疏浚刀齒表面的介質拉伸實驗

賈雪，唐亞鳴，余奇

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

0 引言

疏浚涉及到中國經濟發展和社會進步的許多方面，進入21世紀以來，中國的社會進步、經濟發展和環境保護對疏浚業提出了更多的需求[1]。但是，在目前挖掘粘性土壤的疏浚過程中，由于土壤的粘附而使得疏浚機具降低了工作效率，縮短了壽命，增大了能源消耗。關于土壤與泥沙的粘附機理的研究一直受到很多學者的關注，如空穴負壓現象的界面拉伸試驗研究[2]，從負壓粘附的角度討論該問題。因此，致力于有關粘附機理的土壤研究依然有很大的意義。從工程仿生學的角度出發，來研究有關脫附減阻的技術體系也越來越引起學者的關注。

不同的介質具有不同的粘性，界面介質在拉伸過程中會產生空穴負壓現象[2]，造成界面的粘附力不同；不同的刀齒具有不同的接觸面積，也會使得刀齒界面間具有不同的粘附力。因此，針對不同介質的界面拉伸試驗和不同表面結構的界面拉伸實驗的研究具有實際意義。

1 實驗裝置

1.1 裝置的設計

圖1所示的試驗裝置為兩個直徑d61.2mm、厚11.5mm的#45鋼刀齒，其表面加工精度為7級。上面刀齒通過拉伸軸與傳感器相連，在通過連接軸與氣壓缸連接。底面刀齒固定在鐵架上。上面刀齒可以隨試驗裝置活動端運動，剛開始的作用力為上面刀齒的自重。采用控制變量法和實驗加推理的方法，進行多組試驗。

圖1 試驗裝置

1.2 實驗流程

實驗流程圖如圖2所示。

圖2 實驗流程圖

采用空氣壓縮機提供氣流，通過三聯件和控制閥獲得穩定輸出的氣流，氣流作用于氣壓缸帶動拉伸軸帶動刀齒的拉伸。傳感器獲得的拉伸力轉化為對應的電壓信號輸出到采集卡，采集卡采集到電壓信號后在PC機上輸出。電壓信號的大小代表了力的大小，通過對電壓信號的分析，即可得出對力的情況分析。

1.3 數據采集

試驗所采用的是S型傳感器，其測量力的量程為0-5000N,輸出電壓范圍為0-20mv，為此應在采集卡上編寫相應的程序以適合傳感器的輸出電壓。所選數據采集卡為USB-DAQ500數據采集卡，通過編程使其采集電壓范圍為-2.5v-2.5v,設定其采集頻率為10次/s，選擇輸入單通道獨立的24位AD，使數據以excel的形式保持于計算機中，從而使得采集的電壓值相對準確。傳感器與采集卡的鏈接方式采用差分法連接，可以保證傳感器和采集卡相對同一電位進行測量，連接簡圖如圖3所示。

圖3 差分連接示意圖

2 實驗結果及分析

2.1 不同介質的界面拉伸試驗

試驗采用光滑表面結構刀齒如圖4，采集空載時的多組數據。然后在下刀齒面上注水后貼合上刀齒，將多余水分擦去，使兩刀齒間形成連續的水膜，采集數據。然后將水擦凈，在下刀齒表面涂一層均勻的油膜，繼續采集數據。不同的介質有不同的粘度，常溫常壓下空氣、水、油的粘度見表1。

表1 不同介質粘度表

圖4 光滑表面刀齒

為使試驗結果具有可信性，采取多次試驗取平均值的方法。將采集的數據利用excel轉化為如圖5所示。

圖5 介質不同的界面拉伸試驗圖像

由圖5可以看出，隨著時間的延長，拉伸力不斷增加；當界面間依次采用空氣、水、黃油介質時，拉伸力也在增加。水是比較常見的介質，因此以水介質為例，對界面間的水膜拉伸試驗進行過程分析。根據引力F=GMm/R，由于同一水膜內水分子的質量和距離相同，故兩水分子間引力相同。在水膜與刀齒表面接觸的表面上受刀齒表面的粘附力σ，在垂直于刀齒面的極小平面上還受大氣壓P0的作用。因此，水膜的受力分析如圖6所示。

圖6 水膜的受力分析圖

當采用空氣膜時，空氣的粘度比較小，采集卡采集的數據主要是上面刀齒的自重，所需的拉伸力較小，變化范圍較小且持續時間很短 。當采用黃油膜時，由于黃油的粘度比較大，黃油的最大拉伸力應比水的最大拉伸力大。所以黃油的拉上曲線在水的拉伸曲線的上面。

2.2 采用仿生刀齒的界面拉伸實驗

仿生學的研究已經廣泛應用到生活中的，如仿生犁壁,“鯊魚皮”泳衣，悉尼大劇院的建設，等等。從工程仿生學的角度出發，根據典型土壤動物幾何非光滑體表的減粘降阻脫附功能，通過表面改形方法[3]來設計非光滑表面刀齒來實現減粘降阻的功能。為此選用方便加工的凹坑形表面結構刀齒來進行試驗，其外形如圖7所示。疏浚刀齒與外界的接觸面積的主要是由刀齒表面分布的幾何結構單元來決定[4]，根據非光滑平面的設計原理，最大限度的減少某一表面與非光滑表面的接觸面積，可以降低粘附力[5]。凹坑形物體接觸面之間會存在一些間隙，減小了刀齒界面的接觸面積，因此能有效地降低界面大氣負壓，破壞水膜的連續性，從而降低刀齒表面的粘附力。

圖7 凹坑形表面結構刀齒

為避免實驗結果的偶然性，采取不同介質進行多次試驗。試驗數據利用excel處理如圖8和圖9所示。

圖8 水介質時的界面拉伸實驗曲線

圖9 黃油介質界面拉伸實驗曲線

由圖可知，采用凹坑形表面結構刀齒可明顯地降低拉伸力，即降低刀齒表面的粘附力。

3 結語

由不同介質的界面拉伸試驗可知：當采用表面光滑的刀齒結構時，可以得出： 1) 界面間的粘附力因界面間的介質而不同，粘度大的物體，粘附力也大；2) 隨著時間的增加，界面間的粘附力也是增加的。由凹坑形表面結構刀齒界面拉伸試驗可知：當刀齒與外界的接觸面積減小時，可以減小界面間的拉伸力。

[1] 陳云.中國疏浚業的展望[c].第十九屆世界疏浚大會論文集.

[2] 鄧石橋,任露泉,韓志武.空穴負壓現象的界面拉伸試驗研究 [J].農業機械學報,2004,35(4) :165-169.

[3] 叢茜.非光滑減粘降阻機理及觸土部件仿生改形研究[D].長春 吉林工業大學,1992.

[4] 叢茜,任露泉,陳秉聰.土壤粘附機理的化學吸附分析[J].農業工程學報,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.