CN113309167B - 一种水底疏浚清淤车履齿及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水底疏浚清淤车履齿及其制造方法，所述水底疏浚清淤车履齿包括顶板和履齿，所述履齿具有竖直部和弯曲部；所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，所述弯曲部向履齿的后侧弯曲；所述履齿表面有一层膜，该膜具有凹凸不平的波纹表面，波纹表面符合波形函数Y＝2sin(X/10)，使得沉积物与膜表面的接触角至少为150°。本发明可以使得履齿与深海沉积物之间的粘附力最小。

Description

一种水底疏浚清淤车履齿及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种水底疏浚清淤车履齿及其制造方法，属于深海或深湖清淤车领域。

背景技术

随着我国各地区的河道和湖区淤泥层深度的逐年增加而又缺乏有效的清淤方式与机具，传统的人工清淤方式因为效率低且劳动强度大，早已经被摒弃，加上水资源缺乏情况的加剧，导致这些河道、湖区的蓄水量的逐年减少，引起抗旱形势日益严峻，加剧了洪涝灾害的影响，同时也极大地影响了水产行业。因此研制能适用于我国河道、湖区的经济型清淤机具尽快清理多年积累下的淤泥就具有十分重要的现实意义。但由于水底稀软底质土具有比陆地土更大的孔隙比和含水率、更低的强度，当清淤车在底质土上面行走时，会粘附大量的土颗粒，减小履齿的切削深度，进而影响清淤车的工作效率，例如在云南抚仙湖使用的第二代集矿机，履带粘附有较多底质土，履带容易打滑，导致采矿效率降低。因此，研究设计具有高牵引力的仿生自清洁履齿这对于保证清淤车在水底的安全行走以及提高工作效率具有十分重要的意义。

如何对材料表面的结构进行微处理和改性使得金属材料表面具有自动清洁功能是近年来国内外高校和大公司研究开发的热点。例如，日本东京大学Toshiya Watanabe等人(Langmuir,2000,16.7044-7047,7048-7050)和欧洲专利(EP0772514)先通过溶胶-凝胶法得到Al2O3或者TiO2或SiO2薄膜，然后以含氟的硅烷试剂处理得到具有自清洁效果的仿生材料。德国专利DE19921876A1通过粉体材料、硅乳液、增水剂等共混的方法制备了一种自清洁有机涂料，但是由于原料昂贵，市场推广困难。

但是，面对水底高压等复杂的开采环境，还很少有相关文献对清淤车履齿表面进行处理，进而达到表面疏泥的自清洁效果，提高工作效率。因此，为解决清淤车在水底作业环境中易打滑，粘附大量土颗粒等问题，有必要对清淤车履齿表面进行仿生优化设计，使其获得最大牵引力并降低履齿与水底沉积物之间的粘附，进而提高其工作效率，为制备具有自清洁功能履齿的清淤车提供了参考。

申请人在先专利CN201811277220.3公开了一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机。所述仿生履齿包括顶板和履齿；所述履齿具有竖直部和弯曲部；所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，该竖直部的底端与弯曲部的顶端固定在一起；所述弯曲部向履齿的后侧弯曲。该专利的履齿仿照水牛蹄结构、可以使深海集矿机获得最大牵引力，但粘附力问题依然有待解决。

发明内容

本发明旨在提供一种水底疏浚清淤车履齿自清洁优化方法，该履齿对履齿表面进行处理，从而使得履齿与深海或深湖沉积物之间的粘附力最小。

本发明对仿生履齿的表面进行处理，进而达到自清洁的疏泥效果，采取的具体技术方案如下：

一种水底疏浚清淤车履齿，包括顶板和履齿，所述履齿具有竖直部和弯曲部；所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，所述弯曲部向履齿的后侧弯曲；所述履齿表面有一层膜，该膜具有凹凸不平的波纹表面，波纹表面符合波形函数Y＝2sin(X/10)，使得沉积物与膜表面的接触角至少为150°，优选至少为158°。

由此，本发明的履齿表面镀有的一层膜，使得清淤车履齿具有自清洁疏泥的特点，很大程度降低了清淤车履齿表面与沉积物之间的粘附，从而提高清淤车的工作效率。本发明所指的沉积物主要是土颗粒，例如淤泥。土颗粒粒径较小，为0.06μm～76.32μm，比表面积较大，达53.83(m²/g)，对粘附有重大影响。

本发明所指的水底主要是指海底或湖底。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

在其中一个优选的实施例中，所述膜厚度为100纳米-5毫米；优选为2毫米-3毫米。

优选所述履齿的高h为129-131mm，宽度b为849-851mm，所述L＝0，R＝150-152mm。

在其中一个优选的实施例中，所述的膜完全覆盖履齿表面。

在其中一个优选的实施例中，所述膜的材料为：稀盐酸、PFDS(烷基磺酸)、纳米二氧化硅涂料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯酸钾以及聚丙烯酸钠中的任意一种。在本发明实施例中选用PFDS(烷基磺酸)。

令申请人意想不到的是，当膜的粗糙度R_a＝63-70nm，尤其是R_a＝67.23nm时粘附力最小，从而确定该值为影响深海底质土颗粒对履齿膜表面粘附力的粗糙度阈值。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种所述的水底疏浚清淤车履齿的制造方法，其包括如下步骤：

S1对履齿的表面进行打磨，然后对打磨后的履齿进行清洗并风干；

S2将履齿置于酸溶液中刻蚀，刻蚀完成后清洗；

S3将步骤S2清洗后的履齿置于修饰溶液中进行修饰，在履齿表面形成膜。

本发明的膜通过原子力显微镜扫面其表面微观形貌，其表面结构相对粗糙，呈现出波纹表面且高度波动较大，与履齿的表面微结构基本一致。

在其中一个优选的实施例中，步骤S2中，所述履齿置于浓度为3mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀15分钟。

在其中一个优选的实施例中，所述履齿的材料为铝合金。例如铝合金6061。

本发明的自清洁履齿首先对履齿表面膜的表面微结构进行优化设计，使用离散元数值方法建立小土槽切削模型模拟清淤车履齿水底行走剪切底质土研究仿生履齿板的脱粘性能。经过试验证明，仿生波形板具有最佳的自清洁效果。

集矿机履齿表面的薄膜具有凹凸不平的结构，且测得沉积物与其接触面具有150°以上的接触角，最好是158°以上的接触角。

本发明的履齿使用自行搭建的试验装置来模拟清淤车履齿行走剪切沉积物的过程，并根据履齿表面的粘泥情况来验证履齿的自清洁效果。

本发明的仿生自清洁履齿具有自清洁功能，尤其适合作为清淤车上的履齿。

本发明对履齿表面进行处理，从而在履齿表面形成一层膜达到自清洁的效果，以履齿与沉积物之间的最小粘附力作为目标，建首先对履齿表面膜的表面微结构进行优化设计，建立仿生履齿表面形状的波形函数(Y＝Asinwx)，使用离散元数值方法建立小土槽切削模型模拟清淤车履齿水底行走剪切底质土研究仿生履齿板的脱粘性能。对波形函数进行优化，根据本发明实施例，对波形函数的振幅A和频率W进一步优化，得到的优化结果为Y＝2sin(X/10)(即波形振幅A＝2μm，W＝1/10)的仿生波形板具有最佳的自清洁效果。

具体建模过程如下：本模拟中在离散元扩展程序(EDEM)中建立土槽模型，考虑到土槽尺寸的大小直接影响到推土板切削土壤离散元模拟的时间长短，土槽模型尺寸设定为1.2mm×0.4mm×0.48mm；在SolidWorks软件中建立切削板模型(Y＝Asinwx)，并导入到EDEM中，切削板尺寸设定为0.4mm×0.075mm(忽略切削板厚度)。按照底质土粒径级配参数在小土槽中生成符合粒径级配要求的土颗粒并进行压实，然后开始土槽切削离散元数值计算。土槽离散元模拟先进行行走剪切再进行推土板和土壤之间的法向拉拔，对拉拔过程中的表面粘附力进行研究。得到最佳的履齿齿形函数为Y＝2sin(X/10)。

根据上述模拟得到的结果，使用适当的方法对履齿表面进行处理，使其形成一层膜，且表面的微结构与模拟得到的结果基本一致。

上述制备的膜应该覆盖整个履齿表面，膜的厚度大约为100纳米-5毫米之间，最好是2-3毫米之间，使用接触角测量仪测得沉积物与履齿表面具有150°以上的接触角，最好是158°以上。通过原子力显微镜(AFM)扫描履齿表面的微观形貌，制备的薄膜具有凹凸不平的结构且与模拟所得的结果大致相同。

根据上述制备方法制备的具有自清洁效果的仿生履齿，使用自行搭建的试验装置来模拟清淤车履齿行走剪切沉积物的过程，并根据履齿表面的粘泥情况来验证履齿的自清洁效果。

所述履齿的整体结构应具有竖直部和弯曲部，竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，该竖直部的底端与弯曲部的顶端固定在一起；所述弯曲部向履齿的后侧弯曲，且曲率半径为R，所述竖直部的高度为L，

本发明的所述履齿的顶端焊接在顶板上，为了方便与链轨进行固定连接，所述履齿顶板应具有与链轨固定的结构。

本发明还提供了一种清淤车，其包括链轨和装在链轨上的多个履齿，所用的履齿为所述的仿生自清洁履齿。

与现有履齿表面处理的方法相比，本发明的履齿结构简单紧凑，制作容易。履齿表面镀有的一层膜，并且制作膜的材料容易获得，表面处理工艺简单，使得清淤车履齿具有自清洁疏泥的特点，很大程度降低了清淤车履齿表面与沉积物之间的粘附，从而提高清淤车的开采效率。此外，履齿材料最好是铝合金，抗腐蚀性能高。

附图说明

下面将结合附图以及实施例对本发明做进一步说明

图1是仿生履齿外形结构示意图；

图2是仿生履齿牵引力最大的齿形图；

图3是仿生履齿表面放大图；

图4是仿生推土板切削底质土离散元模型图；

图5是推土板切削土壤过程牵引性能及拉拔过程粘附性能示意图；

图6是表面粘附力与履齿形貌之间的关系图；

图7是本发明履齿表面构建粗糙结构及自组装PFDS膜过程图；

图8中a)为应变片粘贴示意图，b)为履齿受力分析简图；

图9履齿不同处理方式下履齿粘附力变化曲线；

图10履齿板表面粘泥情况示意图，(a)经过表面处理后的履齿板(3mol/L的HCl刻蚀15min)；(b)原始板；

图11是本发明通过试验发现的土颗粒在不同粗糙度表面的粘附力值。

在图中

1-顶板；2-履齿；3-膜；4-履齿受压区；5-应变片；6-夹持端；21-竖直部；22-弯曲部。

具体实施方式

根据本发明的具体内容，对履齿表面进行处理，进而得到疏泥表面，达到自清洁效果。以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种针对深海稀软底质土具有高牵引力的仿生履齿，履齿的整体结构如图1和图2所示，履齿所用的材料均为铝合金板材，整体结构包括履齿顶板、垂直焊接在顶板的履齿。顶板1的尺寸为(850mm×195mm)，履齿2尺寸半径R为151mm，高度h为130mm，宽度b为850mm。履齿整体结构简单，经过实验和数值仿真分析，发现上述齿型参数的履齿可以获得最大的牵引力。

本发明的实施例采用以下思路：

1)首先使用离散元模拟的方法确定最佳的履齿表面波形参数。

2)对履齿表面进行刻蚀并镀晶，使用原子力显微镜的轻敲模式扫描其表面形貌，选择表面形貌与数值模拟结果一致的履齿板，并确定其表面处理工艺。

3)使用自行搭建的试验装置来模拟清淤车履齿行走剪切沉积物的过程，并根据仿生履齿表面的粘泥情况来验证履齿的自清洁效果。

本实施例首先建立仿生履齿表面形状的波形函数(Y＝Asinwx)，然后选取履齿板上一小段进行切削土壤离散元模拟，在SolidWorks软件中建立了仿生履齿表面的几何曲面模型图，其中履齿表面结构的振幅为A，频率为W重要参数。为了确定仿生履齿波形最优的参数，本发明采用数值仿真分析给出最优的履齿表面参数。

本实施例模拟中在离散元扩展程序(EDEM)中建立土槽模型，考虑到土槽尺寸的大小直接影响到推土板切削土壤离散元模拟的时间长短，土槽模型尺寸设定为1.2mm×0.4mm×0.48mm；在SolidWorks软件中建立切削板模型(Y＝Asinwx)，并导入到EDEM中，切削板尺寸设定为0.4mm×0.075mm(忽略切削板厚度)。按照底质土粒径级配参数在小土槽中生成符合粒径级配要求的土颗粒并进行压实，然后开始土槽切削离散元数值计算。土槽离散元模拟先进行行走剪切再进行推土板和土壤之间的法向拉拔，对拉拔过程中的表面粘附力进行研究。最终建立的离散元切削模型图如图4所示。

图5为仿生履齿板在切削土壤过程中的牵引性能以及拉拔过程中的界面粘附性能示意图。初始阶段推土板切削土壤界面法向作用力随着时间的增加而增大(AB段)，推土板与土颗粒之间界面法向作用力达到最大值后反而出现降低，之后界面法向作用力波动变化并趋于稳定(BC段)。这说明履齿板切削土壤过程中牵引力呈现先增大(达到峰值)后减小的变化规律。切削过程界面法向作用力趋于稳定后开始推土板拉拔脱离土壤，拉拔过程初始阶段推土板与土壤之间的法向力仍然为压力。随着时间的增加，推土板界面与土壤之间的作用力逐渐转变为拉力，这是由于推土板与土壤之间界面粘附力作用的结果。随着拉拔过程的不断开展土颗粒逐渐脱离金属板界面直至完全脱离，其界面法向作用力亦出现逐渐减小。拉拔模拟过程中将DE段之间的法向力之差定义为表面粘附力。

本发明通过已经建好的离散元切削模型研究了仿生波形板土槽切削土壤性能以及粘附力拉拔性能，控制不同推土板(波形函数为Y＝AsinwX)波形频率和振幅不同，DEM模拟研究了12组不同波形参数的推土板，详细的波形参数见表1。

表1仿生履齿板表面波形参数

本发明通过开展不同波形参数的推土板切削土壤过程中的牵引性能和拉拔过程中粘附性能，模拟中对每个齿形参数的推土板均重复进行三次，得到了不同齿形参数(波形函数Y＝AsinwX)的推土板切削土壤稳定状态下的表面粘附力，见表2，根据2所得的结果绘制表面粘附力与履齿履齿形貌之间的关系如图6。

表2切削稳定状态下不同波形板表面粘附力

对比分析模拟结果可知：稳定状态下光滑平板切削底质土时其表面粘附力较大，而波形函数为Y＝2sin(X/10)即A＝2,w＝1/10的仿生推土板切削底质土表面粘附力最小，其表面粘附力大小为F_ad＝0.708×10^-5N。对于不同齿形参数的波形板而言，波形频率对稳定状态下界面粘附力的影响较为明显。推土板波形振幅恒定时，随着波形频率增加表面粘附力呈现先减小后增大的趋势。产生这种变化的主要原因是因为波形频率的变化影响着推土板界面与土壤间有效接触面积，从而影响推土板与土壤之间的表面粘附力。

由上面数值模拟分析得出履齿表面微结构最优的表面形貌参数，仿生履齿表面形貌最佳的波形函数为Y＝2sin(X/10)即A＝2,w＝1/10。本实施例通过大量试验意外地发现粗糙度R_a＝67.23nm为影响深海底质土颗粒对履齿膜表面粘附力的粗糙度阈值，当然R_a在63-70nm时，具有良好的疏泥性能。

基于数值模拟得到的仿生履齿表面的最佳波形结构，然后对履齿的表面进行处理，从而在履齿表面形成一层与模拟所得的履齿表面微型结构一致的膜进而达到自清洁的效果。

上述一种针对深海稀软底质土具有自清洁效果的仿生履齿，为了确定最佳的表面处理工艺，首先采用800目和1500目的金相砂纸对履齿表面进行打磨，去除其表面形成的薄层氧化膜，然后使用乙醇和去离子水对打磨后的履齿进行清洗，在自然状态下风干。然后将风干后的履齿放入浓度分别为2mol/L、3mol/L、4mol/L的稀盐酸中进行表面刻蚀，刻蚀的时间分别为15min、20min、25min。接着将刻蚀完成后取出铝合金样品并放入去离子水中超声清洗20min，清洗完成后将其放在自然状态下风干。最后将所有处理过的履齿放入质量分数为1％的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液(PFDS)中修饰30分钟，，使得履齿表面镀上一层膜，即可获得疏泥表面。化学刻蚀法制备铝合金超疏泥表面的试验流程如图7所示。

采用接触角测量仪对上述处理过的履齿进行沉积物接触角测量，得到的结果如下：

表3履齿在不同处理工艺条件下与沉积物的接触角

上述一种针对履齿表面处理的方法，可以发现，当HCl的浓度为3mol/L且刻蚀的时间为15min时，履齿表面与沉积物之间的接触角为158°，履齿表面表现出疏泥性能。

通过对3mol/L的HCl刻蚀不同时间的履齿板进行原子力显微镜(AFM)测试，可以看出，经过不同时间刻蚀处理后，样品表面形成不同粗糙度的凹凸不平结构，获得制备超疏泥样品所需的结构基础。通过以上对比实验可知，相对其它刻蚀时间，HCl刻蚀15min的样品表面不仅具有微纳米级粗糙结构，且粗糙结构具有良好的均匀性和适中的刻蚀深度，且与数值模拟所得的最佳履齿参数基本一致，满足构建疏泥性铝合金表面的结构要求。

在本实施例中，根据上述方法处理得到的仿生履齿，然后通过自行搭建的试验装置来模拟深海集矿机履齿行走剪切深海沉积物的过程，并根据履齿表面的粘泥情况来判断履齿自清洁效果的好坏。

试验装置由小土槽、支撑架、波形推土板、计算机软件控制系统、注射泵控制系统(控制波形推土板运动)以及夹持装置组成，实验室设计的土槽大小采用离散元模拟中土槽大小等比例扩大的方法加以确定，实验室土槽的尺寸大小为300mm×100mm×120mm。实验仪器采用保定兰格公司生产的TJP-3A实验室注射泵和泰斯特电子公司生产的TST3828EN动静态信号测试分析系统，用夹具将仿生波纹形履齿固定在注射泵执行单元的滑台上，然后将执行单元放置于土槽承台，使履齿缓慢压入土中到达指定深度进行试验。通过控制单元可以设定滑台行走速度和行走路线。

在履齿背面平整处使用砂纸打磨干净，使用无水酒精进行擦拭，晾干后使用502胶水将应变片5以T形贴在履齿背面，履齿应变片粘贴示意图如图8所示，其中6为夹持端，4为履齿受压区。引出的导线接入动静态信号分析系统，测得的数据通过RJ-45通讯接口同步到电脑上的数据采集软件。试验履齿通过控制单元的滑块进行固定。履齿上粘贴电阻式应变片5，通过应变片5得到履齿端部应变，由应力应变换算公式得到履齿端部应力，进而得到履齿的牵引力和粘附力。

履齿粘附力通过应变片5处的弯曲应变换算得到，具体计算过程如下：

考虑履齿在牵引过程中，其入土部分受到土压力作用，为计算简便，将其受力简化为均布压力P，进而简化为集中力F，如图8所示，将履齿受力模型作为固支梁考虑。

其中A点为应变片5粘贴处，B点为集中力F，l_p为履齿的入土深度，集中力作用点位于履齿入土深度的中点位置，l为集中力作用点到应变片5的距离，M为应变片处履齿的弯矩。联立下列公式：

得到履齿粘附力公式为：

其中ε为应变测试值，b为履齿截面厚度，h为履齿截面高度，E为履齿材质铝合金的弹性模量。根据履齿牵引试验获得应变片的应变，通过公式转换为履齿所受粘附力。

本实施例中，根据试验得到的粘附力的试验结果，如图9所示，可以发现，经过3mol/L的HCl刻蚀15min后的履齿与深海沉积物之间的粘附力最小。如图10所示，对比经过表面处理后的履齿板(a)与原始板(b)的粘土情况与粘土情况，可以明显的发现，经过处理后的履齿表面粘泥量明显的减少。这是因为，一方面，履齿表面有一层膜，且经过接触角测量，表面表现出疏泥性能，当土壤颗粒与履齿表面接触时，故土颗粒不会与履齿接触的很紧密，另一方面经过处理的履齿表面具有细观的沟壑状形貌，土壤颗粒在与履齿表面接触时不会陷入底部沟槽中，使得土颗粒与表面接触面积减小，从而降低粘附力。

经过处理后的履齿表面具有自清洁能力，使履齿表面的泥随着履带行走而自然脱落，减少集矿机的负担。履齿的表面处理为深海集矿机的履带设计提供了数据支持，提升深海集矿机的采矿效率。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (11)

1.一种水底疏浚清淤车履齿，包括顶板(1)和履齿(2)，所述履齿(2)具有竖直部(21)和弯曲部(22)；所述竖直部(21)的顶端与顶板(1)的下表面固定连接在一起，所述弯曲部(22)向履齿的后侧弯曲；其特征在于：所述履齿(2)表面有一层膜(3)，该膜(3)具有凹凸不平的波纹表面，波纹表面符合波形函数Y＝2sin(X/10)，使得沉积物与膜(3)表面的接触角至少为150°。

2.根据权利要求1所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，所述膜(3)厚度为100纳米-5毫米。

3.根据权利要求2所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，所述膜(3)厚度为2毫米-3毫米。

4.根据权利要求1所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，所述的膜(3)完全覆盖履齿(2)表面。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，所述膜(3)的材料为：稀盐酸、PFDS、纳米二氧化硅涂料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸钾以及聚丙烯酸钠中的任意一种。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，沉积物与膜(3)表面的接触角至少为158°。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，所述膜(3)的粗糙度R_a＝63-70nm。

8.根据权利要求7所述的水底疏浚清淤车履齿，其特征在于，所述膜(3)的粗糙度R_a为＝67.23nm。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的水底疏浚清淤车履齿的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1对履齿(2)的表面进行打磨，然后对打磨后的履齿进行清洗并风干；

S2将履齿置于酸溶液中刻蚀，刻蚀完成后清洗；

S3将步骤S2清洗后的履齿置于修饰溶液中进行修饰，在履齿(2)表面形成膜(3)。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述履齿置于浓度为3mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀15分钟。

11.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述履齿的材料为铝合金。

Images