螺旋推进机构滚筒安装方式对行驶性能的影响研究

摘 要：【目的】由于常规行进机构接地压比较小，在沙滩上易发生下陷等情况，会部分丧失甚至完全失去行动能力，故选用螺旋推进机构作为沙滩行进机构，为提高其在沙滩的行进效率，需对下置滚筒安装方式进行研究。【方法】通过软件对螺旋推进机构在沙滩中的行进场景进行模拟分析，获得实际行驶速度、牵引力等参数，通过计算对行进效果进行评定。【结果】研究结果表明，左旋滚筒左置、右旋滚筒右置的安装方式行进效果较好，且通过沙粒位移方向可确定沙粒沿滚筒旋转时扇叶出土方向堆积与滚筒转向有关，与扇叶旋向无关。【结论】研究结果可为螺旋推进机构滚筒安装方式提供参考。

关键词：螺旋推进；螺旋滚筒安装；离散元仿真；多体动力学仿真；行驶性能

中图分类号：TH122" " "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）10-0040-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.008

Analysis of the Impact of Drum Installation Methods in Helical

Propulsion Mechanisms on Travel Performance

CAI Guodong

（ Shanghai Donghu Machinery Factory， Shanghai 201900，China）

Abstract： [Purposes] Due to the relatively small ground pressure of conventional locomotion mechanisms， situations such as sinking are prone to occur on beaches， resulting in partial or complete loss of mobility. Therefore， the selection of a helical propulsion mechanism for beach locomotion is imperative. To enhance its efficiency in beach locomotion， it is essential to investigate the installation methods of the lower roller. [Methods] The locomotion scenarios of the helical propulsion mechanism on the beach were simulated and analyzed using software to obtain parameters such as actual traveling speed and traction force. The effectiveness of locomotion was evaluated through calculations. [Findings] The research indicates that the installation method with the left-handed roller placed on the left and the right-handed roller placed on the right yields better locomotion performance. Furthermore， it was observed that the direction of sand displacement along the roller rotation determines the direction of accumulation of sand when the blades rotate， which is related to the roller's steering rather than the rotation direction of the blades. [Conclusions] The findings of this study can serve as a reference for the installation of rollers in helical propulsion mechanisms.

Keywords： helical propulsion; helical drum installation; discrete element simulation; multi-body dynamics simulation; travel performance

0 引言

螺旋推进机构是一种依靠机体两侧一对螺旋滚筒反向旋转，利用滚筒两侧扇叶对地面介质进行摩擦、切割与压缩，从而实现移动的特种推进机构。螺旋滚筒主要组成部分有导流罩、筒体、扇叶等。螺旋滚筒是螺旋推进机构最为重要的组成部分，且滚筒内部空间较大，可在此处安置电机作为动力源。由于驱动部件为螺旋滚筒，相较于普通轮式推进结构拥有更大的接地面积，接地压比［1］也显著提高，使其拥有在恶劣环境中执行作业的能力。国外最早使用此种结构作为推进装置的人为Jacob Morath［2］。Thoesen等［3］以玻璃珠作为介质测量不同转速下螺旋推进机构所能提供的推力大小。我国对此种机构较早的应用为刘明相等［4］于1987年设计的一款水耕机，同年樊启洲等［5］对螺旋推进机构进行推力理论研究，建立黏土中该结构的推力计算公式。螺旋推进机构在沙颗粒介质中行进效果较好，在恶劣复杂地面良好的通过性使得此结构广泛应用在农用机械上，冯闯闯等［6］以螺旋推进机构为基础设计了一款螺旋推进挖藕机，发现其拥有较为不错的挖藕与推进性能。螺旋推进机构滚筒旋向与齿轮类似，可轴线竖直观测螺旋扇叶最高处在哪一侧。螺旋推进机构中存在两种滚筒安装方式，左旋左置右旋右置与左旋右置右旋左置，这两种安装方式会影响滚筒旋转方向，进而影响沙粒堆积方向与推进性能，本研究拟通过RecurDyn与EDEM耦合仿真等方法来研究滚筒安装方式对推进性能的影响。

1 结构模型

通过查阅资料可知，螺旋推进机构在颗粒介质中螺旋升角η在30°～40°拥有较好的推进性能［7］，且长径比与扇叶高度等结构参数也会影响行进性能，故初定螺旋滚筒结构如图1所示，整体结构参数见表1。机架下置一对螺旋滚筒，且导流罩形状为直径等于滚筒的半球。为保证行驶平稳，设置扇叶数为4，虽然行驶更为平稳，但由于缩短了相邻两扇叶之间距离，使颗粒受力与运动变得更为复杂。

图1（a）为左旋滚筒，图1（b）为右旋滚筒，且滚筒扇叶数为4，筒体前后端存在导流罩，可降低行进时滚筒所受的阻力，且在颗粒介质中行进时将颗粒向滚筒扇叶部位集中，可提高此区域颗粒密度，提高滚筒行进性能。

滚筒安装方式如图2 所示。图2（a）为左旋左置右旋右置，试验序号为1；图2（b）为左旋右置右旋左置，试验序号为2。

螺旋推进机构行进性能衡量指标为转滑率、牵引系数与无量纲功率。转滑率是衡量推进机构实际行进速度与理论行进速度之间关系的重要指标，如式1所示［6］。转化率高代表螺旋推进机构行进能力较差。

sx=[v理-v实v理]" " " " （1）

式中：v理为推进机构理论行进速度；v实为推进机构实际行进速度。

v理的表达式见式（2）。

v理=pω/（2π）" " " " （2）

式中：P为螺旋滚筒导程；ω为螺旋滚筒角速度。

牵引系数与无量纲功率分别用以衡量螺旋推进机构所能提供牵引力大小与正常行进所需功率大小，其表达式见式（3）［8］与式（4）［9］。牵引系数越大则证明此螺旋推进机构在行进时可产生更大的牵引力，而无量纲功率越小代表在相同转速下所需功率越小，则行进效果越好。

K=[DpW] （3）

式中：K为牵引系数；Dp为最大牵引力；W为整体机构沿重力方向载荷。

y=[2πnTWV理] （4）

式中：y为无量纲功率；T为最大扭矩；n为螺旋滚筒转速。

2 耦合仿真

整个仿真过程分为两部分，一是机构在沙环境中行进时的运动状态，二是沙环境中沙颗粒在推进机构作用下的运动状态。故两部分仿真应通过多体动力学软件RecurDyn与离散元软件EDEM进行耦合仿真，在RecurDyn中设置结构的运动条件与接触条件，如图3所示。滚筒与车架接触位置设置为回转幅，且施加动作，转速为3 r/s。在螺旋滚筒与地面之间施加接触，接触类型为实体接触。

将设置好运动的模型以wall形式导入到EDEM中，在EDEM中设置颗粒与模型材料参数及接触参数，具体见表2、表3。颗粒半径为6 mm时即可满足摩擦角要求［10］。为提高仿真精度，颗粒半径初定为4 mm。后续颗粒工厂开始生成颗粒，预计生成32 000个颗粒，颗粒初速度为20 mm/s，方向为重力方向。颗粒生成完成后在EDEM界面修改分析步数，应保证两软件分析步一致，后续点开耦合开关，在RecurDyn界面中点击开始仿真，则两软件开始耦合仿真，且两端数据互相传输。

仿真结果示意如图4所示，数值结果通过式（1）、式（3）与式（4）计算后所得衡量指标见表4。图4（a）为序号1仿真所得结果，图4（b）为仿真序号2仿真所得结果，可直观地体现沙粒运动与受推进机构作用而引起的沙粒堆积。

由图4可知，序号1仿真颗粒向内堆积，序号2仿真颗粒向外堆积。经分析可知，颗粒堆积方向与滚筒旋转方式有关，并沿滚筒扇叶转出沙面位置堆积。

3 结论

①螺旋推进机构安装方式对推进性能影响较为明显。1号仿真在无量纲功率的表现远优于2号仿真，但在牵引系数方面的表现弱于2号仿真，二者转滑率相差不大。在可完成正常推进的条件下，无量纲功率应越小越好，则证明左旋左置右旋右置的安装方式优于左旋右置右旋左置的安装方式。

②螺旋推进机构行进过程中沙粒受到滚筒旋转的作用，向滚筒扇叶旋出沙面的方向堆积，沙粒堆积方向仅与滚筒转向有关，与扇叶旋向无关。可利用此特性控制颗粒堆积方向，实现播种或施肥等功能。

参考文献：

［1］郭峰. 推拉式气垫运载平台的行走理论研究［D］.长春：吉林大学，2002.

［2］VANDOME A F，MCBREWSTER J，MILLER F P.Screw-Propelled Vehicle［M］. Alphascript Publishing， 2010.

［3］THOESEN A， RAMIREZ S， MARVI H.Screw-powered propulsion in granular media： an experimental and computational study［C］//2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）.IEEE，2018：4283-8288.

［4］刘明相，王德骥.双轴差距螺旋水耕机［J］.农村实用工程技术，1991（2）：26.

［5］樊启洲，邵耀坚.螺旋滚筒在粘土上推进力的研究［J］.拖拉机与农用运输车，1998（4）：20-24.

［6］冯闯闯，周勇，涂鸣，等.螺旋推进式挖藕机的设计与试验［J］.甘肃农业大学学报，2020，55（4）：191-199.

［7］张栩汉.螺旋滚筒升角对颗粒推力的影响［J］.一重技术，2024（1）：25-27，38.

［8］DUGOFF H， EHLICH I R. Model tests of bouyant screw rotor configurations［J］.Journal of Terramechanics，1967，4（3）：9-22.

［9］张克健.车辆地面力学［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［10］张锐，韩佃雷，吉巧丽，等.离散元模拟中沙土参数标定方法研究［J］. 农业机械学报，2017，48（3）：49-56.