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用兩種土壤為粉土與砂土，土壤力學(xué)指標(biāo)［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(xué)指標(biāo)

圖2 給出了粉土和砂土中螺旋葉片驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)扭矩越大，即螺旋葉片寬度W 越大所需驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力更大.

3 結(jié) 論

本文首先根據(jù)螺旋葉片的工作需要設(shè)計(jì)并搭建了一種動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其次利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)螺旋葉片在粉土及砂土環(huán)境中，螺旋葉片所需驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較研究，研究表明，螺旋葉片在不同工作環(huán)境下驅(qū)動(dòng)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(dòng)扭矩越大，為后續(xù)研究螺旋式拱泥機(jī)器人奠定了基礎(chǔ).

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

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

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

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

［5］ 顏兵兵.拱泥仿生機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其虛擬樣機(jī)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué).2008.05.

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