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【摘 要 】本文提出了一种用于水面清扫船的明轮推进装置,同时也用于辅助漂浮物的收集.详细介绍了其设计过程,主要包括工作原理说明,样机模型建立,运动学以及动力学分析,最终确定了结构的可行性.控制部分包括51单片机控制器模块,直流电机驱动模块,无线遥控模块,实现了明轮操控远距离,智能化.
【关 键 词 】明轮推进装置；虚拟样机；运动学与动力学；51单片机
Abstract：The paper provides a kind of paddle propeller for the cleaning catamaran,which is also used to collect the floaters.It introduces the design process of the mechani in detail,mainly including the operating principle,prototype modeling based on UG,kinematics and dynamics analysis,eventually make sure its feasibility.The control section includes 51 MCU and DC electrical motor drive,remote control,which can make it intellectualized to control paddle propeller in the distance.
Key words：paddle propeller；prototype modeling；kinematics and dynamics；51 MCU
一、引言
目前,我国河流、湖泊等水域的污染状况不容乐观,用于水环境维护的设备也较多,其中水面清扫船的使用使繁重的水面漂浮物的清理工作变得高效.
就市场现状而言,用于清理水面的设备以螺旋桨推进方式为主,明轮推进装置正在逐步增多,这也得益于明轮独特的优势,在水面狭小以及水深较浅的水域能灵活的前进或后退.因此,本文专门设计了一种用于水面清扫船的明轮推进装置,建立了虚拟样机,并对其进行运动学及动力学分析以确定其可行性；同时设计了遥控系统,实现了远距离、智能化.
二、工作原理
如图1所示,该明轮推进装置是由1.拨水叶片焊接在2.上,进而焊接在4.明轮轴上,其中明轮中间的空隙是3.填充圆筒,目的为了阻止水面上一些细长的漂浮物落入其中,缠绕4.明轮轴,损坏装置；该装置安装于水面清扫船（双体船结构）的前端,4.明轮轴的一端通过联轴器连接减速电机；通过电机带动,进而驱动清扫船前进；同时明轮推进装置在向后推水的过程中,将漂浮物一并推向后方,这样只需在明轮推进装置后设置一类似滤网的装置即可用于清理漂浮物.
三、运动学分析
如图2所示,以明轮轴的中心为原点,建立坐标系xoy,其中水平线a-a表示船下水后水平面的位置,h表示明轮推进装置旋转中心距水面间的距离,w为明轮的转速,v为经过明轮作用后物体的速度,其中r为物体距原点的距离.
根据图2,结合设计要求可知应尽可能多的把处在第四象限的漂浮物拨到滤网里,现分析第四象限中明轮作用下物体的运动以及受力情况,分析中假设物体非细长状,同时只考虑脱离叶片的物体：
情形一,半径与y轴重合时,物体的初速度沿x轴正方向,受到三个力,浮力F、重力G以及水的阻力f,受力及初始轨迹图如图3所示.
图3 情形一受力及轨迹图 图4 情形二受力及轨迹图
情形二,半径与y轴负向成,则初速度与x轴正向成,受力依然为浮力F、重力G以及水的阻力f,受力及可能运动轨迹如图4所示；
情形三,拨水叶片刚离开水面时,此时对其分析,设与x轴成角,则：
（1）
其后在空气中作斜抛运动,忽略空气阻力,只受重力作用,则得：
（2）
根据设计,明轮最大半径R等于360mm,h的范围是160～260mm,明轮轴转速为n等于48r/min,联立公式一和公式二可得情形三中经明轮作用后物体运动最高点y轴坐标范围为-0.180～-0.026m,对应x轴坐标范围为0.41～0.46m,由此可以确定滤网的安装位置,适当调节的高度以减小水流的阻力,故此装置有辅助清扫漂浮物的作用.
四、力学分析
1.明轮的基本设计参数
此明轮采用定叶片的结构,其直径D等于0.72m,叶片宽度等于0.5m,叶片最大入水深度TK等于0.2m,叶片数z等于6,明轮轴中心距叶片边缘最大距离为h等于0.36m,明轮轴转速n等于48r/min,明轮船的行进速度v等于0.15m/s.
2.明轮推进力的计算
明轮相对水的前进速度,其中：明轮推进器伴流系数；
水力截面；
进程系数；
推进器效率,其中：明轮轴输入功率为等于0.12kw；
负荷系数,实际负荷系数为；
理想推进器效率；
根据公式,B为修正系数,B等于1.04；
从而可得明轮推进力的关系式为：,从而得到推进力.
3.基于UG的静力学分析
明轮轴的输入转矩：
等于23.88
首先,根据明轮结构尺寸,利用UG建立三维模型；接着,进入高级仿真模块,定义模型材料为ZG0Gr18Ni9Ti,可查到其力学性能参数：
泊松比,杨氏模量,条件应力屈服极限,安全系数,即材料修正应力极限为等于；划分模型网格,大小为5mm,类型为3D四面体网格,如图5所示；约束限制了明轮轴的轴线移动；施加载荷水流作用力,输入转矩以及两端轴承座支反力；经过迭代求解得到应力云图如图6所示. 根据图6,明轮有限元分析应力云图可知危险截面主要分布于叶片与的过渡处以及明轮轴与的焊接处,这些部分形状发生突变,应力自然急剧变化,其中结构中最大应力,故此明轮的结构强度足够.
五、控制部分
在控制部分,依靠12键无线遥控器以及12路无线遥控开关作为51单片机的输入信号部分,51单片机根据检测设定扩展引脚电平变化,进而控制直流电机驱动器驱动电机运动.考虑到明轮工况因素,直流电机可以正转、反转以及停止,同时根据PWM原理,电机的速度可以变化.具体控制系统框图如图7所示.
图7 控制系统框图
六、结论
（1）本文通过对明轮进行运动学分析,确定了其用于辅助收集漂浮物的可行性,同时为收集装置的安装位置提供了一些必要数据；（2）根据动力学计算,获得了水面清扫船样机的推进力；（3）运用UG软件,方便的建立了明轮推进装置的模型,同时运用高级仿真模块确定了明轮结构危险截面的应力,确定强度满足要求；（4）无线遥控的设计,51单片机以及直流电机驱动器的控制系统,简单且实现了智能化,远距离操控.