李 爽，繆 宏，鞏青松，高 鋒，何光宇，李孟麗

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225128）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水利已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要組成部分，加強(qiáng)河道的管理已成為發(fā)展水上運(yùn)輸?shù)闹匾Ｕ洗胧?。受污水、污泥的淤積、污染源難以控制等因素的影響，我國(guó)城市河道普遍為納污河道，這種情況將在一定時(shí)期內(nèi)長(zhǎng)期存在。受污染河道的河水滯流，河道淤積，水體渾濁，甚至?xí)r常出現(xiàn)黑臭的現(xiàn)象。原來(lái)作為生活和工業(yè)用水水源的河道水，其功能己受到嚴(yán)重影響。河道水原有的美化環(huán)境、調(diào)節(jié)城區(qū)小氣候、景觀旅游等功能也大大下降。同時(shí)，我國(guó)泥沙淤積問(wèn)題比較嚴(yán)重，河道清淤疏浚工程對(duì)水質(zhì)的提高、河道通航及排洪能力起到了很大的作用。因此，加強(qiáng)河道治理，開(kāi)展河道清淤工作，可以在彌補(bǔ)環(huán)境污染所帶來(lái)的問(wèn)題的同時(shí)改善人們的生活水平，具有重要的社會(huì)意義。但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的清淤疏浚器械存在環(huán)境適應(yīng)能力差、工作過(guò)程平穩(wěn)性不足、清除機(jī)構(gòu)功能性單一、易造成二次污染等問(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種自平衡可原地回轉(zhuǎn)式放絞機(jī)身驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)軸流式噴水推進(jìn)泵進(jìn)水流道做了性能評(píng)估。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

自平衡可原地回轉(zhuǎn)式放絞機(jī)身驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由可旋轉(zhuǎn)浮體、機(jī)身、活動(dòng)軸承、推進(jìn)器、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、電機(jī)、浮筒組成，如圖1 所示。旋轉(zhuǎn)浮體整體呈U型，與機(jī)器人后端通過(guò)活動(dòng)軸承連接，將機(jī)器人半包圍，可實(shí)現(xiàn)繞軸承360°旋轉(zhuǎn)，浮筒與機(jī)身固定連接。本設(shè)備采用兩個(gè)小型的軸流式推進(jìn)器，安置于機(jī)身中部?jī)蓚?cè)。

1.2 工作原理

本設(shè)備采用兩個(gè)小型的軸流式推進(jìn)器，安置于機(jī)身中部?jī)蓚?cè)，保證運(yùn)行過(guò)程的平穩(wěn)性以及較好的動(dòng)力性，實(shí)現(xiàn)0.6 m/s 的預(yù)定前進(jìn)速度?？紤]到漂浮體在水中回轉(zhuǎn)半徑大這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)的推進(jìn)系統(tǒng)，采用渦輪蝸桿式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的360°回轉(zhuǎn)；前進(jìn)后退過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿帶動(dòng)中部?jī)蓚?cè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方向；轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，控制兩個(gè)推進(jìn)器推進(jìn)方向相反，實(shí)現(xiàn)設(shè)備圍繞中心的原地轉(zhuǎn)動(dòng)，解決轉(zhuǎn)彎半徑大的問(wèn)題，提高設(shè)備對(duì)地形適應(yīng)性，如圖2 所示?？紤]到清淤疏浚環(huán)境底部淤泥軟硬不均以及水面作業(yè)可能遭遇風(fēng)浪而造成的設(shè)備中心不穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)自平衡結(jié)構(gòu)，采用浮筒與可旋轉(zhuǎn)浮體相配合結(jié)構(gòu)，浮筒用來(lái)平衡前置清淤機(jī)構(gòu)的重力以及抽吸造成的不平穩(wěn)性，當(dāng)設(shè)備發(fā)生傾斜時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮體可繞活動(dòng)軸承迅速響應(yīng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，改變自身吃水深度，機(jī)身在自身重力的作用下保持水平，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性。

2 軸流式噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì)

2.1 概述

目前噴水推進(jìn)泵的類型主要有軸流式和混流式。由于軸流式泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、流量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，它應(yīng)用較為廣泛。目前還有一種較為常見(jiàn)的推進(jìn)器是螺旋槳式推進(jìn)器，它是靠槳葉在空氣中或水中旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的裝置，但鑒于清淤機(jī)器人本身的工作環(huán)境，本文選用軸流式噴水推進(jìn)泵相對(duì)螺旋槳式推進(jìn)器可以有效減小對(duì)水體的二次污染并能避免水生植物纏繞螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力中斷的問(wèn)題。其三維模型如圖3 所示。本文首先根據(jù)葉片泵的性能和參數(shù)，進(jìn)行噴水推進(jìn)泵的設(shè)計(jì),得到進(jìn)水流道模型,進(jìn)而對(duì)噴水推進(jìn)軸流泵進(jìn)口流道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。

2.2 進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)要求

2.2.1 流道的流體性能較好

流體性能通常是由流動(dòng)分離度、流體均勻度、總壓損失情況等指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)。因此,進(jìn)水流道通常具有良好的綜合性能,如出口速度較均勻、流動(dòng)分離小、出口總壓損失少、適應(yīng)性強(qiáng)等。

2.2.2 進(jìn)水流道應(yīng)適應(yīng)船底結(jié)構(gòu)

進(jìn)水流道受機(jī)身大小和在機(jī)身底的位置影響。在流道設(shè)計(jì)時(shí),要選好推進(jìn)泵的進(jìn)口尺寸等參數(shù)。

2.2.3 進(jìn)水流道設(shè)計(jì)效率高,設(shè)計(jì)時(shí)間短

流道的設(shè)計(jì)要便捷、高效,以滿足推進(jìn)泵設(shè)計(jì)的需要。