【正文】 ，在布置推進器時要注意載荷的平衡分配，減少對機器人平衡的不良影響。 ⑶ 螺旋槳的轉動不僅可以產生軸向的推力，同時在切向產生扭矩，會傳遞給水下機器人，造成水下機器人的額外附加有害運動，因此，在布置推進器時合理考慮，盡量抵消這種不良影響，比如，在同一平面布置兩個推進 器時，可以選用轉向相反的推進器。 ⑷ 布置推進器時盡量使其軸線平行于動坐標系，一方面，在平移運動中可以獲得最大的推力，另一方面，在選裝運動中可以獲得最大的扭矩。 推進器布置方案設計 綜合考慮本課題所設計的水下清刷檢測機器人應具有的進退、升降、搖首、俯仰和橫傾 5 個自由度，以及清刷檢測作業(yè)時的背壓吸附方式，依據(jù)推進器布置時的注意事項，本文所設計的水下構筑物清刷檢測機器人采用的推進器布置簡圖如圖 。 第三章 水下機器人推進系統(tǒng)設計 33 圖 推進器布置示意圖 通過推進器布置簡圖（圖 ） 可知，本文采用 6 只可正反轉電動螺旋槳推進器，其中水平方向布置 2 只推進器，垂直方向布置 4 只推進器。水平方向布置的兩只推進器可提供進退方向的推力和搖首時所需扭矩；垂直方向 4 只推進器，可提供垂直方向上升降運動的推力和俯仰、橫搖時所需的扭矩，同時，可提供水下構筑物清刷檢測機器人進行清刷檢測作業(yè)時所需的吸附力。因此本文所設計的推進器布置方案可以滿足總體設計要求。 推進器設計 在船舶推進系統(tǒng)設計中，我們通常根據(jù)對船速的要求來設計出最合適的螺旋槳，然后由螺旋槳的轉速及效率來決定主機的轉速和功率。一般有兩種方法 [36]： ，根據(jù)選定的螺旋槳直徑來確定螺旋槳的最佳轉速、效率、螺距比和主機功率； ，根據(jù)給定的螺旋槳轉速來確定螺旋槳的最佳直徑、效率、螺距比和主機功率。 然而計算所得到的主機轉速和功率往往與最初的決定不一致，因此，實際應用中，通常是根據(jù)所選定的主機來進行螺旋槳的設計，選取螺旋槳最佳參數(shù)提高推進系統(tǒng)的效率。這種通過主機來確定螺旋槳的方法也稱為終結設計方法 [ 37]。 由于螺旋槳的設計加工費用高昂、耗時較長，而且每種水下機器人的結構參數(shù)均不同，形體阻力也就不同，所設計的 螺旋槳不能通用，從研究開發(fā)效率和經濟性上都河海大學工學碩士論文 水下構筑清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 34 不適合采用上述方法。針對水下機器人的特點，本文對推進器設計思路為：根據(jù)水下機器人運動速度要求，求得所需螺旋槳推力，選擇適當合理的螺旋槳類型，根據(jù)螺旋槳推力要求和相應螺旋槳特性曲線，求得螺旋槳直徑和轉速特性曲線，然后求得驅動電機參數(shù)，并校核調整得出最后設計方案。 推進器設計理論基礎 螺旋槳幾個重要概念和參數(shù)： ⑴ 螺旋槳直徑：簡稱槳徑。螺旋槳旋轉時葉稍所劃過的圓形軌跡的直徑，用 D 表示。 ⑵ 盤面積：螺旋槳旋轉時葉稍所劃過的圓形軌跡的面積，用 0A 表示， 20 4DA ??。 ⑶ 葉面積：螺旋槳葉片正面面積之和稱為葉面積，用 1A 表示。 ⑷ 盤面比：螺旋槳葉面積 1A 與盤面積 0A 之比 10AA，稱為盤面比。 ⑸ 左旋右旋：螺旋槳正車旋轉時，由槳后看去逆時針旋轉為左旋；順時針旋轉為右旋。 ⑹ 螺距比：螺旋槳螺距 P 與直徑 D 之比 PD稱為螺距比。如果螺旋槳不同半徑處面螺距 P 相同，則稱為為 定螺距槳；如果不同，則稱為變螺距槳。定距槳的槳葉越靠近軸心處槳葉角越大，離軸心越遠槳葉角越?。蛔兟菥鄻菥喑Ｓ? 或者 （ R 為葉稍劃過圓的半徑）處的面螺距代替螺旋槳螺距 [38]。 ⑺ 進速：螺旋槳在水中前進速度，用 AV 表示。 ⑻ 進程：螺旋槳旋轉一圈在 軸線方向上所前進的距離，用 H 表示， AH V n? ， n 為螺旋槳轉速。 ⑼ 進速比：也稱進速系數(shù)，螺旋槳進程 H 與直徑 D 的比值，用 J 表示， AVHJD nD??，進速比是描述螺旋槳性能的重要指標參數(shù)。 ⑽ 螺旋槳相似定律：當螺旋槳幾何相似、運動相似和動力相似時，其受力也相似。螺旋槳相似定律，給螺旋槳設計帶來了方便，設計人員可以通過槳模在試驗水池中進行系列試驗，將實驗結果進行分析整理后匯成設計圖譜，供設計人員使用。 ⑾ 螺旋槳推力：螺旋槳在水中運動時所產生的沿著軸向方向的力，用 T 表示。 ⑿ 螺旋槳轉矩：電機傳輸給螺旋槳用以推 動螺旋槳旋轉的力矩，稱為螺旋槳轉矩，用 Q 表示。 ⒀ 螺旋槳效率：螺旋槳推力產生的功率與螺旋槳從電機吸收的功率的比值稱為螺旋第三章 水下機器人推進系統(tǒng)設計 35 槳效率，用 0? 表示，0 2 ATVnQ? ??。 螺旋槳選型 螺旋槳的設計一直被認為是螺旋槳推進器設計中的重點和難點，被各國海軍艦艇研究單位所重視， 1989 年， Coney[39]提出了單槳和多槳推進系統(tǒng)的最佳徑向環(huán)量分布法，取得較好的設計效果， 1991 年， Hughes[40]等人對帶導管螺旋槳性能進行了系統(tǒng)的研究，也取得較好的設計效果。目前螺旋槳槳葉的數(shù)量通常有 2~7 片槳葉，一般來說，槳葉數(shù)量越少，相互干擾越小，效率越高，但振動越大；相比較而言，槳葉數(shù)量越多，效率越低，但振動越小，而且奇數(shù)槳葉的振動又比偶數(shù)槳葉的振動要小，因此，本文設計的螺旋槳選用 5 葉槳。 理論上講，螺旋槳的葉面積越大則與水接觸面越大，所做的功也就越大；然而葉面積越大，一方面水流容易相互干擾，降低效率，另一方面葉片受力加大，對葉根處的應力也就加大，給葉片選 材帶來限制。因此，選擇適中的盤面比既可以兼顧螺旋槳所做的功和效率，又可以給加工選材帶來方便。 由螺旋槳推力計算公式 24TT K n D?? （其中 TK 為螺旋槳推進系數(shù)， ? 為流體密度，n 為螺旋槳轉速， D 為螺旋槳槳徑 ）可知螺旋槳轉速越高，推力越大，但是當螺旋槳超過最佳轉速后，由于它 轉動時周圍的水來不及流過來，會產生空泡現(xiàn)象，則降低了螺旋槳的推力，所以在獲得相同推力的情況下，應盡量降低螺旋槳的轉速，由螺旋槳推力公式 24TT K n D?? 還可以知道螺旋槳轉速的平方與螺旋槳直徑成反比關系，所以增大螺旋槳直徑 D 可以有效降低電機轉速 n ，但是增大 D 一方面增大了推進器的布置空間，給推進器布置造成困難，另一方面增大 了螺旋槳槳葉的應力，給制造選材增加難度。因此，選擇合理的螺旋槳轉速和直徑配合，不僅可以提高螺旋槳的工作效率，也可以有效合理布置推進器。 因此，通過對開架式水下機器人結構的分析和對螺旋槳的研究，本課題選取螺旋槳為 5 葉定距槳，盤面比為 ，由螺旋槳相似定律可知其特性可參考5 65 ,TQAU K K J??特性曲線 [36]（圖 ）。 河海大學工學碩士論文 水下構筑清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 36 圖 KT、 KQJ 特性曲線 驅動電機選型 以前，水下機器人推進電機大都采用永磁直流電機，隨著高性能的第三代永磁材料、半導體 功率器件和專用控制集成電路的進展，永磁無刷直流電機的應用越來越廣泛。永磁無刷直流電機結構上電機主體和驅動器兩部分組成，因為采用晶體管換向電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電刷和換向器而得名。與永磁直流電機相比，永磁無刷直流電機具有體積小、重量輕、響應快、壽命長、效率高、調速范圍大、力矩穩(wěn)定、控制容易實現(xiàn)智能化等優(yōu)點。由于這些優(yōu)點，現(xiàn)在，越來越多的電急驅動水下機器人特別是 AUV選用永磁無刷直流電機作為驅動電機，因此，本文選擇無刷永磁直流電機作為螺旋槳驅動電機。 螺旋槳及驅動電機參數(shù)的確定 根據(jù)螺旋槳在敞水試驗中的水動力 性能可知，螺旋槳推力 T 和轉矩 Q 只與螺旋槳直徑 D 、轉速 n 、進速 AV 、水的粘性系數(shù) ? 、水的密度 ? 和重力加速度 g 相關。則可以用函數(shù) 1 ( , , , , , )AT f D n V g??? 表示 推力和 各因素 之間的 關系； 用函數(shù)第三章 水下機器人推進系統(tǒng)設計 37 2 ( , , , , , )AQ f D n V g??? 表示轉矩與各因素之間的關系。用量綱分析法即無因次分析法 [36]推倒出： 24TT K n D?? (31) 25 K n D?? (32) 當轉速不為零時，變換得： 42DnTKT ?? (33) 52DnQKQ ?? (34) 式中： TK —— 螺旋槳推力系數(shù)； QK —— 螺旋槳轉矩系數(shù)。 則螺旋槳效率 240 252 2 2 2T A T A T A TD Q Q QP T V K n D V K V K JP n Q n K n D K n D K?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? (35) 式中： TP —— 螺旋槳功率； DP —— 螺旋槳接受功率。 由進速比 AVHJD nD??可知 AV JnD? (36) 水下機器人在水中以速度 V 航行時，附近的水受到水下機器人的影響而產生運動，所以水下機器人在航行時周圍總伴有一股水流，這股水流就稱為伴流。假如水下機器人航速為 V ，伴流速度為 u ，則水下機器人進速 uVVA ?? 。 伴流速度 u 與航速 V 的比值，即伴流系數(shù)，用 ? 表示。則 1AAV V VuV V V? ?? ? ? ? （ 37） 換算得： (1 )AVV??? （ 38） 本課題所設計水下清刷檢測機器人伴流參照各類船舶伴流系數(shù) [36]（表 31）中潛艇的伴流系數(shù)，估算為 。 河海大學工學碩士論文 水下構筑清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 38 表 31 各類船舶伴流系數(shù)表 ： 船舶類型 伴流系數(shù) 船舶類型 伴流系數(shù) 快速船和郵船 單槳商船 雙槳商船 肥大型船 重型巡洋艦 ~ ~ ~ ~ ~ 輕型巡洋 艦 大型驅逐艦 輕驅逐艦和護衛(wèi)艦 潛艇 魚雷艇 ~ ~ ~ ~ ~ 水下機器人在水中航行螺旋槳工作時，由于水流壓力變化，會引起水下機器人附加阻力，而水下機器人螺旋槳發(fā)出的推力 T 一部分克服航行阻力 F ，一部分克服附加阻力 F? ，則 T F F? ?? 。 我們常用推力減額系數(shù) F T FtTT????來衡量，則有： (1 )F T t?? （ 39） 本課題所設計的水下構筑物清刷檢測機器人推力減額系數(shù)參照各類船舶推力減額系數(shù) [36]（表 32）中潛艇的推力減額系數(shù)，估算為 。 表 32 各類船舶推力減額系數(shù)表： 船舶類型 推力減額系數(shù) 船 舶類型 推力減額系數(shù) 快速船和郵船 單槳商船 雙槳商船 肥大型船 重型巡洋艦 ~ ~ ~ ~ ~ 輕型巡洋艦 大型驅逐艦 輕驅逐艦和護衛(wèi)艦 潛艇 魚雷艇 ~ ~ ~ ~ ~ 將用于水下機器人航行的有效功率 EP 除以螺旋槳功率 TP 則得到水下機器人的結 構效率： 1 1 . 0 6 2 51EH TAP F V tP TV? ??? ? ? ?? （ 310） 根據(jù)航行阻力計算公式 [14 ]： 212 SF C SV?? (311) 式中： SC —— 阻力系數(shù)，本文取 [41]； S —— 水下機器人迎水面積。 水下機器人在水中運動空間上有三個方向上的平移運動，可分為三個平移運動的迎第三章 水下機器人推進系統(tǒng)設計 39 水面積。由于本文所設計的水下構筑物清刷檢測機器人只有進退和升降兩個平移運動自由度，因此，只對進退和升降運動時的迎水面積作研究。對本文所設計水下構筑物清刷檢測機器人估算得： 進退方向迎水面積： ? ； 升降方向迎水面積： ? 。 又本文設計最大航速為進退速度 2m/s；升降速度 1m/s。 表 33 設計最大航速時阻力和 功率估算表： 運動方向 最大速度 (m/s) 迎水面積 (m2) 航行阻力 (N) 有效功率 (W) 進退運動 升降運動 由表 33 可知，要滿足設計最大航速的要求，則需