基于Solidwoks的仿生绞刀的三维建模

田杨，唐亚鸣，任晓敏，莫静玲

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

0 引言

疏浚绞刀在挖掘粘性土壤时，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，严重时甚至完全丧失作业能力。仿生疏浚绞刀，就是从工程仿生学的角度出发，根据典型土壤动物非光滑体表［1-3］具有减粘降阻的作用，对绞刀的表面进行改形，在绞刀尤其是绞刀刀齿的表面设计凸包形、凹坑形、波纹形等具有一定几何形状的结构单元，使得绞刀在切削土壤过程中与土壤不能紧密接触，减少与土壤接触界面的接触面积，破坏接触界面水膜的连续性，从而降低土壤的粘附力和摩擦阻力，获得减粘降阻的效果。为研发设计仿生绞刀，利用三维机械设计软件Solidwoks，建立仿生绞刀的三维模型，为仿生绞刀的设计、分析及检验奠定了基础。

1 仿生绞刀的结构参数

绞刀是绞吸式挖泥船挖掘系统的核心部件，对绞刀的切削系统乃至整个挖泥船运行效率都十分重要。在对仿生绞刀进行三维造型之前，先简单介绍绞刀的基本结构和绞刀的主要几何参数。以普通绞刀的造型简单叙述，而刀齿表面的几何非光滑结构单元将作为重点介绍，其目的是为以后设计仿生刀齿的表面结构做准备工作。

1.1 绞刀的结构

绞刀一般由绞刀座、刀臂、轮毂组成。绞刀座也称大环、加强圈，用来固定连接刀臂，支撑整个绞刀。刀臂是绞刀中直接切削泥土使之成为能被吸入吸管的碎块的部件，均匀的分布在外围圆周上，一般为4～6片，在旋转时轮流接触并切削泥土，齿式绞刀中在刀臂上还安装有一定数量的刀齿。刀臂和刀齿呈螺旋状安装在大环和轮毂之间，其结构的优劣直接影响绞刀的切削性能。轮毂与绞刀传动轴相连，起到传动作用，现在一般为反牙梯形螺纹连接，即在传动轴上加工梯形螺纹，绞刀轮毂内加工的螺纹相当于一个螺帽予以紧固［4］。

1.2 绞刀的主要几何参数

绞刀的主要几何参数有绞刀的高度、绞刀的外径D，刀臂包角Ω，刀臂数，刀臂安装角φ等。可以根据文献［5、6］绞刀的主要几何参数，利用Solidwoks软件建立仿生绞刀的三维模型。

在绞刀的三维建模中，最复杂的莫过于如何确定绞刀刀臂的形状。为方便建模，根据文献［3］刀臂看成曲面。刀臂曲面由内外两条轮廓线决定，内外两条轮廓线为两条空间曲线，是两个空间曲面相交而得到的。外轮廓线在yoz平面的投影参数方程为:

外轮廓线在xoz平面上的投影参数方程为:

内轮廓线在yoz平面的投影参数方程为:

内轮廓线在xoz平面上的投影参数方程为:

式(1)～(4)中，H—刀臂外轮廓线顶点高度;

θ—参变量，参数方程用绞刀特征值直径D的相对值表示，一般取值范围为0～150°;

k1—绞刀介质切削系数;

k2—绞刀形状系数;

k1，k2的值可根据绞刀切削介质的力学特性来确定;

d1—轮毂外径;

h—刀臂内轮廓线顶点高度;

B—刀臂宽度。

1.3 仿生绞刀刀齿的表面结构的参数方程

典型土壤动物的非光滑体表具有减粘降阻的功能为仿生绞刀刀齿的仿生类比提供了信息。在本文中，仿生绞刀刀齿的表面结构是模仿典蜣螂头部、布甲头部、蜣螂鞘翅以及花葬甲鞘翅的非光滑形态而设计的四种几何结构单元，其参数方程如下所示。其中，仿生绞刀刀齿的长和宽分别为a，b，仿生绞刀刀齿的前端平面部分长度为L1。

1.3.1 凸包、凹坑形仿生绞刀刀齿表面结构的参数方程

假设仿生绞刀刀齿的底面为光滑平面，底面分布有球冠形凸包，形状和大小相同，呈矩形分布。球冠形凸包为在半径为R的球体上所截取高度为h的球冠体，r为球冠体在平面上的投影圆半径。则仿生绞刀刀齿球冠形凸包非光滑表面结构的参数方程为［2］:

凹坑形仿生绞刀刀齿表面结构的参数方程可由前面所述的凸包形仿生绞刀刀齿的参数方程中z值取负值即可。

1.3.2 波纹形、半圆柱形仿生绞刀刀齿表面结构的参数方程

波纹形仿生绞刀刀齿表面结构的参数方程为:

半圆柱形仿生绞刀刀齿表面结构的参数方程为:

2 仿生绞刀的三维建模实例

2.1 仿生绞刀大环与轮毂的造型

2.2 仿生绞刀刀臂的造型

绞刀刀臂的曲面可以看做是由曲面运动形成的，作为基准曲线的内、外轮廓线在曲面造型中显得尤为重要。刀臂的造型有两种方法，本文采取后者。1)根据内、外轮廓线参数方程式(1)～(4)生成曲线1、曲线2，以曲线1、曲线2为轮廓线插入放样曲面生成绞刀刀臂的工作面，使用插入菜单栏凸台/基体选项里的加厚命令生成绞刀刀臂实体，再使用倒角命令生成切削刃。2)由绞刀的二维平面图获得刀臂外轮廓线上关键点的坐标并制作成后缀名为“txt”的文本文档，使用“通过xyz点的曲线”命令通过文本文档外部文件生成曲线3(图2)。绘制绞刀刀臂的横截面草图做为轮廓线，曲线为引导线，插入放样特征生成绞刀刀臂实体(图3)。

2.3 仿生绞刀齿座的造型

本文要造型的绞刀在外围圆周上均匀地分布有6个刀臂，每个刀臂上安装有8个刀齿，则要对相应地8个刀齿齿座依次进行造型。选择曲线3(图2中连接曲线)作为参考实体插入参考点1，距离约为20 mm，以确定第一个齿座在竖直方向的大致位置。以参考点1和前视基准面为基准，插入一系列基准面作为草图绘制平面，分别绘制一个“15×8”的长方形和直径为20 mm的圆。在同时垂直于长方形所在平面以及圆所在平面的另一基准面上，绘制两条样条曲线作为引导线，长方形和圆作为轮廓插入放样特征生成齿座的主体部分(图4)，再使用拉伸、拉伸切除生成用以和刀齿装配的卡槽部分，最后插入圆角特征对刀齿齿座的边线进行修饰。第一个齿座的三维造型如图5(a)所示，然后依次对一个刀臂上剩下的7个刀齿进行造型。仿生绞刀剩下的刀臂及其刀臂上的刀齿可以通过插入圆周阵列特征，以大环和轮毂的内圆柱面的轴为基准轴来生成，实体造型见图5。

2.4 仿生绞刀刀齿的造型

仿生绞刀刀齿的造型是根据仿生刀齿的设计原理，在光滑平面绞刀刀齿的表面上绘制几何非光滑平面，其中的参数是参照Bekker提出的压力-沉陷关系，利用遗传算法计算仿生绞刀刀齿在切削土壤过程中的最小面积而得出的。光滑平面绞刀刀齿的绘制是使用放样、拉伸、筋等命令生成刀齿的主体部分，再使用切除放样、切除拉伸、圆角、倒角等命令对生成安装在齿座上的凹槽，并进行修饰。光滑平面绞刀刀齿的实体造型如图6所示。

图6 光滑平面刀齿

凸包形、凹坑形以及半圆柱形仿生绞刀刀齿表面几何单元的分布比较规则，可以先在草图上绘制一个半圆，分别使用旋转、旋转拉伸和扫描生成一个凸包、凹坑和半圆柱体，再插入线性阵列特征生成剩下其它的几何单元体。凸包形、凹坑形以及半圆柱形仿生绞刀刀齿的实体造型见图7～图9。

因为在Solidworks软件中没有直接绘制余弦曲线的命令，所以波纹形仿生绞刀刀齿的造型采取类似于绞刀刀臂造型的方法。根据遗传算法的计算结果获得波纹形曲线上点的坐标，制作成后缀名为“txt”的文本文档，使用“通过xyz点的曲线”命令生成余弦曲线。在余弦曲线所在的基准面上将余弦曲线构造成封闭曲线，再使用拉伸凸台/基体命令生成波纹形仿生绞刀刀齿表面分布的几何非光滑结构单元体(图10)。

仿生绞刀是将仿生绞刀大环、轮毂、刀臂及刀齿的实体造型作为一个零件，仿生绞刀刀齿作为一个零件进行装配得到的装配体(见图11)。

3 结束语

仿生绞刀的三维建模是进行仿生绞刀设计制造的基础，也是分析仿生绞刀结构性能和切削性能的基础。通过仿生绞刀的三维建模，可以得到为适应不同的粘性土壤、不同的压力条件下减粘降阻效果最优的仿生绞刀的形状，有助于仿生绞刀的研制开发。

［1］任露泉，陈德兴，胡建国.土壤动物减粘脱土规律初步分析［J］.农业工程学报，1990，6(1):15-20.

［2］丛茜.非光滑减粘降阻机理及触土部件仿生改形研究［D］.长春:吉林工业大学，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.绞吸式挖泥船小型疏浚仿真器的设计［D］.常州:河海大学，2004.

［5］朱文亮，倪福生，张德新.挖泥船绞刀的三维建模方法［J］.航海工程，2007，36(1):45-48.

［6］朱文亮.疏浚实验平台开发-绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统［D］.常州:河海大学，2007.