適用于超高密實(shí)泥質(zhì)砂底質(zhì)的小功率絞刀設(shè)計(jì)

程旭東

(中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國防建設(shè)的需要，對絞吸船在復(fù)雜工況條件下作業(yè)的需求越來越高，新造絞吸船正朝著大功率、長吹距、自動(dòng)化方向邁進(jìn)。絞吸船施工能力主要體現(xiàn)在絞刀挖掘切削能力和泥泵管道輸送能力兩個(gè)方面，其中硬土及巖石的挖掘成為其施工能力的一個(gè)重要指標(biāo)。絞刀作為絞吸船的“神兵利器”，其挖掘能力直接影響船舶的施工效率與經(jīng)濟(jì)效益。針對國內(nèi)大批尚處于黃金船齡期的絞吸挖泥船，其絞刀功率普遍偏小，土質(zhì)適應(yīng)能力有限，動(dòng)力系統(tǒng)升級困難且技改費(fèi)用高，因此，優(yōu)化并提升絞刀挖掘性能就顯得尤為重要[1]。

絞吸船生產(chǎn)效率取決于流量和泥漿濃度[2]。流量主要取決于泥泵功率的大小，泥漿濃度主要取決于土質(zhì)及絞刀頭性能、挖掘深度、排距等。在絞吸船泥泵系統(tǒng)、絞刀頭動(dòng)力系統(tǒng)等已設(shè)定的情況下，如何提高絞刀挖掘能力，實(shí)現(xiàn)特殊地質(zhì)工況下最佳泥漿濃度，提高生產(chǎn)效率，是本文探討的主題。

2 工程概況與目標(biāo)船簡介

泰國林查班港位于泰國灣東北部沿海，曼谷東南130 km與芭提雅正北20 km之間。項(xiàng)目主要工程量:疏浚面積640萬m2，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-18.5 m，其中清淤1 640萬m3、挖硬底質(zhì)土4 200萬m3，符合要求的疏浚土全部用于造陸，最大吹距3 km。

經(jīng)地質(zhì)復(fù)勘，按疏浚巖土的分類指標(biāo)判別，疏浚區(qū)表層為淤泥，下部土質(zhì)顆粒呈細(xì)中粗分布，主要有三類:CL(低塑限黏土)、SM(粉土質(zhì)砂)、SC(黏土質(zhì)砂)，其中CL為局部層狀土，占比較小，絕大部分為SC土質(zhì)。按疏浚巖土工程特性和分級劃分[3]，三種土質(zhì)標(biāo)貫擊數(shù)介于15～75，平均標(biāo)貫擊數(shù)約45，其中CL呈“堅(jiān)硬”狀態(tài)，SM、SC狀態(tài)為“密實(shí)”，標(biāo)貫值＞30的砂性土或＞15的黏性土定義為硬底質(zhì)。本工程土質(zhì)屬于硬底質(zhì)，分別劃歸5級和8級工況，現(xiàn)場實(shí)測標(biāo)貫值見表1。

表1 工程標(biāo)貫值

根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中疏浚巖土的可挖性表分析，絞刀功率≥1 000 kW的絞吸船對應(yīng)以上土質(zhì)的可挖性分別為“較難”和“尚可”；結(jié)合《疏浚與吹填工程技術(shù)規(guī)范》中挖泥船適應(yīng)性能表對比分析[4]，絞刀功率1 200～4 600馬力的絞吸船對應(yīng)以上土質(zhì)的可挖性為“宜”和“尚可”。

疏浚設(shè)備應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、巖土可挖性、管道輸送適宜性、現(xiàn)場自然環(huán)境條件等因素進(jìn)行選擇。目標(biāo)絞吸船屬承包方自有資產(chǎn)，共2艘，2010年建造，絞刀軸功率1 470 kW，設(shè)計(jì)清水流量14 400 m3/h、額定生產(chǎn)能力3 500 m3/h，最大挖深25 m、吹距7.5 km。根據(jù)項(xiàng)目情況與目標(biāo)船參數(shù)判斷，該工程采用目標(biāo)船施工，理論上可行，且對比其他類型的疏浚裝備還具有產(chǎn)能和成本優(yōu)勢。

根據(jù)行業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)貫值達(dá)到30的密實(shí)土，疏浚比較困難，產(chǎn)能較低，而對于局部標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到75的堅(jiān)硬密實(shí)土質(zhì)，國內(nèi)可借鑒的成熟案例少，通常會(huì)直接選用大功率挖巖絞吸船來完成。鑒于目標(biāo)船絞刀功率偏小，挖掘切削能力偏低，受景區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)環(huán)保要求限制，屬地政府不允許采用水下爆破預(yù)處理等技術(shù)措施，而外租大功率絞吸船存在成本高、管控風(fēng)險(xiǎn)大等較多不確定因素，為充分利用資源，提高創(chuàng)效水平，確立了對目標(biāo)船絞刀頭進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)制造的思路。項(xiàng)目開工后，利用原配絞刀頭疏浚表層淤泥及軟弱土層，遇硬底質(zhì)快速換裝新設(shè)計(jì)絞刀頭進(jìn)行開挖，對于局部特硬底質(zhì)采取船載機(jī)械預(yù)裂輔助完成，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)船各類土質(zhì)全覆蓋。

3 絞刀改進(jìn)設(shè)計(jì)要求

目標(biāo)船絞刀軸功率為1 470 kW，絞刀實(shí)物見圖1，該絞刀系統(tǒng)為液壓驅(qū)動(dòng)，適用于挖掘淤泥及較為松散的砂類等土質(zhì)。

圖1 原絞刀實(shí)物

通過分析，該絞刀目前存在以下問題:

(1)絞刀齒尖較寬，施工硬底質(zhì)土層時(shí)會(huì)出現(xiàn)切削不動(dòng)的現(xiàn)象；

(2)絞刀切削角較大，減弱了破土能力；

(3)絞刀外徑及高度偏大；

(4)刀齒更換費(fèi)時(shí)，影響絞吸船連續(xù)作業(yè)時(shí)間。

為適應(yīng)硬底質(zhì)挖掘，在不改變目標(biāo)船絞刀軸功率和絞刀頭安裝尺寸的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能快速換裝的挖硬土絞刀，通過提高絞刀刀齒切削力，滿足目前工況的使用要求，達(dá)到提升絞吸船施工效率的目的。

4 硬底質(zhì)土專用絞刀設(shè)計(jì)

絞刀主要由大圈、輪轂、刀臂及刀齒組合而成，輪轂與大圈設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮與絞刀臂連接的尺寸位置及強(qiáng)度要求，絞刀的設(shè)計(jì)開發(fā)主要圍繞刀臂輪廓線的選擇及刀齒的選配分析進(jìn)行。

4.1 整體參數(shù)設(shè)計(jì)

針對硬底質(zhì)土砂，選擇偏巖石挖掘類絞刀[5]，參照國內(nèi)外已有絞吸船絞刀相關(guān)資料，通過對一些主要功能參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化及合理匹配，初步確定了絞刀設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)(見表2)。

表2 絞刀設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

4.2 刀齒系統(tǒng)選型

挖巖絞刀的工作原理為:從刀齒尖部接觸巖石開始，在切削力作用下齒尖接觸巖石部位產(chǎn)生塑性變形，通過往復(fù)的沖擊，巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并不斷向表層擴(kuò)展延伸，直至巖石成塊的剝落[6]。本工程硬底質(zhì)土結(jié)合強(qiáng)度高，粘附性一般，需要較大的切削力，破碎后以二相混液狀存在，泵吸效果較好，因此絞刀齒應(yīng)選擇“尖齒”，見表3。

表3 絞吸挖泥船各類絞刀適用土質(zhì)

參照國外現(xiàn)有的尖齒類型，結(jié)合絞刀功率等設(shè)計(jì)參數(shù)[7]，設(shè)計(jì)絞刀齒結(jié)合方式為“齒包座”，鎖緊方式為“插銷式”。該結(jié)構(gòu)可有效保護(hù)絞刀座，減少刀座磨損，延長絞刀壽命，而且此鎖緊機(jī)構(gòu)更便于絞刀齒拆裝更換。刀齒系統(tǒng)主要參數(shù)見表4。

表4 刀齒系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.3 絞刀齒排布輪廓及安放角度確定

根據(jù)IHC提出的絞刀設(shè)計(jì)理論，圖2為IHC幾種形式的絞刀齒尖掃掠面軸向截面示意圖。實(shí)際刀臂輪廓線是一條復(fù)雜的空間螺旋曲線，該曲線是通過坐標(biāo)的參數(shù)方程進(jìn)行描述[8]，絞刀齒布置也以空間螺旋線進(jìn)行。根據(jù)挖掘土質(zhì)不同，絞刀的外形可分為 A、B、C、D 四種規(guī)格，A、B直徑較大，不易堵塞，適于挖掘粉砂、淤泥、黏土等土質(zhì)，C、D直徑較小，切削力大，適于挖掘硬土、巖石等堅(jiān)硬的土質(zhì)。因此，挖巖絞刀的刀齒側(cè)向輪廓線排布為D形式。

圖2 絞刀外形輪廓線

絞刀齒的安裝位置位于圖2外輪廓線上，設(shè)計(jì)過程中，需要考慮挖泥船橋架下放角度及實(shí)際工作中絞刀的幾何位置[9]。徑向截面視圖下刀齒的安放角度如圖3，其安放角度K的大小直接影響刀齒的受力，選擇一個(gè)合適的角度將使得絞刀齒的受力均勻，不易發(fā)生折斷。

圖3 刀齒徑向截面安裝角度

絞刀在挖掘堅(jiān)硬的土質(zhì)時(shí)受到的沖擊力較大，為了避免單一絞刀齒受到過度沖擊，減少對絞刀軸的沖擊，減少震動(dòng)，防止絞刀齒斷裂，挖硬土絞刀的包角一般比挖砂絞刀的大，比挖巖絞刀的小，軸向截面視圖下挖硬土絞刀的包角設(shè)計(jì)為94°，如圖4所示。

圖4 刀齒軸向截面安裝角度

刃前角是絞刀齒在切削過程中一個(gè)重要的空間位置參數(shù)[10]，絞刀齒刃前角在挖掘較硬的土質(zhì)時(shí)不易過大，最佳范圍為15°～30°，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，選擇26°作為絞刀齒的刃前角為宜。

每條絞刀臂上的刀齒數(shù)量為7個(gè)，均按一定距離間隔布置，形成6臂交錯(cuò)形式，可有效提高挖掘效率，減少漏挖，也可對下一條絞刀臂及絞刀座提供一定的保護(hù)，減輕磨損。絞刀圈上也相應(yīng)布置有3個(gè)絞刀齒參與挖掘，對絞刀圈起到一定的保護(hù)作用。

4.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

絞刀齒材料選擇低合金耐磨鋼，其抗拉強(qiáng)度不低于1 200 MPa，根據(jù)已經(jīng)確定的絞刀參數(shù)與齒座空間安裝位置，對齒系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析，刀齒最大應(yīng)力為240.52 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

為保證計(jì)算精度并提高效率，對絞刀的三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，將絞刀轂設(shè)置為固定接觸約束，建立絞刀整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元模型[11]，根據(jù)已獲得的數(shù)據(jù)對絞刀臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，刀臂與絞刀轂以及絞刀圈連接處扭曲程度最大，最大應(yīng)力137 MPa，而絞刀臂材料抗拉強(qiáng)度不低于450 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 絞刀配套裝置優(yōu)化

鴨嘴形吸入口作為破碎泥塊收集設(shè)施，與絞刀尺寸和水下泵吸入端管徑關(guān)聯(lián)，需匹配加工過渡板，減少漏泥量，防止堵塞水下泵吸口。由于絞刀切削力增強(qiáng)，對橋架的反作用力加大，橋架重量可能會(huì)顯不足，出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象[12]，視試挖效果在橋架中前端焊裝可調(diào)水壓載艙解決，或者采取正刀空擺、反刀挖掘。

4.6 新設(shè)計(jì)的絞刀

綜上，針對超高密實(shí)泥質(zhì)砂硬底質(zhì)疏浚設(shè)計(jì)的新型小功率絞刀結(jié)構(gòu)如圖5所示，實(shí)物見圖6。

圖5 新絞刀2D示意

圖6 新絞刀實(shí)物

5 結(jié)束語

為適應(yīng)林查班港項(xiàng)目硬底質(zhì)疏浚，提高挖掘效率，更好地匹配泥泵系統(tǒng)輸送能力，在不改變目標(biāo)船動(dòng)力裝置等系統(tǒng)的前提下，通過絞刀參數(shù)設(shè)計(jì)、齒系統(tǒng)優(yōu)化、絞刀齒排布輪廓及安放角度確定、絞刀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核等，設(shè)計(jì)出了適應(yīng)硬底質(zhì)土施工的新型絞刀。本絞刀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯增加，刀齒切削力提高約18%，換齒速度提高1倍以上，對擴(kuò)展類似船舶性能、提升綜合生產(chǎn)效率和施工效益具有重要借鑒意義。