田楊，唐亞鳴，任曉敏，莫靜玲

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

疏浚絞刀在挖掘粘性土壤時(shí)，由于土壤的粘附增大了表面阻力，降低了疏浚效率，增加了能源消耗，嚴(yán)重時(shí)甚至完全喪失作業(yè)能力。仿生疏浚絞刀，就是從工程仿生學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)典型土壤動(dòng)物非光滑體表［1-3］具有減粘降阻的作用，對(duì)絞刀的表面進(jìn)行改形，在絞刀尤其是絞刀刀齒的表面設(shè)計(jì)凸包形、凹坑形、波紋形等具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)單元，使得絞刀在切削土壤過程中與土壤不能緊密接觸，減少與土壤接觸界面的接觸面積，破壞接觸界面水膜的連續(xù)性，從而降低土壤的粘附力和摩擦阻力，獲得減粘降阻的效果。為研發(fā)設(shè)計(jì)仿生絞刀，利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Solidwoks，建立仿生絞刀的三維模型，為仿生絞刀的設(shè)計(jì)、分析及檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 仿生絞刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)

絞刀是絞吸式挖泥船挖掘系統(tǒng)的核心部件，對(duì)絞刀的切削系統(tǒng)乃至整個(gè)挖泥船運(yùn)行效率都十分重要。在對(duì)仿生絞刀進(jìn)行三維造型之前，先簡單介紹絞刀的基本結(jié)構(gòu)和絞刀的主要幾何參數(shù)。以普通絞刀的造型簡單敘述，而刀齒表面的幾何非光滑結(jié)構(gòu)單元將作為重點(diǎn)介紹，其目的是為以后設(shè)計(jì)仿生刀齒的表面結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備工作。

1.1 絞刀的結(jié)構(gòu)

絞刀一般由絞刀座、刀臂、輪轂組成。絞刀座也稱大環(huán)、加強(qiáng)圈，用來固定連接刀臂，支撐整個(gè)絞刀。刀臂是絞刀中直接切削泥土使之成為能被吸入吸管的碎塊的部件，均勻的分布在外圍圓周上，一般為4～6片，在旋轉(zhuǎn)時(shí)輪流接觸并切削泥土，齒式絞刀中在刀臂上還安裝有一定數(shù)量的刀齒。刀臂和刀齒呈螺旋狀安裝在大環(huán)和輪轂之間，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響絞刀的切削性能。輪轂與絞刀傳動(dòng)軸相連，起到傳動(dòng)作用，現(xiàn)在一般為反牙梯形螺紋連接，即在傳動(dòng)軸上加工梯形螺紋，絞刀輪轂內(nèi)加工的螺紋相當(dāng)于一個(gè)螺帽予以緊固［4］。

1.2 絞刀的主要幾何參數(shù)

絞刀的主要幾何參數(shù)有絞刀的高度、絞刀的外徑D，刀臂包角Ω，刀臂數(shù)，刀臂安裝角φ等?？梢愿鶕?jù)文獻(xiàn)［5、6］絞刀的主要幾何參數(shù)，利用Solidwoks軟件建立仿生絞刀的三維模型。

在絞刀的三維建模中，最復(fù)雜的莫過于如何確定絞刀刀臂的形狀。為方便建模，根據(jù)文獻(xiàn)［3］刀臂看成曲面。刀臂曲面由內(nèi)外兩條輪廓線決定，內(nèi)外兩條輪廓線為兩條空間曲線，是兩個(gè)空間曲面相交而得到的。外輪廓線在yoz平面的投影參數(shù)方程為:

外輪廓線在xoz平面上的投影參數(shù)方程為:

內(nèi)輪廓線在yoz平面的投影參數(shù)方程為:

內(nèi)輪廓線在xoz平面上的投影參數(shù)方程為:

式(1)～(4)中，H—刀臂外輪廓線頂點(diǎn)高度;

θ—參變量，參數(shù)方程用絞刀特征值直徑D的相對(duì)值表示，一般取值范圍為0～150°;

k1—絞刀介質(zhì)切削系數(shù);

k2—絞刀形狀系數(shù);

k1，k2的值可根據(jù)絞刀切削介質(zhì)的力學(xué)特性來確定;

d1—輪轂外徑;

h—刀臂內(nèi)輪廓線頂點(diǎn)高度;

B—刀臂寬度。

1.3 仿生絞刀刀齒的表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程

典型土壤動(dòng)物的非光滑體表具有減粘降阻的功能為仿生絞刀刀齒的仿生類比提供了信息。在本文中，仿生絞刀刀齒的表面結(jié)構(gòu)是模仿典蜣螂頭部、布甲頭部、蜣螂鞘翅以及花葬甲鞘翅的非光滑形態(tài)而設(shè)計(jì)的四種幾何結(jié)構(gòu)單元，其參數(shù)方程如下所示。其中，仿生絞刀刀齒的長和寬分別為a，b，仿生絞刀刀齒的前端平面部分長度為L1。

1.3.1 凸包、凹坑形仿生絞刀刀齒表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程

假設(shè)仿生絞刀刀齒的底面為光滑平面，底面分布有球冠形凸包，形狀和大小相同，呈矩形分布。球冠形凸包為在半徑為R的球體上所截取高度為h的球冠體，r為球冠體在平面上的投影圓半徑。則仿生絞刀刀齒球冠形凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程為［2］:

凹坑形仿生絞刀刀齒表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程可由前面所述的凸包形仿生絞刀刀齒的參數(shù)方程中z值取負(fù)值即可。

1.3.2 波紋形、半圓柱形仿生絞刀刀齒表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程

波紋形仿生絞刀刀齒表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程為:

半圓柱形仿生絞刀刀齒表面結(jié)構(gòu)的參數(shù)方程為:

2 仿生絞刀的三維建模實(shí)例

2.1 仿生絞刀大環(huán)與輪轂的造型

2.2 仿生絞刀刀臂的造型

絞刀刀臂的曲面可以看做是由曲面運(yùn)動(dòng)形成的，作為基準(zhǔn)曲線的內(nèi)、外輪廓線在曲面造型中顯得尤為重要。刀臂的造型有兩種方法，本文采取后者。1)根據(jù)內(nèi)、外輪廓線參數(shù)方程式(1)～(4)生成曲線1、曲線2，以曲線1、曲線2為輪廓線插入放樣曲面生成絞刀刀臂的工作面，使用插入菜單欄凸臺(tái)/基體選項(xiàng)里的加厚命令生成絞刀刀臂實(shí)體，再使用倒角命令生成切削刃。2)由絞刀的二維平面圖獲得刀臂外輪廓線上關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)并制作成后綴名為“txt”的文本文檔，使用“通過xyz點(diǎn)的曲線”命令通過文本文檔外部文件生成曲線3(圖2)。繪制絞刀刀臂的橫截面草圖做為輪廓線，曲線為引導(dǎo)線，插入放樣特征生成絞刀刀臂實(shí)體(圖3)。

2.3 仿生絞刀齒座的造型

本文要造型的絞刀在外圍圓周上均勻地分布有6個(gè)刀臂，每個(gè)刀臂上安裝有8個(gè)刀齒，則要對(duì)相應(yīng)地8個(gè)刀齒齒座依次進(jìn)行造型。選擇曲線3(圖2中連接曲線)作為參考實(shí)體插入?yún)⒖键c(diǎn)1，距離約為20 mm，以確定第一個(gè)齒座在豎直方向的大致位置。以參考點(diǎn)1和前視基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，插入一系列基準(zhǔn)面作為草圖繪制平面，分別繪制一個(gè)“15×8”的長方形和直徑為20 mm的圓。在同時(shí)垂直于長方形所在平面以及圓所在平面的另一基準(zhǔn)面上，繪制兩條樣條曲線作為引導(dǎo)線，長方形和圓作為輪廓插入放樣特征生成齒座的主體部分(圖4)，再使用拉伸、拉伸切除生成用以和刀齒裝配的卡槽部分，最后插入圓角特征對(duì)刀齒齒座的邊線進(jìn)行修飾。第一個(gè)齒座的三維造型如圖5(a)所示，然后依次對(duì)一個(gè)刀臂上剩下的7個(gè)刀齒進(jìn)行造型。仿生絞刀剩下的刀臂及其刀臂上的刀齒可以通過插入圓周陣列特征，以大環(huán)和輪轂的內(nèi)圓柱面的軸為基準(zhǔn)軸來生成，實(shí)體造型見圖5。

2.4 仿生絞刀刀齒的造型

仿生絞刀刀齒的造型是根據(jù)仿生刀齒的設(shè)計(jì)原理，在光滑平面絞刀刀齒的表面上繪制幾何非光滑平面，其中的參數(shù)是參照Bekker提出的壓力-沉陷關(guān)系，利用遺傳算法計(jì)算仿生絞刀刀齒在切削土壤過程中的最小面積而得出的。光滑平面絞刀刀齒的繪制是使用放樣、拉伸、筋等命令生成刀齒的主體部分，再使用切除放樣、切除拉伸、圓角、倒角等命令對(duì)生成安裝在齒座上的凹槽，并進(jìn)行修飾。光滑平面絞刀刀齒的實(shí)體造型如圖6所示。

圖6 光滑平面刀齒

凸包形、凹坑形以及半圓柱形仿生絞刀刀齒表面幾何單元的分布比較規(guī)則，可以先在草圖上繪制一個(gè)半圓，分別使用旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)拉伸和掃描生成一個(gè)凸包、凹坑和半圓柱體，再插入線性陣列特征生成剩下其它的幾何單元體。凸包形、凹坑形以及半圓柱形仿生絞刀刀齒的實(shí)體造型見圖7～圖9。

因?yàn)樵赟olidworks軟件中沒有直接繪制余弦曲線的命令，所以波紋形仿生絞刀刀齒的造型采取類似于絞刀刀臂造型的方法。根據(jù)遺傳算法的計(jì)算結(jié)果獲得波紋形曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)，制作成后綴名為“txt”的文本文檔，使用“通過xyz點(diǎn)的曲線”命令生成余弦曲線。在余弦曲線所在的基準(zhǔn)面上將余弦曲線構(gòu)造成封閉曲線，再使用拉伸凸臺(tái)/基體命令生成波紋形仿生絞刀刀齒表面分布的幾何非光滑結(jié)構(gòu)單元體(圖10)。

仿生絞刀是將仿生絞刀大環(huán)、輪轂、刀臂及刀齒的實(shí)體造型作為一個(gè)零件，仿生絞刀刀齒作為一個(gè)零件進(jìn)行裝配得到的裝配體(見圖11)。

3 結(jié)束語

仿生絞刀的三維建模是進(jìn)行仿生絞刀設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，也是分析仿生絞刀結(jié)構(gòu)性能和切削性能的基礎(chǔ)。通過仿生絞刀的三維建模，可以得到為適應(yīng)不同的粘性土壤、不同的壓力條件下減粘降阻效果最優(yōu)的仿生絞刀的形狀，有助于仿生絞刀的研制開發(fā)。

［1］任露泉，陳德興，胡建國.土壤動(dòng)物減粘脫土規(guī)律初步分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1990，6(1):15-20.

［2］叢茜.非光滑減粘降阻機(jī)理及觸土部件仿生改形研究［D］.長春:吉林工業(yè)大學(xué)，1992.

［3］Luquan Ren ，Shiqiao Deng ，Jingchun Wang，et al.Design Principles of the Non-smooth Surface of Bionic Plow Moldboard.Journal of Bionics Engineering，2004，1(1):9-19.

［4］王伯勇.絞吸式挖泥船小型疏浚仿真器的設(shè)計(jì)［D］.常州:河海大學(xué)，2004.

［5］朱文亮，倪福生，張德新.挖泥船絞刀的三維建模方法［J］.航海工程，2007，36(1):45-48.

［6］朱文亮.疏浚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)-絞刀三維造型及土壤切削實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)［D］.常州:河海大學(xué)，2007.