大型耙吸挖泥船系列化耙頭研發(fā)與應(yīng)用

孫守勝，肖博，林森，李章超

（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

目前，耙吸挖泥船施工時(shí)所面對的土質(zhì)類型日趨復(fù)雜[1]，例如天津新港30萬t航道施工中遇到的土質(zhì)主要由粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土組成，該土質(zhì)為5級土夾雜10級土，平均標(biāo)貫擊數(shù)N達(dá)到31，最高達(dá)到71。這種土質(zhì)以往主要由絞吸挖泥船進(jìn)行疏挖，一旦施工船舶換成耙吸挖泥船時(shí)，現(xiàn)場的施工效果就不太理想，具體表現(xiàn)為船舶進(jìn)艙濃度和產(chǎn)量相對較低。此外，耙吸挖泥船挖掘黏性極強(qiáng)的土質(zhì)時(shí)，耙頭會(huì)頻繁地發(fā)生堵塞繼而嚴(yán)重影響船舶的生產(chǎn)率。為解決這些困擾企業(yè)的難題，天航局決定在以往自主設(shè)計(jì)耙頭的基礎(chǔ)上研發(fā)適用于不同施工土質(zhì)的系列化耙頭。

本文介紹了系列化耙頭的分類，詳細(xì)闡述了每種耙頭的特點(diǎn)及適用范圍。同時(shí)，利用有限元分析軟件來輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系列化耙頭的設(shè)計(jì)工作[2-3]，并在不同的施工地點(diǎn)對系列化耙頭進(jìn)行了多次試驗(yàn)，獲取了大量的施工數(shù)據(jù)并分析了系列化耙頭的挖掘性能。

1 系列化耙頭分類

根據(jù)目前國內(nèi)耙吸船施工的典型土質(zhì)對耙頭進(jìn)行了分類，即黏土型耙頭、密實(shí)砂土型耙頭、通用型耙頭和重型耙頭。這四種耙頭的主要結(jié)構(gòu)尺寸和特點(diǎn)各不相同，如活動(dòng)罩內(nèi)部腔體大小、高壓沖水噴嘴布置、耙頭總重以及固定體吸口與耙吸管面積的匹配等，以此讓系列化耙頭適應(yīng)不同的疏浚土質(zhì)要求，最大程度地發(fā)揮系列化耙頭有針對性的挖掘性能。系列化耙頭分類詳見表1。

表1 系列化耙頭分類Table1 Classification of serialdrag heads

2 耙頭關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 耙頭內(nèi)部流場模擬與分析

1）模型的建立和簡化

以通途輪黏土耙頭為例，對該耙頭進(jìn)行了介質(zhì)為清水的流場數(shù)值模擬計(jì)算。耙頭的內(nèi)腔流體區(qū)域模型進(jìn)行了簡化處理：假設(shè)流體僅從耙齒后方的空隙處和引水窗處進(jìn)入內(nèi)腔，耙頭進(jìn)口外流場區(qū)域做加大處理，并將邊界設(shè)定在這塊流體區(qū)域的外面，即自由出流邊界，同時(shí)對耙頭流體出口區(qū)域做延長處理，并給定出口處的速度邊界。

2） 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算采用RNG k-ξ模型，數(shù)值解法采用SIMPLEC解法，各離散項(xiàng)都采用二階精度。

3） 計(jì)算結(jié)果分析

分析數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)在活動(dòng)罩內(nèi)部加弧形導(dǎo)流板前腔體內(nèi)部漩渦區(qū)較大，且漩渦區(qū)后面存在大量的低流速區(qū)域，而靠近腔體下底部的區(qū)域流速較高；加弧形導(dǎo)流板后，腔體內(nèi)部的漩渦區(qū)消失，活動(dòng)罩腔體內(nèi)流體流動(dòng)順暢，固定體內(nèi)流體流速均勻，整個(gè)流場的高流速區(qū)域集中在耙齒間隙處和引水窗處。后續(xù)研究表明泥沙和清水在活動(dòng)罩弧形板處存在分層現(xiàn)象，且泥沙在下，清水在上，因此設(shè)置弧形導(dǎo)流板極有必要，有利于泥沙和清水的混合。利用這種方法分析了幾種黏土耙頭方案，最終得到了流場較優(yōu)的耙頭方案。

同理，系列化耙頭均采用此方法對耙頭方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 耙頭整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和分析

1） 模型的建立

根據(jù)流場分析優(yōu)化后的耙頭方案（還以黏土耙頭為例），建立了黏土耙頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的有限元模型。黏土耙頭的主結(jié)構(gòu)由薄鋼板焊接而成，因此選用軟件內(nèi)的板殼單元對建立的黏土耙頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證計(jì)算模型能與實(shí)際比較接近。

2） 邊界條件設(shè)定

在考慮動(dòng)載系數(shù)的情況下，將船舶施加給耙頭的拖拽力與耙頭所承受的其他載荷進(jìn)行載荷組合，并將組合后的載荷施加在所建立的模型上，通過有限元軟件獲取計(jì)算結(jié)果。由于耙頭類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此在固定體法蘭等處施加位移約束，以保證模型的邊界條件與黏土耙頭的實(shí)際工作情況一致。

3） 計(jì)算結(jié)果分析

固定體30°、活動(dòng)罩0°時(shí)耙頭整體變形矢量圖及位移云圖如圖1。

從圖1中可知，耙頭在各種載荷的共同作用下產(chǎn)生了一定的變形，這種變形會(huì)影響活動(dòng)罩的轉(zhuǎn)動(dòng)和油缸的伸縮，綜合考慮各種技術(shù)參數(shù)，認(rèn)為這種變形不會(huì)影響耙頭各部件的使用和運(yùn)轉(zhuǎn)。耙頭各部分的最大應(yīng)力值為230 MPa，耙頭主結(jié)構(gòu)制造材料為Q345，在安全系數(shù)取1.3的情況下，最大應(yīng)力值未超過制造材料的許用應(yīng)力，則耙頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則要求，耙頭可正常施工。由于采用了有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，因此能更有把握地根據(jù)計(jì)算結(jié)果對耙頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以盡量減輕耙頭的重量，節(jié)省制造成本。

圖1 耙頭整體變形矢量圖及位移云圖Fig.1 The vector diagram and displacementnephogram of drag head deformation

2.3 耙頭高壓沖水噴嘴性能研究

在耙頭固定體水箱底部的耐磨塊和活動(dòng)罩耙齒等處安裝有一定數(shù)量的不同直徑的高壓沖水噴嘴。由高壓沖水泵供給一定壓力的水流經(jīng)沖水噴嘴后形成高速射流，該射流會(huì)沖擊和破碎泥面以輔助耙破土。為使耙頭高壓沖水噴嘴的性能最優(yōu)，通過CFD軟件對噴嘴性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算，選取了適合4種耙頭的高壓沖水噴嘴的形狀和直徑。

1）不同形狀的噴嘴

本文模擬了3種類型的噴嘴，分別為直形噴嘴、錐形噴嘴和錐-直形噴嘴，噴嘴速度矢量分布見圖2。

圖2 噴嘴速度矢量分布圖Fig.2 Nozzle velocity vector distribution

由圖2可知，錐-直形噴嘴射流流速無論在方向上還是在大小上，分布都極為均勻集中，其噴射效率最高，因此選定錐-直形噴嘴作為系列化耙頭的高壓沖水噴嘴類型。

2）不同長度的噴嘴

同樣，建立相同直徑的3種長度噴嘴的CFD模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

通過分析和對比計(jì)算結(jié)果可知，噴嘴長度越長，高速的射流會(huì)傳遞更遠(yuǎn)，到達(dá)泥面時(shí)的流速將越大，但射流通過較長噴嘴時(shí)的水力損失會(huì)增加。綜合考慮高速射流流場分布和總壓分布的情況下，選定了適合4種耙頭使用的一定長度的噴嘴，以發(fā)揮耙吸船高壓沖水系統(tǒng)的最大潛力，更好地幫助耙頭破土。

3 耙頭應(yīng)用情況

1）通途輪海南八所航道施工

2012年1—3月，安裝有系列化耙頭的通途輪在海南八所開展航道施工。八所航道土質(zhì)構(gòu)成較復(fù)雜，有黏土夾砂、粉土、礫石、鵝卵石、珊瑚礁、花崗巖等。其中左耙為密實(shí)砂土型耙頭，右耙為黏土型耙頭。

現(xiàn)場土質(zhì)情況雖比較復(fù)雜，但黏土占比較大且黏性大不易開挖，其中左耙最大進(jìn)艙密度為1.52 t/m3，平均進(jìn)艙密度為1.18 t/m3；右耙最大進(jìn)艙密度可達(dá)到1.58 t/m3，平均進(jìn)艙密度為1.2 t/m3。對比數(shù)據(jù)可知黏土型耙頭挖掘效果好于密實(shí)砂土型耙頭，這在一定程度上證明黏土型耙頭針對黏土的挖掘能力較強(qiáng)。

2） 通途輪新港30萬t航道施工

通途輪2012年5月開始在天津新港30萬t航道開展航道施工，此時(shí)左、右耙均為密實(shí)砂土型耙頭。查閱天津新港30萬t航道地質(zhì)勘察資料可知，通途輪施工段的土質(zhì)為5級粉質(zhì)黏土夾雜10級砂質(zhì)粉土，平均標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到31，最高達(dá)到71，屬于N值在30以上的較硬、不易開挖土質(zhì)。2012年9月后，通途輪耙頭更換為密實(shí)砂土改進(jìn)型耙頭，更換后的耙頭挖泥濃度和效率明顯提高。

施工數(shù)據(jù)表明，左耙最大進(jìn)艙密度為1.6 t/m3，平均進(jìn)艙密度為1.26 t/m3；右耙最大進(jìn)艙密度為1.6 t/m3，平均進(jìn)艙密度為1.25 t/m3。數(shù)據(jù)分析說明改進(jìn)后的密實(shí)砂土型耙頭在挖掘這種密實(shí)的粉質(zhì)黏土和砂土?xí)r，挖掘性能相當(dāng)優(yōu)良，說明設(shè)計(jì)這種有針對性的系列化耙頭是極其必要的。通途輪使用該款耙頭后，平均進(jìn)艙密度和產(chǎn)量相較以往有較大的提高。與采用國外引進(jìn)耙頭的國內(nèi)船舶在此工地施工時(shí)平均進(jìn)艙密度1.14 t/m3相比，該款耙頭挖掘能力提高了1倍。同時(shí)，與國外同類型船舶在此施工時(shí)平均進(jìn)艙密度1.21 t/m3相比，其挖掘能力也較強(qiáng)[4]。

3） 通遠(yuǎn)輪新港30萬t航道施工

2012年9月，安裝有通用型耙頭的通遠(yuǎn)輪也參加了新港30萬t航道的施工，現(xiàn)場土質(zhì)情況與通途輪所挖掘的土質(zhì)類似。

施工數(shù)據(jù)表明，左耙最大進(jìn)艙密度為1.43 t/m3，平均進(jìn)艙密度為1.21 t/m3；右耙最大進(jìn)艙密度為1.56 t/m3，平均進(jìn)艙密度為1.23 t/m3。分析數(shù)據(jù)可知，針對這種N值較大的土質(zhì)，通用型耙頭的挖掘能力弱于密實(shí)砂土型耙頭的挖掘能力，但是船舶的平均進(jìn)艙密度總體還是較高，結(jié)果甚至超出了制定通用型耙頭方案的初衷，說明通用型耙頭在挖掘N值在30左右的土質(zhì)時(shí)挖掘能力也是比較強(qiáng)。通用型耙頭存在的意義在于：一旦現(xiàn)場土質(zhì)的N值在30以下，構(gòu)成既有黏性不大的黏土也有密實(shí)性的砂土，施工中可免于來回更換黏土型耙頭和密實(shí)砂土型耙頭，而直接采用通用型耙頭進(jìn)行施工，避免了因土質(zhì)變化多樣導(dǎo)致選擇耙頭困難。

4 結(jié)語

本文提出了一種新的耙頭分類方法，即根據(jù)耙吸施工中所碰到的典型土質(zhì)將耙頭分為4類，而這4種類型的耙頭形成了系列化耙頭。由于本項(xiàng)目的開展，耙吸船有了更多可供選擇的耙頭類型，耙吸施工更具針對性，而系列化耙頭的實(shí)際應(yīng)用情況也說明這種分類方法有其實(shí)際意義。在設(shè)計(jì)過程中，從流場、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及噴嘴性能研究三個(gè)方面對系列化耙頭進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬計(jì)算，積累了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。與此同時(shí)，大量的實(shí)船試驗(yàn)表明，系列化耙頭在實(shí)際使用過程中具有挖掘能力強(qiáng)、進(jìn)艙濃度高、高壓沖水噴嘴配置合理等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高大型耙吸挖泥船的施工效率。在實(shí)際工程應(yīng)用中也將系列化耙頭所表露的一些問題進(jìn)行了處理和改進(jìn)，進(jìn)而讓系列化耙頭的優(yōu)良性能得以更好發(fā)揮。通過系列化耙頭的研發(fā)，制定了本單位耙頭設(shè)計(jì)規(guī)范流程，為挖泥機(jī)具設(shè)計(jì)人員提供了一定的技術(shù)參考。

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[3] 洪國軍，王健，林風(fēng).自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗(yàn)研究[J].中國港灣建設(shè)，2008（4）：19-22.HONG Guo-jun,WANG Jian,LIN Feng.Model experiments of draghead on training suction hopper dredger[J].China Harbour Engineering,2008(4)：19-22.

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