疏浚刀齒表面的介質(zhì)拉伸實驗

賈雪，唐亞鳴，余奇

(河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

疏浚涉及到中國經(jīng)濟發(fā)展和社會進(jìn)步的許多方面，進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國的社會進(jìn)步、經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護對疏浚業(yè)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(guān)于土壤與泥沙的粘附機理的研究一直受到很多學(xué)者的關(guān)注，如空穴負(fù)壓現(xiàn)象的界面拉伸試驗研究[2]，從負(fù)壓粘附的角度討論該問題。因此，致力于有關(guān)粘附機理的土壤研究依然有很大的意義。從工程仿生學(xué)的角度出發(fā)，來研究有關(guān)脫附減阻的技術(shù)體系也越來越引起學(xué)者的關(guān)注。

不同的介質(zhì)具有不同的粘性，界面介質(zhì)在拉伸過程中會產(chǎn)生空穴負(fù)壓現(xiàn)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(zhì)的界面拉伸試驗和不同表面結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)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(lián)件和控制閥獲得穩(wěn)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(zhuǎn)化為對應(yīng)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(shù)據(jù)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(yīng)在采集卡上編寫相應(yīng)的程序以適合傳感器的輸出電壓。所選數(shù)據(jù)采集卡為USB-DAQ500數(shù)據(jù)采集卡，通過編程使其采集電壓范圍為-2.5v-2.5v,設(shè)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(shù)據(jù)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(zhǔn)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(jìn)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(jié)果及分析

2.1 不同介質(zhì)的界面拉伸試驗

試驗采用光滑表面結(jié)構(gòu)刀齒如圖4，采集空載時的多組數(shù)據(jù)。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(xù)的水膜，采集數(shù)據(jù)。然后將水擦凈，在下刀齒表面涂一層均勻的油膜，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。不同的介質(zhì)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(zhì)粘度表

圖4 光滑表面刀齒

為使試驗結(jié)果具有可信性，采取多次試驗取平均值的方法。將采集的數(shù)據(jù)利用excel轉(zhuǎn)化為如圖5所示。

圖5 介質(zhì)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(dāng)界面間依次采用空氣、水、黃油介質(zhì)時，拉伸力也在增加。水是比較常見的介質(zhì)，因此以水介質(zhì)為例，對界面間的水膜拉伸試驗進(jìn)行過程分析。根據(jù)引力F=GMm/R，由于同一水膜內(nèi)水分子的質(zhì)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(dāng)采用空氣膜時，空氣的粘度比較小，采集卡采集的數(shù)據(jù)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(xù)時間很短 。當(dāng)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(yīng)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(xué)的研究已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生活中的，如仿生犁壁,“鯊魚皮”泳衣，悉尼大劇院的建設(shè)，等等。從工程仿生學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)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(shè)計非光滑表面刀齒來實現(xiàn)減粘降阻的功能。為此選用方便加工的凹坑形表面結(jié)構(gòu)刀齒來進(jìn)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(jié)構(gòu)單元來決定[4]，根據(jù)非光滑平面的設(shè)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(fù)壓，破壞水膜的連續(xù)性，從而降低刀齒表面的粘附力。

圖7 凹坑形表面結(jié)構(gòu)刀齒

為避免實驗結(jié)果的偶然性，采取不同介質(zhì)進(jìn)行多次試驗。試驗數(shù)據(jù)利用excel處理如圖8和圖9所示。

圖8 水介質(zhì)時的界面拉伸實驗曲線

圖9 黃油介質(zhì)界面拉伸實驗曲線

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

3 結(jié)語

由不同介質(zhì)的界面拉伸試驗可知：當(dāng)采用表面光滑的刀齒結(jié)構(gòu)時，可以得出： 1) 界面間的粘附力因界面間的介質(zhì)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(jié)構(gòu)刀齒界面拉伸試驗可知：當(dāng)?shù)洱X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(yè)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(fù)壓現(xiàn)象的界面拉伸試驗研究 [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)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(yè)大學(xué),1992.

[4] 叢茜,任露泉,陳秉聰.土壤粘附機理的化學(xué)吸附分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)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.