絞吸式挖泥船絞刀系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

王翰濤，魯力群，王秀景

· （山東理工大學，山東 淄博 255049）

絞吸式挖泥船絞刀系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

王翰濤，魯力群，王秀景

· （山東理工大學，山東 淄博 255049）

絞刀系統(tǒng)是絞吸式挖泥船的核心工作機構(gòu)，其利用絞刀的切削作用將水下泥土搬離原有位置并與附近的水混合形成泥漿以便于輸送，改善絞刀系統(tǒng)性能可顯著提高挖泥船工作效率。在綜合研究和分析絞刀切削理論基礎上，本文歸納和總結(jié)了國內(nèi)外挖泥船絞刀結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動技術(shù)的現(xiàn)狀和進展。針對具體疏浚工程特點，提出采用適于加工工藝、耐磨、可調(diào)環(huán)保型絞刀，可明顯提高絞刀工作性能。比較和分析了液壓馬達、交直流電機驅(qū)動絞刀系統(tǒng)的特點和存在的問題，表明采用調(diào)速優(yōu)良、效率高、損耗小的開關磁阻電機驅(qū)動方式將是絞刀驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

絞刀系統(tǒng)；挖泥船；驅(qū)動；開關磁阻電機；現(xiàn)狀及發(fā)展

0 引言

絞吸式挖泥船是近年來世界上擁有數(shù)量最多、使用最廣的一種挖泥船，完成了世界上大約70%的疏浚工程。絞吸式挖泥船施工主要依靠安置在絞刀橋架前端呈螺旋形式的絞刀頭的自身旋轉(zhuǎn)、左右擺動以及吸泥泵泵吸，將疏松之后的泥水混合物運送到指定的卸泥區(qū)。一套完整的挖泥船系統(tǒng)主要包括：絞刀系統(tǒng)、泥漿輸送系統(tǒng)、定位樁系統(tǒng)、臺車系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)。其中絞刀系統(tǒng)是絞吸式挖泥船的核心挖掘部件，也是重要的功率輸出部件，絞刀系統(tǒng)主要由絞刀頭、工作機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)等組成。本文闡述了絞刀系統(tǒng)各個部分的發(fā)展概況，研究了絞刀不同結(jié)構(gòu)形式的特點和局限性，對不同絞刀驅(qū)動形式作了對比分析，展望了絞刀系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢。

1 絞刀系統(tǒng)切削理論

絞刀系統(tǒng)的研發(fā)一直以來都是各大疏浚公司重點研究的課題，20世紀70年代荷蘭Vosta-LMG公司研發(fā)了S10-S20 及 D20-D35系列第一代切削系統(tǒng)，在當時疏浚業(yè)發(fā)揮了重要作用，但在之后的使用過程中第一代系統(tǒng)逐漸暴露出切削比能大、刀齒配合工藝差以及易斷裂等問題；20世紀80年代開發(fā)出的第二代切削系統(tǒng)，較好的解決了第一代系統(tǒng)存在的問題，并且系列眾多，較好的滿足了不同生產(chǎn)的需求；2004年Vosta-LMG公司又發(fā)布了第三代T-System切削系統(tǒng)，該系統(tǒng)延續(xù)自由切割的設計理念，追求最小切削比能、提升各種性能要求，配置齒與座安裝后的鎖緊裝置。目前，隨著3D實體建模技術(shù)的成熟，絞刀切削系統(tǒng)設計向著研發(fā)周期短、制造成本低和實用價值高的方向轉(zhuǎn)變[1]

1.1 二維切削理論

絞刀設計之前對絞刀頭載荷的正確估計很有必要，可有效避免刀體工作時因過載而損壞。在系統(tǒng)的切削理論出現(xiàn)之前，人們往往通過經(jīng)驗公式估算絞刀頭的外載荷，但是結(jié)果并不準確。直到20世紀70年代，代爾夫特大學才開始基于水飽和沙的切削理論研究。1985年Steeghs發(fā)表了基于剪切帶的循環(huán)變形理論，這個理論闡述了循環(huán)變形率在比奧方程中的應用，同年Miedema利用平均變形率作為剪切帶的邊界條件而不是將其作為比奧方程的一個條件，提出了二維切削理論。1987年Miedema對于二維切削理論在水飽和沙中的應用進行了詳細的描述，并給出了絞刀直刃切削力的確定方法，解釋了這種模型的應用方法并將其應用到絞刀的切削力和扭矩分析。

所謂的二維切削理論即在分析三維結(jié)構(gòu)的絞刀時，為了便于分析采用一系列垂直于絞刀軸的平面去刨切絞刀，將三維絞刀切削成若干個二維平面的總和。由于在切削的過程中，刀體上的速度、受力和扭矩等都將發(fā)生變化，為了便于分析受力和扭矩，假定每個剪切面是連續(xù)不變的，對切得的二維平面進行力和扭矩的分析。

二維切削理論可用來預測開挖元素如絞刀頭、耙頭等的負荷大小，并用來計算分析絞刀在不同角度和工況下的絞刀切削力大小，為絞刀頭的設計提供理論依據(jù)。利用二維切削理論在土壤力學參數(shù)、挖掘元件的幾何形狀和可用功率等已知的情況下還可預測絞刀生產(chǎn)量[2-3]。目前在國內(nèi)的專家學者們也對絞刀切削理論做了很多理論方面的研究和實驗分析：如潘英杰等人通過引入二維切削理論來計算絞吸式挖泥船絞刀頭在不同工作狀態(tài)下所受到的載荷。

1.2 三維切削理論

通過二維切削理論可將三維切削過程分成若干個二維小單元進行受力研究，然而這種情況只有在切削刃垂直于其速度方向時才成立，大多數(shù)情況下組件的運動方向與其切削方向會產(chǎn)生一定角度的偏差，如圖1所示。根據(jù)雪梨效應，當?shù)扼w向一個方向切削土壤時，根據(jù)作用力和反作用力原理會產(chǎn)生一個反向的橫向運動，結(jié)果產(chǎn)生了一個橫向剪切力，這樣就產(chǎn)生了三個剪切力和一個速度方向四個未知數(shù)。1994年，Miedema提出了三維切削理論，指出為了求出橫向剪切力和刀刃上的土壤運動方向，通過力的平衡方程和晶粒的剪切帶速度和刀片上顆粒速度之間的速度平衡方程最終得出四個非線性的隱式方程，通過迭代求解的方法最終求解。同時指出在大多情況下即使土力學參數(shù)、沙密度已知的情況下，當需要計算出切削過程中的力、轉(zhuǎn)矩、功率、比能量和生產(chǎn)量時，同樣也需要復雜的計算過程，三維切削理論的發(fā)現(xiàn)對于解決更復雜的切削過程提供了便利的方法[4-5]。

圖1 絞刀三維切削過程

2 絞刀結(jié)構(gòu)形式及其發(fā)展

2.1 絞刀基本結(jié)構(gòu)

絞刀主要由大環(huán)、刀臂、刀齒(刀刃)和輪轂四部分構(gòu)成，如圖2所示。其中大環(huán)和輪轂將刀臂連接成一個整體，刀齒(刀刃)鉚接或焊接在刀臂上，輪轂與絞刀軸相連，輪轂的作用是傳遞力和扭矩。

圖2 絞刀結(jié)構(gòu)圖

絞刀的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，每種絞刀都有其特定的適應條件和工作場所。如表1所示，分類標準不同所得的絞刀類型也不相同。然后在實際的施工過程中選擇什么形式的絞刀一方面取決于所要挖掘的土質(zhì)種類：比如挖掘松軟土和挖掘硬質(zhì)土所需要的絞刀類型就是不一樣的；另一方面絞刀類型和尺寸的選擇也與絞刀速度、絞刀功率以及絞刀驅(qū)動機構(gòu)的功率有關，在大多數(shù)情況下，在同一條挖泥船上應該根據(jù)其本身性能的不同配備不同形式的絞刀。

表1 不同類型的絞刀分類

2.1.1 刀臂

刀臂是一般采用空間扭曲的三維螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋形式的刀臂具有連續(xù)性工作、減少刀體磨損、避免瞬時沖擊力的產(chǎn)生的優(yōu)點。刀臂安裝在橋架前端，與絞刀軸成30°～45°角，刀臂的數(shù)量一般5～7個不等。

刀臂可以實現(xiàn)單雙方向轉(zhuǎn)動，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向的不同又分為順向刀臂和逆向刀臂，如圖3所示。當絞刀上刀臂的切削方向與行程方向一致時要比切削方向與行程方向相反時疏浚效率高30%，如圖4所示。

圖3 不同旋轉(zhuǎn)方向的絞刀

圖4 絞刀正逆切削過程示圖

2.1.2 刀齒(刀刃)

刀齒一般采用鉚接或焊接安裝在刀臂上，刀齒作為絞刀工作的直接執(zhí)行元件，其性能的好壞直接影響絞刀整體切削性能的好壞，并且刀齒系統(tǒng)的設計安裝可以直接決定刀頭的切削半徑、切削角、間隙角等參數(shù)。絞刀根據(jù)所采用切削構(gòu)件的不同，分為刀刃型和刀齒型。目前的絞刀頭設計大都采用活絡齒結(jié)構(gòu)，即在絞刀臂上焊接絞刀齒座并與其裝配組成具有高耐磨性以及良好抗沖擊性能的絞刀齒。挖泥船施工作業(yè)中選用何種類型的刀齒取決于施工土質(zhì)的類型，刀齒分類如表2所示。

表2 常見刀齒(刀刃)分類表

2.2 新型絞刀結(jié)構(gòu)及工藝

2.2.1 派生型絞刀

隨著挖泥船施工領域的擴大，人們對挖泥船作業(yè)效率和絞刀的切削性能提出了更高要求，同時也推動了絞刀本身結(jié)構(gòu)的更新和改進。近年來，研究者們在原有絞刀的基礎上，針對特定的工作環(huán)境研發(fā)出了許多派生型絞刀：

(1)可逆式絞刀：能隨橫移方向的改變而自動改變切割方向并始終保持自下而上的方向切削。

(2)沖水式絞刀：沖水式絞刀不但可提高挖泥船的生產(chǎn)效率，降低電能耗30.7%，而且可提高泥漿濃度，消除絞刀內(nèi)腔堵塞，可使挖泥船在平均泥漿濃度為32%的條件下工作，這是挖細砂和硬泥的有效方法。

(3)橫軸斗輪式絞刀：為了避免自上而下的切土方法，能始終自下而上切土，挖泥均勻，對某些土質(zhì)的生產(chǎn)效率比普通絞刀要高，更適用于淺水作業(yè)和挖掘水下礦藏。

除此之外還有直軸型斗式絞刀、擺動式絞刀、擺切式絞刀、鏈式絞刀、匙形絞刀、螺旋片式絞刀、鏟形絞刀等派生型絞刀[6-9]。

2.2.2 環(huán)保型絞刀

隨環(huán)保理念的深入，保護生態(tài)環(huán)境平衡，走可持續(xù)發(fā)展的理念越來越被人們所熟知。在疏浚清淤中將水土護理、生態(tài)重建、環(huán)境整治及資源利用等有機的整合，逐漸成為一個新的發(fā)展趨勢。早在20世紀70年代，美國、西歐等發(fā)達國家開始大力投入致力于環(huán)保疏浚研究，取得了顯著的成果。日本從1975年開始研制了多項專用的環(huán)保疏浚設備，如螺旋式挖泥絞刀和密封旋轉(zhuǎn)斗輪挖泥絞刀，通過在挖泥時阻斷水侵入土中，以此來提高泥漿疏浚濃度并且防止發(fā)生污染和擴散現(xiàn)象，減少對周圍水體的二次污染。

荷蘭IHC公司、BOSKALIS疏浚公司、HAM公司和國際疏浚公司分別成功開發(fā)了帶罩式環(huán)保絞刀、立式圓盤環(huán)保絞刀、螺旋環(huán)保絞刀和刮掃吸頭等多種環(huán)保型絞刀。

荷蘭 IHC公司開發(fā)了配備液壓可調(diào)節(jié)罩式的刀片環(huán)保型絞刀，并將其應用在海貍600型絞吸式挖泥船上，該船采用定位樁臺車,配備有自動挖泥控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng),使用DGPS定位。1996年三星公司與荷蘭IHC公司合作采用帶罩式環(huán)保絞刀建造了海貍1600型環(huán)保絞吸式挖泥船，并在絞刀上安裝攝像系統(tǒng)，可以實現(xiàn)水下10cm精度的疏浚作業(yè)。DAMEN公司為HAM疏浚公司設計制造了螺旋環(huán)保絞刀，提高了疏浚精度(5cm以下，有的甚至在 1～2cm)和泥漿濃度(80%以上)，并且在刀口配置有擋泥罩，其獨特的設計不但可防止污染擴散還可保證較高的泥漿濃度的雙重疏浚效果[10]。

2.2.3 絞刀制造新工藝

(1)絞刀整體成型工藝及防石板技術(shù)

為了增加絞刀本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加成型率，目前的絞刀加工技術(shù)均采用整體成型工藝即：采用絞刀大環(huán)、輪轂、刀片整體制造加工的方法，一次成型；同時為了防止絞刀工作中因吸入較大的硬質(zhì)泥塊對刀體造成損壞，并在刀臂所圍成的空間內(nèi)設置由鋼圈構(gòu)成的防石板裝置，通過連接件固定在刀臂內(nèi)側(cè)表面，以避免硬質(zhì)石塊等進入絞刀內(nèi)部[11]，防石板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 防石板絞刀示意圖

(2)新型挖巖絞刀

隨著疏浚市場的擴大及挖掘深度的加深，針對硬土和風化巖石的切削，目前現(xiàn)有的小功率挖泥砂型絞刀頭難以滿足需求。中交天航南方交通建設有限公司何永良等人研發(fā)了一種新型挖巖絞刀，該絞刀含有多個絞刀片，如圖6所示，每個絞刀片上設置多個齒座，每個齒座上由銷子連接有刀齒，適于磨損后更換；多個絞刀片的下端固定在環(huán)形底座上，上端連接在內(nèi)有T型螺紋的圓柱體上，每個絞刀片均與環(huán)形底座所在的平面呈40°～70°傾斜角，這種挖巖絞刀的設計可以使絞刀在旋轉(zhuǎn)挖巖時刀尖正對巖石撞擊，受力集中在刀尖上，易于破碎巖石，將其用于開挖巖石和硬土的船舶上，可使絞吸式挖泥船的適用范圍加大，提高經(jīng)濟效益[12]。

圖6 挖巖絞刀示意圖

(3)新型絞刀齒

針對目前絞刀齒普遍存在易磨損、壽命短、成本高的問題，中船重工703研究所研制了一種新型的絞刀齒。該刀齒包括主齒尖、副齒尖和齒柄，主齒尖和齒柄做成一個整體，齒柄的后側(cè)面設有與齒座相配合的凹槽和齒耳，副齒尖的根部連接齒柄，主齒尖和副齒尖之間設有加強筋，主齒尖的磨削面為平面，絞刀齒的端面為背側(cè)面，背側(cè)面與齒柄的中心線平行，如圖7所示。這種新型的絞刀齒設計理念增加了絞刀齒整體的結(jié)構(gòu)強度，防止絞刀齒的斷裂，更加合理的結(jié)構(gòu)布局在提高整體強度的基礎上，副齒尖還可將淤泥和碎石塊分流[13]。

圖7 新型絞刀齒

3 絞刀系統(tǒng)驅(qū)動形式

絞刀系統(tǒng)作為絞吸式挖泥船的工作系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速相對較低，為 15～30r/min。其驅(qū)動形式主要有電機驅(qū)動和液壓馬達驅(qū)動兩種形式，電機驅(qū)動機構(gòu)一般安裝在橋架鉸鏈處，驅(qū)動系統(tǒng)和齒輪箱處于水面之上；液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)一般安裝在絞刀頭側(cè)，距離絞刀 3～4m距離，驅(qū)動系統(tǒng)和齒輪箱安置于水下箱體內(nèi)[14]。

3.1 液壓馬達驅(qū)動形式

液壓馬達驅(qū)動一般通過齒形聯(lián)軸器將齒輪箱和絞刀連成一個整體，在液壓驅(qū)動中由于馬達的轉(zhuǎn)速高而絞刀的轉(zhuǎn)速相對來說較低(一般為15～25r/min)，因此必須通過齒輪箱減速增扭[15]，液壓驅(qū)動絞刀傳動示意圖，見圖8。

圖8 液壓驅(qū)動絞刀傳動示意圖

在實際應用中，由于單個液壓馬達本身存在功率的限制，根據(jù)所采用的馬達數(shù)量一般分為單個液壓馬達和多個液壓馬達同時驅(qū)動兩種情況，采用多個馬達聯(lián)同驅(qū)動在滿足負載功率需求的同時，還可在某個馬達出問題時仍能維持系統(tǒng)安全正常的運行，液壓馬達驅(qū)動特性如表3所示[16]。

表3 液壓馬達驅(qū)動特性表

3.2 電機驅(qū)動形式

目前常用的電機驅(qū)動形式主要有直流電機驅(qū)動和交流感應電機驅(qū)動兩種，電機驅(qū)動模式一般通過絞刀齒輪箱，齒形聯(lián)軸器、傳動軸來驅(qū)動絞刀，傳動系統(tǒng)簡圖，如圖9所示，這種驅(qū)動形式由于電機需要在水下工作，所以對電機的絕緣性和密封性要求較高。

圖9 電機驅(qū)動絞刀傳動系統(tǒng)示意圖

直流電機驅(qū)動系統(tǒng)一般采用斬波器控制系統(tǒng)，直流電機驅(qū)動具有成本低、易于調(diào)速、控制器簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但是直流電機受電刷和換向器的影響效率低，轉(zhuǎn)速較交流感應電機低，而且體積和重量較大；交流感應電機驅(qū)動系統(tǒng)一般采用矢量控制的變頻調(diào)速方式，交流驅(qū)動具有效率高、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕和壽命長等優(yōu)點，但是交流感應電機驅(qū)動由于需要變頻器致使成本加大、控制方式復雜。直流電機和交流感應電機驅(qū)動部分性能比較如表4所示。

由表4可知，交流電動機驅(qū)動相比直流電動機具有一定的優(yōu)勢，但是在效率、可靠性、散熱性等方面的優(yōu)勢并不是很明顯，而且交流電動機還存在成本較高的弊端。與這兩種驅(qū)動系統(tǒng)相比，開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢和競爭力，SRD具有可控參數(shù)多、易實現(xiàn)四象限控制、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高的特點。三種電機特性比較如表5所示。可知，開關磁阻電機的綜合性能比前兩者都要優(yōu)越，無論是效率、過載能力、電機質(zhì)量尺寸，還是可靠性、操作性能、成本方面都是具有明顯的優(yōu)勢，更適合絞刀驅(qū)動[17-19]。

表4 直流電機和交流感應電機部分特性對比(相對值)

表5 三種電機性能比較

3.3 不同驅(qū)動形式的比較

在實際應用中絞刀系統(tǒng)采用何種驅(qū)動形式取決于平均負荷和高峰負荷之間的預期關系，如表6所示。

表6 國內(nèi)外部分絞吸式挖泥船系統(tǒng)參數(shù)表

表6列出了部分國內(nèi)外絞吸式挖泥船部分參數(shù)配置情況，從表6可看出，不管是國內(nèi)還是國外挖泥船絞刀系統(tǒng)的驅(qū)動形式均是液壓或是電機驅(qū)動，而且從表中還可看出，隨著整船功率的增加絞刀的驅(qū)動由液壓驅(qū)動向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)變。

電機驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，電機驅(qū)動可以保持高負載工作而不會出現(xiàn)失速現(xiàn)象，這是因為電動機雖然會因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)慣量發(fā)生飛輪效應。但是傳動系統(tǒng)中的長軸通過扭矩傳遞反而抵消飛輪效應造成的影響，從而保持高負載正常運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動扭矩與速度特性如圖10所示。

圖10 電動機驅(qū)動的扭矩—速度特性圖

然而采用電機驅(qū)動時對齒輪箱的要求比較高，絞刀驅(qū)動齒輪箱必須要比挖泥船上所有的驅(qū)動器齒輪箱抵抗更大的負荷。這主要考慮的是挖泥船作業(yè)過程中產(chǎn)生的強勁動力特性，并且在絞刀切削作業(yè)時會產(chǎn)生機械振動也會導致扭矩加大，嚴重的會造成絞刀軸荷齒輪箱發(fā)生負扭矩，發(fā)生 “錘擊”現(xiàn)象，影響齒輪箱壽命。

當采用液壓馬達驅(qū)動發(fā)生超載時，限制壓力的安全閥就會啟動，使發(fā)動機停止工作。平均壓力產(chǎn)生的扭矩通常比最大的 60%～70%還要低很多，液壓驅(qū)動扭矩與速度特性如圖11所示。液壓驅(qū)動具有易操縱、元件壽命長及齒輪箱直接驅(qū)動絞刀頭等優(yōu)點。實際應用中，由于負載功率的需求同時使用多個液壓馬達同時驅(qū)動。

圖11 普通液壓驅(qū)動的扭矩與速度特性圖

液壓驅(qū)動與電機驅(qū)動各項性能比較如表7所示，可知，電機驅(qū)動尤其是采用開關磁阻電機驅(qū)動更有發(fā)展前景，更能符合節(jié)能減排、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)高效疏浚的發(fā)展戰(zhàn)略需求。

表7 電機驅(qū)動與液壓驅(qū)動比較

4 結(jié)語

(1)絞刀的結(jié)構(gòu)形式逐漸向著高效率、低能耗和壽命長的方向發(fā)展，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及其在挖泥船上的應用，未來的絞刀工作將越來越智能化。

(2)隨著環(huán)保理念的深入，環(huán)保疏浚、生態(tài)疏浚將越來越受歡迎，環(huán)保型絞刀設計將成為絞刀設計的發(fā)展方向。

(3)絞刀的研制開發(fā)隨著3D實體建模技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)周期將會縮短，成本也將減低。

(4)絞刀驅(qū)動系統(tǒng)也將朝著節(jié)能、高效、適應能力強的方向發(fā)展，電力驅(qū)動將會逐漸成為挖泥船絞刀驅(qū)動的主流模式。

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Technology Status and Development of Cutter System of Cutter Suction Dredger

WANG Han-tao,LU Li-qun,WANG Xiu-jing
(Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)

Cuter system is the core work body of cutter suction dredger.Its function is to move the soil away from their original position and mix the soil with the water nearly through the cutter’s cutting action,improve cutter system performance,and improve the work efficiency of dredger significantly.In a comprehensive study and analysis of soil cutting theory,the status and development of domestic and foreign forms of cutter structure and its driving technology are summarized.According to the characteristics of the dredging project,using the machining process,abrasion resistance,adjustable environment-friendly cutter can significantly improve the work performance.The characteristics of the hydraulic motor,AC and DC motor driven cutter system and the existing problems are compared,and it can be obtained that using the good switched reluctance motor drive,high efficiency,small loss of driving mode will be the development trend of the drive system.

cutter system；cutter suction dredger；drive；switched reluctance motor；present situation and development

TV53+5

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王翰濤（1987-），男，研究生，主要從事工程機械電液控制研究。