摘 要：【目的】由于常規(guī)行進機構接地壓比較小，在沙灘上易發(fā)生下陷等情況，會部分喪失甚至完全失去行動能力，故選用螺旋推進機構作為沙灘行進機構，為提高其在沙灘的行進效率，需對下置滾筒安裝方式進行研究?！痉椒ā客ㄟ^軟件對螺旋推進機構在沙灘中的行進場景進行模擬分析，獲得實際行駛速度、牽引力等參數(shù)，通過計算對行進效果進行評定?！窘Y果】研究結果表明，左旋滾筒左置、右旋滾筒右置的安裝方式行進效果較好，且通過沙粒位移方向可確定沙粒沿滾筒旋轉時扇葉出土方向堆積與滾筒轉向有關，與扇葉旋向無關。【結論】研究結果可為螺旋推進機構滾筒安裝方式提供參考。

關鍵詞：螺旋推進；螺旋滾筒安裝；離散元仿真；多體動力學仿真；行駛性能

中圖分類號：TH122" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：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

螺旋推進機構是一種依靠機體兩側一對螺旋滾筒反向旋轉，利用滾筒兩側扇葉對地面介質進行摩擦、切割與壓縮，從而實現(xiàn)移動的特種推進機構。螺旋滾筒主要組成部分有導流罩、筒體、扇葉等。螺旋滾筒是螺旋推進機構最為重要的組成部分，且滾筒內部空間較大，可在此處安置電機作為動力源。由于驅動部件為螺旋滾筒，相較于普通輪式推進結構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。國外最早使用此種結構作為推進裝置的人為Jacob Morath［2］。Thoesen等［3］以玻璃珠作為介質測量不同轉速下螺旋推進機構所能提供的推力大小。我國對此種機構較早的應用為劉明相等［4］于1987年設計的一款水耕機，同年樊啟洲等［5］對螺旋推進機構進行推力理論研究，建立黏土中該結構的推力計算公式。螺旋推進機構在沙顆粒介質中行進效果較好，在惡劣復雜地面良好的通過性使得此結構廣泛應用在農(nóng)用機械上，馮闖闖等［6］以螺旋推進機構為基礎設計了一款螺旋推進挖藕機，發(fā)現(xiàn)其擁有較為不錯的挖藕與推進性能。螺旋推進機構滾筒旋向與齒輪類似，可軸線豎直觀測螺旋扇葉最高處在哪一側。螺旋推進機構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，這兩種安裝方式會影響滾筒旋轉方向，進而影響沙粒堆積方向與推進性能，本研究擬通過RecurDyn與EDEM耦合仿真等方法來研究滾筒安裝方式對推進性能的影響。

1 結構模型

通過查閱資料可知，螺旋推進機構在顆粒介質中螺旋升角η在30°～40°擁有較好的推進性能［7］，且長徑比與扇葉高度等結構參數(shù)也會影響行進性能，故初定螺旋滾筒結構如圖1所示，整體結構參數(shù)見表1。機架下置一對螺旋滾筒，且導流罩形狀為直徑等于滾筒的半球。為保證行駛平穩(wěn)，設置扇葉數(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，使顆粒受力與運動變得更為復雜。

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，筒體前后端存在導流罩，可降低行進時滾筒所受的阻力，且在顆粒介質中行進時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，試驗序號為1；圖2（b）為左旋右置右旋左置，試驗序號為2。

螺旋推進機構行進性能衡量指標為轉滑率、牽引系數(shù)與無量綱功率。轉滑率是衡量推進機構實際行進速度與理論行進速度之間關系的重要指標，如式1所示［6］。轉化率高代表螺旋推進機構行進能力較差。

sx=[v理-v實v理]" " " " （1）

式中：v理為推進機構理論行進速度；v實為推進機構實際行進速度。

v理的表達式見式（2）。

v理=pω/（2π）" " " " （2）

式中：P為螺旋滾筒導程；ω為螺旋滾筒角速度。

牽引系數(shù)與無量綱功率分別用以衡量螺旋推進機構所能提供牽引力大小與正常行進所需功率大小，其表達式見式（3）［8］與式（4）［9］。牽引系數(shù)越大則證明此螺旋推進機構在行進時可產(chǎn)生更大的牽引力，而無量綱功率越小代表在相同轉速下所需功率越小，則行進效果越好。

K=[DpW] （3）

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

y=[2πnTWV理] （4）

式中：y為無量綱功率；T為最大扭矩；n為螺旋滾筒轉速。

2 耦合仿真

整個仿真過程分為兩部分，一是機構在沙環(huán)境中行進時的運動狀態(tài)，二是沙環(huán)境中沙顆粒在推進機構作用下的運動狀態(tài)。故兩部分仿真應通過多體動力學軟件RecurDyn與離散元軟件EDEM進行耦合仿真，在RecurDyn中設置結構的運動條件與接觸條件，如圖3所示。滾筒與車架接觸位置設置為回轉幅，且施加動作，轉速為3 r/s。在螺旋滾筒與地面之間施加接觸，接觸類型為實體接觸。

將設置好運動的模型以wall形式導入到EDEM中，在EDEM中設置顆粒與模型材料參數(shù)及接觸參數(shù)，具體見表2、表3。顆粒半徑為6 mm時即可滿足摩擦角要求［10］。為提高仿真精度，顆粒半徑初定為4 mm。后續(xù)顆粒工廠開始生成顆粒，預計生成32 000個顆粒，顆粒初速度為20 mm/s，方向為重力方向。顆粒生成完成后在EDEM界面修改分析步數(shù)，應保證兩軟件分析步一致，后續(xù)點開耦合開關，在RecurDyn界面中點擊開始仿真，則兩軟件開始耦合仿真，且兩端數(shù)據(jù)互相傳輸。

仿真結果示意如圖4所示，數(shù)值結果通過式（1）、式（3）與式（4）計算后所得衡量指標見表4。圖4（a）為序號1仿真所得結果，圖4（b）為仿真序號2仿真所得結果，可直觀地體現(xiàn)沙粒運動與受推進機構作用而引起的沙粒堆積。

由圖4可知，序號1仿真顆粒向內堆積，序號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方式有關，并沿滾筒扇葉轉出沙面位置堆積。

3 結論

①螺旋推進機構安裝方式對推進性能影響較為明顯。1號仿真在無量綱功率的表現(xiàn)遠優(yōu)于2號仿真，但在牽引系數(shù)方面的表現(xiàn)弱于2號仿真，二者轉滑率相差不大。在可完成正常推進的條件下，無量綱功率應越小越好，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螺旋推進機構行進過程中沙粒受到滾筒旋轉的作用，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向有關，與扇葉旋向無關。可利用此特性控制顆粒堆積方向，實現(xiàn)播種或施肥等功能。

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