吸盤挖泥船吸盤試驗(yàn)研究

馮峰 孫雪 孫原 李曉姣

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

0 引 言

吸盤挖泥船最早出現(xiàn)在美國(guó)，是繼鏈斗挖泥船、絞吸挖泥船、耙吸挖泥船之后發(fā)展起來(lái)的一種新型挖泥船，主要用于密西西比河的維護(hù)和疏浚。除美國(guó)外，俄羅斯的西伯利亞以及中國(guó)長(zhǎng)江航道等上游河段也有此類挖泥船進(jìn)行作業(yè)。

隨著疏浚行業(yè)的繁榮發(fā)展，吸盤挖泥船越來(lái)越受到重視，美國(guó)、日本、芬蘭、捷克斯洛伐克等國(guó)都相繼自行設(shè)計(jì)、制造了這種船舶。我國(guó)由中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的第一艘吸盤挖泥船“吸盤1號(hào)”于1993年在東海船廠建造成功，然而當(dāng)時(shí)吸盤挖泥船的關(guān)鍵設(shè)備——吸盤頭仍從國(guó)外進(jìn)口，有關(guān)吸盤型式、特性對(duì)挖泥船挖泥效果的理論研究也比較匱乏［1］。

本文依托于黑瞎子島航道疏浚工程船，針對(duì)黑龍江水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院自行設(shè)計(jì)的吸盤進(jìn)行模型試驗(yàn)，以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)吸盤能否滿足實(shí)際工程需要。

1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器綜述

吸盤試驗(yàn)是在黑龍江水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院的泥漿試驗(yàn)室完成的。黑龍江水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院的泥漿試驗(yàn)池尺度（長(zhǎng)×寬×深）為 8 m×2 m×1 m。

（1）實(shí)船的相關(guān)設(shè)備參數(shù)

泥泵：清水流量5 000 m3，揚(yáng)程46 m；

吸盤口尺寸：7.2 m×0.18 m，分為左右兩腔；

土質(zhì)：Ⅲ類土，中細(xì)砂（平均粒徑d50=0.245 mm）；

（2）試驗(yàn)?zāi)酀{池的主要設(shè)備參數(shù)

主機(jī)：三相異步電動(dòng)機(jī)，額定電壓380 V；

泥漿泵：流量40 m3/h，揚(yáng)程15 m；

高壓沖水泵：流量12 m3/h，揚(yáng)程30 m；

X、Y方向臺(tái)車：X方向最大移動(dòng)距離為1.5 m，Y方向最大移動(dòng)距離為5.5 m；

臺(tái)車上配備有變頻測(cè)量?jī)x，能夠調(diào)節(jié)控制臺(tái)車行進(jìn)速度以及高壓沖水泵揚(yáng)程等；

電磁流量變送器：用來(lái)測(cè)量瞬時(shí)流量，額定電壓220 V，頻率 50 Hz；

計(jì)量筒：最大容積為1.3 L。

圖1 泥漿試驗(yàn)室概貌

2 模型概述

2.1 模型幾何比尺

在模型吸盤的設(shè)計(jì)上，為了滿足高壓噴水孔的布置，吸盤模型需要具有一定尺寸。因?yàn)槲P模型較小，加大了布置高壓沖水噴射孔的難度，且減小噴水孔尺寸會(huì)使懸浮的泥沙堵塞其中，降低高壓沖水的噴射力，從而導(dǎo)致挖掘效率的變化，泥面平整度也會(huì)受影響。因此，為了減小比尺效應(yīng)的影響，應(yīng)選擇較大比尺的模型。但是大比尺的模型吸盤較重且會(huì)增加泥漿流量，所需要的泥泵和高壓沖水泵的功率也會(huì)相應(yīng)增大，臺(tái)車的拖曳阻力也加大，因而吸盤模型比尺的選擇將受到試驗(yàn)室采用的泥泵功率、高壓沖水泵的功率、行進(jìn)臺(tái)車功率及泥漿池大小等條件的限制［2］。通過(guò)試算并綜合考慮各方面因素，確定試驗(yàn)室允許條件下的吸盤縮尺比為8（主要尺寸查表1）。

需要注意的是，試驗(yàn)用泥沙的粒徑與實(shí)際情況完全一致，無(wú)法做到縮放，從而影響高壓沖水的噴射效果。為了盡量減少泥沙對(duì)噴射孔的堵塞、提高試驗(yàn)的精度，故噴射孔的縮放比會(huì)與整個(gè)實(shí)體的縮放比不一致（實(shí)際孔的直徑為20 mm，試驗(yàn)孔直徑為 5 mm）。

表1 吸盤和模型主要參數(shù)（λ=8）

2.2 模型建立與加工

根據(jù)黑龍江水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的吸盤裝配總圖，在SolidWorks2010軟件建立吸盤整體模型，包括吸盤主體和高壓沖水系統(tǒng)，如圖2所示。在SolidWorks軟件里導(dǎo)出各板的工程圖，按照1∶8比例進(jìn)行放樣，并依據(jù)吸盤裝配總圖進(jìn)行裝配焊接，得出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖3所示。

圖2 SolidWorks軟件里面的吸盤模型

圖3 吸盤模型實(shí)體

將加工好的吸盤模型通過(guò)法蘭盤固定在支架上（可通過(guò)調(diào)節(jié)支架改變吸盤的下放角度和深度），高壓沖水泵通過(guò)兩根軟管分別與吸盤高壓沖水的側(cè)入流進(jìn)口、直入流進(jìn)口相連，如圖4所示。

3 吸盤模型試驗(yàn)

試驗(yàn)根據(jù)吸盤的結(jié)構(gòu)特性及工作原理分四部分進(jìn)行，包括無(wú)高壓沖水系統(tǒng)下各變量對(duì)泥漿濃度的影響、高壓沖水系統(tǒng)開啟條件下雙排噴嘴工作變量對(duì)泥漿濃度的影響、僅上排噴嘴工作各變量對(duì)泥漿濃度的影響、僅下排噴嘴工作各變量對(duì)泥漿濃度的影響。試驗(yàn)流程圖如圖5所示。

圖4 吸盤模型安裝圖

圖5 吸盤試驗(yàn)流程圖

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)的最終目的是測(cè)量排泥管排出的泥漿濃度，以判斷所設(shè)計(jì)吸盤能否滿足工程需要。測(cè)量濃度有以下幾種方法：

（1）試驗(yàn)設(shè)備計(jì)量筒和電子秤。

（2）工程測(cè)量法：測(cè)量吸盤完成固定挖泥距離所用的時(shí)間t，待完成后將泥漿池內(nèi)的水排出，通過(guò)測(cè)量泥溝的深度h、寬度B以及長(zhǎng)度L進(jìn)行計(jì)算，公式為：濃度

（3）直接在排泥管口處用量杯接取溶液。

由于高壓沖水未開啟，故當(dāng)臺(tái)車靜止時(shí)，吸盤只是依靠泥漿泵的吸力吸入清水或者摻雜表層浮泥的泥漿，濃度很小。臺(tái)車以一定速度前進(jìn)時(shí)，吸盤則依靠吸盤頭的機(jī)械切削作用及泥漿泵吸水的沖刷作用，吸入的溶液濃度比靜止時(shí)稍高，但仍然達(dá)不到要求。因此本試驗(yàn)主要是在高壓沖水開啟時(shí)，通過(guò)測(cè)量不同工況的濃度來(lái)進(jìn)行分析判斷。

3.1.1 吸盤上部沖水系統(tǒng)（直入流）

打開高壓沖水泵控制上排噴嘴的閥門進(jìn)行測(cè)量，得到如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 開啟上排高壓沖水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1.2 吸盤下部沖水系統(tǒng)（側(cè)入流）

打開高壓沖水泵控制下排噴嘴的閥門進(jìn)行測(cè)量、得到如表3所示數(shù)據(jù)。

3.1.3 吸盤兩排高壓沖水

打開高壓沖水泵控制上、下排噴嘴的閥門進(jìn)行測(cè)量，得到如表4所示數(shù)據(jù)。

表3 開啟下排高壓沖水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 開啟高壓沖水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)主要有三個(gè)變量：高壓沖水系統(tǒng)、吸盤下放的深度及吸盤工作的角度。根據(jù)表2～4，可以看出：

（1）高壓沖水打開，在吸盤下放深度一致的前提下，排泥管排出泥漿的濃度隨著吸盤工作角度的增加而升高；而在吸盤工作角度一致的前提下，泥漿濃度隨著吸盤下放深度的增加而升高。

（2）單排高壓沖水開啟的情況下，比較表2和表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可看出開啟上排噴水系統(tǒng)（直入流）得到的泥漿濃度較開啟下排噴水系統(tǒng)（側(cè)入流）高。究其原因：高壓沖水系統(tǒng)中，主要能耗是局部水頭損失和水箱內(nèi)部紊動(dòng)造成的損失。側(cè)入流的射流一致性較直入流要稍好一些，但在流場(chǎng)的穩(wěn)定性方面要差很多，能耗比較大，直接影響到射流的平均速度。如果條件允許，使用直入流效果更好。

（3）兩排高壓沖水開啟的情況下，測(cè)量得到的泥漿濃度較單排高壓沖水高很多，效果最好。

（4）吸盤試驗(yàn)環(huán)境雖然盡量模擬實(shí)際流域條件，但與實(shí)際不同：吸盤模型為1∶8，固體物料顆粒（泥沙）直徑為1∶1。雖然對(duì)噴射孔進(jìn)行擴(kuò)大，但仍會(huì)有泥沙堵塞噴射孔，直接導(dǎo)致高壓噴射沖擊力的降低，降低泥漿濃度；泥漿池內(nèi)水流為靜止，而實(shí)際工況有一定的流速；泥漿池里的泥由于常年未使用，硬度也相對(duì)較高，高壓沖水時(shí)會(huì)影響沖擊效果。綜合以上不利因素，實(shí)際進(jìn)行疏浚工作時(shí)排出的泥漿濃度會(huì)高于試驗(yàn)測(cè)得的濃度5%～10%，即實(shí)際泥漿濃度應(yīng)該能達(dá)到20%～30%，符合工程需要，證明所設(shè)計(jì)吸盤合理。

4 模型數(shù)值模擬

為了判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們?cè)赟olidWorks軟件里對(duì)模型進(jìn)行1∶8縮放，導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行數(shù)值模擬并比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果。數(shù)值模擬是根據(jù)已測(cè)濃度和出口流量值計(jì)算進(jìn)、出口的速度，無(wú)法考慮高壓沖水和工況變量，而試驗(yàn)所需比對(duì)的數(shù)據(jù)是根據(jù)出口流量計(jì)算進(jìn)、出口速度。由于在前一章節(jié)試驗(yàn)中，兩排高壓沖水開啟情況下測(cè)得的泥漿濃度較符合實(shí)際工程需要，故本節(jié)數(shù)值模擬只取第三組數(shù)據(jù)，表5為數(shù)值模擬吸盤1∶8模型得到的進(jìn)出口速度。

表5 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比對(duì)

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中電子流量計(jì)測(cè)得的流量可以粗略計(jì)算出吸盤進(jìn)出口的速度，如表6所示。計(jì)算得到的出口速度實(shí)際為排泥管的出口速度，由于泥漿從吸盤口到排泥管出口有約3 m長(zhǎng)的管路，存在沿程損失，所以吸盤出口的速度比表6中的數(shù)值偏大，根據(jù)誤差公式計(jì)算得到的誤差比表6中的數(shù)值偏小。由表6可以看出，誤差大部分在5%以內(nèi)，由此可以推斷實(shí)際吸盤出口速度誤差更小，試驗(yàn)與數(shù)值模擬相吻合。

表6 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比對(duì)

5 結(jié) 論

本文模型試驗(yàn)旨在獲得多組數(shù)據(jù)以便進(jìn)行定量研究，總結(jié)設(shè)計(jì)吸盤的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。不過(guò)，由于試驗(yàn)室設(shè)備陳舊，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集量與精度大大降低。試驗(yàn)時(shí)由于泥漿渾濁，故無(wú)法觀察到水下高壓沖水噴射后泥漿流的流動(dòng)情況。

我們建議試驗(yàn)室能盡快添加高速攝像儀等設(shè)備，為深入的后續(xù)研究作準(zhǔn)備。

［1］袁威.吸盤式挖泥船吸盤特性研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.2010.

［2］洪國(guó)軍，王健，林風(fēng).自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè).2008（04）：19-20.