適用于硬質土的七刀臂絞刀研制及應用

楊建兵，龔強華，陳旭，伍立說

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

引言

江蘇鹽城濱海港LNG 項目是落實交通運輸部、國家發改委、國家能源局沿海液化天然氣接收站碼頭布局規劃的重點港址之一，是江蘇省“十三五”規劃的沿海天然氣管線的重要氣源點之一，對于彌補江蘇、安徽、河南等地區天然氣缺口、提高地區清潔能源比例具有重要的戰略意義[1]。

根據中交第一航務工程勘察設計院有限公司于2019 年1 月完成的《江蘇濱海液化天然氣（LNG）項目碼頭工程地質勘察》中的勘察資料表明，本工程疏浚挖深至-12.5～-13.5 m。該深度范圍內絕大部分的土為粉土，該土呈褐色，為中密～密實狀。根據其土的狀態指標，標貫擊數N=39.2 擊，液性指數IL=0.20，通過這兩指數結合疏浚巖土工程分級，可以判定該類土屬于十類土[2]。

1 現有6 刀臂絞刀性能分析

當前公司現有絞刀均為6 臂絞刀，且型號相對單一，其刀臂角度、刀齒固定方式、切削姿態、切削受力、材料耐磨性能等技術性能指標與復雜、惡劣土質的工程特性不匹配，導致絞刀在硬質土、密實砂等土質下的切削效率偏低、沖擊負荷大，船舶設計挖掘功率難以充分發揮，較大程度上限制了公司大型絞吸船施工產能的進一步提升[3]。

2 新型絞刀研制

2.1 設計依據

絞刀在挖掘過程中，刀齒受土體反作用力，并沿刀臂傳遞至軸轂，與絞刀軸驅動力相平衡。因此，絞刀受力分析的核心內容為刀齒在切削過程中的受力規律。

根據楊楨毅在《絞吸式挖泥船絞刀結構與性能優化的研究》一文可知：在既定的絞刀結構尺寸、分層厚度、橫移速度和絞刀前移量下，絞刀挖掘效率恒定，但絞刀功率與刀齒切削厚度hi呈平方正相關，即刀齒切削厚度越大，絞刀功率越高。為降低絞刀挖掘密實粉土的功率和沖擊負荷，應減小刀齒切削厚度。在絞刀設計轉速、橫移速度不變的條件下，增加刀臂數量，可有效減小刀齒切削厚度，減小絞刀受力[4]。

故針對密實粉土，新型絞刀在刀臂結構、刀齒型式不發生顯著變化的條件下，增加刀臂數量可有效減小絞刀挖掘功率。綜合考慮刀臂數量、刀臂間距、絞刀重量等因素，本項目針對密實粉土采用7臂絞刀方案。在相同的挖掘施工參數（效率）條件下，采用7 臂絞刀挖掘密實/極密實砂的功率為原6臂絞刀功率的73.5 %。

2.2 刀齒排列

新海豚輪原絞刀各刀臂上刀齒安裝數量為8枚，因刀臂數量為偶數，故相鄰刀臂刀齒采用交錯排列，避免相鄰刀臂間刀齒相互影響，絞刀刀齒總體實現對稱排列，在絞刀旋轉切割過程中，各刀臂刀齒切削軌跡可覆蓋絞刀切削面。

新型7 臂絞刀方案，因刀臂數量為奇數，如采用相鄰刀臂刀齒交錯排列，則1 根刀臂刀齒無法與相鄰刀臂刀齒交錯，絞刀整體無法實現刀齒對稱排列，在挖掘過程中易導致受力不均、振動等不利現象。因此，本項目中，新型7 臂絞刀刀齒采用螺旋交錯排列方式，各刀臂刀齒數量采用8 枚，相同序號刀齒8 繞絞刀軸線方向在對應刀臂上呈螺旋上升排列，實現各刀臂刀齒在切削方向上保持一定錯位，確保各刀齒切削軌跡線覆蓋絞刀切削面，且受力較為均衡。

3 刀臂建模

3.1 絞刀主要幾何參數

絞刀主要由底圈、軸轂、刀臂以及刀齒組件四部分組成[5]。根據新海豚輪橋架結構及原裝絞刀尺寸，為確保新型絞刀與該輪匹配，新型絞刀本體的基本參數主要與原絞刀保持一致。

本項目在設計過程中，視絞刀整體為橢球錐體，刀臂輪廓線為螺旋線，可將刀臂輪廓線簡化為橢球錐體上的輪廓線。將刀臂橫截面沿輪廓線掃掠生成實體模型，并對刀臂與軸轂的連接部分進行修剪，形成完整的刀臂模型[6]（圖1）。

圖1 刀臂模型

3.2 刀齒組件

本項目采用翼型齒座，其制作成本較低，強度較高，安裝定位較為簡便，且可以配置寬齒、窄齒、尖齒，通用性較好；刀齒采用螺旋齒套、中間單銷固定結構，具有良好的抗脫落性能。翼型齒組件模型見圖2。

圖2 翼型齒組件模型

3.3 刀齒排布

根據刀齒總體對稱排列的設計要求，七臂刀齒采用螺旋排列。根據絞刀切削過程中受力均勻的設計要求，七臂刀齒的安裝位置、外傾角、螺旋角應由絞刀底部至頂部均勻變化，形成最終模型如圖3。

圖3 七臂絞刀刀齒排布效果圖

4 結構強度分析

4.1 絞刀刀齒結構強度有限元分析

因LNG 工程主要土質為密實粉土，主要采用窄齒挖掘施工，故本項目主要對該種齒型進行受力分析。

為了驗證刀齒的強度，選取刀齒破土時的情況進行分析。在施工過程中，刀齒切削泥土，在破土過程中，齒尖和齒面受到擠壓力；出土過程中，齒面受到壓力，齒尖受到拉力。由于刀齒內部有齒座支撐，刀齒受到壓力時能夠傳遞給齒座。為了驗證刀齒的強度，選取刀齒破土時的情況進行分析。設底部齒面以及齒尖端面所受合力方向與刀齒磨損方向一致，對寬齒結構進行有限元強度分析[7]。對窄齒模型施加載荷后進行計算，其受力后窄齒上應力分布如圖4 所示。

圖4 窄齒結構應力分布圖

根據計算結果，窄齒結構在載荷作用下應力分布，最大應力達到了376.69 MPa，應力較大區域同樣出現在刀齒中部，即工作區域與連接區域交接處。

4.2 絞刀刀臂結構強度有限元分析

為驗證絞刀刀臂的結構強度，現將7 刀臂絞刀結構作為主要研究對象。由于絞刀刀臂為旋轉對稱結構，對其進行強度分析時可以簡化為針對單個刀臂的強度分析。又由于絞刀破土時同時工作的刀齒數為1～2 個，此處設破土時同時工作的刀齒數為1個。根據單個刀臂上刀齒的數量以及位置，將刀臂的受力區域劃分為8 個小區域，每個區域上的受力均代表該位置上的刀齒傳遞給刀臂的作用力。設刀臂上各刀齒傳遞給刀臂的力約為25 kN,刀臂上下面設置固定約束。根據上述強度校核邊界條件設置，其應力分布隨工作刀齒位置的變化如圖5 所示。刀臂最大應力如表1 所示。

表1 刀臂最大應力

圖5 刀臂受不同刀齒作用時的應力分布示意圖

由上述分析可知，齒1～齒 3 受力時，刀臂最大應力均集中在刀臂上部（與軸轂連接處）；齒4～齒8 受力時，刀臂最大應力均集中在刀臂下部（與大圈連接處）。絞刀在挖掘密實粉土時，通常采用齒1～齒4 為挖掘齒，刀臂應力主要由齒1～齒4 施加，故在正常挖掘施工時，刀臂應力最大處為刀臂與軸轂連接處，由齒1～齒4 應力疊加，最大值約為20.0 MPa；綜合考慮3.5 倍沖擊負荷，刀臂瞬時最大應力約為70.0 MPa，小于許用應力（刀臂采用16 Mn 鋼，抗拉強度：470～660 MPa；屈服強度：275～345 MPa）。

綜上，正常挖掘施工時刀臂總體應力遠小于許用應力，絞刀結構安全可靠。

5 新型絞刀性能參數

5.1 理論刀臂間距

新型絞刀需綜合考慮絞刀破土能力與泥塊通過能力，刀臂線型經優化后，新七臂與原六臂絞刀相比，刀臂間距增加（表2）。

表2 刀臂間距

5.2 理論切削厚度

絞刀理論切削厚度采用下式計算[8]：

最大切削厚度=Vt/nZ

其中：Vt—橫移速度（m/min）；

n—絞刀轉速（r/min）；

Z—刀臂數量。

根據上式，在絞刀轉速23 rpm，橫移速度10 m/min 的工作條件下：

原有六臂絞刀理論最大切削厚度72 mm；七臂絞刀理論最大切削厚度62 mm，比原有絞刀減少了13.88 %。

5.3 刀齒角度

絞刀齒的角度對挖掘能力的影響很大，因土質不同而異，其中外傾角對刀齒入土姿態影響最大，較小的外傾角有利于刀齒沿齒尖方向入土，有利于降低刀齒受力和挖掘阻力，提高破土能力。

對于LNG 工程中的密實粉土，絞吸船需采用較小的橫移速度挖掘施工，采用小外傾角的絞刀齒，有利于增加刀齒挖掘傾角，改善刀齒受力，提高破土能力，與土質工況更為匹配。

新型絞刀經刀臂線型優化后，刀齒外傾角從原絞刀約70°減小至約46°。

6 施工效果

2021 年8～9 月，新海豚輪在該區施工挖深8.5 m，采用6 刀臂絞刀時，平均絞刀轉速21 轉，平均絞刀功率為288 kW，最大絞刀功率可達1 752 kW，最大絞刀功率是平均絞刀功率的6.08 倍。采用7 刀臂絞刀時，平均絞刀轉速21 轉，平均絞刀功率為470 kW，最大絞刀功率可達2 102 kW，最大絞刀功率是平均絞刀功率的4.47 倍。通過對比可知，在運用7 刀臂絞刀后絞刀挖掘過程明顯平穩，船舶設備安全性得到保證，有效減少了絞刀因沖擊過載而安全離合器自我保護而造成的停機檢修現象，實際運用情況如圖6 所示。

圖6 新型7 臂絞刀實船應用

7 結語

本文主要解決了大型絞吸船在硬質土工程施工項目中的挖掘施工難題，項目研究成果已在江蘇濱海LNG 項目碼頭與港池及航道疏浚工程中得到了成功應用，參與施工的大型絞吸船生產效率和施工質量均得到了有效提升，滿足了工程建設需求，得到了如下結論：

1）大型3 500 m3/h 絞吸船在硬質土施工中，通用型6 刀臂絞刀沖擊大，對設備使用帶來較多挑戰，且設備出現問題后嚴重影響船舶生產。

2）采用7 臂結構的新型絞刀，絞刀最大切削厚度降低了13.88 %，絞刀平均刀齒外傾角從約70°減小至約46°，有效減少了單齒在挖掘過程中的沖擊力。

3）大型3 500 m3/h 絞吸船應用新型絞刀后，船舶絞刀沖擊明顯減少，有效減少了絞刀因沖擊過載而造成的停機檢修現象，船舶施工時間利用率得到了有效提升。