非均勻復(fù)雜混合土絞刀研制與應(yīng)用

文武，陳旭

（1.中交上海航道裝備工業(yè)有限公司，上海 201208；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

黏土、砂礫、卵石等非均勻復(fù)雜混合土在我國北方沿海分布較為廣泛，土質(zhì)呈多樣混合性。針對其不均勻的分布特點(diǎn)和復(fù)雜的土質(zhì)工程特性，國內(nèi)外均采用抓斗挖泥船挖掘的常規(guī)施工工藝，施工效率較低，成本較高，且施工質(zhì)量難以控制，對較大規(guī)模的混合土質(zhì)疏浚工程適應(yīng)性較差。

1 絞吸船挖掘難點(diǎn)分析

絞吸船具有施工效率高、挖掘輸送一體化的優(yōu)勢，適用于大面積疏浚吹填施工。絞刀是絞吸式挖泥船的核心裝備[1]，上航局3 500 m3/h絞吸船使用的常規(guī)絞刀為通用型絞刀和挖巖絞刀，本文以秦皇島港山海關(guān)港區(qū)起步工程疏浚工程中的3 500 m3/h絞吸船為平臺，分別試驗(yàn)了通用型絞刀和挖巖絞刀在典型非均勻復(fù)雜混合土土質(zhì)工況下的挖掘情況。

1）通用型絞刀

通用型絞刀采用6臂結(jié)構(gòu)，絞刀外廓線呈冠形半圓狀，刀臂長度較長，在挖掘混合土?xí)r主要存在以下不利現(xiàn)象：淤選配的扁齒或鑿形齒，在挖掘混合土?xí)r，刀齒與土體接觸面積較大，摩擦阻力較大，且遇較大塊石易受沖擊折斷；于絞刀軸轂處刀臂間流道距吸口較遠(yuǎn)，流速低、真空小，不利于絞刀頭部切削的土塊與水有效混合與流動，易堆積在絞刀頭部導(dǎo)致絞刀切削阻力增加；盂絞刀刀臂數(shù)量較多，刀臂間距較小，卵石、硬黏土塊易卡滯于刀臂間，在挖掘過程中自絞刀頭部逐步堵塞并向大圈端蔓延，最終導(dǎo)致絞刀完全包裹和吸口堵塞，絞刀挖掘能力喪失；榆含有黏土的混合土最易導(dǎo)致絞刀包裹現(xiàn)象，并且經(jīng)絞刀旋轉(zhuǎn)擠壓后的黏土塊質(zhì)地堅(jiān)硬，清理極為困難，單次清理需耗時3~4 h；虞絞刀外形飽滿，刀齒距軸線距離較遠(yuǎn)，力臂較長，絞刀額定功率下的切削力無法滿足混合土高效切削要求，需采用較薄的泥層厚度和較慢的橫移速度，挖掘效率較低，僅為1 000 m3/h左右。

2）挖巖絞刀

挖巖絞刀為提高整體強(qiáng)度，刀臂寬、長度小且間距狹窄，絞刀腔內(nèi)空間亦較小，在挖掘混合土?xí)r主要存在以下不利現(xiàn)象：淤刀齒為尖齒，齒尖部分磨損過快，鈍化現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致貫入力下降，絞刀切削阻力大；于切削的土塊難以在較小的絞刀腔室內(nèi)與水均勻混合，吸口堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，水下泵吸入性能難以充分發(fā)揮，土方遺留量較大；盂狹窄的刀臂間距更易導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象，絞刀包裹頻率更高；榆平均挖掘效率較通用型絞刀低200 m3/h左右，僅約800 m3/h。綜合現(xiàn)場試驗(yàn)情況，挖巖絞刀對非均勻復(fù)雜混合土的適應(yīng)性較通用型絞刀更差。

綜上，常規(guī)絞刀對非均勻復(fù)雜混合土的適應(yīng)性均較差。

2 新型絞刀研制

針對常規(guī)絞刀在挖掘非均勻復(fù)雜混合土?xí)r易出現(xiàn)切削阻力大、易堵塞和效率低等不利現(xiàn)象，需根據(jù)混合土土質(zhì)工程特性，研制一種適用性良好的專用型絞刀，以最大程度上兼顧混合土中各類土質(zhì)的不同混合狀態(tài)，達(dá)到安全、高效挖掘施工的目的。

2.1 確定刀臂數(shù)量

常規(guī)絞刀在挖掘混合土?xí)r的堵塞規(guī)律為自絞刀頭部向后部逐漸堵塞，由1~2個刀臂間通道堵塞逐步向全部通道堵塞，由絞刀外部逐漸向內(nèi)部擠壓型堵塞，泥土以絞刀臂、絞刀軸為框架構(gòu)成穩(wěn)定的球狀結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致絞刀挖掘能力喪失。因此，常規(guī)6臂絞刀軸轂處刀臂間距較小，易導(dǎo)致泥土塊卡滯，是造成絞刀堵塞現(xiàn)象的主要因素之一，需合理減少刀臂數(shù)量，使絞刀軸轂處刀臂間通道更為開敞，提高泥土塊的通過能力。當(dāng)?shù)侗蹟?shù)量為5臂時，可有效增加軸轂處刀臂間距20%左右，并可通過刀臂線型優(yōu)化，使同時參與切削的刀臂數(shù)量達(dá)2.5個，將絞刀震動和沖擊負(fù)荷控制在可接受范圍內(nèi)，因此，本項(xiàng)目采用5臂結(jié)構(gòu)新型絞刀形式。

2.2 刀臂外輪廓線形設(shè)計

2.2.1 刀臂外輪廓線在絞刀軸面上投影曲線

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，絞刀結(jié)構(gòu)形式基本趨近于一致，都由刀圈、刀臂、軸轂、齒座與刀齒組成[2]。絞刀主要設(shè)計參數(shù)為絞刀外徑D、刀臂寬度B、刀臂外輪廓線包角贅1、刀臂內(nèi)輪廓線包角贅2[3]、絞刀外輪廓線高度H、絞刀內(nèi)輪廓線高度h、泥土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N和刀臂輪廓線外展系數(shù)k=tan 茁[4]，見圖 1。

圖1 絞刀主要設(shè)計參數(shù)示意圖Fig.1 Diagram of main design parameters of cutter

目前國內(nèi)外主要采用絞刀外徑D、絞刀外輪廓線高度H、泥土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N和刀臂輪廓線外展系數(shù)k=tan茁為主要因子對刀臂外輪廓線在絞刀軸面上的投影曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)描述[5]，其方程如下：

式中：z，y為刀臂外輪廓曲線Z、Y坐標(biāo)；H為絞刀外輪廓線高度；k為刀臂輪廓線外展系數(shù)；D為絞刀外徑；N為泥土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；茲為描述外輪廓線形狀的角度參數(shù)，其值需確保輪廓線與軸轂面相交，一般取值 0毅~150毅。

絞刀外形尺寸、重量以及動力傳動方式等受現(xiàn)有挖泥船的制約[6]，為確保新型絞刀與3 500 m3/h絞吸船適配，本項(xiàng)目設(shè)計的新型5臂尺寸與常規(guī)6臂絞刀相同，即：

1）絞刀外徑D取2700mm（內(nèi)圈直徑2330mm，大圈寬度 185 mm）[7]；

2）軸轂頂部高度取1 450 mm，軸轂半徑取300 mm；

3）為避免軸轂部位堵塞現(xiàn)象，絞刀采用冠狀外形，刀臂輪廓線外展系數(shù)k取-0.05，絞刀外輪廓線高度H取1 500 mm。

非均勻復(fù)雜混合土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為2~36不等，主要土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值約為30，故泥土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N取30。

由以上參數(shù)可知，刀臂外輪廓曲線Z、Y坐標(biāo)取值范圍為：0臆z臆1 500；0臆y臆1 350。

將以上各參數(shù)值代入式（1）并求解，可得描述外輪廓線形狀的角度茲取值范圍為0毅~85.36毅；由此可繪制刀臂外輪廓線在絞刀軸面上投影曲線。

2.2.2 刀臂外輪廓線在絞刀平面上投影曲線

為確保絞刀頭部刀齒先入泥以提供最大切削力，新型絞刀采用前移式刀臂形式，匹配較小前移量和泥層厚度進(jìn)行挖掘施工，可在最大程度上提高絞刀的破土能力。5刀臂外輪廓線沿軸轂外沿均等對稱分布，夾角為72毅，刀臂頭部切線在軸轂內(nèi)部組成內(nèi)切于軸轂的等五邊形，刀臂尾部與絞刀大圈外沿相交，形成的刀臂外輪廓線包角贅1為 71毅。

本項(xiàng)目采用絞刀外徑D、絞刀外輪廓線高度H、泥土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N、刀臂輪廓線外展系數(shù)k=tan茁以及刀臂外輪廓線包角贅1為主要因子對刀臂外輪廓線在絞刀平面上投影曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，有關(guān)水平坐標(biāo)系設(shè)置及相關(guān)參數(shù)圖解見圖2。

刀臂外輪廓線在絞刀平面上投影曲線方程如式（2）：

式中：x、y為刀臂外輪廓曲線X、Y坐標(biāo)；H為絞刀內(nèi)輪廓線高度，H=1 500 mm；k為刀臂輪廓線外展系數(shù)，k=tan茁=-0.05；D為絞刀外徑，D=2 700 mm；N為泥土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，N=30；茲為描述外輪廓線形狀的角度參數(shù)，取值0毅~85.36毅；d1、d2見圖2，d1=885 mm，d2=93 mm；贅1為刀臂外輪廓線包角，贅1=71毅。

2.2.3 刀臂內(nèi)輪廓線形設(shè)計

新型絞刀采用45毅螺旋角設(shè)計，即刀臂與水平方向夾角為45毅，有利于絞刀受力平穩(wěn)增加，且刀臂間距較為合理；同時采用該螺旋角，有利于切削時黏性土發(fā)生剪切變形和向絞刀腔內(nèi)輸送，避免發(fā)生絞刀堵塞現(xiàn)象。

類似于刀臂外輪廓線投影方程，對于內(nèi)輪廓線，亦采用相似參數(shù)對平面投影曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，如式（3）及圖3。

式中：x、y、z為刀臂內(nèi)輪廓曲線X、Y、Z坐標(biāo)；h為軸轂頂端高度，h=1 240 mm；d3、d4見圖3，d3=490 mm，d4=93 mm；贅2為刀臂內(nèi)輪廓線包角，贅2=61毅；B為刀臂寬度，B=370 mm；準(zhǔn)為絞刀螺旋角，準(zhǔn)=45毅。

圖3 刀臂內(nèi)輪廓線水平坐標(biāo)系設(shè)置及相關(guān)參數(shù)圖解Fig.3 Setting of horizontal coordinate system of inner contour line of cutter arm and illustration of related parameters

2.2.4 新型絞刀三維模型構(gòu)建及強(qiáng)度分析

根據(jù)新型絞刀刀臂內(nèi)、外輪廓空間曲線方程和絞刀設(shè)計參數(shù)，構(gòu)建絞刀三維模型，采用三維建模軟件構(gòu)建絞刀三維模型，采用有限元分析軟件對新型絞刀進(jìn)行受力分析[8]，校核其強(qiáng)度是否滿足挖掘施工要求。

1）計算方法

絞刀在挖掘時，各刀臂間受力相互獨(dú)立，且刀臂主要受力為切向力；參與切削的刀臂數(shù)量視切層厚度為2.0~2.5根，為模擬最不利工況絞刀受力情況，采用額定功率下2根刀臂參與切削的工況進(jìn)行受力分析，其計算條件如下：

物性條件：絞刀底圈材料為25鍛鋼，絞刀臂材料為ZG20Mn，絞刀軸轂材料為ZG230-450。

負(fù)荷條件：根據(jù)目標(biāo)船舶性能，其絞刀額定功率為1 200 kW，因2根刀臂參與切削，故單個刀臂最大切削功率可簡化為600 kW。

式中：F為刀齒所受切向力，kN；n為絞刀轉(zhuǎn)速，取25 r/min；di為刀齒距絞刀中軸線的距離，m；m為每刀臂安裝刀齒數(shù)量，取8個，刀齒為等間距分布。

2）計算結(jié)果及分析

根據(jù)應(yīng)力分布計算結(jié)果，最大應(yīng)力為71.41MPa，發(fā)生在刀臂與軸轂連接部位，絞刀臂材料ZG20Mn許用應(yīng)力207 MPa，軸轂材料ZG230-450許用應(yīng)力167 MPa，均大于絞刀最大應(yīng)力，可認(rèn)為強(qiáng)度滿足要求。

2.2.5 新型絞刀主要特點(diǎn)綜述

經(jīng)絞刀刀臂數(shù)量優(yōu)化、刀臂輪廓線形重新設(shè)計、三維建模模擬和受力分析，采用5臂結(jié)構(gòu)的新型絞刀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；刀臂軸轂位置間隙達(dá)190 mm，刀臂整體間隙達(dá)650 mm，較通用6臂絞刀提高約34%，切削土通過能力更好，滿足非均勻復(fù)雜混合土挖掘施工要求。

2.3 刀齒安裝角度優(yōu)化

刀齒在刀臂上的安裝角度對泥土切削厚度、破碎度和刀齒受力、磨損情況均有直接影響，安裝角度可用刀齒螺旋角和外傾角進(jìn)行表述，其中螺旋角為刀齒中心線與絞刀大圈平面的夾角，外傾角為齒的中心線在大圈平面上投影與齒尖旋轉(zhuǎn)圓切線所構(gòu)成的夾角。刀齒安裝角度與刀臂線形相關(guān)，隨刀齒在刀臂位置不同而不同，進(jìn)而影響切削時的刀齒姿態(tài)，即傾角、切削角和間隙角[9]。

在設(shè)計刀齒安裝角度時，應(yīng)綜合考慮刀齒傾角、間隙角相互關(guān)系及對刀齒切削的影響。針對非均勻復(fù)雜混合土質(zhì)，刀齒傾角應(yīng)滿足切削時受力較小，切削厚度較薄，且具有足夠的間隙角；因刀齒在刀臂上安裝位置不同，旋轉(zhuǎn)半徑由絞刀大圈至頂端逐步減小，刀齒合成線速度亦由大圈至頂端逐步減小，且方向偏向于水平，導(dǎo)致間隙角隨之減小，因此最小間隙角在絞刀軸高端出現(xiàn)。根據(jù)以上要求和刀齒外形尺寸，刀齒間隙角標(biāo)準(zhǔn)值采用12毅，傾角應(yīng)控制在40毅~70毅之間，由絞刀頂部至大圈逐漸增加，即對應(yīng)的刀齒安裝外傾角由絞刀頂部至大圈逐步減小。間隙角和傾角的關(guān)系見圖4所示。

圖4 絞刀齒的間隙角和傾角關(guān)系Fig.4 Relationship between clearance angle and inclination angle of cutter teeth

有關(guān)新型5臂絞刀安裝刀齒后模型及實(shí)物見圖5。

圖5 新型5臂絞刀模型及實(shí)物圖Fig.5 Model and picture of new type 5-arm cutter

3 施工效果

大型3 500 m3/h絞吸船新海鷗輪在秦皇島港山海關(guān)港區(qū)起步工程疏浚工程施工，施工土質(zhì)為典型非均勻復(fù)雜混合土，由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂、圓礫、粉質(zhì)黏土、卵石組成，卵石平均粒徑為80 mm左右，最大300 mm。通過新型絞刀的有效應(yīng)用，解決了絞刀易包裹的難題，有效提高挖掘效率和時間利用率。根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，船舶平均施工時間利用率提高約37%，平均施工效率提高了約29%，達(dá)到1 600 m3/h，每月增加施工工程量31.26萬m3。

4 結(jié)語

本文主要解決了大型絞吸船在非均勻復(fù)雜混合土質(zhì)工程施工項(xiàng)目中的挖掘施工難題，項(xiàng)目研究成果已在秦皇島港山海關(guān)港區(qū)起步工程疏浚工程非均勻混合土質(zhì)工程中得到了成功應(yīng)用，參與施工的大型絞吸船生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量均得到了有效提升，滿足了工程建設(shè)需求，得到如下結(jié)論：

1）大型3 500 m3/h絞吸船在非均勻混合土質(zhì)施工中，通用型絞刀和挖巖絞刀均存在絞刀包裹現(xiàn)象，包裹自絞刀頭部逐步堵塞并向大圈端蔓延，最終導(dǎo)致絞刀完全包裹和吸口堵塞。

2）采用5臂結(jié)構(gòu)的新型絞刀；刀臂軸轂位置間隙達(dá)190 mm，刀臂整體間隙達(dá)650 mm，較通用6臂絞刀提高約34%，切削土通過能力更好。

3）大型3 500 m3/h絞吸船新海鷗應(yīng)用新型絞刀后，船舶平均施工時間利用率提高了約37%，平均施工效率提高了約29%，達(dá)到1 600 m3/h，滿足非均勻復(fù)雜混合土挖掘施工要求。