密實粉土單耙齒及三耙齒水下切削試驗及耙齒切削阻力計算

李章超，郭志勇，張更生，徐繼濤

(1.中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津300457；2.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計研究院有限公司，天津300461)

濱州港港區(qū)建設(shè)項目外航道疏浚施工中遇到了堅硬難挖的回淤土。這種土質(zhì)含水量低、標貫擊數(shù)大、堅硬難挖，給疏浚施工帶來很大的麻煩，特別是對耙吸船的挖掘提出挑戰(zhàn)，影響了施工效率，因此有必要研究這類堅硬的回淤粉土的挖掘機理，為制定合理的施工方案以及設(shè)計挖泥機具提供理論指導。

很早就有學者對土體破壞機理進行了試驗研究，1972年，美國學者R.D.Wismer等[1]在室內(nèi)土槽對平板刀具切削土體進行了試驗研究，分析了刀具的受力情況，但對土體破壞的研究多集中在農(nóng)耕領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)學者對土的切削進行了研究，應用在盾構(gòu)機研制過程中[2]。在疏浚行業(yè)，土體的破壞更加復雜，一是由于疏浚土質(zhì)更加復雜，二是疏浚土體的破壞在水下發(fā)生。中交上海航道局做過一些關(guān)于密實粉土的切削研究[3]，取得了一些成果。需要進行更多的試驗來研究疏浚土破壞機理，建立相對完整的的疏浚土切削破壞理論體系。

天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室擁有設(shè)施先進的挖掘試驗臺，曾進行了硬質(zhì)黏土切削機理試驗研究[4]。采用室內(nèi)試驗的方法研究回淤性密實粉土的挖掘性能，具有效率高、投入少、可實施性強的優(yōu)勢。本文采取理論分析和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，對回淤性密實粉土的挖掘性能進行研究。

1 試驗粉土及試驗裝置

1.1 試驗粉土的制備

依據(jù)疏浚區(qū)域的地質(zhì)資料，研究回淤性密實粉土顆粒分布、級配、含水量、標準貫入擊數(shù)及密實度，將從吹填區(qū)采取的松散粉土，依據(jù)沉淀自密實和粉土動液化的性能，采用攪拌密實、振動液化、夯擊和排水等系列物理方法，制作標準貫入擊數(shù)達到20擊以上、孔隙比小于0.75、達到密實狀態(tài)的試驗粉土[5]，參數(shù)見表1。

表1 密實粉土參數(shù)

1.2 切削刀具與傳感器

回淤粉土切削試驗的切削刀具由刀臂、刀架、力傳感器及刀齒組成，需要實測并記錄不同切削條件下的切削力。傳感器的形式為電阻應變片式傳感器，通過電阻應變片測出貼片部位的應變來獲知外力的大小，量程為0～30 kN，采樣頻率200 Hz。數(shù)據(jù)采集界面見圖1，刀具及傳感器布置見圖2。

圖1 數(shù)據(jù)采集專用軟件界面

圖2 刀臂結(jié)構(gòu)

2 密實粉土切削試驗

2.1 單耙齒切削試驗

為了研究耙齒挖掘密封粉土的特性，研究不同切削角度、不同切削深度、不同切削速度、無水及水下切削對切削力的影響，進行了單耙齒的切削試驗研究。切削刀齒分為30°、45°和60°，切削刀齒的尺寸為200 mm×75 mm(長×寬)，切削總長度5 m，試驗刀齒見圖3a)。疏浚工程中所用密實粉土耙頭所用耙齒型號為38DS，其中鑿齒尺寸入土長度約200 mm、齒寬平均75 mm，見圖3b)。

圖3 試驗刀齒及耙頭原刀齒

2.1.1水下切削對耙齒切削力的影響

疏浚工程中，挖泥船需要進行水下挖掘作業(yè)，耙齒在水下切削，對切削力會產(chǎn)生影響。為了分析水下切削對切削力的影響，進行了單耙齒水下切削試驗研究。

對標貫擊數(shù)分別為19擊和23擊的兩種密實粉土進行了無水和水下單耙齒切削試驗研究，切削角度為45°，切削深度為90 mm，切削速度為0.8 m/s，研究水下切削條件對耙齒切削力的影響。水下切削對單耙齒水平切削力的影響見圖4，可以看出，水下切削耙齒的水平切削力會有所增加，并且標貫擊數(shù)越大水的影響效果越大。標貫擊數(shù)為19時，水下切削相較于無水切削，水平切削力因水下切削影響增大系數(shù)約為1.14；而標貫擊數(shù)為23時，水下切削相較于無水切削，水平切削力因水下切削影響增大系數(shù)約為1.22。

圖4 水下切削對單耙齒水平切削力的影響

2.1.2切削速度對耙齒切削力的影響

挖泥船不同的航行速度對耙齒的切削力會產(chǎn)生影響。耙吸式挖泥船在進行挖泥作業(yè)時航行速度在1～3 kn，為了研究切削速度對耙齒切削力的影響進行了不同標貫擊數(shù)密實粉土在不同切削速度下的單耙齒水下切削試驗研究，密實粉土標貫擊數(shù)分別為19、22、23擊，切削速度分別為0.5、0.8、1.3 m/s，切削角度為45°，切削深度為90 mm。切削速度對單耙齒水平切削力的影響見圖5，可以看出，切削速度增大則水平切削力會有所增加，并且速度越大這種增加趨勢會加大。當切削速度由0.8 m/s增加到1.3 m/s時，水平切削力因速度影響增大系數(shù)約為1.12；當切削速度由0.5 m/s增加到0.8 m/s時，水平切削力因速度影響增大系數(shù)約為1.02。

圖5 切削速度對單耙齒水平切削力的影響

2.1.3切削角度對耙齒切削力的影響

耙吸挖泥船在進行挖泥作業(yè)時，耙頭切削刀齒即耙齒與土體表面成不同的角度，不同的切削角度會對耙齒的切削力產(chǎn)生影響。進行了不同切削角度(30°、45°和60°)、90 mm切削深度、0.8 m/s切削速度條件下的密實粉土水下切削試驗，研究分析切削角度對耙齒切削力的影響。切削角度對單耙齒水平切削力的影響見圖6，可以看出，切削角度增大則水平切削力有所增加。

圖6 切削角度對單耙齒水平切削力的影響

2.1.4切削深度對耙齒切削力的影響

耙吸挖泥船在進行挖泥作業(yè)時，耙頭切削刀齒的切削深度不同對耙齒的切削力產(chǎn)生較大影響。進行了不同標貫擊數(shù)、不同切削深度(60、90、120、150 mm)、45°切削角度0.8 m/s切削速度條件下的密實粉土水下切削試驗，研究分析切削深度對耙齒切削力的影響。不同標貫擊數(shù)密實粉土、不同切削深度對單耙齒水平切削力的影響見圖7，可以看出，切削深度增大，水平切削力增加，同時隨著密實粉土標貫擊數(shù)的增加，水平切削力增加。

圖7 切削深度對單耙齒水平切削力的影響

2.2 三耙齒切削試驗

耙吸挖泥船耙頭裝有多個耙齒，在耙頭切削土體時多個耙齒同時受力，此時相鄰的兩個耙齒間破壞的土體會產(chǎn)生相互作用，該作用將影響到單個耙齒的切削刀。因此，進行了45°切削角、0.8 m/s切削速度條件下的三耙齒密實粉土水下切削試驗，將3個耙齒的受力分別與單耙齒切削力進行對比，研究分析多個耙齒參與切削土體時對耙齒切削力的影響。每個耙齒尺寸為75 mm×200 mm，相鄰兩耙齒間齒間距為100 mm，該間距布置參考耙頭原耙齒，見圖8。

圖8 三耙齒切削刀

三耙齒切削密實粉土時兩側(cè)耙齒、中間耙齒、三耙齒平均及單耙齒的水平切削力對比見圖9，可以看出，當進行三耙齒切削時，由于相鄰耙齒間的作用，使得兩側(cè)齒及中間齒的切削力相比于單耙齒的切削力都有所減小。其中，中間齒切削力減小最為明顯，中間齒的切削力相比于單齒切削力的系數(shù)約為0.88，兩側(cè)齒的切削力相比于單齒切削力的系數(shù)約為0.97。即進行多耙齒切削力計算時，中間齒乘以系數(shù)0.88，兩側(cè)齒乘以系數(shù)0.97。

圖9 多齒切削對水平切削力的影響

2.3 高壓沖水切削試驗

耙吸挖泥船進行挖掘作業(yè)時，開啟高壓沖水裝置可以減小耙齒的切削力、提高工作效率。為了研究高壓沖水對密實粉土切削力的影響，進行了不同切削速度和不同切削深度條件下的密實粉土水下切削試驗。其中，高壓沖水噴嘴直徑18 mm，噴嘴處速度25 m/s，高壓沖水噴嘴見圖10。

圖10 高壓沖水噴嘴

不同切削速度和不同切削深度條件下，密實粉土水下切削的水平切削力見圖11，可以看出，在開啟高壓沖水時，耙齒的切削力有明顯的減小。圖11a)為切削角度為45°、切削深度為90 mm、切削速度分別為0.8和1.3 m/s條件下，開啟和關(guān)閉高壓沖水時耙齒的水平切削力，當開啟高壓沖水裝置后，耙齒的水平切削力分別下降到原來的77%和76%。圖11b)為切削角度為45°，切削速度為0.8 m/s，切削深度分別為90、120 mm條件下，開啟和關(guān)閉高壓沖水時耙齒的水平切削力。當開啟高壓沖水裝置后，耙齒的水平切削力均下降到原來的77%。

圖11 高壓沖水對單耙齒水平切削力的影響

3 耙齒切削阻力的計算

耙齒在切削密實粉土時將產(chǎn)生切削阻力，該阻力的計算對耙頭的設(shè)計以及密實粉土挖掘施工工藝的制定都有重要的意義。以往采用的切削阻力計算模型多參考陸地機械切削阻力計算的經(jīng)驗公式：

Px=106Bghkb

(1)

式中：Px為切削阻力(N)；Bg為切削刃總寬度(m)；h為切削深度(m)；kb為切削比阻力(MPa)。

該經(jīng)驗公式多用于陸地機械如推土機切削阻力的計算，但是陸地機械在挖掘土體過程中的切削角度、速度變化不大，施工土質(zhì)相對單一。而在疏浚工程中，挖泥船施工時航速在1～3 kn，受到水下切削的影響，疏浚的土質(zhì)也更加復雜，需要建立新的經(jīng)驗公式。影響耙頭等挖泥機具的切削力的主要參數(shù)包括刀具的寬度、切削深度、切削角度、切削速度以及土質(zhì)參數(shù)等，根據(jù)密實粉土水下切削試驗建立耙齒切削阻力經(jīng)驗公式如下：

Px=f(Bg，h，α，v，n)

(2)

式中：Px為切削阻力(N)；Bg為切削刃總寬度(m)；h為切削深度(m)；α為切削角度(°)；v為切削速度(m/s)；n為標貫擊數(shù)(擊)。經(jīng)驗公式的計算切削阻力與試驗值的對比見圖12。

圖12 耙齒切削阻力經(jīng)驗公式計算值與試驗值對比

根據(jù)密實粉土切削力計算經(jīng)驗公式，預測不同標貫擊數(shù)的密實粉土在不同的切削工況下的切削力，為挖泥機具的設(shè)計及施工工藝的制定提供指導，見圖13。

注：切削角度50°時切削速度為2.5 kn。

4 結(jié)論

1)在進行單耙齒切削時，水下切削相較于無水切削，耙齒水平切削力會增大1.1到1.2倍；在進行不同切削速度切削時，耙齒水平切削力會增大約1.1倍；單耙齒的水平切削力隨著切削角度和切削深度的增加而增加。

2)在進行三耙齒切削時，耙齒的水平切削力會因為相鄰刀齒間的相互作用比單耙齒切削力有所減小。在進行高壓沖水切削時，開啟高壓沖水后，耙齒切削力明顯減小，單耙齒的水平切削力是原來的77%左右。

3)影響耙頭等挖泥機具切削力的主要參數(shù)包括刀具的寬度、切削深度、切削角度、切削速度以及土質(zhì)參數(shù)等，根據(jù)密實粉土水下切削試驗建立了耙齒切削阻力經(jīng)驗公式。