作者:史俊庭 黄秀平 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/11/22 16:35:50
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郑大学生研发无螺旋桨推进器填补行业空白

郑州大学学生研发的无浆推动机器人

 

 没有螺旋桨,水下机器人照样可以在海洋遨游!11月初,第五届OI大赛即“2017中国海洋机器人大赛”落下帷幕,郑州大学学生团队带去的“无桨推进水下机器人”获得大赛二等奖。

 目前船舶运行的动力几乎都是依靠螺旋桨,而这个四人小队所研发的无桨推进技术则给船舶运行动力打开了一扇新的大门,使无桨运行成为可能。涵道式无桨推进器将水下机器人的工作效率得到提高,该机器人将填补流体压缩动力领域的部分空白。

填补流体压缩动力领域空白

 该装置长约50厘米,宽30厘米,高15厘米,主体部分由两个垂直的类似圆柱体交叉而成,像是一个翻转过来的螺旋桨飞机,只不过在“机翼”两侧各装了一个类似于圆环的前后贯通的涵道,该涵道就是无桨推进器。

 无桨推进器如何使机器运行呢?据了解,两侧的无桨推进器通过使用涵道式的机械结构对侧方水体进行微压缩,迫使水从涵道内侧的较小出口处均匀激射,沿涵道内表面的流线型曲面排出,带动涵道中心的静态水流动,从而反作用于推进器,实现较大推力。

 用汤勺凸出面接近小水流时,直线水流会被凸面影响而改变流动防线,该现象就是柯恩达效应,无桨推进则率先利用柯恩达效应对出水、入水以及管道进行表面优化。此外,该无桨推进器在设计上采用流线型涵道,能高效地将电能转化推进的动能。

 “目前在国内尚无将柯恩达效应在水下推进领域应用的先例。”郑州大学机械工程学院党委副书记、指导老师张宏选书记介绍,“经查新,可以初步认定,这个无桨推进器填补了这一领域的部分空白。”

 凭借这一创新项目,该团队也一举斩获2017iCAN国际大学生创新创业大赛华中II赛区一等奖,成功晋级中国区总决赛。在2017OI中国水下机器人大赛中获得总分第三名,二等奖的好成绩。

9个月研制时间,3项受理专利

 “国内大部分船舶使用的是经由螺旋桨改良的动力,但是螺旋桨在海里很容易缠上水草、网绳等杂物。”提到创意的来源,队员王凯甬说,“我们于是想尝试下无桨推进。”

 经过了细密的考证,当时作为队长的董斌鑫决定支持王凯甬完成这一创意。

 2017年初,这个创意开始进入研究阶段。“没有前人的经验作指导,所有东西都要自己慢慢摸索。设计图纸得画三维图,而且有很多曲面结构,有时候熬一个通宵只能把设计图画出个大概。” 董斌鑫说,整个暑假,团队成员都没有回家,整天窝在实验室里探讨装置可行性。

 9月份,这个花费了诸多心血的机器人终于在水中跑起来。董斌鑫回忆说:“当时就在学院门口的小池塘里,放下去发现能跑起来激动得不行。因为一直是猜想,也没有什么把握,看到它能动才松了口气。”

 直到比赛开始,团队成员还有些信心不足。“机器人成本不高,内部电路设计也比较简单,个头也几乎是参赛作品中最小的。”董斌鑫笑着说,他们参赛一开始没什么信心,甚至不太好意思拿出来。

 事实上,他们的机器人让评委们眼前一亮。“这是个非常精致的设计,机器人上的无桨推进器、重心调节装置和尾部的小开关都独具匠心。”中国海洋大学的宋大雷老师点评说,“我看好它!”

 最终,他们以总分第三,取得大赛二等奖的好成绩,并成功受理了1项发明专利、2项实用新型专利。

欲把无桨推进做成产业

 目前,无桨推进技术已经受理了发明专利,而重心调节和防水开关装置也受理了两项实用新型专利,但小分队并不满意,他们不止想把研究做好,更想把研究用于生产,进行创业,他们希望能够在“双创”之路上走得越来越远。

 “看着自己的一个想法被团队一起努力实现的感觉真的很棒,这个过程让我收获了自信,更获得了满足感。”王凯甬说,“这将近一年的时间里,让我知道研究都不是一帆风顺的,很多时候想的很美好但现实不一定能达到——这些也都让我更加坚强。”

 “目前的这个机器人已经是第三代了。”董斌鑫说,“做研究和实验对我来说已经不仅仅是提高动手能力那么简单,我更想一直做下去。未来它还会有第四代、第五代,这只是个开始。”

 “这是一个非常好的创意,为船舶推进提供了一个新的驱动思路。”指导老师张书记说,“我建议可以把涵道放在后面或下后面,减少阻力。把这个推进器的结构设计得更合理,还能继续提高推进效率。”

 据了解,该团队正在参加iCAN国际创新创业大赛,已经获得河南赛区的一等奖,即将参与全国评选。未来,该团队将继续研究,力图将无桨推进做成产业。

 
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