自平衡可原地回转式防绞机身驱动机构研究

李 爽，缪 宏，巩青松，高 锋，何光宇，李孟丽

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225128）

0 引 言

随着国民经济的迅速发展，水利已经成为国民经济建设的重要组成部分，加强河道的管理已成为发展水上运输的重要保障措施。受污水、污泥的淤积、污染源难以控制等因素的影响，我国城市河道普遍为纳污河道，这种情况将在一定时期内长期存在。受污染河道的河水滞流，河道淤积，水体浑浊，甚至时常出现黑臭的现象。原来作为生活和工业用水水源的河道水，其功能己受到严重影响。河道水原有的美化环境、调节城区小气候、景观旅游等功能也大大下降。同时，我国泥沙淤积问题比较严重，河道清淤疏浚工程对水质的提高、河道通航及排洪能力起到了很大的作用。因此，加强河道治理，开展河道清淤工作，可以在弥补环境污染所带来的问题的同时改善人们的生活水平，具有重要的社会意义。但现阶段国内的清淤疏浚器械存在环境适应能力差、工作过程平稳性不足、清除机构功能性单一、易造成二次污染等问题，针对上述问题，本文设计了一种自平衡可原地回转式放绞机身驱动机构，并对轴流式喷水推进泵进水流道做了性能评估。

1 装置整体结构设计与工作原理

1.1 整体结构

自平衡可原地回转式放绞机身驱动机构主要由可旋转浮体、机身、活动轴承、推进器、涡轮蜗杆机构、电机、浮筒组成，如图1 所示。旋转浮体整体呈U型，与机器人后端通过活动轴承连接，将机器人半包围，可实现绕轴承360°旋转，浮筒与机身固定连接。本设备采用两个小型的轴流式推进器，安置于机身中部两侧。

1.2 工作原理

本设备采用两个小型的轴流式推进器，安置于机身中部两侧，保证运行过程的平稳性以及较好的动力性，实现0.6 m/s 的预定前进速度。考虑到漂浮体在水中回转半径大这一问题，设计可实现原地回转的推进系统，采用涡轮蜗杆式结构，实现推进器的360°回转；前进后退过程中，通过电机驱动涡轮蜗杆带动中部两侧推进器实现转动，改变运动方向；转弯过程中，控制两个推进器推进方向相反，实现设备围绕中心的原地转动，解决转弯半径大的问题，提高设备对地形适应性，如图2 所示。考虑到清淤疏浚环境底部淤泥软硬不均以及水面作业可能遭遇风浪而造成的设备中心不稳定的问题，设计自平衡结构，采用浮筒与可旋转浮体相配合结构，浮筒用来平衡前置清淤机构的重力以及抽吸造成的不平稳性，当设备发生倾斜时，旋转浮体可绕活动轴承迅速响应产生偏转，改变自身吃水深度，机身在自身重力的作用下保持水平，实现设备运行过程的稳定性。

2 轴流式喷水推进泵的设计

2.1 概述

目前喷水推进泵的类型主要有轴流式和混流式。由于轴流式泵具有结构紧凑、尺寸小、流量大、效率高等优点，它应用较为广泛。目前还有一种较为常见的推进器是螺旋桨式推进器，它是靠桨叶在空气中或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，但鉴于清淤机器人本身的工作环境，本文选用轴流式喷水推进泵相对螺旋桨式推进器可以有效减小对水体的二次污染并能避免水生植物缠绕螺旋桨产生动力中断的问题。其三维模型如图3 所示。本文首先根据叶片泵的性能和参数，进行喷水推进泵的设计,得到进水流道模型,进而对喷水推进轴流泵进口流道进行数值计算,对其性能进行评估。

2.2 进水流道的设计要求

2.2.1 流道的流体性能较好

流体性能通常是由流动分离度、流体均匀度、总压损失情况等指标来综合评价。因此,进水流道通常具有良好的综合性能,如出口速度较均匀、流动分离小、出口总压损失少、适应性强等。

2.2.2 进水流道应适应船底结构

进水流道受机身大小和在机身底的位置影响。在流道设计时,要选好推进泵的进口尺寸等参数。

2.2.3 进水流道设计效率高,设计时间短

流道的设计要便捷、高效,以满足推进泵设计的需要。