開挖密實(shí)砂絞刀研制與應(yīng)用

林 森，蘇召斌，李章超，張潤(rùn)喜，吳瑞祥

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300457)

我國(guó)東部沿海廣泛分布著大量密實(shí)的鐵板砂，如京唐港、黃驊港、黃河三角洲、如東海灘、長(zhǎng)江口南匯嘴、杭州灣北岸乍浦海濱、甌江口、閩江口等[1]。在風(fēng)暴潮多發(fā)的黃驊港，風(fēng)暴潮過后較粗的粉粒率先快速沉積在黃驊港航道附近形成難以清淤的鐵板砂[2]。濱州港航道疏浚工程也曾出現(xiàn)過類似情況，航道內(nèi)回淤的密實(shí)粉土平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)超過30 擊，導(dǎo)致絞刀功率1 200 kW 的絞吸挖泥船施工效率急劇下降。為提高類似鐵板砂和密實(shí)粉土的挖掘效率，開展大功率密實(shí)砂絞刀的研發(fā)工作。

為了滿足密實(shí)砂切削的功率要求，選取絞刀功率2 000 kW 的“天麒號(hào)” 為應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行研發(fā)。通過回淤密實(shí)粉土切削性能試驗(yàn)研究，優(yōu)化了刀齒的切削角，提出減小刀臂厚度、寬度及線型的優(yōu)化方案。將絞刀挖掘過程受力分析的結(jié)果加載到絞刀三維模型上，對(duì)絞刀本體的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行校核，并實(shí)船驗(yàn)證該絞刀切削阻力明顯降低，有效提高了密實(shí)砂土和密實(shí)粉土的挖掘效率。

1 試驗(yàn)方法

通過多種制備方法的研究及小試，制備了3 箱不同標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的試驗(yàn)用密實(shí)粉土，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)均超過20 擊，孔隙比小于0.75。利用自主研制的切削刀具，在不同切削角(30°、45°、60°)、不同切削深度(90、120、150 mm)和不同切削速度(0.8、1.2 m∕s)的工況下，進(jìn)行1 個(gè)和3 個(gè)刀齒的水下切削試驗(yàn)研究。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到密實(shí)粉土的切削阻力特性，推導(dǎo)出密實(shí)粉土切削阻力與刀齒切削角度、切削速度、入泥深度等參數(shù)的關(guān)系。同時(shí)，利用自主研制的試驗(yàn)裝置進(jìn)行刀齒入泥的壓力試驗(yàn)，找出單位面積所受壓力的大小與入泥深度的關(guān)系。

2 絞刀設(shè)計(jì)

根據(jù)“天麒號(hào)” 絞吸挖泥船絞刀驅(qū)動(dòng)功率、橋架鋼圈直徑、絞刀軸安裝高度、密實(shí)砂土挖掘特點(diǎn)等因素，確定絞刀主要參數(shù):刀圈外徑2 960 mm，刀圈內(nèi)徑2 530 mm，大圈厚度180 mm，絞刀安裝高度930 mm，絞刀總高約1 995 mm，總共57 個(gè)刀齒，其中護(hù)圈刀齒6 個(gè)，絞刀總質(zhì)量約12.5 t(圖1)。

圖1 大功率密實(shí)砂絞刀

2.1 刀齒切削角

密實(shí)粉土切削試驗(yàn)總結(jié)的切削力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式表明:刀齒切削角與切削阻力呈正相關(guān)，切削角越小切削阻力越小；而刀齒入土壓力試驗(yàn)表明，刀齒切削角與入土壓力負(fù)相關(guān)，切削角越小入土壓力越大。綜合上述2 個(gè)關(guān)系，再結(jié)合刀齒切削角與刀齒無功磨損的關(guān)系，密實(shí)砂絞刀刀齒的切削角選擇45°～49°，其中靠近絞刀頂部的幾個(gè)刀齒切削角偏小。

2.2 刀臂斷面外形

密實(shí)砂挖掘過程中，刀齒先行入土，而刀臂外端面也接觸土體—并參與挖掘，這類絞刀刀臂上焊接的齒座有保護(hù)刀臂的翼片，翼片斷面呈銳角三角形(圖2)，相當(dāng)于刀臂的刃口，有利于減小刀臂切削阻力，因此密實(shí)砂絞刀采用圖2a)斷面形式。

圖2 絞刀刀臂翼片斷面

2.3 優(yōu)化刀臂設(shè)計(jì)

絞刀刀臂線型由內(nèi)、外2 條輪廓線確定，在刀臂外輪廓線不變的情況下，將刀臂內(nèi)輪廓線適當(dāng)外移，有效降低刀臂的切削阻力。同時(shí)，刀臂設(shè)計(jì)得更薄、刀臂寬度更小，減小刀臂無功磨損面積，同樣可減小刀臂切削阻力。

3 受力分析與強(qiáng)度校核

按照密實(shí)砂絞刀的設(shè)計(jì)方案建立三維模型，利用自主開發(fā)的絞刀受力分析計(jì)算軟件[3]，對(duì)絞刀挖掘密實(shí)砂的多種工況條件進(jìn)行受力分析，并將受力分析結(jié)果加載到絞刀三維模型上，對(duì)絞刀本體結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3.1 受力分析

絞刀載荷的分析方法:針對(duì)絞刀不同轉(zhuǎn)速、橫移速度、傾角和切削深度的工況條件(表1)，計(jì)算各刀齒受到的切向力Fτit、法向力Fnit、軸向力Fait，其中i表示刀齒號(hào)、t為時(shí)刻，再將各刀齒力按照橫移方向、頂推方向、對(duì)地垂向分解求和，得到絞刀橫移載荷FXt、頂推載荷FYt、對(duì)地載荷FZt，根據(jù)刀齒切向力Fτit、刀齒半徑ri、角速度ω，計(jì)算出絞刀功率Pt[4]。

表1 計(jì)算工況條件

續(xù)表1

3.2 強(qiáng)度校核

將上述工況的受力計(jì)算結(jié)果加載到密實(shí)砂絞刀三維模型上，利用有限元分析軟件計(jì)算出絞刀本體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，可知絞刀本體最大應(yīng)力約為284 MPa(圖3)。為保護(hù)絞刀本體，提出一種梯度失效保護(hù)的設(shè)計(jì)理念，即絞刀本體安全系數(shù)取值＞齒座＞刀齒，因此絞刀本體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.5，絞刀本體結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度≥426 MPa。選用高強(qiáng)度低合金鋼作為絞刀本體材料滿足強(qiáng)度要求，并依據(jù)材料成分優(yōu)化了絞刀本體的焊接工藝。

圖3 絞刀在危險(xiǎn)工況下的變形

4 實(shí)船應(yīng)用與結(jié)論

“天麒號(hào)” 絞吸挖泥船公稱生產(chǎn)量為4 500 m3∕h，絞刀轉(zhuǎn)速30 r∕min，絞刀功率2 000 kW，由2 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?！疤祺杼?hào)” 在啟東呂四港挖掘密實(shí)粉土工程中應(yīng)用了該密實(shí)砂絞刀，通過與原船SC40 絞刀對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該密實(shí)砂絞刀的挖掘性能良好。

4.1 更換絞刀當(dāng)天變化情況

采集更換密實(shí)砂絞刀當(dāng)天前后各7 h 施工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，繪制離散點(diǎn)圖表(圖4)。其中圖4a)工況點(diǎn)基本分布在圖表下半部分，而圖4b)工況點(diǎn)分布在左半部分，說明使用相同絞刀功率時(shí)，密實(shí)砂絞刀的挖掘產(chǎn)量明顯提高。

圖4 更換絞刀前后離散點(diǎn)分布

4.2 大數(shù)據(jù)分析

取更換絞刀前后連續(xù)7 d 施工的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，為了提高數(shù)據(jù)分析的合理性，過濾掉停工檢修、吹水、倒樁等不正常施工數(shù)據(jù)，求每天的平均值，匯總兩款絞刀的數(shù)據(jù)(表2)。

表2 絞刀實(shí)船對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)離散點(diǎn)擬合出單位時(shí)間產(chǎn)量率與絞刀電機(jī)功率線性方程(圖5)，可以看出密實(shí)砂絞刀直線在原絞刀之下，表明單位時(shí)間產(chǎn)量率相同時(shí)，密實(shí)砂絞刀切削阻力更小。從另一個(gè)角度分析，絞刀功率相同時(shí)，密實(shí)砂絞刀單位時(shí)間產(chǎn)量率明顯高于原船絞刀，挖掘能力明顯提高。

圖5 單位時(shí)間產(chǎn)量率與絞刀電機(jī)功率關(guān)系

5 結(jié)論

1)密實(shí)砂絞刀刀臂空間形狀設(shè)計(jì)合理，刀齒切削角、齒位角選取恰當(dāng)。

2)在施工條件基本相同的情況下，密實(shí)砂絞刀切削阻力明顯小于原船絞刀，提高了挖掘效率。