基于虛擬樣機的疏浚重力抓斗仿真與分析

劉建，黃誠昭，李曉燕，馬傳藝

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

抓斗挖泥船是一種常用的疏浚挖泥船，一般適用于開挖碼頭防波堤基槽、基坑、碼頭泊位區、壩體、沉管隧道深基槽，以及用于陸地開河等，對于挖掘雜物、塊石等更具適應性[1]。隨著水工建筑物向大型化和深水化方向的發展，超深的港池航道開挖、超大型碼頭和超深沉管隧道的基槽開挖工程逐漸增多，抓斗挖泥船由于其自身機械式挖泥的特點，適應狹窄水域開挖基槽、基坑，同時在深挖時開挖硬質黏土和風化巖能夠充分發揮其優勢，必要時可以在其吊機上加裝碎巖棒利用重力碎巖再開挖，在目前沿海港口疏浚、內河航道整治中是不可替代的疏浚裝備；特別在日本、北美和中東等硬土質地區抓斗挖泥船應用較多，而對抓斗的深入研究尤以日本為最，設計制造了當前世界上最大的兩艘非自航抓斗挖泥船“五祥”和“東祥”（液壓閉斗），斗容最大可達200 m3[2-3]。

隨著疏浚工程向大型化、復雜化發展，對疏浚施工質量要求越來越高，尤其大型基建工程（如島隧工程）對施工精度要求非常高，如港珠澳大橋島隧工程沉管基槽疏浚工程要求在-45 m水深條件下沉管基槽不能超深0.5 m[4]，施工后海底平整度要求也非常高。由于大型抓斗挖泥船配置有“自動整平挖掘”功能[5]且具有大挖深，較易實現高精度開挖大型沉管隧道深基槽這類特殊工程，抓斗挖泥船在現代工程中顯得越來越重要。由于疏浚抓斗的特殊性，有必要進行深入研究，更有效地發揮其作用，在特殊工程（如島隧工程其中的沉管基槽疏浚工程）上發揮其優勢。

1 重力抓斗特點及其結構模型

疏浚抓斗根據閉斗動力源的不同，可分為液壓抓斗和重力抓斗（即繩索抓斗，利用鋼絲繩牽引閉合抓斗）。重力抓斗結構相對簡單，對作業工況適應性強，實際應用范圍廣泛。其中長撐桿雙顎板結構的四繩索抓斗應用歷史較長，積累使用經驗較多，故本文以現有的長撐桿雙顎瓣30 m3重力抓斗（質量90 t）為研究對象進行仿真分析，獲得抓斗作業過程中的主要特性。

疏浚重力抓斗由上滑輪組、下滑輪組、撐桿和斗顎組成。抓斗通過自身重力產生下沉力，并通過機械結構和滑輪組產生抓取力矩，克服抓取過程中的抓取阻力，完成泥土抓取。由于抓斗閉斗速度較慢，分析過程中忽略速度對挖掘阻力的影響。該重力抓斗作業理圖如圖1所示。

圖1 重力抓斗結構理圖Fig.1 Structural schematic diagram of gravity grab

在抓斗作業過程中，重力抓斗在重力作用下打開，然后下降到泥層中；開閉斗鋼絲繩收緊合攏抓斗，閉斗過程中吊斗鋼絲繩始終處于松弛狀態；當抓斗完全閉合時，吊斗鋼絲繩和開閉斗鋼絲繩同時進行向上收緊，把抓斗提出水面并旋轉至卸泥區；然后，開閉斗鋼絲繩釋放打開抓斗卸泥。一般抓斗挖泥船的吊斗鋼絲繩和開閉斗鋼絲繩由同一動力源驅動，吊斗鋼絲繩和開閉斗鋼絲繩只能以同一速度同時提升或下降，而不能獲得異步運動或反向運動。

根據重力抓斗的運動規律和土力學理，抓斗在運動過程中主要受到刃口和側刃的切入阻力、摩擦力、黏聚力和推壓阻力[6]等的作用。重力抓斗各個部件結構左右基本對稱，而2個斗顎結構和質量分布存在著微小差異，質量以及重心分布不完全一樣，但與總體重量相比可忽略，故本文假設抓斗左右完全對稱。抓斗閉合過程中外部受力示意圖如圖2所示。

圖2 抓斗各部件受力示意圖Fig.2 Force diagram of grab parts

圖2中：F1為斗顎水平刃口切入阻力，kN；F2為斗顎兩側傾斜刃切入阻力，kN；F3為斗內泥沙沿斗底板移動時的水平推壓阻力，kN；F4為斗顎板外側受到的摩擦阻力，kN；F5為斗顎板外側受到的黏聚力，kN；Q為進入斗內泥土重量，kN；Q1為撐桿重量，kN；Q2為下滑輪組重量，kN；Q3為上滑輪組重量，kN；Q4為斗顎重量，kN；Fd為上滑輪組總拉力，kN；Fu為下滑輪組總拉力，kN。

抓斗吊斗鋼絲繩固定端安裝在上滑輪組，其中滑輪組總拉力Fu可以按式（1）計算得出。

Fu=F（dm-1）+F （1）式中：m為貫穿上下滑輪組的繩索數；F為抓斗閉斗鋼絲繩拉力，kN。

根據抓斗受力特點和各力的計算方法，可以利用編程軟件，建立每個開度下的受力平衡方程，計算出各開度下的挖掘深度；本文則利用虛擬樣機模型進行實時仿真，簡化計算，并能準確反映抓斗的運動過程。

2 基于虛擬樣機的抓斗模型

疏浚重力抓斗挖掘時，受物料的重度、內摩擦角、黏聚力和抓斗本身結構等因素的影響。本文采用的虛擬樣機抓斗模型，均忽略連接部件間的摩擦力、具體形狀結構的影響和抓斗斗顎切入速度對挖掘阻力的影響。在挖掘過程中實際進入斗顎內的物料高度無法確定，計算過程中近似取挖掘深度為計算深度，并假設斗內物料表面為基本水平，堆積點位于側刃上。物料于斗內的重量根據抓斗挖掘深度，用梯形面積近似替代計算。基于上述假設、抓斗主要結構參數和受力分析，建立如圖3虛擬模型。抓斗挖掘過程中，挖掘阻力均為被動力，在模型中使用摩擦力矩等效相應的被動力矩，作用力則等效到下滑輪組。

圖3 抓斗虛擬樣機模型Fig.3 Grab virtual prototype model

根據抓斗設計常規，抓斗重量分布比例為：上滑輪組0.17，下滑輪組0.19，斗顎0.5，支撐桿0.14，則抓斗各個部件重量分別為：149.9 kN、167.8 kN、441 kN和123.5 kN。疏浚抓斗挖掘過程在水下完成，故仿真過程中各個部件的重量均減去水的浮力。

3 抓斗虛擬樣機的仿真分析

抓斗虛擬樣機的仿真分析主要研究各個參數對抓斗刃口的運動軌跡線影響，從而獲得挖掘量對各個參數的敏感度。仿真過程中選用沙土的主要參數為[7]：內摩擦角φ=39毅，沙土與鋼板摩擦角δ=26毅，密實沙土重度t=2.2 t/m3。抓斗顎板刃口厚度為300 mm并安裝斗齒，則水平刃口切入阻力有所減小，阻力系數選K=0.8[8]，故模型仿真過程中使用的刃口厚度參數為240 mm。

3.1 黏聚力對挖掘曲線的影響

分別使用不同的黏聚力參數對模型進行仿真，得到不同黏聚力對抓斗挖掘曲線的影響結果（見圖4），其中，圖4（a）為抓斗刃口軌跡線，圖4（b）為抓斗開閉斗鋼絲繩閉合力曲線。

圖4 黏聚力對抓斗挖掘曲線的影響Fig.4 Effect of cohesion on grab dredging curve

從抓斗運動軌跡線（由于抓斗是對稱兩瓣結構故只顯示右瓣抓斗刃口軌跡線，以下同）和開閉斗鋼絲繩閉合力曲線可以看到，由于抓斗采用了多級滑輪增加閉合力，挖掘量比設計量30 m3要多，抓斗的儲備挖掘能力較大，有利于開挖硬質沙土和強風化巖土等硬物。抓斗剛開始挖掘時，開閉斗鋼絲繩提升力非常小，挖掘力由抓斗自重完成。隨著上下滑輪組相對位移的增大，挖掘力不斷增加，并在閉斗終了時約等于抓斗和挖掘物料的重量。從3組刃口挖掘曲線可以看到，黏聚力對抓斗產量和開閉斗鋼絲繩閉合力影響較大，其大小與產量成反比。當黏聚力減少時，抓斗挖掘量迅速增加，使得閉合力矩和開閉斗鋼絲繩閉合力增大。在圖4（b）中，黏聚力C=39.2 kN/m3的曲線，開閉斗鋼絲繩閉合力在經過曲線的某個點后比其他兩組曲線大，并持續增加，這是挖掘量不斷增加的因，應盡量避免，防止挖掘機超負荷工作。在圖4（a）中，抓斗均需提升一段小距離后才開始閉合。這是由于初始挖深過大，閉合阻力過大，抓斗需要垂直提升一段距離，使閉合阻力減小到與挖掘力相等后才能開始閉合。

3.2 抓斗斗齒對挖掘曲線的影響

為了減小挖掘阻力，抓斗斗顎刃口上通常裝有斗齒，分析過程中分別使用挖掘阻力系數K=1和K=0.8進行仿真，得到刃口挖掘軌跡曲線。可以分析得出，合理安裝抓斗斗齒可大大減少挖掘阻力，增大初始挖掘深度，提高挖掘產量。

3.3 抓斗開閉斗鋼絲繩收緊速度對挖掘曲線的影響

抓斗閉合過程中，開閉斗鋼絲繩收緊，帶動上下滑輪組相對運動，從而使抓斗閉合。圖5是下滑輪組在不同提升速度下的挖掘曲線，速度分別為0.05 m/s、0.1 m/s、0.3 m/s，即開閉斗鋼絲繩的收緊速度為0.3 m/s、0.6 m/s、1.8 m/s。可見，在開閉斗鋼絲繩收緊的設計速度范圍內，下滑輪組提升速度對挖掘量影響不大，3組挖掘曲線基本重合。在抓斗接近閉合終了時，其斗顎閉合角速度受下滑組提升速度影響較大，小幅度的下滑輪組運動可產生大角度的斗顎運動，故3組曲線在接近完全閉合區域存在一定的差異。

圖5 下滑輪組不同提升速度的挖掘曲線Fig.5 Dredging curve of lower pulley block with different lifting speed

3.4 抓斗部件重量對挖掘曲線的影響

分別在上滑輪組、下滑輪組和斗顎等部件上增加10 t重量，仿真獲得3組挖掘曲線。上滑輪組、下滑輪組和斗顎上分別添加重量的挖掘曲線幾乎重合，均使挖掘力增大，挖掘量比來抓斗大。采用多組滑輪組來增加閉合力，有效地利用了各個部件的重量，使挖掘量幾乎不受重量分布位置的影響，并趨于相同。

假設抓斗其它參數不變，僅改變滑輪組數（抓斗上下滑輪組貫穿繩索數分別為m=6和m=4），通過模型仿真得到2組挖掘曲線。2組曲線相差甚大，上下滑輪組貫穿繩索數對挖掘力和挖掘量影響非常大，減少1組滑輪組和2根貫穿的繩索數，挖掘力將減小，挖掘量迅速降低，影響施工效率。故在抓斗自重相同情況下，上下滑輪組結構對挖掘力大小起到極為關鍵的作用。

3.5 其它挖掘情況分析

在一些特殊的挖掘操作過程中或定深挖掘的時候，有可能令吊斗鋼絲繩到達一定深度后處于拉緊狀態。利用模型對此類挖掘情況進行仿真，所得到挖掘曲線與吊斗鋼絲繩處于松弛狀態的挖掘曲線有存在較大差異，挖掘量相對很低。一般在施工中應避免此類低挖掘量的操作。

對于某些挖掘施工工藝，要求挖掘平面盡量平坦，此時抓斗的挖掘過程受力較為復雜，挖掘阻力作用方向變換頻繁。本文抓斗虛擬樣機模型的仿真僅對挖掘軌跡的分析具有實際指導意義，而抓斗整體上下運動的挖掘過程誤差較大，但模型仍具有一定的參考和指導意義。由于來的模型并不完全適用于平整挖泥[9]的仿真分析，需要修改虛擬模型，增加吊斗鋼絲繩受力模型。利用新建模型進行平整挖泥仿真，得到如圖6所示的平整挖泥曲線圖。對于不同的初始挖掘深度，如果挖掘深度過大（D=-1.0 m），開閉斗鋼絲繩收緊后并不能立刻閉合，當整個抓斗上升一定距離，挖掘阻力減少到一定程度后挖掘過程才開始，此時挖掘軌跡的最高和最低點的高度差相對較大。當挖掘深度較小（D=-0.7 m），斗顎從開閉斗鋼絲繩收緊后便開始閉合，挖掘過程較為平滑，與設計挖掘過程較為相似，挖掘曲線最高和最低點高度差相對較小。在實際施工中，平整挖泥的初始挖掘深度應根據現場土質機械特性進行調整，防止過大初始挖深，減小挖掘平面的額外高度差，并在水平軌跡高度差可控的前提下，盡量提高挖掘效率。

圖6 修改后抓斗虛擬樣機的挖掘曲線Fig.6 Dredging curve of modified grab virtual prototype

4 結語

通過上述抓斗虛擬樣機的仿真計算，可分析得出以下初步結論：

1）該30 m3疏浚重力抓斗（質量90 t）在一般密實黏土工況下，挖掘量均超出設計標準，挖掘儲備能力非常大，其設計工況更適用于較為密實沙土或碎巖等惡劣施工環境。安裝合理的斗齒結構可進一步減低阻力，提高挖掘能力。在挖掘過程中，過大的初始挖掘深度將延遲抓斗的實際開始閉合時間，使抓斗提升到一定的挖掘深度后才能閉合。此類情況對水平挖掘作業的平坦度具有較大影響，操作過程中應盡量避免。當沙土垂直承壓大，切向壓強較小等情況下，提高抓斗下降速度獲得的大初始挖深才有明顯的增產效果。在實際施工中應該測量現場的土質參數，或進行現場挖掘試驗，掌握精確的挖掘過程，以制定合理的施工工藝。

2）重力抓斗主要挖掘力來源于自重和滑輪組的增力結構。對于特殊硬質沙土或巖石等工程，可以適當增加自重，增大挖掘力，克服較大巖土阻力來獲得產量的提升。基于此理論可設計特殊的重型石斗，應用于開挖中風化巖、強風化巖等碎巖工程。抓斗的滑輪組在增大挖掘力的同時也降低了開閉斗時間，合理的滑輪組數應滿足工程需要，兼顧效率和挖掘能力。

本文的疏浚重力抓斗虛擬樣機模型在仿真過程中選取對挖掘量影響較大的機械結構參數和沙土力學參數進行研究，由模型輸出刃口挖掘曲線，預測挖掘產量和挖掘時間，可為生產提供理論參考。準確的產量預測和精確的施工時間估算有賴于現場土質數據的采集和分析。利用具體的土力學參數結合理論模型才能精確模擬現場的挖掘過程，從而合理地指導現場的施工安排和挖掘操作。