水下仿生推进器阀控液压摆动关节建模与动态特性分析

　　模拟鱼类游动的水下仿生推进器,较传统的螺旋桨推进器有着低噪音、低扰动、高效率等突出优点。水下仿生推进器特殊的工作环境和运动方式,使得其传动结构对自身的水下性能影响很大[1]。目前水下仿生推进器中大多采用功能材料、舵机、旋转电机加运动变换机构等方式驱动整个仿生装置运动。公开的研究文献表明,仿生推进器的目标是模拟仿生对象的柔性运动,其实许多地方采用了刚性结构,使得仿生游动性能大打折扣[2-4]。鉴于此,本文尝试采用液压传动作为水下仿生推进器的传动方式。

　　液压传动具有许多独特的优点,如低频(速)、大负载能力、过载自动保护、系统自密性等,非常适合应用于水下仿生推进器的传动中。采用液压传动不仅可以简化仿生推进器的传动结构,而且使仿生装置在运动和动力上呈现出特有的柔性特性,有助于提高水下仿生推进性能。

　　由于液压传动在水下仿生推进器中的应用属于初步尝试,其具体的动力学行为特性有待进一步深入地分析。此外,液压系统特性对整个仿生推进器的性能有着重要的影响,因此需要对其展开全面的研究,包括运动关节稳定性、动态位置刚度特性和响应特性等。

　　1　水下仿生推进器液压传动系统

　　仿生对象“尼罗河魔鬼”鱼的柔性长背鳍主要由鳍条基线、n根鳍条、相邻鳍条间的蹼等组成。这些鳍条的运动规律大致相同,鳍条长度也基本一致。当这些鳍条在鱼背上肌肉的驱动下有序地摆动时,即带动蹼呈现出光滑的波形,推动鱼体向前游动[5]。

　　如图1所示,模拟柔性长背鳍运动的水下仿生推进器,由n个可以独立运动的摆动关节(鳍条摆动装置)按照一定的空间安装方式构成。每个液压摆动关节上安装有一根鳍条,通过多根鳍条夹持柔软的橡胶皮作为蹼。当采用液压系统驱动时,每个摆动关节设计为可实现有限角度摆动的摆动液压缸,这些液压摆动关节在特定的阀路控制下有序地摆动,带鳍条和蹼实现仿生波动运动[6]。在水下仿生推进器的液压传动系统中专门设计的分配阀,其阀芯绕自身轴线转动,可以定时、有序地控制阀体周向上一系列支路油口的开启、换向或闭合,从而同时驱动多个液压摆动关节工作[7]。

　　任意t时刻,理想无厚度的波动鳍面可以描述如下[8]:、

其中,l描述沿x轴方向鳍面基线长度变量;s描述沿y方向的鳍条长度变量;θ(l,t)为t时刻鳍面基线上l处鳍条的角位移;λ为鳍面上边缘曲线在xoz平面内正投影所呈现曲线波形的波长;M为呈现的完整波形的数量,为便于分析,考虑到投影波形的周期性,本文取M=1,即呈现一个完整的波形;ε0为鳍面波形的初始运动相位。