開挖密實砂絞刀研制與應用

林 森，蘇召斌，李章超，張潤喜，吳瑞祥

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚技術企業重點試驗室，天津 300457)

我國東部沿海廣泛分布著大量密實的鐵板砂，如京唐港、黃驊港、黃河三角洲、如東海灘、長江口南匯嘴、杭州灣北岸乍浦海濱、甌江口、閩江口等[1]。在風暴潮多發的黃驊港，風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過類似情況，航道內回淤的密實粉土平均標準貫入擊數超過30 擊，導致絞刀功率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粉土的挖掘效率，開展大功率密實砂絞刀的研發工作。

為了滿足密實砂切削的功率要求，選取絞刀功率2 000 kW 的“天麒號” 為應用對象進行研發。通過回淤密實粉土切削性能試驗研究，優化了刀齒的切削角，提出減小刀臂厚度、寬度及線型的優化方案。將絞刀挖掘過程受力分析的結果加載到絞刀三維模型上，對絞刀本體的結構剛強度進行校核，并實船驗證該絞刀切削阻力明顯降低，有效提高了密實砂土和密實粉土的挖掘效率。

1 試驗方法

通過多種制備方法的研究及小試，制備了3 箱不同標準貫入擊數的試驗用密實粉土，經試驗檢測均超過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，進行1 個和3 個刀齒的水下切削試驗研究。通過對試驗結果進行分析，得到密實粉土的切削阻力特性，推導出密實粉土切削阻力與刀齒切削角度、切削速度、入泥深度等參數的關系。同時，利用自主研制的試驗裝置進行刀齒入泥的壓力試驗，找出單位面積所受壓力的大小與入泥深度的關系。

2 絞刀設計

根據“天麒號” 絞吸挖泥船絞刀驅動功率、橋架鋼圈直徑、絞刀軸安裝高度、密實砂土挖掘特點等因素，確定絞刀主要參數:刀圈外徑2 960 mm，刀圈內徑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 個刀齒，其中護圈刀齒6 個，絞刀總質量約12.5 t(圖1)。

圖1 大功率密實砂絞刀

2.1 刀齒切削角

密實粉土切削試驗總結的切削力計算經驗公式表明:刀齒切削角與切削阻力呈正相關，切削角越小切削阻力越小；而刀齒入土壓力試驗表明，刀齒切削角與入土壓力負相關，切削角越小入土壓力越大。綜合上述2 個關系，再結合刀齒切削角與刀齒無功磨損的關系，密實砂絞刀刀齒的切削角選擇45°～49°，其中靠近絞刀頂部的幾個刀齒切削角偏小。

2.2 刀臂斷面外形

密實砂挖掘過程中，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刀臂的翼片，翼片斷面呈銳角三角形(圖2)，相當于刀臂的刃口，有利于減小刀臂切削阻力，因此密實砂絞刀采用圖2a)斷面形式。

圖2 絞刀刀臂翼片斷面

2.3 優化刀臂設計

絞刀刀臂線型由內、外2 條輪廓線確定，在刀臂外輪廓線不變的情況下，將刀臂內輪廓線適當外移，有效降低刀臂的切削阻力。同時，刀臂設計得更薄、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 受力分析與強度校核

按照密實砂絞刀的設計方案建立三維模型，利用自主開發的絞刀受力分析計算軟件[3]，對絞刀挖掘密實砂的多種工況條件進行受力分析，并將受力分析結果加載到絞刀三維模型上，對絞刀本體結構剛強度進行校核。

3.1 受力分析

絞刀載荷的分析方法:針對絞刀不同轉速、橫移速度、傾角和切削深度的工況條件(表1)，計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、t為時刻，再將各刀齒力按照橫移方向、頂推方向、對地垂向分解求和，得到絞刀橫移載荷FXt、頂推載荷FYt、對地載荷FZt，根據刀齒切向力Fτit、刀齒半徑ri、角速度ω，計算出絞刀功率Pt[4]。

表1 計算工況條件

續表1

3.2 強度校核

將上述工況的受力計算結果加載到密實砂絞刀三維模型上，利用有限元分析軟件計算出絞刀本體結構的應力應變情況，可知絞刀本體最大應力約為284 MPa(圖3)。為保護絞刀本體，提出一種梯度失效保護的設計理念，即絞刀本體安全系數取值＞齒座＞刀齒，因此絞刀本體結構安全系數取1.5，絞刀本體結構的屈服強度≥426 MPa。選用高強度低合金鋼作為絞刀本體材料滿足強度要求，并依據材料成分優化了絞刀本體的焊接工藝。

圖3 絞刀在危險工況下的變形

4 實船應用與結論

“天麒號” 絞吸挖泥船公稱生產量為4 500 m3∕h，絞刀轉速30 r∕min，絞刀功率2 000 kW，由2 臺電機驅動。“天麒號” 在啟東呂四港挖掘密實粉土工程中應用了該密實砂絞刀，通過與原船SC40 絞刀對比試驗，驗證了該密實砂絞刀的挖掘性能良好。

4.1 更換絞刀當天變化情況

采集更換密實砂絞刀當天前后各7 h 施工數據進行對比分析，繪制離散點圖表(圖4)。其中圖4a)工況點基本分布在圖表下半部分，而圖4b)工況點分布在左半部分，說明使用相同絞刀功率時，密實砂絞刀的挖掘產量明顯提高。

圖4 更換絞刀前后離散點分布

4.2 大數據分析

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

表2 絞刀實船對比試驗數據

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

圖5 單位時間產量率與絞刀電機功率關系

5 結論

1)密實砂絞刀刀臂空間形狀設計合理，刀齒切削角、齒位角選取恰當。

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