疏浚刀齿表面的介质拉伸实验

贾雪，唐亚鸣，余奇

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

0 引言

疏浚涉及到中国经济发展和社会进步的许多方面，进入21世纪以来，中国的社会进步、经济发展和环境保护对疏浚业提出了更多的需求[1]。但是，在目前挖掘粘性土壤的疏浚过程中，由于土壤的粘附而使得疏浚机具降低了工作效率，缩短了寿命，增大了能源消耗。关于土壤与泥沙的粘附机理的研究一直受到很多学者的关注，如空穴负压现象的界面拉伸试验研究[2]，从负压粘附的角度讨论该问题。因此，致力于有关粘附机理的土壤研究依然有很大的意义。从工程仿生学的角度出发，来研究有关脱附减阻的技术体系也越来越引起学者的关注。

不同的介质具有不同的粘性，界面介质在拉伸过程中会产生空穴负压现象[2]，造成界面的粘附力不同；不同的刀齿具有不同的接触面积，也会使得刀齿界面间具有不同的粘附力。因此，针对不同介质的界面拉伸试验和不同表面结构的界面拉伸实验的研究具有实际意义。

1 实验装置

1.1 装置的设计

图1所示的试验装置为两个直径d61.2mm、厚11.5mm的#45钢刀齿，其表面加工精度为7级。上面刀齿通过拉伸轴与传感器相连，在通过连接轴与气压缸连接。底面刀齿固定在铁架上。上面刀齿可以随试验装置活动端运动，刚开始的作用力为上面刀齿的自重。采用控制变量法和实验加推理的方法，进行多组试验。

图1 试验装置

1.2 实验流程

实验流程图如图2所示。

图2 实验流程图

采用空气压缩机提供气流，通过三联件和控制阀获得稳定输出的气流，气流作用于气压缸带动拉伸轴带动刀齿的拉伸。传感器获得的拉伸力转化为对应的电压信号输出到采集卡，采集卡采集到电压信号后在PC机上输出。电压信号的大小代表了力的大小，通过对电压信号的分析，即可得出对力的情况分析。

1.3 数据采集

试验所采用的是S型传感器，其测量力的量程为0-5000N,输出电压范围为0-20mv，为此应在采集卡上编写相应的程序以适合传感器的输出电压。所选数据采集卡为USB-DAQ500数据采集卡，通过编程使其采集电压范围为-2.5v-2.5v,设定其采集频率为10次/s，选择输入单通道独立的24位AD，使数据以excel的形式保持于计算机中，从而使得采集的电压值相对准确。传感器与采集卡的链接方式采用差分法连接，可以保证传感器和采集卡相对同一电位进行测量，连接简图如图3所示。

图3 差分连接示意图

2 实验结果及分析

2.1 不同介质的界面拉伸试验

试验采用光滑表面结构刀齿如图4，采集空载时的多组数据。然后在下刀齿面上注水后贴合上刀齿，将多余水分擦去，使两刀齿间形成连续的水膜，采集数据。然后将水擦净，在下刀齿表面涂一层均匀的油膜，继续采集数据。不同的介质有不同的粘度，常温常压下空气、水、油的粘度见表1。

表1 不同介质粘度表

图4 光滑表面刀齿

为使试验结果具有可信性，采取多次试验取平均值的方法。将采集的数据利用excel转化为如图5所示。

图5 介质不同的界面拉伸试验图像

由图5可以看出，随着时间的延长，拉伸力不断增加；当界面间依次采用空气、水、黄油介质时，拉伸力也在增加。水是比较常见的介质，因此以水介质为例，对界面间的水膜拉伸试验进行过程分析。根据引力F=GMm/R，由于同一水膜内水分子的质量和距离相同，故两水分子间引力相同。在水膜与刀齿表面接触的表面上受刀齿表面的粘附力σ，在垂直于刀齿面的极小平面上还受大气压P0的作用。因此，水膜的受力分析如图6所示。

图6 水膜的受力分析图

当采用空气膜时，空气的粘度比较小，采集卡采集的数据主要是上面刀齿的自重，所需的拉伸力较小，变化范围较小且持续时间很短 。当采用黄油膜时，由于黄油的粘度比较大，黄油的最大拉伸力应比水的最大拉伸力大。所以黄油的拉上曲线在水的拉伸曲线的上面。

2.2 采用仿生刀齿的界面拉伸实验

仿生学的研究已经广泛应用到生活中的，如仿生犁壁,“鲨鱼皮”泳衣，悉尼大剧院的建设，等等。从工程仿生学的角度出发，根据典型土壤动物几何非光滑体表的减粘降阻脱附功能，通过表面改形方法[3]来设计非光滑表面刀齿来实现减粘降阻的功能。为此选用方便加工的凹坑形表面结构刀齿来进行试验，其外形如图7所示。疏浚刀齿与外界的接触面积的主要是由刀齿表面分布的几何结构单元来决定[4]，根据非光滑平面的设计原理，最大限度的减少某一表面与非光滑表面的接触面积，可以降低粘附力[5]。凹坑形物体接触面之间会存在一些间隙，减小了刀齿界面的接触面积，因此能有效地降低界面大气负压，破坏水膜的连续性，从而降低刀齿表面的粘附力。

图7 凹坑形表面结构刀齿

为避免实验结果的偶然性，采取不同介质进行多次试验。试验数据利用excel处理如图8和图9所示。

图8 水介质时的界面拉伸实验曲线

图9 黄油介质界面拉伸实验曲线

由图可知，采用凹坑形表面结构刀齿可明显地降低拉伸力，即降低刀齿表面的粘附力。

3 结语

由不同介质的界面拉伸试验可知：当采用表面光滑的刀齿结构时，可以得出： 1) 界面间的粘附力因界面间的介质而不同，粘度大的物体，粘附力也大；2) 随着时间的增加，界面间的粘附力也是增加的。由凹坑形表面结构刀齿界面拉伸试验可知：当刀齿与外界的接触面积减小时，可以减小界面间的拉伸力。

[1] 陈云.中国疏浚业的展望[c].第十九届世界疏浚大会论文集.

[2] 邓石桥,任露泉,韩志武.空穴负压现象的界面拉伸试验研究 [J].农业机械学报,2004,35(4) :165-169.

[3] 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.

[4] 丛茜,任露泉,陈秉聪.土壤粘附机理的化学吸附分析[J].农业工程学报,1996,12(2) :40-44.

[5] Luquan Ren, Shiqiao Deng , Jingchun Wang , Zhiwu Han.Design Principles of the Non-smooth Surface of Bionic Plow Moldboard, Journal of Bionics Engineering (2004) Vol.1 No.1.