絞吸式挖泥船絞刀切削受力及其影響因素分析

(長(zhǎng)江航道局機(jī)務(wù)處，武漢 430014)

絞吸式挖泥船是航道維護(hù)疏浚中的主力船型，但在疏浚作業(yè)中挖泥船的絞刀常出現(xiàn)易磨損、易掉落和低切削效率等工程問(wèn)題，如何讓絞刀高效可靠地工作一直是值得關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。有多種因素影響絞刀的可靠性和高效性，其中關(guān)鍵因素有絞刀材料、切削受力和絞刀幾何形狀等。在絞刀材料的耐磨性方面，絞吸式挖泥船的絞刀一般選用耐磨的合金鋼或錳鋼等材料制造，并通過(guò)調(diào)整絞刀材料的微量耐磨合金元素和后熱處理工藝方法，有效地提高絞刀的強(qiáng)度和抗磨性，延長(zhǎng)絞刀的使用壽命，這是目前使用較多的一種方法。同時(shí)，絞刀的受力情況和幾何形狀對(duì)絞刀的影響也很重要。分析絞刀載荷、優(yōu)化絞刀結(jié)構(gòu)形狀同樣可以改善絞刀耐磨性可靠性，提高絞刀切削效率。近年來(lái)一些研究學(xué)者分別從切削理論[1]、受力計(jì)算[2-4]、疏浚介質(zhì)作用載荷特性[5-6]等方面開(kāi)展了研究，在此基礎(chǔ)上，本文依據(jù)挖泥船的絞刀切削理論建立絞刀切削受力分析模型，分析絞刀受力狀況與絞刀幾何參數(shù)之間的影響關(guān)系，并將研究結(jié)論用于絞刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)刀型和改善絞刀切削受力等方面。

1 受力分析模型

1.1 切削分析

絞吸挖泥船的刀架是空間曲線的螺旋形，絞刀以一定的角度安裝在刀架上，在挖泥船的疏浚作業(yè)中這種螺旋的刀架可以使得整個(gè)切削過(guò)程能連續(xù)地進(jìn)行，有效地避免了瞬時(shí)沖擊力的產(chǎn)生。

對(duì)絞刀作一系列垂至于絞刀軸的截面，它們相對(duì)絞刀軸心轉(zhuǎn)過(guò)的角度形成不同的刀臂截面，即螺旋絞刀在橫移切削時(shí)同一刀臂上不同位置絞刀的切削狀態(tài)不同，不同的刀臂不是同時(shí)進(jìn)入、同時(shí)離開(kāi)切削層，而是先進(jìn)先出、后進(jìn)后出。因此每個(gè)刀臂不是整個(gè)都參與切削，而只是其中某段參與切削，多個(gè)刀臂的不同段在不同位置參入切削。

1.2 受力分析模型

以挖泥船的單個(gè)絞刀處于挖掘狀態(tài)為例，依據(jù)絞刀切削理論建立切削受力分析模型，絞刀和切削層的受力分布與各力作用位置見(jiàn)圖1、2。

圖2 切削層受力分析

在圖1和圖2中，N2為作用在刀片上的法向力；S2為泥土與刀片的摩擦力N2tanδ引起的剪切力；A2為泥土和刀片之間的粘性剪切力；W2為作用在刀片上的水下壓力引起的力；W3為刀片后面的水下壓力引起的力；W1為剪切區(qū)域由水壓力引起的作用力；N1為作用在剪切面上的法向力；S1為內(nèi)摩擦力引起的剪切力；C為沙土的內(nèi)聚力引起的作用力；G為沙土的重力；T為泥土加速度引起的慣性力；W4為水阻力。

這些力在不同的位置和方向上作用在絞刀和被切削泥層上，構(gòu)成復(fù)雜的力系。

分別對(duì)圖上不同的參數(shù)設(shè)定變量，其中設(shè)刀片橫移速度為vc、切削角為α、切削土層厚度為hi、刀片高度為hb、剪切角為β、刀片寬度為b，將作用在絞刀上的總壓力分解力沿切削速度反向的切向力Fh和沿切削速度垂向的法向力Fv。

根據(jù)絞刀和切削層的受力平衡條件，分別建立切向和法向上的力平衡方程，經(jīng)推導(dǎo)和簡(jiǎn)化得

(1)

(2)

式中：

km=0.5ki+0.5kmax。

上式中：ρw為水的密度;g為重力加速度;無(wú)因次切削系數(shù)c1、c2的值與內(nèi)摩擦角φ、泥土表面摩擦角δ、切削角α以及刀片高度與層厚度的比例hb/hi有關(guān)。

2 切削力影響因素分析

2.1 模型參數(shù)取值

以長(zhǎng)江某型絞吸式挖泥船為例進(jìn)行計(jì)算分析。參數(shù)分別為：絞刀轉(zhuǎn)速n=240 r/min，刀架橫移速度v=0.3 m/s，絞刀切削角α=0°～80°，表面摩擦角δ=20°，內(nèi)摩擦角φ=37.5°，絞刀功率P=100 kW，絞刀材料的彈性模量E=175 GPa，泊松比μ=0.25。疏浚土質(zhì)為細(xì)砂，密實(shí)度為中密，滲透系數(shù)Ki=6×10-5m/s，孔隙度為ni=45%，土層的彈性模量E=1.3 GPa，泊松比為μ=0.35。

2.2 切削角α的影響

用數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)Matlab編程計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 切向力隨切削角和轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)

圖4 法向力隨切削角和轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)

如圖3所示，當(dāng)切削角在0°～80°范圍內(nèi)變化時(shí)，絞刀的切向力逐漸變化，絞刀在15°～60°范圍內(nèi)切向力平穩(wěn)，有利于絞刀平穩(wěn)工作，所以絞刀的切削角應(yīng)小于60°。

如圖4所示，當(dāng)切削角在0°～80°范圍內(nèi)變化時(shí)，絞刀在15°～60°范圍內(nèi)法向力平穩(wěn)，利于絞刀的運(yùn)行。

計(jì)算結(jié)果表明，為了保證絞刀有效平穩(wěn)地切削，避免產(chǎn)生沖擊力和振動(dòng)，切削角應(yīng)該在15°～60°之間，較理想的切削角應(yīng)該是35°～40°之間。

2.3 剪切角β的影響

當(dāng)取切削角α=37°，內(nèi)摩擦角φ=34°時(shí)，計(jì)算得到c1=0.314 7，c2=0.204 3，就可以計(jì)算得到剪切角β對(duì)切削力的影響，見(jiàn)圖5。

圖5 剪切角β對(duì)切削力的影響

由圖5可見(jiàn)，剪切角與切向力和法向力均成正比例關(guān)系，但剪切角對(duì)切向力的影響更為明顯。

2.4 包角的影響

在工程挖泥船上，常用絞刀刀臂與大環(huán)平面的夾角(螺旋升角)描述絞刀刀臂的傾斜程度。由于該角度為空間夾角，難以直接準(zhǔn)確地測(cè)量，因此引入包角λ，見(jiàn)圖6。假設(shè)刀臂包角為λ，高為h，則單位包角的高為h/λ。當(dāng)絞刀高度不變化時(shí)，包角λ就決定了刀臂螺旋上升的程度。

圖6 包角75°時(shí)絞刀處于15°時(shí)刻的切削范圍

螺旋絞刀在做橫移切削時(shí)，同一刀臂上不同的位置切削狀態(tài)不同，刀臂不是同時(shí)進(jìn)入或離開(kāi)切削層，而是先進(jìn)先出，后進(jìn)后出，是其中某段刀臂參與切削。

當(dāng)?shù)度虚_(kāi)始切削瞬間的切向速度與橫移速度方向一致時(shí)，垂直于速度方向且通過(guò)軸心的平面設(shè)為基準(zhǔn)面，圖6所示為A刀臂基準(zhǔn)面處在15°時(shí)刻的切削范圍扇形示意圖。

A刀臂切削范圍為15°～90°，把15°～90°之間各個(gè)作用力累加起來(lái)，就是A刀臂的合力。由圖6可知，該切削范圍內(nèi)還有前一刀臂B、后一刀臂F在土層中切削。對(duì)于6刀臂絞刀的整個(gè)切削過(guò)程而言，切削的周期為60°，相應(yīng)地可列出包角45°、包角60°、包角75°臨界時(shí)刻的切削范圍分布情況。通過(guò)計(jì)算，可以求出不同包角時(shí)的刀臂受力的對(duì)比情況，見(jiàn)圖7。

圖7 不同包角的受力對(duì)比

圖7表示了一個(gè)周期內(nèi)不同包角的絞刀受力變化，由分析可得：從減小受力的波動(dòng)性因素考慮，比較合理的絞刀包角度應(yīng)該在60°左右。

2.5 切削系數(shù)c1與c2的影響

絞刀頭上的刀片切削沙土的切削角是不斷變化的，泥土的斷裂面角也不固定，因此模型中角α、β以及其它的參數(shù)不是常量。為了分析系數(shù)c1與c2的值的變化趨勢(shì)，假定剪切角β=45°，取α在0°～80°內(nèi)變化，依據(jù)S.A.Miedema的研究[5]，給定p1m=0.215 6，p2m=0.034 8，p3m=0.043 0。其中：p1m為剪切面上壓強(qiáng)的量綱一的量的平均值;p2m為刀面上壓強(qiáng)的量綱一的量的平均值，p3m為刀背面壓強(qiáng)的量綱一的量的平均值。通過(guò)計(jì)算分析系數(shù)c1、c2隨α的變化情況，見(jiàn)圖8。

圖8 系數(shù)C1、C2隨α的變化情況

由圖8可見(jiàn)，系數(shù)c1隨著切削角α的增大而增大，系數(shù)c2隨著切削角α的增大而減小。通過(guò)比較兩條曲線，可以發(fā)現(xiàn)c1與c2在15°～60°之間變化平緩。并將c1與c2的值代入切削力的計(jì)算公式，可以知道α在15°～60°之間變化時(shí)絞刀的受力比較平穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)絞刀結(jié)構(gòu)時(shí)，切削角選在15°～60°之間較為合適。

2.6 切削力分析

經(jīng)過(guò)切削角分析，選取切削角中間值α=37°，用Matlab繼續(xù)求出一個(gè)周期內(nèi)作用在單個(gè)刀臂上的瞬時(shí)切削力和平均切削力的合力，見(jiàn)圖9。

圖9 平均切削力的合力

當(dāng)選取刀臂為60°包角時(shí)，隨著轉(zhuǎn)角增大，刀臂的受力分布也增加。但由于刀臂呈現(xiàn)扭曲狀，使得切削力的瞬時(shí)值沒(méi)有太大的波動(dòng)(見(jiàn)圖10)，有效地保證了絞刀頭所受沖擊的相對(duì)平穩(wěn)，這對(duì)絞刀和刀架的耐磨性和可靠性都是有利的。

圖10 一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)切削力

3 結(jié)論

1)切削角影響絞刀的切向力和法向力，為了保證絞刀有效平穩(wěn)地切削，避免產(chǎn)生沖擊力和振動(dòng)，切削角應(yīng)該在15°～60°之間，較理想的切削角應(yīng)該是35°～40°之間，此時(shí)絞刀受力平穩(wěn)，且負(fù)荷較小，利于絞刀耐磨性的提高；

2)在一個(gè)切削周期內(nèi)，包角與絞刀受力呈曲線變化關(guān)系，為了減小切削力的波動(dòng)性，較合理的絞刀包角度應(yīng)該是60°左右。

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